DE69034126T2

DE69034126T2 - Stereolithographische Formgebungstechniken

Info

Publication number: DE69034126T2
Application number: DE69034126T
Authority: DE
Inventors: Paul Frances Saunderstown Jacobs; Charles William Santa Clarita Hull; Dennis Rollette Newhall Smalley; Joseph W. Valencia Allison
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1990-10-30
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2010-10-31
Also published as: DE69033917T2; EP0429196A3; IL96166A; CA2072136A1; ATE135952T1; ATE213457T1; HK1001556A1; SG47634A1; DE429196T1; JP3378862B2; JP2002086575A; DE69034126D1; IL96166A0; WO1991006378A1; DE69026201D1; CA2072136C; JPH05501229A; DE69026201T2; DE69033917D1; EP0429196B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Stereolithographie, welche eine Technik zur Herstellung fester, dreidimensionaler Objekte (oder "Teile") aus aushärtbaren Materialien (beispielsweise Flüssigkeiten oder flüssigkeitsähnliche Materialien wie beispielsweise Fotopolymere, sinterfähige Pulver und verbindbare Pulver) ist.
Im Speziellen bezieht sich diese Erfindung auf ein Stereolithographieverfahren zur Bildung von zumindest einem Bereich eines dreidimensionalen Objektes auf einer Schicht-für-Schicht-Basis, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In den vergangenen Jahren sind Stereolithographiesysteme in Gebrauch gekommen, wie jene welche in dem US-Patent mit der Nr. 4,575,330, welches am 11. März 1986 erteilt wurde und den Titel "Apparatus for production of three dimensional objects by stereolithography" trägt, beschrieben wurden. Grundsätzlich ist die Stereolithographie ein Verfahren zum automatischen Aufbauen von komplexen dreidimensionalen Teilen durch sukzessive Verfestigungen dünner Querschnittslagen. Diese Lagen können aus pulverisierten Fotopolymerharz-Materialien oder dergleichen bestehen. Einige Arten dieser Pulvermaterialien werden aus einem flüssigkeitsähnlichen Medium zu einem zusammenhängenden Querschnitt durch Aufschmelzen und Verfestigung umgeformt. Diese Lagen werden nacheinander aufeinander verfestigt, bis alle dünnen Lagen miteinander Verbunden sind, um das gesamte Teil zu bilden.
Fotoaushärtbare Polymere wechseln von flüssig nach fest, nachdem sie einer synergistischen Stimulation ausgesetzt wurden. Viele Fotopolymere existieren deren Fotogeschwindigkeit (die Rate der Umformung von flüssig zu fest) nach einer Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV) schnell genug ist, um sie zu geeigneten Modelaufbaumaterialien zu machen. In einem bevorzugten System erzeugt eine Strahlungsquelle (z. B. ein Ultraviolettlaser) einen Strahl, welcher zu einem klei nen intensiven Punkt fokussiert wird, welcher über die flüssige Fotopolymeroberfläche durch einen Spiegel X-Y-Scanner der Galvanometer-Bauart oder der Servo-Bauart bewegt wird. Die Scanner werden durch computererzeugte Vektoren oder ähnliches angetrieben. Das Material, dass nicht polymerisiert wird, wenn das Teil hergestellt wird, ist weiterhin verwendbar und verbleibt in der Wanne, zur Verwendung, wenn nachfolgende Teile hergestellt werden. Mit dieser Technologie könne die Teile sprichwörtlich aus einem Bottich von flüssigkeitsähnlichen Material (z. B. Harz oder Pulver) wachsen. Genauer gesagt, wachsen die Teile aus einer dünnen Schicht in der Nähe der Oberfläche des Bottichs des flüssigkeitsähnlichen Materials. In dieser Art und Weise können präzise komplexe dreidimensionale Muster schnell produziert werden. Dieses Herstellungsverfahren ist extrem leistungsfähig um schnell Design-Ideen zu einer physikalischen Form zu reduzieren, um Prototypen herzustellen.
Die Technologie verwendet typischerweise ein Stereolithographiegerät, als "SLA" bezeichnet, das im Allgemeinen einen Laser und Scanner, eine Fotopolymerwanne, eine Hebeeinrichtung und einen steuernden Computer umfasst. Das SLA ist programmiert, um automatisch ein dreidimensionales Teil herzustellen, dadurch, dass es als eine Folge von aufgebauten Querschnittsschichten gebildet wird. Stereolithographie stellt einen beispiellosen Weg dar, um schnell komplexe oder einfache Teile ohne Bearbeitung mit Werkzeugen herzustellen. Da diese Technologie von der Verwendung eines Computers abhängt, um ihre Querschnittsmuster zu erzeugen, gibt es eine natürliche Datenverbindung zu dem computerunterstützenden Design und Herstellung (CAD/CAM). Solche Systeme stellen jedoch Herausforderungen dar, in Bezug auf strukturelle Spannung, Schrumpfung, Kräuseln und andere Verzerrungen, sowie bezüglich Auflösung, Geschwindigkeit, Genauigkeit und Schwierigkeiten bei der Herstellung bestimmter Formen von Objekten.
Verwandte Patente und Patentanmeldungen
Auf die folgenden US-Patente und US-Patentanmeldung wird zur Darstellung des Standes der Technik Bezug genommen. US-A-4,575,330, US-A-5,130,064, US-A-5,184,307, US-A-5,059,359, US-A-5,104,592, US-A-4,999,143, US-A-5,015,424, US-A-5,076,974, US-A-5,182,056, WO-90/03255.
Die US-A-5,130,064 beschreibt einige Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung. Die US-A-5,184,307 beschreibt detaillierter das derzeit bevorzugte Stereolithographiegerät, genau so wie verschiedene Verfahren um damit Teile zu bilden. In Bezug auf den relevanten Stand der Technik wird weiterhin auf das Benutzerreferenzhandbuch der SLA-250, das Referenzhandbuch SLA-500 und auf die US-A-5,130,064 Bezug genommen.
Die US-A-4,575,330 von Hull diskutiert die Stereolithographie im Allgemeinen. Es lehrt die komplette Polymerisierung jedes Querschnitts bei der Bildung eines Stereolithographie-erzeugten Objektes.
Die US-A-5,104,592 beschreibt verschiedene Verfahren zur Verringerung der Verzerrung durch Wellen.
Die US-A-4,999,143 beschreibt die Verwendung von Bahnstützen zum Unterstützen und minimieren des Kräuselns in einem herzustellenden Teil.
Die US-A-5,015,424 beschreibt die Verwendung von "Smalleys" (Einkerbungen) um das Kräuseln zu minimieren.
Die US-A-5,182,056 beschreibt die Verwendung von mehrere Eindringtiefen beim Stereolithographievorgang, zusammen mit der Verwendung von Strahlprofileigenschaften in Kombination mit Parametern der Harze, um verschiedene Aushärteparameter vorherzusagen, welche mit der Bildung von Stereolithographieteilen verbunden sind. Diese Patentanmeldung beschreibt weiterhin die Rolle der Strahlprofilinformation bei der Bildung einer Hautfüllung und diskutiert verschiedene Aushärtemethoden mit multiplen Wellenlängen um die Verzerrung des Teils zu reduzieren.
Das US-Patent mit der Nr. 5,076,974 offenbart ein Verfahren zum Veredeln der Oberfläche eines Stereolithographieteils, um Unregelmäßigkeiten in einem Nachbearbeitungsschritt zu glätten.
Die PCT-Anmeldung WO 90/03255 offenbart die Verwendung einer Abziehklinge, um eine gleichmäßige Beschichtung aus Harz, von einer bekannten Dicke über jeden Querschnitt eines stereolithographischen Teils, zu erhalten, genauso wie ein System zum Beibehalten eines bekannten Oberflächeniveaus eines Aufbaumaterials, wenn das Teil aufgebaut wird.
In der normalen Praxis der Stereolithographie werden Objekte oder "Teile" auf einer Schicht-für-Schicht-Basis aufgebaut, wobei jede Schicht einen dünnen Querschnitt des aufzubauenden Teils repräsentiert. Anfängliche Herangehensweise an das Aufbauen von Teilen mittels Stereolithographie, basierten auf der kompletten Füllung (d. h. einer substantiellen Polymerisierung von allen Bereichen eines Querschnittes bis zu einer Dicke, welche zumindest so tief ist, wie die Schichtdicke) der Lagen. Diese Füllung wurde entweder durch ein Scannen eines Lichtstrahls durchgeführt, mittels eines fokussierbaren (defokussierbaren) Lichtstrahls oder durch Flutbelichtung eines geeigneten Querschnittsbildes. Die Lichtstrahlherangehensweise verwendete strickt das komplette Füllen der Querschnitte, basierend auf dem Scannen von benachbarten überlappenden Vektoren, bis das gesamte Querschnittsmuster ausgehärtet war. Diese anfänglichen Herangehensweisen litten unter verschiedenen Nachteilen, umfassend Verzerrung, Kräuselung, ungenaues Anhaften, ein Mangel an struktureller Integrität und ein Mangel an Gleichförmigkeit des Erscheinungsbild nach unten zeigender Oberflächen.
Spätere Stereolithographietechniken verwendeten ein internes Gitter von partiell ausgehärtetem Aufbaumaterial ("Kreuzschraffur" oder "Schraffur") anstelle des kompletten Füllens der aufeinanderfolgenden Querschnitte. Die internen Strukturen bestanden primär aus der Kreuzschraffur, getrennt durch nicht umgeformtes Aufbaumaterial (d. h. flüssiges Fotopolymer oder ähnliches). In dieser Herangehensweise wurden die äußeren und inneren Kanten jeder Lage durch Scannen von dem was "Umrandungsvektoren" genannt wurde, verfestigt (auch "Umrandungen" oder "Randvektoren" oder "Grenzen" genannt). Diese Vektoren trennen die inneren festen Bereiche eines Querschnitts von äußerem nicht umgeformten Aufbaumaterial. Querschnitte oder Bereiche von Querschnitten, die externe Bereiche des Teils begrenzen, werden komplett mit einer Hautfüllung bzw. Hüllfüllung gefüllt (genannt "Füllung" oder "Haut") nachdem sie mit einer gekreuzten Schraffur versehen wurden. Die Schraffur gewährleistete eine geeignete Stütze der "Haut" wenn sie erzeugt wurde, wobei eine Verzerrung minimiert wurde.
Die Haut, Kreuzschraffur und die Umrandungen schließen nicht umgeformtes Aufbaumaterial (d. h. flüssiges Fotopolymer) intern in der Struktur des Teils ein und halten es dort fest, während das Teil erzeugt wird. Das eingeschlossene nicht umgeformte Aufbaumaterial (d. h. das flüssige Fotopolymer) und das zumindest teilweise umgeformte Aufbaumaterial (d. h. zumindest teilweise ausgehärtetes Polymer), das die Umgrenzungen, die Schraffur und die Haut bildet, werden, in einem späteren Vorgang der als "Nachhärten" bekannt ist, vollständig umgeformt (d. h. zur Polymerisierung gebracht).
Ein vergleichsweise extensives Nachhärten, kann erforderlich sein, wenn das interne Kreuzschraffurgitter nur diskrete X-Z und Y-Z Ebenen oder ähnliches definiert, die voneinander mit mehr als der Breite beabstandet sind, die durch einen Strahl ausgehärtet wurde, da in solchen Fällen lange vertikale Korridore von nichtpolymerisiertem Material bis zur Nachbearbeitung im wesentlichen unausgehärtet verbleiben.
Stereolithographieaufbautechniken resultierten gelegentlich in nach unten zeigenden Merkmalen, welche eine "waffelartige" Erscheinungsform und Textur aufwiesen. Diese Erscheinungsform und Textur lag an ungeeigneten Aushärtetechniken die in Bereichen der Lagen verwendet wurden, welche nach unten zeigende Strukturen beinhalten. Wenn nach unten zeigende Strukturen bzw. Merkmale sowohl eine Schraffur als auch eine Hautfüllung bzw. Hüllfüllung bekommen, kann es eine Überbelichtung der Bereiche geben, an denen die Schraffur und die Füllung zusammenfallen. Ähnlich kann eine Überbelichtung an den Kreuzungspunkten der Kreuzschraffurvektoren auftreten. In der Vergangenheit war es möglich, die Anforderungen einer gleichmäßigen Aushärtetiefe für nach unten zeigende Strukturen zu ignorieren, da andere genauigkeitsbezogene Fehler diesen Effekt überlagerten. Da jedoch die Stereolithographietechnik nach einem immer höheren Genauigkeitsniveau strebt und dieses auch erreicht, können Ungenauigkeiten wie diese nicht länger übersehen werden. Traditionell waren die Verfahren zum Schätzen der Hauttiefe nur Schätzungen welche eine entfernte Verbindung zu tatsächlichen experimentellen Daten oder theoretischen Erwartungen hatten. Die tatsächlichen Hauttiefen, welche durch diese traditionellen Herangehensweisen erhalten wurden, hingen stark von den Eigenschaften des Strahlprofils, dem Ab stand der Hautvektoren, der Zeichengeschwindigkeit und den Eigenschaften des Harzes ab.
Diese Parameter wurden jedoch nicht koordiniert, um eine spezielle Hautdicke zu gewinnen. Beispielsweise konnten Hautdicken, welche 0,508 mm (20 mils) betragen sollten, leicht von 0,331 bis 0,635 mm (15–25 mils) betragen. In der Vergangenheit wurde diese Art von Dickenbereich toleriert, aber da die Technik der Stereolithographie weiter fortschreitet, gibt es eine verstärkte Notwendigkeit für genauere und weniger mühsame Methoden zum Vorhersagen der benötigten Belichtung, um eine gewünschte Hautdicke zu erhalten.
Aus der EP-A-0,250,121 ist ein Stereolithographiegerät und ein entsprechendes Verfahren zum Schicht-für-Schicht-weisen Aufbauen eines dreidimensionalen Objekts aus einem flüssigkeitsähnlichem Material bekannt, welches verfestigbar ist, nachdem es einer synergistischen Stimulation ausgesetzt wird. Das beschriebene Gerät umfasst einen Laser, der einen Strahl über einen Strahlmodulator und einen Deflektor auf die jeweilige Lage abgibt. Der Strahlmodulator und -deflektor empfängt eine Dateneingabe von einem Computer oder einem Speichermedium. Der modulierte und abgelenkte Strahl trifft auf eine Lage einer verfestigbaren Flüssigkeit, die sich in einer Verfestigungsebene befindet. Die verfestigbare Flüssigkeit ist in einem Behälter angeordnet, der auf einem Behälterpositionierungsmechanismus gelagert ist. Die Daten, welche von dem Strahlmodulator und - deflektor empfangen werden, können von jeder geeigneten Art sein und sind typischerweise im Rasterformat, im Vektorform oder in Kombinationen daraus bereitgestellt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Vorgehensweise des Standes der Technik, wird die verfestigbare Flüssigkeit durch ein konventionelles Projektionssystem zusammen mit fotographischen Belichtungsmasken belichtet. Das Muster das auf die Flüssigkeit projiziert wird, wird in zwei komplementäre Mustermasken zerteilt. Die entsprechende aushärtbare Lage wird durch jede der komplementären Mustermasken separat belichtet, so dass Verzerrungen aufgrund des Schrumpfens, dass der ersten Belichtung folgt, zumindest teilweise während der zweiten Belichtung kompensiert werden.
Gemäß der EP-A-0 388 129 (welche Stand der Technik gemäß Artikel 54 (3), (4) EPÜ ist, insoweit die benannten Staaten DE, FR, GB und NL betroffen sind und welcher als nächstkommender Stand der Technik angesehen wird) ist ein weiteres Stereolithographiegerät bekannt zum Aufbauen eines dreidimensionalen Objekts in Schicht-für-Schicht-Weise aus einem flüssigkeitsähnlichen Material, das aufgrund der Belichtung durch synergistische Stimulation aushärtbar ist. Ein Gerät nach diesem Ansatz gemäß dem Stand der Technik umfasst einen Tank, welcher das flüssigkeitsähnliche Material beinhaltet und einen Elevator und ähnliches, einen Strahlscannbereich, um einen Belichtungsstrahl zu fokussieren, um eine Flüssigkeitsoberfläche des flüssigkeitsähnlichen Materials zu Scannen, und einen Steuerungsbereich zum Steuern des Betriebs des Strahlsscannbereichs und des Elevators. Der Strahlscannbereich ist dazu geeignet, den Belichtungsstrahl in einer ersten Scannrichtung relativ zur Flüssigkeitsoberfläche und einer zweiten Scannrichtung rechtwinklig zu der ersten Richtung abzulenken. Mittels eines solchen Strahlscannbereichs kann das Stereolithographiegerät ein Rasterscannen und ein Vektorscannen der entsprechenden Lagen ausführen. Im Rasterscannmodus werden die Lagen durch ein Scannen des Strahlpunktes in einer geraden linienförmigen Hauptscannrichtung über die Lage belichtet, so dass sich eine Vielzahl von parallel erstreckenden belichteten Linien ergeben. Im Vektorscannmodus erfolgt das Scannen in der Scannrichtung, welche eine Richtung ist, die durch Vektordaten definiert wird. Gemäß des diskutierten Verfahrens, wird das Vektorscannen dazu verwendet, die Umrandungsbereiche der Lagen zu belichten, wohingegen das Rasterscannen verwendet wird, um die Nichtumrandungsbereiche der Lagen zu belichten.
Aus dem Dokument JP 01 237 122 ist ein Stereolithographieverfahren zur Bildung eines dreidimensionalen Objekts bekannt, wobei fotoausgehärtete Punkte in Linien mittels eines sich bewegenden An-Aus-Lichtpunktes verbunden werden. Die nicht lichtausgehärteten Bereiche zwischen den lichtausgehärteten Punkten werden später durch einen großen Lichtstrom lichtausgehärtet.
Das Dokument JP 01 232 026 offenbart ein Stereolithographieverfahren zur Bildung eines dreidimensionalen Objekts, welches einen Lichtstrom verwendet, welcher eine poröse Maske durchdringt. Nach der Maske umfasst der Lichtstrom eine Struktur von Bereichen mit hoher Festigkeit die in Bereichen niedriger Festigkeit verteilt sind, um die flüssige Substanz zu einer unterschiedlichen Stärke lichtauszuhärten.
Im Hinblick auf das obige ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein verbessertes stereolithographisches Verfahren und ein Gerät bereitzustellen, welche wesentlich die horizontalen Verzerrungen innerhalb der Lagen des dreidimensionalen Objekts verringert.
Dieses Ziel wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren Berandungen bereit, welche zu jedem Querschnitt passen und stellt Querschnitte mit zumindest zwei Typen von nicht parallelen Schraffurvektoren bereit, wobei eine effektive Bindung (welche geeignet ist, um eine signifikantes Kräuseln zu übertragen) nur an den überlappenden Punkten zwischen den Vektoren der zwei Schraffurtypen vorhanden ist. Zusätzlich sind die Schraffurvektoren jedes Typs so eng wie möglich zueinander beabstandet ohne das sie so eng beabstandet sind, dass sie Kräuseln in benachbarte Vektoren einbringen oder Kräuseln von durch benachbarten Vektoren eingebracht bekommen.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren die Schritte des Bereitstellens von Umrandungen, welche zu jedem Querschnitt passen und des Bereitstellens von Querschnitten mit zumindest zwei Typen von nichtparallelen Schraffurvektoren welche versetzt von ihren entsprechenden Typen auf der vorherigen Lage sind, wobei eine effektive Anhaftung zwischen den Querschnitten (welche geeignet ist signifikantes Kräuseln zu übertragen) nur in der Nähe der überlappenden Punkte zwischen den Vektoren der zwei Schraffurtypen der vorliegenden Lage auftritt. Zusätzlich sind die Schraffurvektoren jedes Typs so eng wie möglich zueinander beabstandet, ohne dass sie so eng beabstandet sind, dass sie Kräuseln in benachbarte Vektoren einbringen oder durch benachbarte Vektoren Kräuseln in sie eingebracht werden oder sie Kräuselungen von einem Vektor zu einem anderen Vektor übertragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird jeder Bereich eines Querschnitts welcher innerhalb des Objekts ist (d. h. welcher nicht einen nach unten zeigenden oder nach oben zeigenden Bereich bildet) in der Form von punktförmigen Belichtungen bzw. Punktexpositionen "Bullets" (Kugeln) ausgehärtet. Die punktförmigen Belichtungen auf aufeinanderfolgenden Schichten sind voneinander versetzt angeordnet und die Kugeln werden ungefähr zu einer Tiefe einer Schichtdicke ausgehärtet. Die Beabstandung der punktförmigen Belichtungen in einer einzelnen Lage ist so eng zusammen wie es vernünftig ist ohne, dass das Material, dass im Zusammenhang mit jeder Kugel ausgehärtet wird, das Material beeinflusst, das im Zusammenhang mit benachbarten Kugeln ausgehärtet wird. In diesem Ansatz werden die nach oben zeigenden und die nach unten zeigenden Strukturen durch eine Vielzahl von Techniken gebildet werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Bereich eines Querschnitts, der sich innerhalb des Objekts befindet (d. h. keinen nach unten zeigenden oder nach oben zeigenden Bereich bildet) in der Form von punktförmigen Belichtungen "Kugeln" bzw. "Bullets" ausgehärtet, wobei die Kugeln zu einer Tiefe ausgehärtet werden, welche im Wesentlichen gleich einer Dicke von zwei Lagen ist, und wobei die Kugeln auf aufeinanderfolgenden Lagen voneinander versetzt sind.
Das Positionierungsmuster wird in jeder zweiten Schicht wiederholt und die Beabstandung der Kugeln auf jedem Querschnitt ist so, dass ihre ausgehärtete Trennung größer ist als null aber kleiner ist als ihre ausgehärtete Breite eine Schichtdicke unter ihrer oberen Oberfläche.
Die Kugeln, welche auf der gegenwärtigen Lage ausgehärtet sind, füllen im wesentlichen die Lücken bzw. Zwischenräume, die in dem vorherigen Querschnitt übrig blieben, als dieser gebildet wurde. In diesem Ansatz können die nach oben zeigenden und die nach unten zeigenden Strukturen bzw. Merkmale durch eine Vielzahl von Techniken gebildet werden.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt wird jeder Bereich eines Querschnittes, der intern zu dem Gegenstand ist, und der auf dem derzeitigen Querschnitt genauso existiert wie auf den N-1 darauffolgenden Querschnitten, in der Form von Punktexposition, "Bullets" bzw. Kugeln, ausgehärtet. Jeder Querschnitt ist in ein Muster von leicht überlappenden Kugeln geteilt. Diese Kugeln sind in N-Gruppen aufgeteilt, wobei die Kugeln, die zu aufeinanderfolgenden Gruppen zugehörig sind, verwendet werden, um Material in Verbindung mit den folgenden Querschnitten, beginnend mit dem derzeitigen Querschnitt, zu exponieren. Jede Kugel wird zu einer Tiefe ausgehärtet, die im wesentlichen gleich zu N-Schichtdicken ist. Bei dieser Lösung werden Bereiche von Querschnitten innerhalb N-2-Schichten eines nach unten freien Merkmales durch modifizierte Techniken ähnlich zu den oben beschriebenen gehandhabt, und die nach oben freien und nach unten freien Merkmale können durch eine Vielzahl von Techniken geformt sein.
Gemäß noch einem anderen Gesichtspunkt sind zumindest nach oben und nach unten freie Merkmale mit Hüllfüllung bereitgestellt, die durch Abtasten bei einem ersten Durchgang gebildet werden unter Verwendung nicht benachbarter Füllvektoren, gefolgt von Abtasten in zumindest einem zusätzlichen Durchgang, das den Expositionsprozeß durch Füllen zwischen den ursprünglich gezeichneten Vektoren vervollständigt.
Bei einem anderen Gesichtspunkt werden Bereiche von sich schneidenden Vektoren zumindest in nach unten freien Oberflächen bestimmt und die Exposition eines oder mehr der jeweiligen sich schneidenden Vektoren an diesen sich schneidenden Bereichen wird reduziert, so daß zumindest die nach unten freien Merkmale eine gleichförmige Exposition haben.
Bei einem anderen Gesichtspunkt wird ein Bereich, der eine Kombination von Schraffur- und Füllvektoren enthält, erzeugt und zu einer gleichförmigen Tiefe ausgehärtet. Die Erzeugung dieses Bereiches weist die Schritte des Erzeugens der gewünschten Schraffurvektoren und dann des Erzeugens entsprechender Hüllfülltypen auf, die nicht zu einer zusätzlichen Exposition der Bereiche ihrer entsprechenden Schraffurvektoren beitragen.
Bei einem anderen Gesichtspunkt weist ein verbessertes stereolithographisches Verfahren Bestimmen notwendiger Expositions- und Vektorabstands- und Abtast-Parameter auf, um eine bekannte Dicke einer Hüllfüllung zu erhalten.
Bei noch einem anderen Gesichtspunkt weist ein stereolithographisches Verfahren die Schritte des Aufbauens von gestapelten Schichten auf, um einen Gegenstand zu bilden, der externe Ränder, interne kreuzweise Schraffur und häutige, nach oben und unten freie Merkmale hat. Spezifisch weist dieses Verfahren die Schritte auf: (a) Auswählen von Schichten, die mit häutigen Oberflächen versehen sein sollen; (b) Bereitstellen von Einrichtungen zum Berechnen des Betrages der Gesamtexposition, die erforderlich ist, um das Aushärten der Hülle einer vorgewählten Tiefe an den ausgewählten Schichten zu erhalten, um häutige Oberflächen zu haben; (c) Bereitstellen von Einrichtungen zum Bestimmen der Anzahl von Vektoren, die jeden Bereich in den Schichten exponieren werden; und (d) Bereitstellen von Einrichtungen zum zumindest teilweisen Umwandeln (z. B. Polymerisieren) der Schichten durch Exponieren zuerst mit Randvektoren, dann mit Schraffurvektoren, und dann mit Hüllvektoren, wobei jeder Vektor eine ausreichende Exposition bereitstellt, um bis zu der vorgewählten Tiefe auszuhärten, die in Schritt (b) berechnet worden ist, geteilt durch die Anzahl anderer Vektoren, die sich mit den Vektoren bei einem gegebenen Bereich, wie in Schritt (c) bestimmt wurde, überschneiden werden.
Gemäß anderen Gesichtspunkten werden diese Verbes serungen benutzt in Kombination mit einer anderen und/oder in Kombination mit Kräuselreduktionstechniken, wie beschrieben in: US-Patent mit der Seriennummer 5,104,592; US-Patent mit der Seriennummer 5,015,424; US-Patent mit der Seriennummer 4,999,143 und den anderen zuvor zitierten Anmeldungen. Zum Beispiel ist gemäß noch einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ein verbessertes stereolithographisches Verfahren offenbart, das die kombinierte Verwendung von Schraffur mit nicht benachbarter Hüllfüllung in mehr als den nach oben und nach unten freien Merkmalen aufweist. Als ein anderes Beispiel ist ein verbessertes stereolithographisches Verfahren offenbart, das das Verfahren des Reduzierens der Exposition, wo Vektoren sich schneiden, und des Bereitstellens von Diskontinuitäten in der Hüllfüllung aufweist, um vielfache Vektorbelichtung in Bereichen zu vermeiden, wo Schraffurvektoren bereitgestellt worden sind.
Die Erfindung wird zusammen mit Zielen und verbundenen Vorteilen der verschiedenen Ausführungsbeispiele am besten aus der Durchsicht der Zeichnungen zusammen mit der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1a bis 1d zeigen gemeinsam eine Draufsicht einer Schicht, die Ränder, Schraffur und Hülle ohne Kompensation für vielfache Exposition von Aufbaumaterial an den verschiedenen Bereichen des Querschnitts zeigen. 1a bis 1d stellen jeweils dar: a) nur Ränder; b) nur Schraffur; c) nur Hülle; und d) kombinierte Vektoren.
2a bis 2d zeigen gemeinsam eine Seitenansicht 1d geschnitten durch verschiedene vertikale Ebenen. Die 2a bis 2d stellen jeweils dar: a) Wiederholung von 1d mit vertikalen Ebenen; b) eine Ansicht der Kante der Schicht längs einer Ebene 1, die die verschiedenen Tiefen zeigt, die in verschiedenen Bereichen erhalten werden; c) eine Ansicht der Kante der Schicht längs einer Ebene 2, die die verschiedenen Tiefen zeigt, die in verschiedenen Bereichen erhalten werden; und d) eine Ansicht der Kante der Schicht längs einer Ebene 3, die die verschiedenen Tiefen zeigt, die in verschiedenen Bereichen erhalten werden.
3a bis 3e veranschaulichen gemeinsam eine Draufsicht einer Schicht, die Ränder, Schraffur und Hülle zeigt, wie sie durch eine derzeit bevorzugte Technik erzeugt wird. Die 3a bis 3e stellen jeweils dar: a) nur Ränder; b) nur Schraffur; c) Hüllentyp 1; d) Hüllentyp 2; und e) kombinierte Vektoren.
4a bis 4d zeigen eine Seitenansicht der 3e, geschnitten durch drei verschiedene vertikale Ebenen. Die 4a bis 4d stellen jeweils dar: a) Wiederholung von 3e mit vertikalen Ebenen; b) eine Ansicht der Kante der Schicht längs einer Ebene 1, die die verschiedenen Tiefen zeigt, die in verschiedenen Bereichen erhalten werden; c) eine Ansicht der Kante der Schicht längs einer Ebene 2, die die verschiedenen Tiefen zeigt, die in verschiedenen Bereichen erhalten werden; d) eine Ansicht der Kante der Schicht längs einer Ebene 3, die die verschiedenen Tiefen zeigt, die in verschiedenen Bereichen erhalten werden.
5a und 5b veranschaulichen die Profile eines ausgehärteten "Strangs", entsprechend zu dem Aushärten, das durch einen einzigen Vektor erzeugt wird.
6a und 6b zeigen nach unten freie Oberflächenprofile und Teile, die in Übereinstimmung mit Beispiel II unten hergestellt wurden.
7a bis 7c zeigen einen Vergleich zwischen traditionellen Vektoranordnungstechniken und Beispielen verschiedener Vektoranordnungstechniken einiger der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. 7a stellt eine Draufsicht eines Querschnitts eines Gegenstandes dar, die eine benachbarte Zeichenordnung für die Vektoren zeigt. 7b stellt den gleichen Querschnitt dar, aber ausgefüllt unter Verwendung einer nicht benachbarten Ordnung, die den Querschnitt in zwei Durchgängen ausfüllt. 7c stellt den gleichen Querschnitt dar, aber ausgefüllt unter Verwendung einer nicht benachbarte Ordnung, die den Querschnitt in drei Durchgängen ausfüllt.
8a bis 8i veranschaulichen gemeinsam die verwendeten Vektoren und die Aushärttiefen, die für einen Abtastquerschnitt unter Verwendung des Aufbau-Ausführungsbeispiels durch "Weben" erhalten worden ist. 8a, 8c und 8e stellen jeweils Draufsichten von Grenzvektoren, X-Schraffurvektoren und Y-Schraffurvektoren dar. 8b, 8d und 8f stellen Seitenansichten des Materials dar, das in Verbindung mit 8a bzw. 8c bzw 8i ausgehärtet wurde. 8g stellt eine Draufsicht der Kombination von Material dar, das durch die individuellen Vektortypen der 8a, 8c und 8f ausgehärtet wurde. 8h und 8i stellen eine Seitenansicht der Aushärttiefen dar, verbunden mit zwei verschiedenen vertikalen ebenen Schnittpunkten des Querschnitts von 8g.
9a und 9b zeigen gemeinsam eine Seitenansicht, die den Unterschied zwischen Stapeln einer Richtung kreuzweiser Schraffur aufeinander von Schicht zu Schicht und Staffeln der Schraffur von Schicht zu Schicht anzeigen. 9a stellt eine Seitenansicht von Schraffur dar, die von Schicht zu Schicht aufeinander gestapelt ist. 9b stellt eine Seitenansicht von Schraffur dar, die von Schicht zu Schicht gestaffelt ist.
10a bis 10c zeigen gemeinsam die Konfiguration von Kugeln, die in Verbindung mit einer Durchführung des siebten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ausgehärtet wurden. 10a stellt eine Draufsicht der Ränder und Kugeln dar, die auf einem ersten Querschnitt ausgehärtet wurden. 10b stellt eine Draufsicht der Ränder und Kugeln dar, die auf einem zweiten Querschnitt ausgehärtet wurden. Ein Vergleich der 10a und 10b zeigt an, daß die Kugeln von der ersten zu der zwei ten Schicht gestaffelt sind. 10c stellt eine Seitenansicht der Ränder und Kugeln von fünf Querschnitten dar, die einer auf den anderen gestapelt sind.
11 veranschaulicht eine Seitenansicht der überlappenden Natur der Kugeln, die beim Durchführen des achten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gebildet werden.
12 stellt den dreidimensionalen Gegenstand dar, der in Beispiel 1 verwendet wird, um die Verbesserungen von "hüllartigem" Aufbau zu testen.
13 stellt eine Draufsicht des obersten Querschnittes des Teiles von 12 dar, zusammen mit Kennzeichnungen bezüglich denen Messungen auf dem Teil gemacht wurden.
14a und 14b stellen gemeinsam eine Seitenansicht eines durch 10a, b entworfenen Gegenstandes und den Gegenstand, reproduziert gemäß der Lehre des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dar. 14a stellt den durch CAD entworfenen Gegenstand dar und 14b stellt die Reproduktion dar.
15a, 15b und 15c stellen gemeinsam das Teil dar, das in dem Experiment von Beispiel VI verwendet wird. 15a stellt eine dreidimensionale Ansicht des Teils dar. 15b stellt eine Draufsicht des Teils dar. 15c stellt eine übertriebene Draufsicht der Verwindung des Teils nach Nachaushärten dar.
16a, 16b und 16b' stellen gemeinsam Probequerschnitte eines Gegenstandes zum Zwecke der Unterscheidung von nach oben freien und nach unten freien Merk malen eines Gegenstandes und die Beziehung von solchen Merkmalen zu Unterbereichen jedes Querschnittes dar. 16a stell eine Draufsicht der begrenzten und unbegrenzten Bereiche eines einzelnen Probequerschnittes dar. 16b stellt eine Seitenansicht von drei Probequerschnitten eines Gegenstandes dar. 16b' stellt eine Seitenansicht der Unterbereiche des mittleren Querschnittes dar.
17a bis 17g veranschaulichen verschiedene Muster und Formen des Kachelns und der schwachen Biegungsachsen, wenn vorhanden, verbunden mit jeder Muster-/Form-Kombination.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die derzeitige Erfindung richtet sich alpin oder in Kombination auf vier Verbesserungen bei stereolithographischen Verfahren. Diese sind:

1. Verfahren zum Erhöhen struktureller Integrität beim Reduzieren des Bedürfnisses nach Nachaushärten;
2. Verfahren zum Erhalten gleichmäßiger Exposition in Bereichen von sich überschneidenen Vektoren verschiedener Typen;
3. Verfahren zum Bestimmen der Aushärttiefe; und
4. Verfahren, die darauf zielen, Verwindung aufgrund von Schrumpfen, Kräuseln und Nachaushärten zu reduzieren.

Obwohl diese vier Gesichtspunkte der Erfindung untereinander eng verwandt sind und oft kreuzweise abhängig sind, wird man sich in dieser detaillierten Beschreibung ihnen nacheinander zuwenden, und sie werden auch in den Beispielen unten veranschaulicht werden.
Definitionen
"Strahlprofile" stellen die Energieverteilung der Strahlung in einem Strahl von ultraviolettem Licht oder ähnlichem dar, der verwendet wird, um Photopolymer oder andere aushärtbare Materialien in Übereinstimmung mit stereolithographischen Praktiken auszuhärten.
"Aufbaumaterialien" sind Materialien, die bei der vorliegenden Erfindung zum Bilden von dreidimensionalen Teilen verwendet werden können. Die akzeptierbaren Aufbaumaterialien sind Materialien, die sich von einem Zustand zu einem anderen Zustand in Antwort auf Exposition gegenüber synergistischer Stimulierung umwandeln können. Die beiden Zustände sind dann trennbar nach Exposition einer einzelnen Schicht gegenüber synergistischer Stimulierung oder trennbar nach Vervollständigung einer Vielzahl von Schichten. Die am meisten bevorzugten Materialien sind Materialien, die sich von einem fluidähnlichen Zustand zu einem kohäsiven Zustand oder festen Zustand umformen. Diese Materialien umfassen flüssige Photopolymere, sinterbare Pulver, bindbare Pulver oder ähnliches. Vor der Exposition gegenüber geeigneter synergistischer Stimulierung (z. B. IR-Strahlung von einem Kohlenstoff-Dioxid-Laser oder ähnlichem) sind die sinterbaren Pulver in einem fluidähnlichen Zustand, da die Pulverpartikel durcheinanderfließen können, wobei nach dem Sintern die Pul verpartikel verbunden sind, um eine fest zusammenhängende Masse zu bilden. Ähnlich sind die bindbaren Pulver in einem fluidähnlichen Zustand vor der Exposition gegenüber geeigneter synergistischer Stimulierung (z. B. einem chemischen Binder, der in das Pulver in einer ausgewählten oder gesteuerten Weise ausgegeben wird), wobei nach Exposition der Binder sich setzt und das Pulver (und der Binder) eine fest zusammenhängende Masse bilden. Die bevorzugtesten der obigen Materialien für die vorliegende Erfindung sind die Materialien vom Photopolymertyp. Andere akzeptierbare Materialien umfassen relativ feste Blätter von Material, das umwandelbar von einem Zustand zum anderen ist. Diese blätterähnlichen Materialien umfassen Photopolymermaterialien vom "trockenen Schicht-"typ, die verfestigt werden können nach Exposition gegenüber einer geeigneten synergistischen Stimulierung, wobei nach Exposition die exponierten und nicht exponierten Materialien getrennt werden können durch unterschiedliche Lösbarkeit in einem geeigneten Lösungsmittel.
"Bullets" bzw. Kugeln sind Volumen eines Aufbaumaterials, die in Antwort auf einen Strahl synergistischer Stimulierung, der das Material im wesentlichen einzeln in nicht überlappenden Punktbestrahlungen exponiert, verfestigt sind. Die gewöhnliche Form des ausgehärteten Materials ist ähnlich der einer Geschoßkugel. 5b stellt eine Querschnittsansicht einer Linie oder eines Vektors von Material dar, das durch einen Bestrahlungsstrahl ausgehärtet worden ist. Es kann genausogut interpretiert werden als Darstellung einer zweidimensionalen Ansicht einer Geschoßkugel, wobei die dreidimensionale Geschoßkugel das Drehungsvolumen sein würde, das durch Rotieren des Gegenstandes um eine vertikale Achse durch sein Zentrum gebildet wird.
"Effektive Aushärtbreite" (ECW) ist ein Abstand, der gleich zweimal der nähestmöglichen Beabstandung von zwei Vektoren voneinander ist, die eine gegebene individuelle Aushärttiefe ergeben wird (d. h. eine Aushärttiefe, die jedem Vektor zugeordnet ist) ohne meßbares Erhöhen der Aushärttiefe der Kombination. Für die bevorzugten Strahlprofile und Aushärtungen ist die effektive Aushärtbreite (CW) immer kleiner als die maximale Aushärtbreite (MCW), d. h. die Breite des befestigten Stranges der Aufbaumaterialoberfläche, so daß verschiedene Linien von verfestigtem Material zusammengehängt werden können ohne ein Anwachsen in der Aushärttiefe. Zum Beispiel kann in 5b die horizontale Trennung zwischen den Linien 118 und 120 die ECW für den Strang 100 darstellen. Typischerweise stellt eine Hälfte der ECW den nächsten Punkt dar, an den eine ähnliche Linie von Material sich an Strang 100 annähern kann, ohne meßbar seine maximale Aushärttiefe zu erhöhen. Allgemeiner ist die ECW ein Bereich, der die Zentrumslinie eines Stranges, z. B. Strang 100, umgibt, die die naheste Position darstellt, die ein ande rer Strang von willkürlicher Dicke und Richtung (aus verfestigtem Material) oder eine Menge von Strängen von Material sich dem ersten Strang annähern können, ohne daß daraus resultiert, daß die maximale Aushärtdicke der Kombination meßbar größer ist als die maximale Dicke jedes Stranges ist. Wenn zwei nicht parallele Vektoren sich in einem Schnittpunkt annähern, ist der Überschußexpositionspunkt, "EEP" (der Punkt, bei dem die Kombination ein meßbares Anwachsen in der Aushärttiefe verursachen wird) bestimmt durch das Strahlprofil und den Annäherungswinkel der beiden Vektoren. Wenn die Vektoren senkrecht zueinander sind, ist der Überschußexpositionspunkt 1/2 der ECW. Wenn die Vektoren sich einander bei einem 45° Winkel annähern, ist der Überschußexpositionspunkt bei 1/2 × 1,414 × ECW. Eine ungefähre Beziehung zwischen ECW dem Annäherungswinkel und dem EEP ist EEP = (1/2) × ECW/SIN(A),wobei A der Winkel zwischen den Vektoren ist. Eine genauere Beziehung kann aus der Information abgeleitet werden, die das Strahlprofil, die Aushärtungstiefe, die Aufbaumaterial-Antwortcharakteristiken und die Schnittrichtung der Vektoren betrifft.
"Schichten" sind die inkrementale Dicke zwischen aufeinanderfolgenden Querschnitten, in die ein Gegenstand geteilt ist. Diese Schichten bilden die Basis für die Dicke des Aufbaumaterials (z. B. Photopolymer). Sie müssen ausreichende Exposition gegenüber synergistischer Stimulierung (z. B. ultraviolettem Licht oder anderer polymerisierender Strahlung) empfangen, um sich von ihrem fluidähnlichen Zustand in eine kohäsive Struktur zu transformieren. Die Schichten sind so konstruiert, daß sie aneinander anhaften und zusammen ein verfestigtes (z. B. polymerisiertes oder teilweise polymerisiertes) stereolithographisch hergestelltes Teil bilden.
"Maximale Aushärttiefe (MCD)" und "Maximale Aushärtbreite (MCW)" bezieht sich jeweils auf die tiefste und breiteste Aushärtung, die erreicht wird, wenn eine einzelne Linie oder eine Kugel von unausgehärtetem Aufbaumaterial gegenüber synergistischer Stimulierung exponiert wird. Die maximale Aushärttiefe ist im allgemeinen das, was als die Aushärttiefe der Rand- und Schraffurlinien bezeichnet wird. Da der Lichtstrahl im allgemeinen nicht von konstanter Intensität über seine Breite ist, erzeugt die Aushärttiefe und -breite, die durch diesen Strahl, der über eine Linie ein- oder mehrmals geführt wird, verursacht wird, keine gleichförmige Tiefe und Breite der Aushärtung. Die maximale Aushärttiefe tritt im allgemeinen nahe der Mitte eines Querschnittes der Spur auf, kann aber tatsächlich irgendwo auftreten, abhängig von der Verteilung der Intensität in dem Strahlpunkt. Sie kann auch von der Abtastrichtung des Strahles beim Bilden der Spur abhängen. Die maximale Breite der Aushärtung tritt an dem Oberteil (Oberfläche) der ausgehärteten Linie von Material auf. Ein Beispiel der maximalen Tiefe und Breite der Aushärtung ist in 5a dargestellt, die eine Linie (manchmal auch Strang ("string") genannt) von Aushärtmaterial zeigt. Der Vektor 102 zeigt die Abtastrichtung an, die beim Erzeugen des Stranges von Material 100 benutzt wird. Die Oberfläche 104 stellt das verfestigte Material dar, das aus dem fluidähnlichen Material erzeugt worden ist, das Teil der Oberfläche des aushärtbaren Materials bildete. 5b stellt eine Endansicht des Stranges 100 dar. Die Linie 106 zeigt die Position des Oberteiles des ausgehärteten Stranges 100, während die Linie 108 das Bodenteil des ausgehärteten Stranges darstellt. Der vertikale Abstand zwischen 106 und 108 ist die maximale Aushärttiefe von Strang 100. Die Linie 112 stellt die am weitesten linke Ecke des Stranges 100 dar, während die Linie die am weitesten rechte Ecke des Stranges 100 darstellt. Die horizontale Trennung zwischen 112 und 114 ist die maximale Aushärtbreite des Stranges 100. Solch ein Strang 100 aus verfestigtem Aufbaumaterial kann für verschiedene Zwecke verwendet werden: (1) um Haftung zwischen der Schicht zu gewährleisten, die ihrer Erzeugung und der vorhergehenden Schicht zugeordnet ist, (2) um ein nach unten freies Merkmal eines Teiles, das erzeugt wird, zu bilden, und (3) als ein Element einer Reihe solcher Stränge aus ausgehärtetem Material, wobei die Reihe für einen der obigen beiden Zwecke verwendet werden wird. Ein nach oben freies Merkmal ist nicht umfaßt in dem obigen, da es in eine der obigen Kategorien passen kann, abhängig von der Situation. Für den ersten oben aufgelisteten Zweck kann die maximale Aushärttiefe vorzugsweise größer als die Schichtdicke sein. Die vertikale Trennung zwischen der Linie 106 und der Linie 110 stellt die Schichtdicke in solch einem Fall dar. Für den zweiten Zweck stellt die MCD die Schichtdicke dar, und für den dritten Zweck kann die vertikale Trennung zwischen der Linie 106 und der Linie 116 die Schichtdicke darstellen, da die reine Dicke des ausgehärteten Materials von den einander überlappenden Segmenten anwachsen kann.
"Überlappen" bezieht sich auf zwei oder mehr Expositionen, die einem Bereich gegeben werden, so daß ein Anwachsen der maximalen Aushärttiefe auftritt. Da Aushärtprofile nicht notwendigerweise Schrittfunktionen sind, können zwei getrennt exponierte Bereiche einander berühren und sich zu einem anderen verbinden, ohne die maximale Aushärttiefe des einen zu ändern. Wenn zwei Linien nebeneinander exponiert werden, können ihre maximalen Breiten überlappen, was in einer größeren Exposition in diesem Bereich resultiert und einem entsprechenden Anwachsen in der Tiefe. Aber, wenn diese zusätzliche Exposition in dem Bereich nahe der maximalen Aushärttiefe der einzelnen Linien nicht auftritt, wird ihre kombinierte maximale Aushärttiefe nicht im allgemeinen meßbar tiefer sein als ihre einzelnen Maxima. Überlappen bezieht sich manchmal auf Situationen, wenn zwei Expositionen Seite an Seite das Aushärten voneinander beeinflussen, wobei sie in einem Anwachsen der maximalen Aushärttiefe jeder einzeln resultieren oder auch nicht. Der Kontext, in dem der Begriff "Überlappen" verwendet wird, wird im allgemeinen seine Bedeutung klarmachen.
"Schrittperiode" (SP) ist ein Teil-Aufbau-Parameter, der die Periode zwischen jedem Laserschritt definiert.
"Schrittgröße" (SS) ist ein Teil-Aufbau-Parameter, der die Größe des Schrittes definiert, der von dem Laserstrahlpunkt auf der aufbauenden Materialoberfläche bewegt wird.
"Vektordaten" sind Daten, die die Länge und Richtung und die Länge der Bestrahlungsexposition in dem Prozeß zum Verfestigen des Aufbaumaterials in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.
"Vektoren" sind Exponierlinien, die durch die Vektorendaten definiert sind und die z. B. von einem Abtaststrahl aus ultravioletter Strahlung auf einem flüssigen Photopolymer oder andere fluidähnliche, verfestigbare Medien resultieren.
"Hüll"-Vektoren sind horizontale Oberflächen-Vektoren, die typischerweise von einem Rand zu einem gegenüberliegenden Rand bei relativ hoher Geschwindigkeit und mit einer wesentlichen Überlappung zwischen aufeinanderfolgenden Vektoren geführt werden, die im allgemeinen in entgegengesetzte Richtungen geführt werden, und typischerweise "Hüllfüllung" bilden, die zumindest die oberen und unteren horizontalen äußeren Oberflächen eines stereolithographisch gebildeten Teils bei der traditionellen Stereolithographie und bei einigen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung definieren. Typischerweise ist der Abstand von Hüllvektoren von ungefähr 0,0254 mm (1 mil) bis ungefähr 0,102 mm (4 mil) für eine maximale Aushärtbreite einer einzelnen Exposition, die ungefähr 0,356 bis 0,381 mm (14 bis 15 mil) ist. Natürlich können diese beispielhaften und veranschaulichenden Parameter wie benötigt variiert werden, basierend auf solchen Betrachtungen, wie die gewünschte Flachheit der Schichten, die Leistung des Lasers, den möglichen Geschwindigkeitsbereich der Strahlungsquelle (d. h. die maximale Zeichengeschwindigkeit), die gewünschte Schichtdicke und der Anzahl von Vektoren, die gespeichert werden sollen. Gemäß bestimmten Gesichtspunkten dieser Erfindung ist jedoch Hüllfüllung in mehr als den äußeren Oberflächen des Teiles bereitgestellt. Gemäß anderen Gesichtspunkten der Erfindung können Hüllvektoren nicht aufeinanderfolgend und/oder nicht überlappend (z. B. ein erster Durchgang bei 0,178 bis 0,203 mm (7 bis 8 mil)-Intervallen und ein darauffolgender Durchgang bei dazwischenliegenden Intervallen) gezeichnet werden. Diese und andere Gesichtspunkte werden unten im Detail beschrieben werden.
"Rand"-Vektoren werden gezeichnet, um die vertikalen äußeren Oberflächen des stereolithographisch gebildeten Teiles zu definieren (um dadurch den Bereich jedes Querschnitts zu definieren). Diese Vektoren werden im allgemeinen langsamer abgetastet als Hüllvektoren, so daß eine größere Aushärttiefe erhalten wird. Ränder, anders als Hüllfüllung, beruhen nicht auf überlappenden versetzten Durchgängen, um ihre volle Aushärttiefe zu erreichen. In Situationen, wo Bereiche einer gegebenen Schicht Bereiche der zuvor gebildeten Schicht überlappen (nicht nach unten freie Bereiche), ist es bevorzugt, daß die Aushärttiefe die Schichtdicke überschreitet, so daß sich verbesserte Haftung zwischen Schichten ergibt. In Bereichen von nach unten freien Merkmalen ist es bevorzugt, daß die reine Aushärttiefe im wesentlichen gleich der Schichtdicke ist.
"Schraffur"-Vektoren sind ähnlich Randvektoren, außer daß sie in einem im wesentlichen gleichförmigen Muster vom sich kreuzenden Typ geführt werden, um die interne Gitterstruktur des stereolithographisch gebildeten Teiles zu definieren. Wieder ist es bevorzugt, daß die Aushärttiefe die Schichtdicke überschreitet, wenn in einem nicht nach unten freien Bereich gezeichnet wird, so daß sich eine verbesserte Haftung zwischen den Schichten ergibt. Wenn in einem nach unten freien Bereich gezeichnet wird, dann ist eine Aushärttiefe in Schichtdicke bevorzugt. In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird Haftung zwischen Schichten durch die zusätzliche Aushärttiefe erreicht, die von den Schnittpunkten von zwei oder mehr Kreuzschraffurvektoren erhalten werden, wobei die Aushärttiefe der einzelnen Schraffurlinien unzureichend ist, um Kräuseln induzierernde Haftung zwischen den Schichten zu verursachen.
"Hüllenbildend" in allgemeinen Begriffen beschreibt jede Aufbautechnik, die ein im wesentlichen festes Füllmuster über einem wesentlichen Abschnitt des Querschnittsbereiches eines Teiles erzeugt.
"Vielfachdurchgang" bezieht sich auf eine Zeichentechnik, die mehr als einen Durchgang verwendet, um einen Bereich (z. B. eine Linie) zu exponieren, so daß das Material im wesentlichen reagiert ist, bevor eine direkte Haftung mit umgebenden Strukturen stattfindet. Der Zweck dieses Verfahrens ist es, Zugkräfte zwischen Schichten zu minimieren und dadurch Kräuseln zu reduzieren.
"Unterbrochene Abtastung" oder "Mauern" bezieht sich auf Abtasten eines Vektors mit periodischen Spalten, um übertragene Beanspruchung zu mildern.
"Kacheln" ist eine Technik des unterbrochenen Abtastens, die sich bei relativ breiten Bereichen entgegengesetzt zu Vektoren anwendet (die breiten Bereiche können aus Vektoren aufgebaut sein). Dieses Abtasten resultiert in unterschiedlichen Formen, die sehr eng zusammenpassen, die aber nicht aneinander angeheftet sind. Die Intention dieses Verfahrens ist es, den Prozentsatz des Aushärtens des Aufbauprozesses zu maximieren, während übertragene Beanspruchungen reduziert werden, die Kräuseln erzeugen.
"Log Jam" bezieht sich auf eine Abtasttechnik, bei der einige interne Schraffur- oder Füllvektoren von den Schichträndern zurückgezogen werden, um Anhaftung zu vermeiden, wobei nach der Exposition der Schraffur oder Füllung ein versetzter Rand oder etwas ähnliches abgetastet wird, um die Schraffur und den ursprünglichen Rand anzuheften.
"Steppen" bezieht sich auf eine Zeichentechnik, bei der zuerst jede Schicht in Flicken aufgeteilt wird durch Abtasten einer relativ breiten Kreuzschraffur-Struktur. Jeder Flicken wird dann als ein individueller abzutastender Bereich behandelt. Dieses Verfahren erleichtert Probleme, die auftreten können, wenn relativ breite Bereiche mit fließenden Materialtechniken (z. B. "Lag Jam") gezeichnet werden.
"Strongarm" bezieht sich auf eine Abtasttechnik, bei der ein nach unten freier Bereich zusätzlich exponiert wird, um ihn zusätzlich steif zu machen, um dadurch seine Fähigkeit gegenüber Kräuseln zu widerstehen zu erhöhen, die durch Anhaften mit Material von der nächsten höheren Schicht verursacht wird.
"Weben" bezieht sich im allgemeinen auf jedes Zeichenmuster, das ein nahes festes Füllmuster erzeugt, worin Vektoren bei dem ersten Durchgang (Fäden) leicht weiter voneinander beabstandet sind als die maximale Aushärtbreite (MCW) und Expositionen haben, die kleiner als die für eine Anhaftung notwendige ist (d. h. unterausgehärtet). Anhaftung wird bei einem zweiten Durchgang oder einem Durchgang höherer Ordnung durch kumulative Exposition erhalten, was in sich überschneidenden Bereichen der Fäden resultiert. Diese sich überschneidenden Bereiche werden manchmal Stiche genannt.
"Verflechten" ist ein besonderer Typ von "nicht aufeinanderfolgendem Abtasten", wobei jeder zweite Vektor bei einem ersten Durchgang eines Bereiches abgetastet wird, und die anderen Vektoren bei einem zweiten Durchgang abgetastet werden.
"Gestaffelt" bezieht sich auf ein Aufbauverfahren, wobei unterschiedliche Zeichenmuster auf abwechselnden Schichten benutzt werden. Zum Beispiel bezieht sich gestaffelte Schraffur auf Versetzen oder Verschieben der Schraffurvektoren auf jeder zweiten Schicht, so daß die Schraffurvektoren auf benachbarten Schichten nicht übereinander liegen. Der beabsichtigte Zweck dieses Verfahrens ist es, eine homogenere Struktur herzustellen und möglicherweise Kräuseln in einigen Beispielen zu reduzieren.
"Ösen (Smalleys)" bezieht sich auf eine Aufbautechnik, bei der Löcher oder Spalten an kritischen Stellen auf einem gegebenen Querschnitt plaziert werden (im allgemeinen durch den CAD-Entwurf implementiert, aber sie können aus einem Programm vom Slice-Typ auf individuelle Querschnitte implementiert werden). Sie reduzieren Kräuseln durch Unterbrechen der Ausbreitung von Beanspruchungen von einem Bereich einer Schicht zu einem anderen Bereich der Schicht.
"Nieten" oder "Nähen" bezieht sich auf eine Expositionstechnik, die verschiedene Niveaus von Exposition auf eine gegebene Schicht anwendet, wobei einige der Expositionen geringer als notwendig für die Anhaftung sind und einige der Expositionen ausreichend sind, um Anhaftung zu verursachen, um dadurch diskrete Stellen von Anhaftung zu erzeugen, die Nieten ähneln können.
"Gewebe" sind Trägerstrukturen, die nicht ein Teil einer gewünschten endgültigen Reproduktion eines CAD-entworfenen Gegenstandes sind, aber sie werden zusammen mit dem Gegenstand durch die Stereolithographievorrichtung gebildet, um eine Stütze für verschiedene Merkmale des Gegenstandes zu geben, und um einfach eine Trennung des Gegenstandes von der Aufbauplattform zu erlauben.
"Nach oben freie und nach unten freie Merkmale eines Gegenstandes" sind Bereiche oder Unterbereiche auf bestimmten Querschnitten, die eine obere oder eine untere Ausdehnung des Gegenstandes darstellen.
Jeder Querschnitt ist aus einer Kombination von begrenzten und unbegrenzten Bereichen gebildet. Begrenzte Bereiche sind diejenigen, die einen Abschnitt der festen Struktur eines Gegenstandes bilden (ungeachtet, ob der Bereich als ein vollständig verfestigter Bereich oder als ein kreuzschraffierter Bereich gebildet ist). Unbegrenzte Bereiche sind diejenigen, die einen leeren oder hohlen Abschnitt eines Gegenstandes bilden. Diese Konzepte sind in den Beispielen der 16a dargestellt. 16a stellt eine Draufsicht eines Abtastquerschnittes eines Gegenstandes dar. Dieser Abtastquerschnitt kann in drei begrenzte Bereiche und zwei unbegrenzte Bereiche aufgeteilt werden. Der Rand 700 begrenzt den Bereich 705, der Rand 710 begrenzt den Bereich 715 und der Rand 720 und 725 begrenzt den Bereich 730. Die Bereiche 735 und 740 sind unbegrenzte Bereiche.
Jeder der begrenzten Bereiche eines Querschnittes kann in Unterbereiche aufgeteilt sein, die durch Beziehungen zwischen begrenzten Bereichen auf einem gegebenen Querschnitt und begrenzten und unbegrenzten Bereichen auf den zwei benachbarten (einer höher und einer niedriger) Querschnitten bestimmt sind. Nach oben freie Bereiche des Querschnittes "i" sind diejenigen begrenzten Unterbereiche des Querschnittes "i", die unter unbegrenzten Unterbereichen des Querschnittes "i + 1" sind. Die nach unten freien Unterbereiche des Querschnittes "i" sind die begrenzten Unterbereiche des Querschnittes "i', die die unbegrenzten Unterbereiche des Querschnittes "i – 1" bedecken. Einige Unterbereiche können sowohl nach oben freie als auch nach unten freie Merkmale aufweisen. In diesem Falle wird der Unterbereich im allgemeinen als ein nach unten freier Unterbereich betrachtet, da geeignetes Aushärten von nach unten freien Merkmalen im allgemeinen kritischer ist als Aushärten von nach oben freien Merkmalen. Dieses Konzept ist in dem Beispiel von 16b und 16b' dargestellt. Der Querschnitt "i" 750 ist über dem Querschnitt "i – 1" 755 und ist unter dem Querschnitt "i + 1" 760. 16b' ist eine Wiederholung der 16b aber mit einem Querschnitt "i" 750, der in Unterbereiche aufgeteilt ist. Die nach oben freien begrenzten Unterbereiche des Querschnittes "i" sind als 761, 764 und 768 bezeichnet. Die nach unten freien begrenzten Unterbereiche des Querschnittes "i" sind 761, 762 und 769. Die begrenzten Unterbereiche, die weder nach oben frei noch nach unten frei sind, sind 763, 765 und 767. Die unbegrenzten Bereiche des Querschnittes "i" sind Unterbereiche 766 und 770. Es kann gesehen werden, daß der Unterbereich 761 sowohl nach oben frei als auch nach unten frei ist, und demgemäß im allgemeinen als ein nach unten freies Merkmal verarbeitet wird. Wenn ein Querschnitt "j" über einem vollständig unbegrenzten Querschnitt ist, dann ist der gesamte Querschnitt "j" ein nach unten freies Merkmal (d. h. der Boden des Teiles). Wenn ein Querschnitt "j" unter einem vollständig unbegrenzten Querschnitt ist, ist der Querschnitt "j" ein nach oben freies Merkmal (z. B. das Oberteil des Teiles).
Andere Definitionen können wie benötigt aus dem Rest der Offenbarung und den Handbüchern erhalten werden, die als Anhänge B und C zu der US-Patentanmeldung SN 07/429,435 angebracht sind, die hierin als Referenz eingefügt ist. Außerdem werden die Spezifikationen der SLA-Hardware, des Harzes und der Lasertypen, und der im allgemeinen bevorzugten Parameter bezüglich stereolithographischer Prozesse, die hierin beschrieben und verbessert werden, in diesen Anhängen ausgeführt.
Bevorzugte Verfahren zum Erhalten einer verbesserten strukturellen Integrität
Verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung beziehen sich auf Verfahren zum Erhalten verbesserter struktureller Integrität, niedriger Nachaushärt-Verwindung, geringerer horizontaler Gesamtverwindung, und in vielen Fällen geringerer vertikaler Gesamtverwindung (z. B. vertikales Kräuseln) durch effektives Bereitstellen von einer Hülle auf mehr als gerade den nach oben und unten freien Oberflächen des Teiles, das gebildet wird. Zum Beispiel ist der Effekt des Bereitstellens von einer Hülle an nur den nach oben und unten freien Oberflächen, und Zufügen von Kreuzschraffur in x-z-(X-Schraffur)- und y-z-(Y-Schraffur)-Ebenen eine interne Struktur bereitzustellen, die im wesentlichen aus relativ langen Reihen von im wesentlichen untransformiertem Material besteht, das durch zumindestes teilweise transformiertes kreuzschraffiertes und Randmaterial auf den Seiten und der Hülle auf den nach oben freien und nach unten freien Oberflächen eingefangen ist. Demgemäß würde ein Leck in einem Abschnitt der nach unten oder nach oben freien Hülle oder Kreuzschraffur das Potential besitzen, Verwindung und ungewolltes Auslecken von untransformiertem Aufbaumaterial zu verursachen. Wenn jedoch eine Hülle in der (horizontalen) x-y-Ebene an mehr als den nach oben und nach unten freien Oberflächen bereitgestellt ist, dann werden die Abteile von untransformiertem Material, das durch Kreuzschraffur, Rand und Hülle eingefangen ist, viel kleiner und besser gehalten sein. Andere Vorteile, die sich aus dem Bereitstellen zusätzlicher, mit Hülle versehener Oberflächen in der internen Struktur des Teiles ergeben, können verbesserte strukturelle Integrität, geringere Verwindung während der Bildung, reduzierte Nachaushärtzeiten und reduzierte Nachaushärt-Verwindung umfassen. Zusätzlich kann das Oberflächen-Fertigbearbeiten vor dem Nachaushärten durchgeführt werden, und unter einigen Umständen kann Nachaushärten vollständig vermieden werden. Es gibt verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele, die unterschiedliche Lösungen zum Erhalten dieser zusätzlichen Füllung anwenden.
Eine erste Gruppe von Ausführungsbeispielen verwendet Expositionen analog zu traditionellen Hüllfülltechniken, bei denen die Füllung durch eine Reihe von überlappenden Expositionen gebildet wird. Diese Ausführungsbeispiele können, oder können nicht, die Verwendung von was man traditionell als Kreuzschraffur und Füllung bezeichnet, in dem gleichen Bereich eines Querschnittes anwenden.
In einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Gegenstand auf einer Schicht-um-Schicht-Basis anfänglich durch die Exposition von Aufbaumaterial zu Randvektoren auf einem Querschnitt gebildet, gefolgt von Exposition von Kreuzschraffurvektoren auf dem Querschnitt, und schließlich gefolgt durch Exposition von Hüllfüllvektoren auf jedem nach oben freien und nach unten freien Bereich auf dem Querschnitt. Zusätzlich sind auf periodischen oder zufälligen (mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit des Auftretens) Querschnitten sogar in nicht nach unten freien und in nicht nach oben freien Bereichen Hüllfüllvektoren bereitgestellt und exponiert. Zum Beispiel werden bei jedem vertikalen 1/2-Inch-Intervall durch das Teil, was bei 0,254 mm (10 mil)-Schichten jeder 50. Schicht entspricht, Hüllvektoren erzeugt, die Hüllebilden des gesamten Querschnittes bereitstellen. Diese Hüllvektoren sind in einer Form bereitgestellt, in der Bereiche, die nach unten frei sind, von Bereichen, die nicht nach unten frei sind, unterschieden werden können, so daß unterschiedliche Aushärtparameter verwendet werden können, wenn nötig. Es ist möglich, andere Bereiche zu unterscheiden, aber es wurde unnötig gefunden, dies zu tun. Die Vorteile dieser Lösung sind zuvor beschrieben worden.
Natürlich ist ein anderes vertikales Beabstanden von Hüllfüllung möglich, einschließlich geometrieselektivem Beabstanden. Das heißt, einige geometrische Merkmale können besser durch das eine Beabstanden von Hüllen gehandhabt werden, während andere ein anderes unterschiedliches Beabstanden von Hüllen erfordern. In diesem Ausführungsbeispiel wird den Randvektoren und den Kreuzschraffurvektoren, die dazu verwendet werden, Anhaftungszwischenschichten zu erreichen, im allgemeinen etwas Überaushärten gegeben, um eine adequate Anhaftung zu gewährleisten. Jedoch kann den Hüllvektoren, die in nicht nach unten freien Bereichen verwendet werden, eine Aushärttiefe gegeben werden, die geringer als, oder gleich oder größer, als die Schichtdicke ist. Es ist im allgemeinen gefunden worden, daß eine Hülltiefe größer als die Schichtdicke übermäßiges Kräuseln verursacht und daher nicht optimal ist. Die Hüllvektoren (kombiniert mit allen anderen Vektortypen) in einem nach unten freien Bereich haben auf der anderen Seite nur eine Aushärttiefe von einer Einschicht-Dicke. Dieses Ausführungsbeispiel kann insgesamt oder teilweise mit den Verfahren der gleichförmigen Hüllendicke, die hiernach beschrieben werden, kombiniert werden.
Dieses Verfahren zum Aufbauen kann im wesentlichen durch "Slicing" bzw. Abschneiden der gewünschten CAD-Gegenstandsdatei oder ähnlichem zweimal und dann Editieren und Vereinigen der resultierenden sli-Dateien zusammen implementiert werden. Das erste "Abschneiden" wird mit normalen Abschneid-Parametern gemacht. Zum Beispiel durch Verwenden von X und 60/120-Kreuzschraffur mit einem 1,27 mm (50 mil) Abstand und Verwenden von X-Hüllfüllung mit einem 0,076 mm (3 mil) Abstand. Das zweite Abschneiden wird ohne die Verwendung von Hüllfüllung getan, aber mit der Verwendung von nahe beabstandeter Kreuzschraffur (die als Hüllfüllung funktionieren wird) von einem Typ und Abstand, der äquivalent zu dem Hüllabstand des ersten Abschneidens ist. Zum Beispiel, fortfahrend mit dem vorhergehenden Beispiel, würde das zweite Abschneiden mit der gleichen Schichtdicke getan werden, aber nur mit einer Kreuzschraffur vom X-Typ, beabstandet bei 0,076 mm (3 mil). Nach der Erzeugung der zweiten Abschneid-Datei wird sie per Hand oder durch ein Programm editiert, das eingreift und die Hülle bildende Kreuzschraffur entfernen kann, die den Querschnitten zugeordnet ist, die keine Füllung in den nicht nach unten freien und nicht nach oben freien Bereichen verwenden. Als nächstes werden die beiden Dateien zusammen vereinigt unter Verwendung von Vereinigungsoptionen, die alle die Vektoren von dem ersten Abschneiden halten, und die nur die verbleibenden Kreuzschraffurvektoren der X-Schicht von dem zweiten Abschneiden halten (alle anderen Vektortypen werden entfernt einschließlich beinahe flacher, nach unten freier Kreuzschraffur). Diese Schraffur- und Füllvektoren werden noch durch Blockkopfstücke unterschieden, die anzeigen, von welchem Vereinigungsgegenstand sie kommen. Daher kann die kombinierte Datei als ein einzelner Gegenstand aufgebaut werden.
Man muß sicherstellen, daß die geeigneten Expositionswerte zu jedem Vektortyp gegeben werden. Daher werden den Schraffurvektoren aus dem zweiten Abschneid-Gegenstand zugeordnete Expositionswerte gegeben, die äquivalent zur Hüllfüllung sind. Dieses Verfahren wird einen Gegenstand produzieren, der im wesentlichen ähnlich dem oben beschriebenen ist. Es gibt jedoch verschiedene Unterschiede zwischen dieser Implementierung und der gewünschten. Zuerst kann den Bereichen nach unten freier Merkmale und nach oben freier Merkmale eine doppelte Exposition (und daher eine zusätzliche ungewünschte Aushärttiefe) abhängig davon gegeben werden, ob die Kreuzschraffur von der zweiten Scheibe des Gegenstandes noch in der kombinierten Datei enthalten ist oder nicht. Zweitens, da das vorliegende "Slice"-Programm nicht im allgemeinen nach unten freie Schraffur von nach oben freier Schraffur trennt (außer in den beinahe flachen Bereichen), wird es eine zusätzliche Aushärtung in den nach unten freien Bereichen geben, da die Kreuzschraffur etwas überausgehärtet werden muß, um Anhaftung zwischen Querschnitten zu gewährleisten.
Die 14a und 14b stellen eine Seitenansicht eines Gegenstandes dar, der gemäß den Techniken dieses ersten Ausführungsbeispieles aufgebaut worden ist. 14a stellt eine Seitenansicht des CAD-entworfenen Gegenstandes dar. Die gepunkteten Bereiche zeigen feste Bereiche an.
14b stellt eine Seitenansicht des Gegenstandes wie aufgebaut gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dar, wobei jede dritte Schicht mit Hülle versehen ist, um einem Erhöhen der strukturellen Integrität des Gegenstandes zu helfen. Die Bereiche, die mit nach vorn freien Schrägstrichen, "/", gekennzeichnet sind, bezeichnen Bereiche, die mit Hülle versehen sind, weil sie nach unten frei sind. Die Bereiche, die mit nach hinten freien Schrägstrichen, "\", bezeichnet sind, kennzeichnen Bereiche, die mit Hülle versehen sind, weil sie nach oben frei sind. Die Bereiche, die mit X bezeichnet sind, kennzeichnen Bereiche, die mit Hülle versehen werden sollen gemäß der Lehre des vorliegenden Ausführungsbeispieles, die ansonsten nicht mit Hülle versehen sein würden. Schichten 1, 4, 7 und 10 sollen gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit Hülle versehen werden.
In einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Gegenstand durch Bereitstellen und Exponieren von Randvektoren auf jeder Schicht, Kreuzschraffur auf jeder Schicht und Hüllfüllvektoren auf jedem Abschnitt jeder Schicht aufgebaut. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel und den folgenden Ausführungsbeispielen ist dieses zweite Ausführungsbeispiel nicht auf das Aufbauen eines Teiles unter Verwendung von Vektordaten beschränkt. Die Vektordaten werden einfach als eine Implementierung des Konzepts der Erfindung verwendet und andere Verfahren der Implementierung können verwendet werden. Bestimmte Konzepte der Erfindung arbeiten mit der Menge der Verfestigung auf jedem Querschnitt und/oder der Reihenfolge der Materialverfestigung auf dem Querschnitt und/oder der Tiefe der Verfestigung jeden Bereiches auf jedem Querschnitt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu dem ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß jetzt Hüllfüllung auf jedem Bereich jedes Querschnitts nicht nur mit nach unten freien Merkmalen, nach oben freien Merkmalen und mit periodischen Querschnitten zugefügt wird. Dieses zweite Ausführungsbeispiel ergibt daher Grünteile, die wenig oder kein im wesentlichen untransformiertes Material eingefangen intern in ihren Rändern haben. Es wird kein im wesentlichen untransformiertes Material geben, wenn die effektive Hüllen Tiefendicke gleich oder größer der Schichtdicke ist. Es wird zu einem größeren oder kleineren Ausmaß einiges im wesentlichen untransformiertes Material geben, wenn die effektive Hüllen-Aushärttiefe geringer als die Schichtdicke ist. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist es erwünscht, etwas Netto-Überaushärtung zwischen Bereichen eines Querschnittes zu bekommen, die mit Bereichen des vorherigen Querschnittes überlappen, um eine ausreichende Anhaftung zu gewährleisten, aber es ist in nach unten freien Bereichen erwünscht, daß die reine Aushärttiefe gleichförmig und von einer Aushärttiefe von nur einer Schichtdicke ist. Es ist herausgefunden worden, daß bei Ausführungsbeispielen wie dem vorliegenden, wobei im wesentlichen das ganze Material auf jedem Querschnitt transformiert ist, das vertikale Kräuseln signifikant nach oben gehen kann und es im allgemeinen auch tut, aber daß horizontale Verwindung signifikant nach unten geht. Es ist bekannt, daß die Menge des Kräuselns (sowohl horizontal als auch vertikal) sehr stark abhängig von der Menge der Überaushärtung zwischen Schichten variieren kann; der Menge an Überaushärtung zwischen benachbarten Linien auf dem gleichen Querschnitt; dem Ausmaß des Bereiches, über dem die Überaushärtung stattfindet; der Dicke der Schichten; und der Reihenfolge der Verfestigung zwischen Querschnitten genauso wie der Reihenfolge der Verfestigung innerhalb von Querschnitten. Wenn Teile aufgebaut werden sollen, die einige nicht unterstützte kritische Merkmale enthalten, oder in denen die nicht unterstützten Merkmale durch Gewebe getragen werden können, kann die direkte Anwendung dieses Ausführungsbeispieles zu wesentlichen Verbesserungen der Teilegenauigkeit führen.
Wenn das Teil, das aufgebaut werden soll, kritische Bereiche enthält, die nicht gut unterstützt werden können, dann können Modifikationen an diesem Ausführungsbeispiel hilfreich beim Reduzieren der vertikalen Verwindung vom "Kräusel"-Typ sein, die auftreten kann. Diese Modifikationen können die Verwendung von Techniken dieses Ausführungsbeispieles (oder "kontinuierlich mit einer Hülle versehen" oder "skintinous") auf nur den Bereichen umfassen, die adäquat unterstützt werden, oder werden können, und durch Fortsetzen Standardaufbauverfahren von Rändern zu benutzen, von weit beabstandeter Kreuzschraffur, von Routinen, die Hüllen bilden, für nach unten freie Merkmale, und von Hüllen bildenden Routinen für nach oben freie Merkmale auf den anderen Bereichen des Teiles. "Strongarm"-Aufbautechniken können effektiv verwendet werden in diesen oder anderen Bereichen des Teiles. Das Ergebnis dieser modifizierten Lösung würde im wesentlichen erhöhte horizontale Genauigkeit in den unterstützenden Bereichen sein, ohne Verschlechterung der vertikalen Genauigkeit in den nicht unterstützten Bereichen.
Andere Modifikationen, um erhöhte vertikale Verwindung zu vermeiden, umfassen die Verwendung von "Ösen (Smalleys)", die in dem US-Patent 5,015,424 beschrieben sind; die Verwendung von Vielfachdurchgang-Zeichentechniken, die in dem US-Patent 5,104,592 beschrieben sind, die Verwendung von Schicht-zu-Schicht-Anhafttechniken vom Nietentyp, die in dem US-Patent 5,104,592 beschrieben sind; die Verwendung von "Strongarm", "Log Jam" und "Steppen", genauso wie andere Techniken, die hiernach beschrieben werden, und ähnliche Techniken und Kombinationen davon.
Wie bei dem zuvor beschriebenen Verfahren zum Aufbauen des ersten Ausführungsbeispieles kann dieses Verfahren zum Aufbauen im wesentlichen durch zweimaliges "Slicing" der gewünschten CAD-Gegenstandsdatei oder ähnlichem und dann Verbinden der Dateien zusammen implementiert werden. Die erste Scheibe wird durch relativ normale Abschneidparameter getan, außer daß keine Hüllfüllung verwendet wird. Ein Beispiel ist die Verwendung von X- und 60/120-Kreuzschraffur mit einem 1,27 mm (50 mil) Abstand. Die zweite Scheibe wird wieder ohne die Verwendung von Hüllfüllung getan, aber mit Verwendung von nahe beabstandeter Kreuzschraffur vom Typ und Abstand äquivalent zu dem, der zum Bilden von Hüllfüllung auf jeder Schicht gewünscht ist. Zum Beispiel kann die zweite Scheibe mit der gleichen Schichtdicke getan wer den, aber nur mit einer Kreuzschraffur vom X-Typ, die bei 0,076 mm (3 mil) beabstandet ist. Nach der Erzeugung der zweiten Scheibendatei werden die beiden Dateien zusammen verbunden unter Verwendung von Verbindungsoptionen, die alle die Vektoren von der ersten Scheibe (außer den Hüllfüllvektoren, die verwendet wurden) und die nur die X-Kreuzschraffur (einschließlich beinahe flacher nach unten freier Kreuzschraffur) von der zweiten Scheibendatei hält (alle anderen Vektortypen werden entfernt). Die Schraffur von der ersten Scheibe und die Füllvektoren von der zweiten Scheibe (tatsächlich die Schraffurvektoren von Scheibe 2) werden noch durch Blockkopfstücke unterschieden, die anzeigen, von welchem Verbindungsgegenstand sie kommen. Daher kann die kombinierte Datei als ein einzelner Gegenstand aufgebaut werden, der sicher die geeigneten Expositionswerte zu jedem Vektortyp gibt. Daher werden den Schraffurvektoren von dem zweiten Scheibengegenstand zugeordnete Expositionswerte äquivalent zur Hüllfüllung gegeben. Dieses Verfahren wird einen Gegenstand produzieren, der im wesentlichen ähnlich dem als das bevorzugte Verfahren dieses Ausführungsbeispiels oben beschriebene ist. Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen dieser Implementierung und der gewünschten oben beschriebenen. Da das vorliegende "Slice"-Programm im allgemeinen nicht nach unten freie Schraffur von nach oben freier Schraffur trennt (außer in den beinahe flachen Bereichen), wird es möglicherweise eine zusätzliche Aushärtung in den nach unten freien Bereichen geben, da die Kreuzschraffur etwas überausgehärtet sein muß, um eine Haftung zwischen Querschnitten zu gewährleisten.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel und dem ersten Ausführungsbeispiel, genauso wie bei den hiernach beschriebenen Ausführungsbeispielen, gibt es viele Wege, die existierende kommerzielle Software zu benutzen oder die Ausgaben von der vorliegenden kommerziellen Software zu modifizieren, um zumindest teilweise die verschiedenen Ausführungsbeispiele zu implementieren. Die Implementierungen hierin sind nur als Beispiele solcher Techniken gedacht.
In einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeder Querschnitt nur mit Rändern und Hüllfüllvektoren versorgt (dieses Ausführungsbeispiel verwendet keine Kreuzschraffur). In diesem dritten Ausführungsbeispiel können die Ränder zu einer effektiven Tiefe gleich der Schichtdicke oder größer als die Schichtdicke ausgehärtet sein, abhängig davon, ob sie verwendet werden sollen, um Haftung mit dem vorherigen Querschnitt zu erhalten, oder ob sie verwendet werden sollen, um ein nach unten freies Merkmal zu bilden. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel können die Hüllvektoren in nicht nach unten freien Bereichen bis zu einer Tiefe kleiner als, gleich, oder größer der Schichtdicke ausgehärtet sein. Es ist herausgefunden worden, daß, wenn Hüllvektoren bis zu einer effektiven Tiefe größer als die Schichtdicke durch gewöhnliche Aushärttechniken ausgehärtet sind, das vertikale Kräuseln dann größer sein wird. Daher ist es ratsam, wenn es gewünscht ist, die Hüllvektoren zu solch einer Tiefe auszuhärten, ein Zeichenverfahren zu verwenden, das helfen wird, Kräuseln zu reduzieren, wie z. B. Vielfachdurchlauf. Vielfachdurchlauf ist ein Verfahren zum Verfestigen von Material in zumindest einem Zwei-Schritt-Prozeß, wobei eine erste Exposition von Material gegenüber synergistischer Stimulierung zu einer Aushärttiefe geringer als die Schichtdicke führt, und der zweite Durchlauf (oder Durchlauf höherer Ordnung) in einer Netto-Aushärttiefe resultiert, die Anhaftung gewährleistet. Vielfachdurchlauf ist eine effektive Art, um Kräuseln zu reduzieren. Eine zusätzliche Verbesserung von Vielfachdurchlauf-Abtasten ist in der gemeinsam anhängigen Patentanmeldung 429,911 beschrieben, die die Verwendung von vielfachen Wellenlängen während dem Vielabtast-Prozeß betrifft. Eine kurze Eindringtiefenexposition wird bei dem ersten oder mehr Durchläufen gegeben, um zu gewährleisten, daß eine wesentliche Transformation von Aufbaumaterial vor einer oder mehreren zusätzlichen Expositionen unter Verwendung langer Eindringtiefen auftritt, die verwendet werden, um eine ausreichende Anhaftung zwischen Querschnitten zu erhalten.
Ein zusätzliches Problem, das bei diesem dritten Ausführungsbeispiel auftreten kann, ist das von exzessivem horizontalem Kräuseln. In den vorherigen Ausführungsbeispielen wurde horizontales Kräuseln zu einem Minimum gehalten durch das Exponieren von Kreuzschraffur vor dem Exponieren von Hülle, wobei die Kreuzschraffur als ein stabilisierender Rahmen wirken wird, auf dem eine Hülle gebildet werden kann. Da dieses dritte Ausführungsbeispiel keine Kreuzschraffur enthält, kann es notwendig sein, auch eine Reduktionstechnik für horizontale Kräuselung zu benutzen.
Solche Techniken umfassen die Verwendung von nicht benachbartem Vektorzeichnen, die Verwendung von nicht überlappenden Füllvektoren (z. B. "Weben", das das Thema der später beschriebenen Ausführungsbei spiele ist), und das Füllen von nicht benachbart gezeichneten Vektoren durch Zwischenvektoren (in vielfacher Hinsicht ist dies eine horizontale Version der oben beschriebenen Vielfachdurchlauf-Technik). Die nicht benachbarte Reihenfolge von Vektoren bezieht sich auf eine Technik zum Liefern von Füll- oder Schraffurvektoren mit einem besonderen Abstand und dann Exponieren der Vektoren auf eine nicht benachbarte Weise. Bei traditioneller Stereolithographie werden Füllvektoren in einer benachbarten Reihenfolge ausgehärtet.
Ein Beispiel, das die Unterschiede zwischen benachbarter Reihenfolge und nicht benachbarter Reihenfolge darstellt, ist in 7 veranschaulicht. 7a veranschaulicht einen Querschnitt des Randes 200, der uni-direktionale Füllvektoren 201 bis 209 enthält. Bei traditioneller Stereolithographie ist die Zeichenreihenfolge von Vektor 201 zu Vektor 209. Die Abtastrichtung jedes dieser Vektoren war im allgemeinen so, daß der Betrag des Springens zwischen Vektoren minimiert war. Die ungeradzahlig bezifferten Vektoren sind im allgemeinen von links nach rechts und die geradzahlig bezifferten Vektoren sind von rechts nach links gezeichnet worden. Daher kann die vollständige Füllung mit minimalem Springen zwischen dem Kopf eines Vektors und dem Schwanz des nächsten gezeichnet werden.
7b veranschaulicht einen ähnlichen Querschnitt, bei dem aber ein Beispiel einer nicht benachbarten Zeichenreihenfolge verwendet wird, um jedes horizontale Kräuseln zu minimieren, das tendenziell auftreten könnte. Der Querschnitt ist von einem Rand 220 umgeben und mit Vektoren 221 bis 229 gefüllt. Die Zeichenreihenfolge ist von 221 bis 229, daher wird jeder zweite Vektor bei einem ersten Durchlauf des Zeichnens übersprungen, und dann werden die Vektoren, die bei dem ersten Durchlauf übersprungen worden sind, bei einem zweiten Durchlauf abgetastet. Diese Technik ist insbesondere nützlich zum Minimieren von Kräuseln, wenn zwei aufeinanderfolgend abgetastete Vektoren durch einen Abstand getrennt sind, so daß das Material, das durch jeden Vektor individuell ausgehärtet wird, sich nicht mit dem Material verbindet, das durch die aufeinanderfolgend abgetasteten Vektoren ausgehärtet wird. Dann werden bei einem zweiten Durchlauf (oder einem späteren Durchlauf) die Spalte zwischen dem bei dem ersten Durchlauf exponierten Material durch den zusätzlichen Durchlauf gefüllt, der Vektoren zwischen denen des ersten Durchlaufen abtastet. Wenn die Aushärtbreite jedes Vektors relativ breit verglichen mit dem Abstand zwischen den Vektoren ist, kann es notwendig sein, mehr als jeden zweiten Vektor zu überspringen. Zum Beispiel kann es notwendig sein, bei einem ersten Durchlauf einen Vektor auszuhärten und drei Vektoren zu überspringen, dann einen anderen Vektor auszuhärten und die nächsten drei Vektoren zu überspringen usw. Bei dem zweiten Durchlauf kann man den Zwischen vektor jedes Satzes von drei bei dem ersten Durchlauf nicht gezeichneten Vektoren aushärten, und dann werden schließlich bei einem dritten Durchlauf die restlichen nicht exponierten Vektoren abgetastet. Dies ist in 7c veranschaulicht. Der Rand 240 ist mit Vektoren 241 bis 249 gefüllt, wobei die Abtastreihenfolge 241 bis 249 ist.
Wenn den Hüllvektoren nur eine effektive Aushärttiefe gegeben wird, die kleiner oder gleich der Schichtdicke ist, wird es wahrscheinlich notwendig sein, zusätzliche Exposition in der Form von Punktnieten oder ähnlichem auf dem Abschnitt des vorliegenden Querschnittes zu liefern, der den vorhergehenden Querschnitt überlappt. Die geeignete Verwendung von Nieten wird zu einer adäquaten Anhaftung zwischen Schichten führen, wird aber auch dazu tendieren, vertikales Kräuseln bei einem Minimum zu halten. Wie bei den Verfahren mit tieferer Aushärttiefe kann diese Lösung auch die Verwendung von Reduktionstechniken für horizontales Kräuseln erfordern.
Wie bei den zuvor beschriebenen Aufbauverfahren kann dieses Aufbauverfahren im wesentlichen von einem Benutzer implementiert werden durch einmaliges Abschneiden der gewünschten CAD-Gegenstandsdatei oder ähnlichem. Das Teil wird mit Kreuzschraffur, aber ohne Hüllvektoren abgeschnitten. Die Kreuzschraffurvektoren sind mit einer Trennung beabstandet, die typisch für Hüllfüllung ist. Einer oder mehr Kreuzschraffurtypen können gleichzeitig verwendet werden. Zum Beispiel kann man sowohl X- als auch Y-Schraffur mit einem Abstand von jeweils 0,102 mm (4 mil) benutzen. Wenn die maximale Aushärtbreite der Aushärtung für einen einzelnen Durchlauf längs einem Vektor gleich oder größer als der Abstand zwischen Vektoren (z. B. 0,305 mm (12 mil) MCW) ist, und man nicht will, daß aufeinanderfolgend ausgehärtete Vektoren einander beeinflussen, dann kann ein Zeichenmuster, das ähnlich dem für 7c beschriebenen ist, für jeden Typ von Kreuzschraffur verwendet werden. Dieses Verfahren wird einen Gegenstand herstellen, der im wesentlichen ähnlich dem ist, der durch die bevorzugten Verfahren des dritten Ausführungsbeispieles hergestellt wird. Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen dieser Implementierung und der gewünschten oben beschriebenen. Da das vorliegende "Slice"-Programm im allgemeinen nicht nach unten freie Schraffur und Ränder von nach unten freier Schraffur (außer in den beinahe flachen Bereichen) und Ränder trennt, wird es möglicherweise eine zusätzliche Aushärtung in den nach unten freien Bereichen geben, da die Kreuzschraffur etwas überausgehärtet sein kann, um Anhaftung zwischen Querschnitten zu gewährleisten.
Ein viertes Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem dritten gerade beschriebenen, verwendet aber auch keine Randvektoren. Daher liefert und exponiert dieses Ausführungsbeispiel nur Vektoren vom Füllungstyp. Da es keine Ränder in diesem Ausführungsbeispiel gibt, die jedem Querschnitt zugeordnet sind, und daher nichts anderes als Oberflächenspannung und Viskosität gibt, um die Vektoren an der Stelle zu halten, wenn sie gezeichnet worden sind, außer dort, wo es einen horizontalen Kontakt mit benachbarten Vektoren und einen vertikalen Kontakt mit dem vorhergehenden Querschnitt gibt, müssen die Vektoren dieses Ausführungsbeispieles in einer stark geordneten Weise gezeichnet werden. Die Vektoren müssen in einer Reihenfolge und/oder bis zu einer Tiefe gezeichnet werden, die eine adäquate strukturelle Unterstützung gewährleistet, um sicherzustellen, daß jeder Vektor an der Stelle bleibt, bis der gesamte Querschnitt gezeichnet ist. Wenn die Vektoren in einer ungeeigneten Reihenfolge gezeichnet werden, dann ist es möglich, daß einige von ihnen aus der Position driften werden, oder aus der Position vor der Beendigung der Exposition und der Verfestigung des Querschnittes verwunden werden. Da vertikales Kräuseln im allgemeinen zwischen Material auftritt, das auf dem derzeitig gezeichneten Querschnitt ausgehärtet wird, und Material, das auf dem zuvor gezeichneten Querschnitt ausgehärtet worden ist, können Vektoren in diesem Bereich in einer nicht benachbarten Reihenfolge gezeichnet werden, und können auch ausgehärtet werden unter Verwendung von Vielfachdurchlauf mit zwei Durchläufen, um ein minimales Kräuseln zu gewährleisten. Darauffolgend können die Vektoren, die in nach unten freien Bereichen auftreten, auf eine nicht benachbarte verflochtene Weise mit Vektoren von den anderen Schraffurtypen ausgehärtet werden. Zum Beispiel können ein oder mehr nicht benachbarte Vektoren vom X-Typ abgetastet werden, gefolgt durch das Abtasten von einem oder mehr Vektoren vom Y-Typ und dann Wiederholen der Exposition von anderen Vektoren vom X-Typ und vom Y-Typ, bis alle Vektoren abgetastet worden sind. In diesem Bereich kann die Richtung des Abtastens genauso wichtig wie die Reihenfolge des Abtastens sein. Um das am besten geeignete Positionieren von Vektoren zu gewährleisten, kann es sein, daß sie von dem unterstützten Bereich in Richtung des nicht unterstützten Bereiches abgetastet werden müssen.
Andere Ausführungsbeispiele, die als nächstes beschrieben werden, erzeugen zumindest eine wesentliche Menge von Füllung auf einem Querschnitt auf eine Weise, die analog zu den Kreuzschraffurvektoren der Standardlösung ist. Das heißt durch Liefern und Exponieren von Vektoren, die so beabstandet sind, daß sie einander während der Exposition nicht beeinflussen. Sie sind um oder leicht über die erwartete maximale Aushärttiefe der individuell exponierten Vektoren beabstandet. Dadurch ergibt sich nach Exposition aller Vektoren ein im wesentlichen transformierter Querschnitt mit nur minimalem untransformiertem Material zwischen den Vektoren. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele dieser Lösung sind allgemein unter der Bezeichnung "Weben" bekannt.
Die Bezeichnung "Weben" wendet sich insbesondere auf das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel dieses Konzeptes (das fünfte Ausführungsbeispiel dieser Anmeldung) an. Dieses Ausführungsbeispiel ist das derzeitig bevorzugteste Ausführungsbeispiel der verschiedenen Hüll-bildenden Aufbautechniken. Dieses Ausführungsbeispiel besteht aus dem Liefern und Exponieren von Randvektoren, nebst dem Liefern und Exponieren von zumindest zwei Typen von nicht paralleler Kreuzschraffur, wobei die Exposition des ersten Kreuzschraffurtyps unzureichend ist, um eine Aushärttiefe zu erzeugen, die in genügender Anhaftung resultiert, um vertikales Kräuseln an dem vorherigen Querschnitt zu induzieren, und wobei die Exposition des zweiten Kreuzschraffurtyps äquivalent zu dem ersten Typ ist, was dadurch in ausreichender Exposition in den überlappenden Bereichen resultiert, um Haftung zwischen Querschnitten zu verursachen. Der Abstand der Kreuzschraffurvektoren ist so, daß sie leicht weiter voneinander beabstandet sind, als die maximale Aushärtbreite der individuellen Vektoren, wenn ihnen die geeignete Exposition gegeben wird, die in der gewünschten Aushärttiefe resultiert.
Wie bei den zuvor beschriebenen Aufbauverfahren kann dieses Aufbauverfahren im wesentlichen durch Verwendung von SLA Software implementiert werden, um die gewünschte CAD-Gegenstandsdatei oder ähnliches einmal in Scheiben zu schneiden. Das Teil wird mit Kreuzschraffur- aber ohne Hüllvektoren in Scheiben geschnitten. Die Kreuzschraffurvektoren sind mit einer Trennung beabstandet, die leicht größer (z. B. 10%) als die erwartete maximale Aushärtbreite ist. Das derzeit bevorzugte System zum Aufbauen von Teilen, das dieses Ausführungsbeispiel verwendet, ist die SLA-250, die von 3D Systems, Incorporated aus Valencia, Kalifornien, hergestellt wird. Das derzeit bevorzugte Aufbaumaterial ist ein stereolithographisches Harz (flüssiges Photopolymer) XB 5081, das von Ciba-Geigy hergestellt wird. Das derzeit bevorzugte System verwendet einen HeCd-Laser, der bei 325 nm arbeitet, was typischerweise in einer Aushärtbreite von ungefähr 0,254 bis 0,279 mm (10 bis 11 mil) oder weniger für eine Aushärttiefe von 0,203 bis 0,229 mm (8 bis 9 mil) resultiert. Daher sind die Kreuzschraffurvektoren ungefähr um 0,305 mm (12 mil) beabstandet. Die derzeit bevorzugten Füllvektoren sind kombinierte X- und Y- Kreuzschraffuren. Die derzeit bevorzugte SLA-Software ist die Version 3.60. Wenn die derzeit bevorzugte Software verwendet wird, wird ein Gegenstand durch Exponieren von Rand- und Schraffurvektoren aufgebaut. Wie zuvor bemerkt, wird die Anhaftung zwischen Querschnitten an den Schnittpunkten zwischen den zwei Schraffurtypen erhalten. Die Aushärttiefe dieser Schnittpunkte ist ungefähr 0,305 mm (12 mil), wenn Teile mit Schichten von 0,254 mm (10 mil) aufgebaut werden. Dieses Aufbauverfahren resultiert in im wesentlichen geringerer horizontaler Verwindung und äquivalenter oder geringer vertikaler Verwindung als bei äquivalenten Teilen, die mit Standardtechniken aufgebaut werden.
Gemessene Nachaushärt-Verwindung ist im wesentlichen kleiner als für das Teileaufbauen unter Verwendung konventioneller Verfahren.
Die Bildung eines Querschnittes durch dieses fünfte Ausführungsbeispiel ist in den 8a bis 8i dargestellt. 8 stellt einen quadratischen Querschnitt dar, der zu einer gleichförmigen Tiefe ausgehärtet werden soll. 8a stellt eine Draufsicht des Materials dar, das durch Abtasten der Randvektoren ausgehärtet worden ist. 8b stellt eine Schnittansicht des Materials dar, das in 8a längs der Linie b ausgehärtet worden ist. Die Aushärttiefe der Randvektoren ist die Schichtdicke plus etwas Übersushärtbetrag (z. B. 0,254 mm (10 mil) Schichtdicke + 0,152 mm (6 mil) Überaushärtung). 8c stellt eine Draufsicht des Materials dar, das in Antwort auf das Abtasten der X-Kreuzschraffur auf einem gestrichelten Hintergrund von Material ausgehärtet worden ist, das in Antwort auf die Randvektoren ausgehärtet wurde. 8d stellt eine Schnittansicht des Materials dar, das in 8c längs der Linie d-d ausgehärtet worden ist. Die Aushärttiefe der X-Kreuzschraffur ist kleiner als eine Schichtdicke (z. B. 0,203 mm (8 mil) Aushärttiefe für eine Schichtdicke von 0,24 mm (10 mil)). Die exponierten Bereiche sind relativ breit verglichen mit den nicht exponierten Bereichen. Das heißt, der Abstand zwischen Schraffurvektoren war nur leicht größer als die maximale Aushärtbreite der Schraffurvektoren (z. B. 0,305 mm (12 mil) Abstand von Schraffurvektoren und eine maximale Aushärtbreite von 0,279 mm (11 mil)).
Die 8e und 8f zeigen ähnliches ausgehärtetes Material für Y-Kreuzschraffurvektoren. 8g stellt eine Draufsicht der Überlagerung von Material dar, das wie in den 8a, 8e und 8e dargestellt, ausgehärtet ist. Die kleinen quadratischen Bereiche in der Figur stellen unausgehärtetes Material dar. Die Größe dieser Quadrate ist ungefähr 0,025 mm (1 mil) auf der Kante oder weniger, wohingegen das verfestigte Material zwischen ihnen ungefähr 0,279 mm (11 mil) auf der Kante ist. 8h stellt eine Seitenansicht der ausgehärteten Form von Material längs der Linie h-h von 8g dar. Die Linie h-h ist direkt über der maximalen Aushärtung von einem X-Schraffurvektor. Die 8i stellt eine Seitenansicht der ausgehärteten Form von Material längs der Linie i-i von 8g dar. Die Aushärttiefe der Bereiche, wo sich die X- und Y-Schraffurvektoren überlappen, hat sich zu etwas größer als die Schichtdicke erhöht. Die Linie i-i befindet sich zwischen der Aushärtung von zwei benachbarten X-Schraffurvektoren. Der größte Teil des Bereiches des Querschnittes ist der 8h ähnlicher als der 8i. Die Exposition in 8h ist nicht gleichförmig, aber die Ungleichförmigkeit ist geringer als die, die bei der traditionellen Lösung zum Hüllbilden einer Oberfläche während dem Teilaufbauen produziert wird. Der Hauptgrund für diese Reduktion ist der, daß es keine Überlagerung von diskreten Schraffurvek toren mit jeweils einer Überaushärtung von 0,152 mm (6 mil) gibt, was in bis zu 0,279 mm (11 mil) Überaushärtung oder mehr resultiert, an ihren Schnittpunkten kombiniert mit Hüllvektoren, die eine gleichförmige Aushärttiefe der Schichtdicke bilden. Anstelle dessen gibt es einfach eine doppelte Exposition von eng beabstandeter Schraffur, die eine im wesentlichen gleichförmige Aushärttiefe mit Punkten von ungefähr 0,127 mm (5 mil) Überaushärtung produziert, die ihr überlagert sind.
Eine Variation dieses fünften Ausführungsbeispielen ist es, Weben in allen nicht nach unten freien Bereichen zu verwenden, und andere traditionellere Lösungen von Hüllebilden (einschließlich den gleichförmigen Hüllebildungs-Verfahren, die oben beschrieben worden sind) auf den nach unten freien Merkmalen zu benutzen, und diesen nach unten freien Merkmalen eine Schichtdicken-Aushärttiefe zu geben.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ähnlich dem fünften Ausführungsbeispiel, das gerade beschrieben worden ist, außer, daß bei dem sechsten Ausführungsbeispiel die Kreuzschraffur (oder die Füllvektoren) versetzt oder "gestaffelt" von Schicht zu Schicht ist Eine Implementierung dieses Verfahrens ist es, die Vektoren auf benachbarten Schichten um 1/2 des Schraffurabstandes zu versetzen. Daher überlagern die Schraffurvektoren auf jeder zweiten Schicht die gleichen Schraffurpfade. Andere Formen von Schicht-zu-Schicht-Versatz sind möglich, wobei das Überlagern von Schraffurpfaden (Schraffurpfade sind Linien auf einem gegebenen Querschnitt, die das Potential kreuzschraffiert zu werden, haben) zu einer anderen Periode wiederholt wird, als bei jeder zweiten Schicht. Zum Beispiel können Schraffurpfade sich nicht für drei oder mehr Schichten überlagern.
Versetzte oder "gestaffelte" Kreuzschraffur kann bei Standardaufbautechniken genauso wie bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Vorteile der Verwendung von versetzter Kreuzschraffur bei Standardaufbautechniken (d. h. weit beabstandete Schraffur) betreffen die Herstellung von glatteren vertikalen Oberflächen eines Gegenstandes, gleichförmigere Volumeneigenschaften, und möglicherweise geringerem Kräuseln zwischen Schichten, da Anhaftung zwischen Schichten auf Punkten anstelle von Linien beruht.
Beim Aufbauen von Teilen für einen Präzisionsguß führen diese hohlen Teile zu geringerer struktureller Beanspruchung auf den Gießformen, wenn das Aufbaumaterial weggebrannt wird. Hohle Teile können mit Kreuzschraffur, aber ohne Hüllen aufgebaut werden, was dadurch dazu tendiert, zu erlauben, daß untransformiertes Material zwischen den Kreuzschraffuren von dem Objekt abtropft. Feste Teile tendieren dazu, Genaugußformen auszudehnen und zu brechen, wohingegen hohle Teile eine geringere Tendenz dazu haben. Das Aufbauen von hohlen Teilen kann jedoch ein Problem sein, auch wenn Hüllfüllung nicht verwendet wird, wenn die Schraffurvektoren auf aufeinanderfolgenden Querschnitten aufeinander liegen. Untransformiertes Aufbaumaterial kann zwischen der Kreuzschraffur und den Rändern gefangen sein, wobei das eingefangene Material sich später verfestigen kann, wobei die gewünschten Hohlteilcharakteristiken des Gegenstandes verloren gehen. Wenn jedoch der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand zwischen Kreuzschraffurvektoren größer als ungefähr zweimal die maximale Aushärtbreite ist, dann wird ein Versetzen der Vektoren um 1/2 des Abstandes auf jeder zweiten Schicht in einem Teil resultieren, bei dem im wesentlichen alles intern untransformierte Material durch verschiedene Spalte fließen kann, und daher vor dem Verwenden des Teiles entfernt werden kann, um eine Präzisionsgußform herzustellen. Dieser Vorteil von versetzter Kreuzschraffur ist in den 9a und 9b veranschaulicht.
Die 9a und 9b veranschaulichen das sechste Ausführungsbeispiel und stellen Seitenansichten eines Gegenstandes dar, dessen Randvektoren voneinander versetzt sind, aber nicht ausreichend versetzt sind, um Abtropfen von untransformiertem Material zwischen ihnen zu erlauben (dies sind nicht vertikale, aber steile Ränder entgegengesetzt zu flachen oder nahezu flachen Rändern). 9a stellt einen Teileaufbau mit übereinanderliegender Kreuzschraffur und daher Taschen aus untransformiertem Material, das in ihnen gefangen ist, dar. 9b stellt den Teileaufbau mit versetzter Kreuzschraffur dar, was daher Pfade zum Entfernen von intern nicht transformiertem Material erlaubt. Angenommen das Oberteil jedes Teilgegenstandes konvergiert zurück, so daß das Aufbaumaterial nicht von dem Oberteil, wie in 9a gezeigt, entfernt werden kann, dann können nur Taschen 306 und 308 sich entleeren, wohingegen 302, 304, 310 und 312 sich nicht entleeren können. In 9b bildet der gesamte interne Bereich des Teiles eine untereinander verbundene Tasche, von der im wesentlichen das gesamte, nicht transformierte Material sich entleeren kann. Wenn ein Photopolymer benutzt wird, kann das Entleeren durch Verwenden erhöhter Temperaturen, um die Harzviskosität zu reduzieren, erhöht werden. Da es ein primäres Prinzip der vorliegenden Erfindung ist, so viel internes Material wie möglich zu verfestigen, weicht dieses sechste Ausführungsbeispiel der versetzten Kreuzschraffur von den Hülle-bildenden Aufbautechniken ab. Aber es ist ein selbständiges nützliches Aufbauverfahren. Seine Möglichkeit, Nachaushärtverwindung zu reduzieren, wird in Beispiel 6 diskutiert.
Andere Ausführungsbeispiele der nicht überlappenden Lösung zum Aufbauen können aus geeigneten Kombinationen mit Techniken entwickelt werden, die in Verbindung mit überlappenden Expositionstechniken genauso wie mit den zusätzlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, wie später beschrieben wird, diskutiert werden.
Neben den beiden Hauptansätzen, die zuvor beschrieben worden sind, d. h. überlappende Füllung oder nicht überlappende Füllung auf zumindest einem Teil der Querschnitte, gibt es eine zusätzliche Klasse von Ausführungsbeispielen, die verwendet werden, um die strukturelle Integrität zu erhöhen. Diese nächste Klasse von Hülle-bildenden Ausführungsbeispielen basiert auf dem Aushärten von diskreten Punkten aus Material, die "Bullets" bzw. Kugeln genannt werden, anstelle von Aushärten der überlappenden oder nicht überlappenden Linien von Material. Die Kugeln werden in Zuordnung mit einem einzelnen Querschnitt als eine Vielzahl von im wesentlichen nicht überlappenden Positionen ausgehärtet. Die Ausführungsbeispiele dieser Lösung weisen Verfahren zum Verfestigen primär interner Bereiche von Gegenständen auf, wohingegen die nach unten freien und nach oben freien Bereiche des Gegenstandes durch die anderen, hierin beschriebenen Lösungen ausgehärtet werden können.
Das siebte Ausführungsbeispiel des Hüllbildens (das erste Ausführungsbeispiel dieser Klasse) betrifft Aushärten der internen Abschnitte gewünschter Querschnitte durch Exponieren von Material in den Rändern der Querschnitte als eine Reihe von diskreten Punkten. Die Punkte, die auf einem gegebenen Querschnitt exponiert werden, sind voneinander durch einen Abstand beabstandet, der leicht größer als der maximale Durchmesser des ausgehärteten Materials ist, das nach Exposition des Materials gegenüber synergistischer Stimulierung gebildet wird. Mit anderen Worten, auf einem einzelnen internen Querschnitt wird ein wesentlicher Abschnitt des Materials in der Form von Punktexpositionen mit einem schmalen Spalt ausgehärtet, der jede Punktexposition von ihrem Nachbarn trennt. Diese Trennung stoppt die Übertragung von Beanspruchung und vermindert daher Kräuseln. Jeder Punkt ist zu einer Tiefe ausgehärtet, die gleich oder leicht größer der Schichtdicke ist, um eine Anhaftung zwischen Querschnitten zu gewährleisten. Auf dem nächsten Querschnitt ist das Expositionsmuster "gestafflt" oder verschoben, so daß die Punktexpositionen auf diesem nächsten Querschnitt über den Spalten zwischen den Punkten auf dem vorherigen Querschnitt zentriert sind. Dieses Verschiebungsmuster von Kugelexpositionen wird auf abwechselnden Querschnitten fortgesetzt, bis der gewünschte Bereich des Teiles vervollständigt ist. Dies erlaubt, daß sich wesentliche strukturelle Integrität zwischen Querschnitten entwickelt, während der Betrag an Kräuseln verringert wird, wenn in einer gegebenen Schichtdicke aufgebaut wird.
Zwei benachbarte überlappende Abtastquerschnitte sind in den 10a und 10b gezeigt. Diese Abtastquerschnitte stellen einen Querschnittsrand 400 dar, der eine Reihe von Punktexpositionen einschließt. 10a stellt Punktexpositionen 402 dar, die auf einem besonderen Gitter angeordnet sind, während 10b Punktexpositionen darstellt, die von denen in 10a versetzt (gestaffelt) sind. Ein Vergleich der beiden Figuren zeigt an, daß die Kugeln auf einem Querschnitt in der Mitte des Raumes zwischen Kugeln auf dem vorhergehenden Querschnitt zentriert sind. 10c stellt im wesentlichen eine Seitenansicht der kombinierten 10a und 10b längs der Linie c-c dar. Diese Figur, zumindest in einer zweidimensionalen Ansicht, veranschaulicht, wie die Kugeln von Schicht zu Schicht gestaffelt sind. Die Veranschaulichungen von 10a und 10b stellen eine besondere Anordnung von Punkten auf einem gegebenen Querschnitt dar, aber andere Anordnungen sind möglich. Zum Beispiel könnte man die Punkte in einem hexagonalen Muster anordnen, um eine engere Passung von Kugel zu bekommen (eine höhere Rate von transformiertem zu untransformiertem Material auf einem gegebenen Querschnitt). Dieses hexagonale Muster kann, wenn es mit höheren Querschnitten kombiniert wird, eine hexagonale, dicht gepackte Struktur bilden. Daher könnte jede Kugel sechs nächste Nachbarn auf dem Querschnitt entgegengesetzt zu nur vier, wie in den 10a und 10b gezeigt, haben.
Dieses Aufbauverfahren mit Kugeln kann nur teilweise von derzeitiger Software von 3D Systems implementiert werden. Diese Implementierung ist nur teilweise befriedigend. Eine geeignete Verwendung dieses Ausführungsbeispieles erfordert modifizierte Software.
Die Implementierung von der vorliegenden Software wird durch in Scheiben schneiden des Gegenstandes mit einem einzelnen Typ von Kreuzschraffurvektoren (z. B. X-Vektoren) mit einem Abstand gemacht, der leicht größer als der Durchmesser der Kugeln aus Material ist, die geformt werden. Der Gegenstand wird ein zweites Mal in Scheiben geschnitten, wobei das Teil um 1/2 im Abstand längs der Richtung senkrecht zu der gewählten Kreuzschraffierungsrichtung (z. B. der Y-Achse) versetzt wird. Die beiden Gegenstände werden miteinander verbunden unter Verwendung von Optionen, die die zweite Datei um –1/2 des Kreuzschraffurabstandes längs der senkrechten Richtung (z. B. Y-Achse) und um 1/2 des Kreuzschraffurabstandes längs der X-Achse verschieben. Die verwendeten Verbindungsoptionen entfernen auch alle Vektoren von der zweiten Scheiben-Datei außer den Kreuzschraffurvektoren. Die resultierende Datei wird dann editiert, um die Schraffurvektoren von abwechselnden Scheiben-Dateien auf abwechselnden Schichten zu entfernen.
Wenn Vektoren unter Verwendung der vorliegenden Software ausgehärtet werden, werden sie nicht durch einen kontinuierlich abtastenden Strahl ausgehärtet, sondern durch einen Strahl, der um einen schmalen. Abstand (z. B. ganzzahlige Vielfache von 7,62 μm (0,3 mil)), bekannt als die Schrittgröße oder SS, springt, und der dann bei jeder erlaubten SS- Position eine Zeitperiode wartet, die als die Schrittperiode oder SP (z. B. ganzzahlige Vielfache von 10 ms) bekannt ist. Das einzelne Positionieren für sowohl das Zeitgeben als auch das Springen basiert auf dem Anfangspunkt jedes Vektors, der gezeichnet wird. Wenn der Gegenstand aufgebaut wird, ist der SS-Wert, der verwendet wird, äquivalent zu dem Abstand zwischen Vektoren (z. B. 0,305 mm (12 mil) oder ungefähr ein SS-Wert von 40). Da die beiden Dateien versetzt wurden, wenn sie in Scheiben geschnitten wurden längs der Richtung senkrecht zu der Schraffurrichtung und dann zusammen zurückverschoben wurden während dem Verbinden, wird der Y-Wert, der jeder Kugel zugeordnet ist, um 1/2 des Kreuzschraffurabstandes auf abwechselnden Schichten versetzt sein. Da die Dateien verbunden wurden, dann voneinander um 1/2 des Kreuzschraffurabstandes längs der Richtung der Kreuzschraffur versetzt wurden, wird der X-Wert, der jeder Komponente zugeordnet ist, um 1/2 des Kreuzschraffurabstandes zwischen abwechselnden Schichten versetzt sein.
Dieses Verfahren der Implementierung ist verwendbar, aber nicht immer zufriedenstellend, da in einigen der extremen Werte die X-Komponente jedes Vektors leicht (1/2 des Kreuzschraffurabstandes) außerhalb des Randes des Querschnittes fällt. Andere Erfahrungen der Implementierung, die auf Software basieren, und die vorliegende Software verwenden, basieren auf dem zweimaligen in Scheiben schneiden des Teiles, wie oben beschrieben, aber hier wird jedes Teil mit einer Schichtdicke zweimal so groß wie erwünscht in Scheiben geschnitten, und einer der Teile wird um 1/2 der Schichtdicke vor dem in Scheiben schneiden verschoben und dann während dem Verbinden zurückverschoben.
Ein nützliches Werkzeug zum Implementieren dieses Ausführungsbeispiels aus der vorliegenden Software ohne eine größere Änderung würde sein, einen Parameter einzuschließen, der erlauben würde, daß Kreuzschraffierungsvektoren in der Länge an jedem Ende um einen spezifischen Betrag reduziert würden. Dies würde ein Verschieben längs der Richtung senkrecht zu der Schraffurrichtung erlauben, zusammen mit der Reduktion der Vektoren, die durch die zweite Scheibe um 1/2 des Kreuzschraffurabstandes erzeugt wurde, gefolgt von der Neuregistrierung der Dateien während dem Verbinden. Auch würde ein Editierprogramm nützlich sein, das die verbundene Datei lesen könnte und ausgewählte Vektortypen von geeigneten Querschnitten entfernen könnte.
Wenn jemand einen Gegenstand mit einer Orientierung aufbaut, die im wesentlichen empfänglicher gegenüber Kräuseln ist als die senkrechte Orientierung, kann dieses Ausführungsbeispiel zu einem Ausführungsbeispiel von versetzter unidirektionaler Kreuzschraffur modifiziert werden. Hier würde die Richtung des Versetzens die Richtung sein, die am empfindlichsten gegenüber Kräuseln ist, und die Richtung der Vektoren würde die Richtung sein, die am wenigsten empfindlich ist.
Das achte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ähnlich dem siebten Ausführungsbeispiel, aber die Kugeln werden ausgehärtet, um Material in Zusammenhang mit dem vorherigen Querschnitt genauso wie dem vorliegenden Querschnitt zu verfestigen. Daher ist die Aushärttiefe jeder Kugel typischerweise gleich oder etwas größer als zwei Schichtdicken. Demgemäß ist es bei diesem Ausführungsbeispiel wichtig, wenn man mit einem bestimmten Querschnitt arbeitet, nicht nur die internen Bereiche des vorliegenden Querschnittes zu kennen, sondern auch die internen überlappenden Bereiche des vorhergehenden Querschnittes zu kennen. Der Abstand der Kugeln liegt irgendwo zwischen dem des vorherigen Ausführungsbeispieles und dem Durchmesser der Kugel bei einer Schichtdicke unter dem vorliegenden Querschnitt. Die Haftung zwischen Schichten wird im wesentlichen durch Haftung zwischen den Seiten der Kugeln auf dem vorliegenden Querschnitt bei einer Position erhalten, die eine Schichtdicke unter ihrer oberen Oberfläche und den Seiten der Kugeln auf dem vorherigen Querschnitt an ihrer oberen Oberfläche liegt. Eine Seitenansicht der Kugelpositionen auf benachbarten Schichten ist in 11 dargestellt. Es wird bemerkt, daß das vorliegende Ausführungsbeispiel primär für Bereiche des Gegenstandes gilt, die zwei oder mehr Schichten von nach unten freien Merkmalen aufweisen.
In noch anderen Ausführungsbeispielen kann eine Transformation von Material, das auf einem Querschnitt angeordnet ist, aus Expositionen auftreten, die in Verbindungsquerschnitten zwei oder mehr Schichten höher gegeben wird.
Wie oben diskutiert, können mehrere neue Hülle-bildende Techniken in Verbindung mit dieser Erfindung verwendet werden, basierend auf einer nicht benachbarten Reihenfolge von Hüllvektoren. Traditionellerweise sind Hüllvektoren Kopf an Schwanz geordnet, so daß ein erster Vektordurchlauf längs einem Füllpfad von einem Rand zu einem gegenüberliegenden Rand gemacht wird, und ein Durchlauf längs dem nächsten Vektor wird dann leicht versetzt (z. B. typischerweise von 0,025 bis 0,1 mm (1 bis 4 mil) von dem ersten) von dem letzten Rand zurück zu dem ersten gemacht. Es ist jedoch herausgefunden worden, daß in Übereinstimmung mit einigen der bevorzugten Ausführungsbeispiele dieser Erfindung Verwindung durch geeignetes, nicht benachbartes Abtasten und daher durch eine nicht benachbarte Bildungsreihenfolge von Hüllfüllung reduziert werden kann. Spezifisch kann der Versatz zwischen Vektoren vorteilhaft erhöht werden (z. B. verdoppelt oder verdreifacht oder mehr), so daß die aufeinanderfolgenden Hüllvektoren eine geringere Wirkung, oder keine Wirkung, auf benachbarte Linien von ausgehärtetem Aufbaumaterial für eine gegebene Reihe von Durchläufen über die Oberfläche des Bereichs des Teiles haben, das gebildet wird. Zusätzlich können in einer oder mehreren aufeinanderfolgenden Serien von Durchläufen zusätzliche Hüllvektoren zwischen denen gezeichnet werden, die in früheren Serien von Durchläufen gezeichnet worden sind. Diese Ausführungsbeispiele haben bevorzugterweise Kreuzschraffurvektoren auf jeder Schicht genauso wie Hüllvektoren.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel, gemäß dem Verwindung minimiert werden kann, betrifft Hüllbilden in verschiedene Richtungen für verschiedene Schichten. Zum Beispiel können in einem Teil, das x- und y-Schraffur auf jeder Schicht hat, ungerade Schichten in der x-Richtung mit einer Hülleversehen werden, und geradzahlige Schichten in der y-Richtung, oder umgekehrt.
In noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann Hüllfüllung in sowohl der x- als auch der y-Richtung einer gegebenen Schicht mit x- und y-Kreuzschraffur bereitgestellt sein.
Gemäß einem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedoch eine x-, 60°- und 120°-Kreuzschraffur mit einer Hüllfüllung bereitgestellt in zumindest einer der x-, 60°- oder 120°-Richtungen und bevorzugt in jeder der Richtungen. In einer bevorzugten Variation dieses Ausführungsbeispieles, das unten in größerem Detail diskutiert wird, sind die Hüllvektoren einer gegebenen Richtung nicht direkt über die Schraffurvektoren der gleichen Richtung gezogen, wodurch eine überschüssige Exposition für einen gegebenen Ort vermieden wird. Außerdem, da Exposition in drei Richtungen über jedem gegebenen Punkt in einer mit Hülleversehenen Schicht bereitgestellt ist, kann die Vektorabtast-Geschwindigkeit um einen Faktor 3 erhöht werden, um ein Drittel einer normalen Exposition pro Vektor zu erreichen, was in einer gleichförmigen Exposition resultiert, nachdem alle drei Richtungsdurchläufe gemacht worden sind.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist das des "Kachelns". Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine der zuvor genannten Lösungen verwendet beim Exponieren in individueller "plattenähnlicher" Bereiche, wobei kleine Abstände von Material zwischen den individuellen Platten untransformiert gelassen werden, um als Beansprungsminderungszonen zu wirken. Die Größe der individuellen Platten kann von der einer Punktexposition zu der eines gesamten Querschnittes reichen, wobei der am meisten bevorzugte Größenbereich zwischen 6,35 mm (1/4 Inch) auf einer Kante zu 19,05 mm (3/4 Inch) auf einer Kante liegt.
Kacheln ist ein Verfahren zum Bilden einer Schicht eines Gegenstandes, der durch Stereolithographie hergestellt wird, wobei die Schicht in eine Reihe von Flächenelementen oder Platten unterteilt ist. Jedes Flächenelement ist von benachbarten Flächenelementen durch Abstände isoliert. Die Abstände um jedes Flächenelement bleiben untransformiert, zumindest bis alle benachbarten Flächenelemente oder Platten transformiert oder verfestigt sind. Die Abstände zwischen den individuellen Platten werden untransformiert gelassen, um als Beanspruchungsminderungszonen zu wirken. Die Breite des Abstandes ist typischerweise klein verglichen mit der Breite der individuellen Platten.
Kacheln kann auch als eine andere Technik zur Reduktion von Kräuseln verwendet werden, wenn sie auf einer zweiten oder höheren Schicht über einem nach unten freien Merkmal implementiert ist. Im allgemeinen wird kein Kräuseln auf einem nach unten freien Merkmal erzeugt, so daß es kein Bedürfnis nach Kacheln als eine Technik zur Reduktion des Kräuselns auf einem nach unten freien Merkmal gibt. Es sollte auch bemerkt werden, daß Kacheln im allgemeinen nicht auf nach unten freie Merkmale angewandt wird, weil es keine unterliegende Struktur gibt, um individuelle Platten an ihr während dem Transformationsprozeß zu befestigen, d. h. Kacheln kann nur auf einer unterstützten Fläche im Gegensatz zu einer nicht unterstützten Fläche angewandt werden.
Da die Platten individuelle und diskrete relafiv kleine Flächen sind, beschränkt die Verwendung von Platten Schrumpfen auf den Rand der Platte. Dies reduziert Beanspruchung und Kräuseln auf der mit Platten versehenen Schicht, eine insbesonders wichtige Betrachtung bei den ersten Schichten unmittelbar über einem nach unten freien Merkmal. Kräuseln tritt im allgemeinen hauptsächlich bei nach unten freien Merkmalen auf. Diese Merkmale kräuseln sich nach oben als ein Ergebnis der Bildung der nächsten verschiedenen übereinanderliegenden Schichten. Auf der anderen Seite ist ein potentieller Nachteil von Kacheln der, daß es möglicherweise eine geringere Festigkeit bereitstellt.
Die Abstände zwischen den Platten können transformiert oder verfestigt werden (was als verfugen oder mörteln bezeichnet wird), im allgemeinen nachdem alle Platten gebildet worden sind. Ein gesamter Gegenstand kann durch Kacheln hergestellt werden, um ein Nachbehandeln zu reduzieren. Dieses Verfugen ist gewöhnlicherweise zu einem geringeren Grad transformiert als die Platten (eine niedrigere Exposition wird verwendet).
Als Beispiel, wenn ein derzeit bevorzugtes Material wie z. B. XB5081 und 0,125 mm (5 mil)-Schichten verwandt werden, kann Kacheln verwendet werden beim Bilden der ersten zwanzig Schichten über der ersten Schicht eines nach unten freien Merkmals und insbesondere um bis zu zehn Schichten zu bilden (angenommen die erste Schicht ist unterstützt). Wenn 0,254 mm (10 mil)-Schichten verwendet werden, wird Kacheln bevorzugt in dem Bereich der ersten bis zur zehnten Schicht angewandt werden, und insbesondere in der ersten bis fünften Schicht über einem nach unten freien Merkmal.
Vorzugsweise reichen die Plattengrößen von der Breite eines Laserstrahls ungefähr 0,254 mm (0,010 Inch) bis zu ungefähr 3,048 bis 3,81 mm (0,120 bis 0,150 Inch), wobei der am meisten bevorzugte Bereich bei 3/4 bis 2 mm auf der Kante reicht.
Die Abstände oder Spalten zwischen den Platten sollten so klein wie möglich sein, innerhalb den Schranken der Plazierungsgenauigkeit und der Aushärtbreite eines Strahles synergistischer Stimulierung. Die typische Breite dieser Spalte liegt in dem Bereich von 0,025 bis 0,25 mm (1 bis 10 mil) nach Exposition und Aushärtung. Es ist wichtig, daß das Material in den Abständen oder Spalten nicht ausreichend transformiert oder verfestigt wird, um Beanspruchungen zu übertragen.
Wenn ein durch einen Abtastpiegel freier Laserstrahl verwendet wird, um das Material zu transformieren, muß die "Sprung"-Geschwindigkeit von Platte zu Platte über die Abstände in Betracht gezogen werden. Der (die) Spiegel, der (die) den Laser richtet (richten), hat ein Trägheitsmoment, das seine Grade der Winkelbeschleunigung beschränkt. Wenn der Laser von der Kante einer Platte zu der benachbarten Kante einer anderen Platte springen soll, ist die Sprunggeschwindigkeit beschränkt, da es nur einen sehr kleinen Abstand gibt, in dem der Spiegel beschleunigen kann, bevor er beginnen muß abzubremsen, um den Laser richtig auf die Kante der nächsten benachbarten Platte zu richten. Da die Sprunggeschwindigkeit beschränkt ist, kann das Material in dem Spalt unabsichtlich teilweise ausgehärtet werden durch den springenden Laser. Bei Plattenleg-Verfahren, bei denen der Laser häufig zurück und nach vorn zwischen Platten springt, kann dies besonders problematisch werden.
Unbeabsichtigtes Aushärten von Material in den Spalten während dem Plattenspringen zwischen Platten kann durch verschiedene Wege überwunden werden. Die Spiegel können hergestellt werden, um schneller zu beschleunigen, obwohl eine praktische obere Schranke schnell erreicht ist. Alternativ kann eine Blende bereitgestellt werden, um den Laserstrahl vor dem Erreichen des Abtastspiegels abzublocken. Mechanische Blenden leiden jedoch auch unter einer Trägheitsverzögerung und werden als zu langsam erachtet, um effektiv zu sein. Elektrisch angetriebene akustooptische Kristallblenden können in Betracht gezogen werden. Eine dritte Technik, d. h. die Technik des "langen Sprunges" ist die am meisten bevorzugteste. Bei der Technik des langen Sprunges springt der Laser von einem weit entfernten Ende einer Platte beschleunigend über die Platte (die Startplatte), überquert dann den Spalt bei maximaler Geschwindigkeit zu einem entfernten Punkt auf der benachbarten Platte (der Landeplatte) abbremsend und beginnend die Fläche der Platte nahe ihrer entfernten Kante zu transformieren. Durch den langen Sprung hat der Laser einen ausreichenden Abstand, über den er beschleunigen kann, so daß er über den Spalt bei einer hohen Geschwindigkeit passiert und zu dem Landepunkt entfernt von dem Spalt abbremst.
Platten können in verschiedenen Mustern und Formen gebildet werden. Ein grundsätzlicher Weg ist der, quadratische oder rechtwinklige Platten in einem geraden Gittermuster zu bilden, d. h. wobei sich die Spalte oder Verfugungslinien kontinuierlich nur in einer Achse erstrecken, anstelle in zwei Achsen, wie bei dem Muster mit geradem Gitter, das oben beschrieben wurde. Bei diesen Gittermustern sind jedoch die Verfugungslinien relativ lange Materialstrecken, die bei Aushärtung einem Kräuseln unterworfen sind. Ferner sind die Platten, die das einzelne Gittermuster bilden, nicht strukturiert, um Kräuseln in jeder Richtung zu widerstehen, das durch Schrumpfen der Verfugungslinien während des Aushärtens verursacht wird. Somit weist das Geradgitter-Plattenmuster zwei schwache Achsen auf.
Ein besseres Plattenmuster ist ein versetztes oder gestaffeltes Gitter, worin die Platten in wechselnden Reihen wie Spiegel in einer horizontalen Wand gestaffelt sind. Durch die Platten in diesem gestaffelten Gittermuster strecken sich die Verfugungslinien kontinuierlich nur in einer Achse statt in zwei Achsen, wie bei dem oben beschriebenen geraden Gittermuster. Zusätzlich, bei den gestaffelten Gittermustern, treffen sich die Verfugungslinien nur an "Dreiweg"-Schnittstellen anstelle von Vierweg-Schnittstellen wie bei dem geraden Gittermuster. Demzufolge können die Verfugungslinien von nur einer Richtung schrumpfen, da die Platten Schrumpfen von einer Seite abblocken. Das gestaffelte Gittermuster hat nur eine "schwache Achse", d. h. längs den ununterbrochenen Verfugungslinien, wohingegen das gerade Gittermuster zwei schwache Achsen hat. Die Platten in dem gestaffelten Gittermuster reduzieren Kräuseln und ergeben auch eine festere Schicht durch Verteilen schwacher Punkte.
Die relativ langen Verfugungslinien, die sich in einer einzelnen Richtung in dem gestaffelten Gittermuster erstrecken, können im wesentlichen schrumpfen, können aber noch nicht die Ebene der Schicht dazu veranlassen, sich nach oben zu biegen, da die abwechselnden Platten in der Lage sind, einem Biegen zu widerstehen.
Wenn das Aufbaumaterial ausgehärtet ist unter Verwendung von bevorzugten Materialien (XB5081), gibt es eine Verzögerung von ungefähr zwei bis drei Sekunden vor dem Schrumpfen des Materials. Demzufolge, wenn kein Verfugen verwendet wird, können die Platten so schnell wie möglich gebildet werden. Bei Ausführungsbeispielen jedoch, die Verfugen umfassen, müssen die Platten zuerst ausgehärtet werden und es muß ihnen erlaubt werden, vor dem Verfugungslegen zu schrumpfen (für einige Sekunden). Platten können durch Hüllebilden ausgehärtet werden. Dieses Hüllebilden kann unter Verwendung von Vielfachdurchlauf, Weben, Nieten genauso wie anderen Techniken, die zuvor diskutiert wurden oder in zuvor eingeschlossenen Anwendungen diskutiert wurden, gebildet werden. Diese Techniken zum Reduzieren des Kräuselns erlauben, daß die Platten größer in der Größe sind, ohne daß signifikantes Kräuseln auftritt. Die Platten können ausgehärtet werden durch Bereitstellen von Hüllfüllung über die gesamte Plattenoberfläche und dann Bewegen auf die nächste Platte. Alternativ können die Platten teilweise ausgehärtet sein (z. B. eine Einlinienspur) gefolgt durch teilweises Aushärten von anderen Platten und dann ein oder mehrmals Zurückkehren, um vollständig die zuvor teilweise ausgehärteten Platten auszuhärten.
Bei dem gestaffelten Gittermuster verursacht Aushärten der Verfugungslinien, die sich ungebrochen in der x-Richtung erstrecken, auch Schrumpfen in der y-Richtung, das einigen Betrag an Kräuseln in der y-Richtung induziert.
Dreiecke sind andere Musterformen, die beim Kacheln verwendet werden können. Diese Muster können sich wiederholende Dreiecksmuster unter Verwendung einer einzigen Dreiecksgröße und -form sein oder ein sich wiederholendes Muster, das Dreiecke verschiedener Form verwendet. Zusätzlich können Muster von zufälligen Dreiecken verwendet werden, solange benachbarte Kanten aufeinander passen, um einen akzeptierbar engen Spalt zu bilden. Bei Mustern von zufälligen Dreiecken können die Verfugungslinien alle kurz und unterbrochen gemacht werden, damit keine schwachen Achsen erzeugt werden.
Das Sechseck ist die am meisten bevorzugte Plattenform. Sechsecke können eng gepackt werden, um feste Platten zu bilden, die durch dünne isolierende Linien getrennt sind. Ein Muster von sechseckigen Platten hat keine schwache Achse und keine langen Verfugungslinien. Folgend dem sechseckigen Plattenmuster (17a) sind in fallender Reihenfolge der Präferenz Dreiecke zufälliger Ordnung und Größe (17b), Dreiecke höherer Ordnung (17c), gestaffelte quadratische Gitterplattenmuster (Ziegelsteinwand) (17d), gerade Gitterplattenmuster (17e), entgegengesetzt gepaarte Dreiecke einer quadratischen regulären Matrix (17f) und Dreieckmuster einer quadratischen regulären Matrix (17g). Andere Muster neben diesen in den 17a bis 17g dargestellten existieren, die zu Bereichen von vernünftigem isotropen Aushärten und keinen schwachen Achsenebenen führen (z. B. Bereiche, die durch zwei oder Typen von Polygonen oder eng gepackten kreisförmigen Platten eingepaßt sind).
Beim Bilden von Schichten durch Kacheln ist es bevorzugt, die Plattenpositionen von Schicht zu Schicht zu stapeln, so daß die Platten und benachbarten Schichten nicht miteinander ausgerichtet sind. Versetzen von Platten zwischen Schichten verbessert die Festigkeit, ohne Kräuseln übermäßig zu erhöhen. Platten, die ausgerichtet oder nicht von Schicht zu Schicht gestaffelt sind (z. B. Säulen von Platten), können akzeptabel für das Kacheln in den ersten einigen Schichten über einem nach unten freien Merkmal sein. Gefolgt von Konversion zu einem Verfahren zum Aufbauen, das die isolierten Plattenbereiche miteinander verbindet. Wenn jedoch ein ganzer Gegenstand mit Kacheln aufgebaut wird (ausschließlich nach unten freien Abständen einer Schicht), ist Staffeln von Platten zwischen Schichten wünschenswert. Die Staffelung kann intermittierend sein, d. h. mit Gruppierungen von kurzen Reihen von Platten über den Gegenstand. Wenn Verfugen bereitgestellt ist, kann Staffeln von Platten zwischen Schichten nicht für die Festigkeit erforderlich sein, kann aber bevorzugt für die Homogenität sein.
Eine zusätzliche Offenbarung, die nützlich zum Implementieren von Kacheln ist, ist in dem US-Patent mit der Seriennummer 5,321,622, betitelt Boolean Layer Comparison Slice, eingereicht von Snead et al, beschrieben, welche Anmeldung hierin durch Bezug eingefügt wird. Diese Anmeldung offenbart die Verwendung von Querschnittsvergleichen, um nach unten freie und andere Merkmale zu bestimmen, die jedem Querschnitt zugeordnet sind. Diese Techniken können einfach erweitert werden, um Flächen zu bestimmen, die mit Platten verlegt werden sollen. Diese mit Platten zu versehenden Flächen können Bereiche umfassen, die eine oder mehr Schichten über nach unten freien Merkmalen sind. Das am meisten bevorzugte Verfahren zum Implementieren von Kacheln, genauso wie andere Hülle-bildende Verfahren, die hierin offenbart sind, besteht in Abweichungen zwischen dem Gegenstandsentwurf oder dem gewünschten Gegenstandsentwurf und der Aufbaudarstellung, wobei diese Abweichungen durch ein Programm vom "Slice"-Typ eingebaut werden. Die Modifizierungen an dem "Slice"-Programm zum Implementieren von Kacheln kann die Verwendung von Sätzen abwechselnd eng beabstandeter und weiter beabstandeter Schraffurpfade umfassen. Die Fläche zwischen den eng beabstandeten Pfaden bestimmt die Verfugungs- oder Spaltbereiche, wohingegen die Fläche zwischen den weiter beabstandeten Pfaden die zu füllende Fläche bestimmt. Ein zweites bevorzugtes Verfahren ist durch Bildung einer Vektormenge von Hülle-bildenden Vektoren, die kontinuierlich über dem Bereich sind, und die Abschnitte von Vektoren, die ausgehärtet werden sollen, und Abschnitte, die unausgehärtet bleiben sollen, unterteilt werden können. Dieser Prozeß des Bestimmens von Abschnitten zum Aushärten und Abschnitten zum nicht Aushärten kann in dem Prozeßrechner als Teil eines Aufbauprogrammes oder ähnlichem gemacht werden. Natürlich existieren andere Verfahren der Implementierung.
Ein Hauptvorteil mehrerer der oben genannten Ausführungsbeispiele ist das Erreichen maximaler Verfestigung bei minimaler Verwindung vor dem Anheften benachbarter Schichten. Vollständiges Nichtanheften für eine zu lange Zeitperiode kann zum Wegdriften von verfestigtem Material aus seiner gekennzeichneten Position führen. Ein Verfahren zum Erhalten der Positionierung von schwebendem verfestigtem Material ohne Kräuseln in einer vorhergehenden Schicht einzuführen ist es, nur einen Punkt jedes Vektors (z. B. jeder Schraffurvektor des ersten Durchlaufs der Schraffur, wenn die Weblösung verwendet wird) an der vorhergehenden Schicht anzubringen (was dazu tendieren wird, den Vektor an der Stelle zu befestigen). Dann werden die an einem Punkt verankerten Vektoren, die schwebend waren, bei einem zusätzlichen Durchlauf abgetastet, um den Aushärtprozeß zu vervollständigen, und um eine adäquate Anhaftung zwischen Rändern und Schraffur zu gewährleisten.
Im allgemeinen können Vielfachabtastungs-Techniken bei vielen der obigen Ausführungsbeispiele verwendet werden, um zu helfen Kräuseln zu reduzieren. Die Vielfachabtastung kann in der Form von mehreren Durchläufen über individuelle Vektoren gemacht werden, oder sie kann durch Überkreuzen von Vektoren oder durch Vernieten von Flächen zusammen oder ähnlichem gemacht werden.
Die Verwendung von "Ösen (Smalleys)" und anderen Techniken zum Reduzieren von Kräuseln kann auch einfach in Verbindung mit vielen der oben genannten Ausführungsbeispiele verwendet werden, um verschiedene Verwindungen zu reduzieren.
Eine zusätzliche Lösung, um Kräuseln in den verschiedenen, mit Hülleversehenen Ausführungsbeispielen zu minimieren, wird "Strongarm" genannt. Bei dieser Lösung wird der ersten Schicht eines nicht unterstützten Bereiches eine zusätzliche Aushärtung gegeben, um ihn stärker zu machen, und dadurch Kräuseln geeigneter zu widerstehen, als die schwächeren, dünneren oberen Schichten, die versuchen werden, es zu induzieren.
Andere Techniken zur Reduzierung von Verwindung, die in dem Definitionsabschnitt dieser Anmeldung definiert sind, können auch verwendet werden.
Bevorzugte Verfahren zum Erhalten einer gleichförmigen Exposition
Wendet man sich den 1 und 2 zu, wird man sehen, daß eine vielfache Exposition von Rändern 10, Schraffurlinien 12 und Hüllfüllung 14 wahrscheinlich Aushärttiefen-Variationen, wie in 2 dargestellt, verursachen werden.
Um einen glatten nach unten freien Bereich zu erhalten, muß die Netto-Exposition über alle Flächenelemente die gleiche sein. Während eine gleichförmige Aushärttiefe notwendig für glatte nach unten freie Merkmale ist, ist es nicht notwendig, glatte nach oben freie Merkmale zu erhalten. Diese nach oben freien Merkmale erhalten ihre glatte Oberflächenendbehandlung von der Glätte der Arbeitsoberfläche des Aufbaumaterials (z. B. Harzoberfläche) und von der adäquaten Festigkeit von Hüllen, die ihren Zusammenbruch aus verschiedenen Kräften verhindern, einschließlich Schrumpfen während dem Nachaushärten.
Es gibt drei Hauptlösungen, die hierin beispielhaft erläutert werden, um eine gleichförmige Exposition zu erhalten, insbesondere von nach unten freien Bereichen. Während die dritte Lösung am bevorzugtesten ist, liegen die anderen zwei innerhalb dem Bereich der Erfindung, da Variationen von allen dreien offensichtlich für einen Fachmann im Lichte der folgenden Beschreibung sein werden.
Eine erste Lösung, um differentielle Exposition zu vermeiden, ist die Verwendung von sowohl Rand- als auch Schraffurvektoren zu vermeiden, und nur Füllvektoren zu verwenden, um nach unten freie Bereiche auszuhärten, unter Verwendung gleichmäßig exponierter Hüllfüllung, die in einer geeigneten Hüllentiefe resultiert. Dies ist ein brauchbares Verfahren zum Erhalten gleichförmiger Exposition und daher Aushärttiefe, aber es kann unter Verwindungsproblemen leiden, da ein relativ steifer Rahmen (Rand und Kreuzschraffur) im allgemeinen erforderlich ist, um die Hülle vom Verwinden abzuhalten, wie es gezeigt ist. Wie zuvor beschrieben, wenn der Zeichenreihenfolge der Vektoren eine besondere Beachtung gegeben wird, kann dieses Verfahren brauchbar gemacht werden.
Eine zweite Lösung ist es, Rand- und modifizierte Schraffurvektoren zu der vollständigen gewünschten Tiefe zu zeichnen. Zuerst dürfen Schraffurvektoren nicht andere Schraffur- oder Randvektoren überkreuzen, um eine zusätzliche Tiefe zu vermeiden, die diesen verfestigten überkreuzten Bereichen hinzugefügt wird. Die verbleibenden Taschen werden mit kleineren Hüllfüllvektoren gefüllt, die keine der ausgehärteten Rand- oder Schraffurlinien kreuzen.
Diese zweite Lösung kann z. B. durch eines von zwei Verfahren implementiert werden.
Das erste Verfahren basiert auf einer einzelnen Schraffurrichtung, die als ununterbrochene Vektoren mit Schraffur gezeichnet wird, die in andere Richtungen läuft, wobei sie die Punkte "überspringt" wo sie den ersten Schraffurtyp kreuzt, und wo sie einander überkreuzen. Diese Schraffurvektoren werden in ihre erforderten Komponenten unterteilt und in einer Ausgabedatei zum Steuern der Bewegung der Abtastspiegel gespeichert (manchmal als eine .SLI-Datei bezeichnet). Zusätzlich zu Schraffurvektoren, die zeitweilig gezeichnet werden und zeitweilig springen, können individuelle Hüllfüllvektoren erzeugt werden, um jede Tasche auszufüllen, die durch sich überschneidende Schraffur- und/oder Randvektoren gebildet ist. Diese Füllvektoren werden in der .SLI-Datei gespeichert.
Das zweite Verfahren basiert auf standardmäßigen Schraffur- und Hüllfüllvektoren, die in der SLI-Datei zusammen mit einem System gespeichert sind (z. B. als Teil des Spiegelantriebssytems), das "Slice"-, Strahlprofil-, Vektorüberschneidungsrichtung- und Aushärttiefen-Parameter verwendet, um Vektoren in zeichnende und springende Elemente zu unterteilen, abhängig davon, ob sie einen Schraffurvektor oder einen Randvektor kreuzen, oder ob ein Schraffurvektor unter den Vektoren ist, die gerade analysiert werden.
Diese beiden Verfahren, die unter die zweite Lösung fallen, erfordern eine Definition dessen, was es für Schraffur- und Hüllfüllvektoren bedeutet, Schraffur- oder Randvektoren zu kreuzen oder auf ihnen zu liegen. Diese Definition kann auf einer Bestimmung basiert sein, wie eng ein exponierter Vektor (sowohl Hülle als auch Schraffierung) sich einem Schraffur- oder Randvektor annähern kann, ohne ein Anwachsen der maximalen Aushärttiefe in diesen Bereichen zu verursachen.
Das erste Verfahren dieser zweiten Lösung kann im Erzeugen großer .SLI-Dateien und großen zugeordneten Vektor-Ladezeiten resultieren. Demgemäß ist das zweite Verfahren der zweiten Lösung derzeit bevorzugter, wenn es in Verbindung mit einer Verweistabelle benutzt wird. Der Inhalt solch einer Tabelle wird bei jedem Beispiel variieren, abhängig von den verwendeten "Slice"-Parametern, den Strahlprofil-Charakteristiken und der gewünschten Aushärttiefe, die erhalten werden soll, und kann routinemäßig für jede erforderliche Menge von Parametern von einem Fachmann formuliert werden. Dieses System kann optionell angepaßt werden, um Annäherungswinkeln zwischen Vektoren Rechnung zu tragen.
Die dritte und derzeitig am meisten bevorzugte Lösung basiert auf dem Anpassen von Hüll-Parametern und Schraffur-Parametern, um eine doppelte Exposition durch Hüllvektoren von Bereichen zu vermeiden, die durch Schraffurvektoren ausgehärtet sind. Die doppelte Exposition könnte aus Hüllvektoren resultieren, die parallel oder anti-parallel zu den Schraffurvektor-Bereichen verlaufen. Diese Lösung unterscheidet sich von den oben beschriebenen Lösungen darin, daß die Hüllvektoren über die Kreuzschraffur gezogen werden, was den Schraffurvektoren, die nicht parallel zu den Hüllvektoren, wie gezeichnet, sind, eine zusätzliche Exposition gibt. Dieses Fortsetzen von Hüllfüllvektoren wird die .SLI-Dateiengröße davor bewahren, zu lang zu werden. Diese Lösung ist kollektiv in der 3 dargestellt. Es wird bemerkt werden, daß die Hüllfüllung in den 3c und 3d in Bereichen, die der dazu parallel laufenden x- und y-Schraffur entsprechen, diskontinuierlich ist. Die Gleichförmigkeit der resultierenden Aushärttiefe ist in 4 veranschaulicht.

Eine nach unten freie Hüllfläche, oder ein "Bereich", kann in Kategorien oder "Unterbereiche" aufgeteilt werden, basierend auf der Art der Exposition, d. h. ob und zu welchem Ausmaß es eine Überlappung zwischen verschiedenen Vektorexpositionen gibt:

Unterbereich 1	– nur Hüllexposition;
Unterbereich 2	– Hüll- und Schraffur-überlappende Exposition;
Unterbereich 3	– Hüll- und Rand-überlappende Exposition;
Unterbereich 4	– Schraffur- und Rand-überlappende Exposition; und
Unterbereich 5	– Hüll-, Schraffur- und Rand-überlappende Exposition.

Einige Lösungen sind geeignet zum Exponieren der Unterbereiche 1 bis 5, so daß jedem Bereich die gleiche Netto-Exposition gegeben wird. Bei den derzeit bevorzugtesten Ausführungsbeispielen stehen drei Kriterien an höchster Stelle.
Zuerst, um einen geeignet steifen Rahmen zum Unterstützen der Hüllfüllung bereitzustellen, ist die folgende Zeichenreihenfolge bevorzugt: zuerst werden die Randvektoren, dann die Schraffurvektoren und schließlich die Füllvektoren gezeichnet.
Zweitens, die Füllvektoren und die Schraffurvektoren beginnen und enden bevorzugterweise kürzer als die Randvektoren um 1/2 der ECW der Randvektoren (wobei dem Annäherungswinkel Rechnung getragen wird). Dies reduziert die Unterbereiche 3, 4 und 5 zu Bereichen, die nur Randvektoren enthalten, so daß den Randvektoren die vollständige Exposition gegeben werden sollte, die erforderlich ist, um die gewünschte Aushärttiefe zu erhalten.
Schließlich wird eine Menge von Füllvektoren vorzugsweise parallel zu jedem verwendeten Typ von Schraffurvektor gezeichnet, und allen Typen von Füllvektoren wird bevorzugterweise die gleiche Exposition gegeben, mit der Ausnahme, daß den Füllvektoren nicht erlaubt werden sollte, zu weiterer Exposition in den Bereichen beizutragen, die durch ihren parallelen Schraffurtyp exponiert worden sind. Zum Beispiel wird, wenn x- und y-Schraffur verwendet wird, die x- und y-Füllung auch verwendet. Auch x-Füllvektoren werden nur erzeugt werden, die zumindest um 1/2 der ECW der Schraffurlinien weg von den x-Schraffurvektoren beabstandet sind. Eine ähnliche Beziehung sollte für y-Füllung und y-Schraffierung aufrecht gehalten werden.
Dies bedeutet, daß der Unterbereich 1 eine Exposition äquivalent zu der kombinierten Exposition jedes Fülltyps haben wird. Unter Verwendung des gleichen Beispieles von x- und y-Schraffur und Füllung sollte jeder Füllungstyp mit 1/2 der Exposition exponiert werden, die erforderlich ist, um die gewünschte Aushärttiefe zu erhalten. Das Beschränken der Füllvektorenexposition auf diese Weise hat einen grundlegenden Effekt auf den Unterbereich 2, der betrachtet werden kann, als ob er aus zwei Microbereichen besteht: a) ein Microbereich, der Überlappen der verschiedenen Schraffurtypen genauso wie der verschiedenen Fülltypen enthält, und b) ein Microbereich, der einen einzigen Schraffurtyp und die verschiedenen Fülltypen enthält. Füllvektoren fehlen bei diesem ersten Microbereich, da sie ausgeschlossen wurden, um nochmaliges Exponieren schraffierter Flächen zu vermeiden. Demgemäß empfängt der erste Microbereich seine Gesamtexposition von der der kombinierten Schraffurtypen. Daher wird für x- und y-Schraffur jeder Schraffurtyp die Hälfte der benötigten Exposition beitragen. Für den zweiten Microbereich wird ein Teil der Exposition durch die einzelne Schraffurlinie bereitgestellt werden, und der Rest durch Fülltypen, die nicht parallel zu ihr sind. Dies resultiert in der Gesamtexposition, die durch die Exposition einer Schraffurlinie plus der Exposition von allen außer einem der Hülltypen gegeben wird. Daher ist die Anzahl der Expositionquellen gleich der Anzahl der Kreuzschraffurtypen und daher der Anzahl der Hüllfülltypen. Durch Verwenden einer x- und y-Schraffur wird z. B. die Hälfte der Exposition in einem Bereich von x-Schraffur durch diese Schraffur bereitgestellt und die andere Hälfte wird durch die y-Füllung bereitgestellt und umgekehrt.
Die bevorzugteste Lösung kann wie folgt zusammengefaßt werden: Die bevorzugte Aushärtreihenfolge beginnt mit Randvektoren, gefolgt von Schraffurvektoren und schließlich von Füllvektoren. Die Randvektoren stellen die gewünschte Aushärttiefe bereit. Die Hüll- und Schraffurvektoren sind verkürzt aufgrund der ECW der Ränder (gekürzt durch die EEP). Die Füllvektoren dürfen nicht zu der Exposition (die erzeugt wird) innerhalb 1/2 der ECW auf jeder Seite eines parallelen Schraffurvektors beitragen. Jede Kombination von Schraffurtyp mit ihrem parallelen Hülltyp wird verwendet, um eine gleichförmige Aushärttiefe zu erreichen. Jedem Schraffurvektor und jeder Netto-Exposition seines entsprechenden Fülltyps wird die gleiche Exposition gegeben. Daher ist die individuelle Bruchteilexposition (IFE), ein dimensionsloser Bruchteil der benötigten Exposition, die zu jedem Typ gegeben wird, das Reziproke der Anzahl der unterschiedlichen Schraffurtypen (NHT), d. h. IFE = 1/NHT.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Obigen basiert auf der Verwendung des derzeit bevorzugten kreuzschraffierenden Verfahrens. Diese bevorzugte Schraffurtechtik verwendet x- und 60/120-Schraffur anstelle von x- und y-Schraffur. Während sich die vorhergehende Diskussion auf allgemein bevorzugte Verfahren zum Reduzieren von "Waffel"-Aussehen bezieht, ist es am meisten bevorzugt, dieses Verfahren zum Reduzieren/Entfernen von Waffeln in Verbindung mit diesen derzeit bevorzugten Schraffurtypen zu benutzen, d. h. gleich beabstandete x-, 60°- und 120°-Schraffur. Die sich ergebenden Schraffurvektoren bilden gleichseitige Dreiecke. Demgemäß wird es Bereiche geben, wo ein Schraffurvektor ist, und Bereiche, wo drei Schraffurvektoren sich überlappen, aber es wird nie Bereiche geben, unter Annahme genauen Abtastens, wo sich nur zwei Vektoren überlappen. Die entsprechende Hüllfüllung wird in den X-, 60°- und 120°-Richtungen sein. Diese Füllvektoren werden wiederum keine zusätzliche Exposition innerhalb der Hälfte der ECW auf jeder Seite ihrer parallelen Schraffurvektoren und innerhalb 1/2 der ECW (unter Berücksichtigung des Einfallswinkels) der Randvektoren produzieren dürfen. Die Reihenfolge des Aushärtens wird wieder zuerst die Ränder sein, dann die Schraffur und dann die Füllung. Den Rändern wird eine vollständige Exposition gegeben werden, um sie zu der gewünschten Aushärttiefe zu bringen. Die Schraffur- und Füllvektoren werden wieder an jedem Ende um die EEP der Randvektoren gekürzt werden. Den Schraffurvektoren wird jeweils 1/3 der erforderlichen Exposition gegeben werden, die notwendig ist, um die am Ende erwünschte Aushärttiefe zu erreichen. Die Füllvektoren werden abgetastet werden, so daß die Netto-Exposition in dem "Nur Hüllen"-Bereich auch nur um 1/3 dieser Exposition gegeben werden wird.
Außer in Bereichen der Randvektoren muß jeder Punkt durch drei Vektortypen mit 1/3 Exposition von jedem Typ abgetastet werden, um vollständige Exposition zu erreichen. In dem Bereich der Hülle allein, wenn alle drei Hülltypen von gleicher (1/3) und überlappender Exposition verwendet werden, wird eine Netto-Exposition von 1 erreicht werden.
Ähnlich für einen Bereich von Schraffur und Hülle wird ein Schraffurtyp verwendet zusammen mit den beiden Hülltypen, die nicht parallel zu ihm sind. Jedem wird eine gleiche Exposition von 1/3 gegeben, um einen Bereich von Netto-Exposition 1 zu erlangen. Wenn die Schraffurvektoren gleichseitige Dreiecke bilden, folgt daraus, daß jedesmal alle zwei Schraffurvektoren überlappen, der dritte Schraffurvektor wird auch vorhanden sein. Wenn jedem Schraffurvektor eine Exposition von 1/3 gegeben wird, dann wird die Netto-Exposition in diesem Bereich 1 sein.
In Bereichen, in denen Ränder auftreten, existiert eine unausgeglichene Situation aufgrund der Anwesenheit eines Randvektors genauso wie den anderen oben beschriebenen Vektortypen. Die Möglichkeiten umfassen das Vorhandensein von: einem Rand- und drei Schraffurvektoren; einem Rand- und einem Schraffur- und zwei Füllvektoren; oder einem Rand- und drei Hüllvektoren. Diese Kombinationen können z. B. auf eine von zwei Arten angegangen werden: 1) alle Schraffur- und Füllvektoren werden kurz vor dem Rand (bei 1/2 der effektiven Aushärtbreite) angehalten und dann wird dem Rand selbst eine Exposition von 1 gegeben; oder 2) Auswählen von zwei der Schraffurtypen und der gleichen beiden Hülltypen, um vollständig bis zum Rand auszuhärten und Anhalten des anderen Schraffur- und Hülltyps kurz vor dem Rand bei 1/2 der ECW des Randes. Wenn den Randvektoren eine 1/3 Aushärtung gegeben wird, wie bei den anderen Vektoren, ergibt diese Kombination eine Netto-Exposition von 1 in dem Randbereich. Die erste der obigen beiden Optionen ist derzeit die bevorzugteste.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel basiert auf der Verwendung von x- und y-Schraffur zusammen mit der zweiten oben beschriebenen Option. In diesem Falle wird die Exposition in dem Randbereich von den Randvektoren, einem Schraffur- und seinem entsprechenden Fülltyp herrühren, wobei der andere Schraffur- und Fülltyp zuvor anhält. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, eine bessere Haftung zwischen den Randvektoren und den Füll- und Schraffurvektoren zu gewährleisten.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel basiert auf der Verwendung von x- und 60°-/120°-Schraffur zusammen mit der Netto-Exposition in den Randflächen, die durch Exponieren von Randvektoren zusammen mit Exponieren von zweien der drei Typen von Schraffur und den entsprechenden Füllvektoren hergestellt worden sind.
Andere zusätzliche Ausführungsbeispiele sind denkbar. Zum Beispiel solche, bei denen eine unterschiedliche Aushärtung zu einem Schraffurtyp und seinem entsprechenden Fülltyp gegeben wird, verglichen mit der Exposition, die den anderen Schraffur- und Fülltypen gegeben wird, wobei die resultierende Netto-Exposition noch die gewünschte Hüllentiefe erzeugt. Es ist auch möglich, diese Lösung auszuweiten, um andere Quellen von Durchdrucken einzuschließen, wie z. B. die, die von Kreuzschraffur von der Schicht über der, die das nach unten freie Merkmal enthält, herrühren. Die Kreuzschraffur auf dieser höheren Schicht kann tatsächlich durch die untere Schicht hindurchdrucken. Durch Verwendung eines bestimmten Materiales wird dieser Durchdruckeffekt reduziert, wenn größere Schichtdicken verwendet werden und erhöht, wenn kleinere Schichtdicken verwendet werden. Durch Verwendung experimenteller oder analytischer Verfahren kann das Ausmaß des Durchdruckens bestimmt werden, und der Kreuzschraffur auf der Schicht, die das nach unten freie Merkmal enthält, kann eine entsprechend geringerer Aushärtung gegeben werden. Nach der Exposition dieser Schicht und der folgenden Schicht wird das nach unten freie Merkmal eine gleichförmige Aushärtung haben. In den meisten Fällen gibt es Kreuzschraffurvektoren auf der Schicht, die unmittelbar dem nach unten freien Merkmal folgt, wobei das obige Kompensationsverfahren nützlich sein würde. In seltenen Fällen jedoch kann ein nach oben freies Merkmal auf der gleichen Schicht wie ein nach unten freies Merkmal sein (daher ist das Merkmal nur eine Schicht dick), was erfordert, daß die Schraffur und Füllung perfekt einander angepaßt sein müssen, basierend auf der einen Schichtdicke der Aushärtung. Auf Schichten, die sowohl nach oben als auch nach unten freie Merkmale in dem gleichen Bereich haben, ist es wichtig sicherzustellen, daß nur die nach unten freie Hülle ausgehärtet wird, um nicht mehr Exposition als gewünscht zu benutzen.
Bei der obigen Beschreibung ist nur eine effektive Aushärtbreite beispielhaft beschrieben worden, um die Nähe zu beschreiben, um die die Vektoren sich einander annähern können, aber mehr als eine ECW und EEP können unter geeigneten Umständen verwendet werden.
Die hierin beschriebenen Verfahren sind implementiert und experimentell verifiziert worden unter Verwendung von x- und y-Schraffur und Füllung ohne Bedarf nach modifizierter Software. Ein Gegenstand kann unter Verwendung von x- und y-Schraffur und x- und y-Hüllfüllung in Scheiben geschnitten werden. Die erzeugte SLI-Datei kann dann per Hand editiert werden, wobei die Hüllfüllvektoren entfernt werden, die in einem spezifischen Abstand von ihren parallelen Schraffurvektoren sind (dieser Abstand ist die ECW). Diese SLI-Datei kann dann mit einer Unterstützungsdatei verbunden werden. Die Bereichsdatei kann dann durch Geben einer gleichen Aushärtung zu der x- und der y-Schraffur und einer geeigneten Einzellinien-Exposition, die zu den Füllvektoren gegeben wird, vorbereitet werden, um eine äquivalente Gesamtexposition wie die von der x- und der y-Schraffur zu erzeugen. Alternativ kann die Software modifiziert sein:

1) durch Erzeugen eines Hülltypes entsprechend einer 60°-Kreuzschraffur und einem anderen entsprechend zu 120°-Kreuzschraffur,
2) durch Erzeugen einer "Slice"-Option (oder in einem anderen geeigneten Programm), damit ein Versatz für Hüllvektoren nicht in der Nähe von Schraffurpfaden erzeugt (oder nicht gezeichnet) wird, und
3) Erzeugen einer Option, um eine Reduzierung der Kreuzschraffur- und Füllvektoren auf jedem Ende um einen erforderlichen Betrag zu erlauben.

Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Abschnittes der vorliegenden Erfindung, der von dem Erhalten gleichförmiger Hülltiefe handelt, basiert auf der Idee, die gleiche Exposition für sowohl die Schraffurvektoren als auch die Hüllvektoren zu benutzen. Die Schraffurvektoren und die Hüllvektoren werden bei der gleichen Abtastgeschwindigkeit gezeichnet. Bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel waren die Netto-Flächenexpositionen die gleichen, nicht die individuellen Vektorexpositionen. In diesem Ausführungsbeispiel gibt es keinen Bedarf, getrennte Kreuzschraffur zu erzeugen. An deren Stelle werden periodisch beabstandete Hüllvektoren von der Hüllliste weggezogen und in eine Schraffurliste zur Exposition vor dem Exponieren der restlichen Hüllvektoren eingegeben. Diese anfänglich exponierten Hüllvektoren funktionieren als Kreuzschraffur daher erfordert dieses Verfahren nicht länger die Berechnung der ECW für Kreuzschraffur- und Hüllvektoren. Damit die Schraffurvektoren eine adäquate Festigkeit haben, um einen Rahmen zum Unterstützen der Hüllvektoren zu bilden, kann es nützlich sein, die Hüllvektoren um einen maximalen Abstand zu beabstanden (daß sie aber noch in der Lage sind, eine adäquate gleichförmige Aushärttiefe zu bilden), so daß die individuellen Hüll-/Schraffurvektoren relativ stark sein werden.
Bevorzugte Verfahren zum Auswählen und Bestimmen der Aushärttiefe
Um eine theoretische Bestimmung der Hüllendicke durch eines oder mehr Berechnungsverfahren zu machen, würde man normalerweise die Parameter der Geschwindigkeit [Schrittperiode (SO) und Schrittgröße (SS)], der Laserleistung, des Strahlprofiles, des Aufbaumateriales, der Aushärttiefen, der Arbeitskurve und der zugeordneten maximalen Aushärtbreite, und des Vektorversatzes betrachten. Wenn jedoch eine Hülle gebildet wird, die mehrfach breiter als der Laserstrahl ist, und eine Schrittgröße und ein Versatz verwendet werden, die mehrfach kleiner als die Laserstrahlbreite sind, wird die Energieverteilung über der mit Hülle versehenen Fläche im wesentlichen gleichförmig verteilt sein. Wenn die Energie gleichförmig verteilt ist, wird die Fläche gleichförmig zu einer bestimmten Tiefe ausgehärtet sein, abhängig von der Exposition. Demge mäß ist die Exposition als Energie pro Einheitsfläche = Laserleistung × Schrittperiode/(Schrittgröße × Versatz). Diese obige Beziehung kann mit einer bestimmten Dicke gleichgesetzt werden durch Aufzeichnen der Dicke gegenüber dem Logarithmus der Exposition, was, wenn die Harzabsorption dem Gesetz von Beer gehorcht, in einer linearen Beziehung resultieren wird. Aus dieser Beziehung kann man die Steigung und den Schnittpunkt dieser Beziehung bestimmen. Da die obige Beziehung nicht explizit den Brennpunkt, das Profil und Maschinenarbeitskurvenparameter enthält, sollten die Konstanten, die für eine Maschine bestimmt sind, direkt verwendbar auf einer anderen Maschine sein, solange die Parameter des Materials, der Wellenlänge und des Abstandes von den Abtastspiegeln zu der Oberfläche des Harzes die gleichen sind (oder als solche angesehen werden).
Die vorgehende detaillierte Beschreibung und die folgenden Beispiele sollten als veranschaulichend eher als beschränkend, als Routinevariationen und Modifikationen innerhalb dem Bereich der Erfindung verstanden werden, wie es von einem Fachmann geschätzt werden wird. Demgemäß wird bezweckt, daß die Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche und alle deren Äquivalente beschränkt ist.
Beispiele
Beispiel 1
Ein Experiment wurde durchgeführt, um zu bestimmen, ob das Hüllenbilden auf jeder Schicht eines Teiles irgendeinen Vorteil bezüglich dem Minimieren der Verwindung verglichen mit Aufbautechniken, die auf den einfachen, im wesentlichen untransformierten Material innerhalb den Rändern dieses Teiles basieren, ergibt.

In diesem Experiment wurden acht Teile in Gruppen von zwei gebaut. Jede Gruppe umfaßte einen Gegenstand, der auf einer Hebebühnenplattform vor dem Mittelpunkt der Plattform aufgebaut wurde, und einen Gegenstand, der auf der Hebebühnenplattform hinter ihrem Mittelpunkt aufgebaut wurde, wobei die Gegenstände abgesehen von ihren Orten auf der Aufbauplattform identisch waren. Ein Probegegenstand ist in 12 dargestellt. Jeder Gegenstand war ein 1-Inch-Würfel ohne Oberteil und Boden, aber mit einer Wanddicke von 2,54 mm (100 mil). Verschiedene Optionen zum in Scheiben schneiden und Verbinden wurden verwendet, um vier unterschiedliche Gruppen zu erzeugen:

Grp. Name	Beschreibung
Skntin01	– vorderer Gegenstand hat eine Hülle auf jeder Schicht. Der hintere Gegenstand hat eine Hülle nur auf den oberen und unteren Schichten.
Skntin02	– Der vordere Gegenstand hat eine Hülle nur auf den oberen und unteren Schichten. Der hintere Gegenstand hat Hülle auf jeder Schicht.
Skntin03	– Der vordere Gegenstand hat Hülle auf jeder Schicht. Der hintere Gegenstand hat Hülle auf jeder Schicht.
Skntin04	– Der vordere Gegenstand hat Hülle nur auf den oberen und unteren Schichten. Der hintere Gegenstand hat Hülle nur auf den oberen und unteren Schichten.

Alle (8 Teile) vier Gruppen wurden mit den folgenden Parametern aufgebaut:

Schichtdicke – 0,508 mm (20 mil).

Aushärtdicke für Schichtränder – 0,660 mm (26 mil).

Aushärtdicke für Schichtschraffur – 0,660 mm (26 mil).
Die Schraffurvektoren liefen parallel zu der x-Achse und zu der y-Achse beabstandet um 1,27 mm (50 mil) und die Hüllvektoren liefen parallel zu der X-Achse.
Die Aushärtdicke für Hüllfüllung wurde nicht als Dicke spezifiziert, sondern als 1/2 der Schrittperiode (SP) für eine 0,660 mm (26 mil) Aushärtung (mit einer SS von 2) und einer Schrittgröße (SS) von 16. Alle Hüllfüllvektoren liefen parallel zu der x-Achse mit einem 0,051 mm (2 mil) Versatz zwischen ihnen. (Als eine Randbemerkung, die Messung der Hüllendicke unter ähnlichen Aushärtbedingungen zeigte an, daß die Aushärtdicke ungefähr 0,508 mm (20 mil) war. Das Aufbaumaterial war SLR 800, hergestellt von DeSoto Chemical.)
Messungen wurden auf jedem Teil gemacht, um die sich ergebende strukturelle Genauigkeit des Teiles zu bestimmen. Kein Versuch wurde gemacht, um das Aushärtschrumpfen zu kompensieren. Eine Reihe von Messungen wurden nahe dem Oberteil von jedem Teil gemacht. Die Messungen sind in 13 dargestellt. Sie sind mit 501 bis 506 bezeichnet. Die Messungen 501 bis 503 maßen Abstände parallel zu der X Achse, während die Messungen 504 bis 506 Abstände parallel zu der Y Achse maßen. Der Betrag an Verwindung des Teiles längs der X-Achse ist definiert als Verwindung (X) = (501 + 503)/2 – 502,ähnlich ist die Verwindung längs der Y-Achse definiert als Verwindung (Y) = (504 + 506)/2 – 505.
Die Teile wurden in der X-Richtung mit Hülle versehen, die X-Verwindung ist die Verwindung der Wand senkrecht zu der Richtung der Hüllbildung und die Y-Verwindung ist die Verwindung der Wand parallel zu der Richtung der Hüllbildung.
Die Resultate werden wie folgt zusammengefaßt:
Skntin01
Vorderer Gegenstand, alle Schichten werden längs der X-Richtung mit Hülle versehen

– Verwindung der Wand senkrecht zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,091 mm (3,6 mil)
– Verwindung der Wand parallel zu der Richtung des Bildens der Hülle = 0,239 mm (9,4 mil)

– Verwindung der Wand senkrecht zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,244 mm (9,6 mil)
– Verwindung der Wand parallel zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,246 mm (9,7 mil)

– Verwindung der Wand senkrecht zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,030 mm (1,2 mil)
– Verwindung der Wand parallel zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,208 mm (8,2 mil)

– Verwindung der Wand senkrecht zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,231 mm (9,1 mil)
– Verwindung der Wand parallel zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,178 mm (7,0 mil)

– Verwindung der Wand senkrecht zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,038 mm (1,5 mil)
– Verwindung der Wand parallel zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,201 mm (7,9 mil)

– Verwindung der Wand senkrecht zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,051 mm (2,0 mil)
– Verwindung der Wand parallel zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,196 mm (7,7 mil)

– Verwindung der Wand senkrecht zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,279 mm (11,0 mil)
– Verwindung der Wand parallel zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,246 mm 9,7 mil

– Verwindung der Wand senkrecht zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,241 mm (9,5 mil)
– Verwindung der Wand parallel zur Richtung des Bildens der Hülle = 0,201 mm (7,9 mil).

Zusammenfassend reduzierte das Bilden von Hülle auf jeder Schicht in der x-Richtung die Verwindung in den Dimensionen, die parallel gemessen wurden, aber nicht senkrecht zu der X-Achse.
Beispiel II
Bei einem zweiten Experiment wurden Teile durch Bilden von Hülle auf jeder Schicht aufgebaut, wobei die Hülle senkrecht zu der Richtung der Hülle auf der vorherigen Schicht war. In anderen Worten, es wurden Teile mit einer Hüllfüllung vom X-Typ auf jeder zweiten Schicht und mit Hülle vom Y-Typ auf den anderen Schichten aufgebaut. Die Teile waren die gleichen wie die, die für das Beispiel I beschrieben wurden, außer den Unterschieden beim Bilden der Hülle.
Teil GB349
Vorderer Gegenstand, jede Schicht ist mit Hülle versehen, abwechselnde X- und Y-Typen

– Verwindung (X) = 0,124 mm (4,9 mil)
– Verwindung (Y) = 0,112 mm (4,4 mil)

– Verwindung (X) = 0,102 mm (4,0 mil)
– Verwindung (Y) = 0,135 mm (5,3 mil)

– Verwindung (X) = 0,079 mm (3,1 mil)
– Verwindung (Y) = 0,188 mm (7,4 mil)

– Verwindung (X) = 0,127 mm (5,0 mil)
– Verwindung (Y) = –0,069 mm (–2,7 mil)

– Verwindung (X) = 0,135 mm (5,3 mil)
– Verwindung (Y) = 0,157 mm (6,2 mil)

– Verwindung (X) = 0,239 mm (9,4 mil)
– Verwindung (Y) = 0,173 mm (6,8 mil)

– Verwindung (X) = 0,063 mm (2,5 mil)
– Verwindung (Y) = 0,0762 mm (3,0 mil)

– Verwindung (X) = 0,048 mm (1,9 mil)
– Verwindung (Y) = 0,104 mm (4,1 mil)

– Verwindung (X) = 0,152 mm (6,0 mil)
– Verwindung (Y) = 0,025 mm (1,0 mil)

– Verwindung (X) = 0,038 mm (1,5 mil)
– Verwindung (Y) = 0,191 mm (7,5 mil)

Zusammenfassend haben diese Daten eine wesentliche Streuung, aber man kann daraus schließen, daß Hüllbilden in x- und y-Richtungen auf einer der entgegengesetzten Schichten im allgemeinen Verwindung zu einem gewissen Ausmaß in jeder Richtung zu reduzieren scheint.
Beispiel III
Ähnliche Experimente wie die, die in den Beispielen I und II ausgeführt worden sind, tendierten dazu, zu zeigen, daß Bereitstellen von sowohl x- als auch y-Hüllfüllung auf jeder Schicht im allgemeinen Verwindung sowohl in der x- als auch der y-Richtung reduzierte.
Ähnliche Experimente wie die, die in den Beispielen I und II ausgeführt worden sind, zeigten, daß Bereitstellen von X-Hüllfüllung zusammen mit X-, 60°- und 120°-Schraffur auf jedem Querschnitt im wesentlichen Verwindung in beide Richtungen reduzierte.
Beispiel IV
Vier 1'' × 1'' Quadrate wurden in einem einzigen Aufbauprozeß auf einer stereolithographischen Vorrichtung aufgebaut. Jedes Quadrat bestand aus sechs 0,508 mm (20 mil) Schichten. Die strukturelle Unterstützung für jede Schicht basierte auf x- und y-Kreuzschraffur, beabstandet durch eine 1,27 mm (50 mil) Trennung. Jedes Quadrat wurde durch ein Gitter von Geweben unterstützt, das in einem Abstand von 1/4'' angeordnet war. Die Gewebe bestanden aus zehn 0,508 mm (20 mil) Schichten. Auf der oberen Oberfläche jedes Quadrates wurde eine standardmäßige Hüll-bildende Technik angewandt. Daher wurde der oberen Oberfläche eine x-Hüllfüllung gegeben, die um 0,051 mm (2 mil) auf dem Oberteil eines Gitters von x- und y-Kreuzschraffur beabstandet war. Die unterstützenden Gewebestrukturen waren von 1 bis 4 durchnummeriert, während die quadratischen Flecken von 5 bis 8 durchnummeriert waren (basierend auf der Verbindungsordnung).
Auf der ersten Schicht jedes Quadrates wurde eine x- und y-Schraffur angewandt unter Verwendung einer bestimmten Exposition zusammen mit einer bestimmten Hüll-bildenden Technik und einer zugeordneten Exposition. Der zweiten bis zur sechsten Schicht wurde eine standardmäßige 0,660 mm (26 mil) Aushärttiefe für Ränder und Schraffur gegeben. Auf der ersten Schicht wurde den Randvektoren die gewünschte vollständige Aushärttiefe gegeben, ohne Bearbeitung in irgendeiner Reduktion bei den Schraffur- und Hüllvektoren zum Zwecke des Minimierens vielfacher Expositionen in Randbereichen. Die Hüll-bildende/Expositions Technik wurde für die erste Schicht jedes Fleckens variiert.
Quadratischer Flecken 5: "Standardlösung für nach unten freie Hüllen"
Rand = 0,660 mm (26 mil) Aushärtung (SP 65, SS 2)
x- und y-Kreuzschraffur = 0,660 mm (26 mil) Aushärtung (SP 65, SS 2)
x-Hüllfüllung = Hälfte der SP einer 0,660 mm (26 mil) Exposition
Wenn SS = 2 (SP 33, SS 16);
Füllvektoren sind bei 0,051 mm (2 mil) beabstandet ohne Spalte, außen exakte Duplikate der Schraffur.
y-Hüllfüllung = keine
Quadratischer Flecken 6: "Nach unten freie Hüllen, wobei die Hülle leicht unterexponiert ist"
x- und y-Kreuzschraffur = 0,508 mm (20 mil) Aushärtung (SP 29, SS 2)
Rand = 0,508 mm (20 mil) Aushärtung (SP 29, SS 2)
x-Hüllüllung = SP für eine 0,406 mm (16 mil) Aushärtung, wenn SS = 2 (SP 17, SS 16);
Füllvektoren sind um 0,051 mm (2 mil) beabstandet, wobei Vektoren entfernt sind, die 0,051 mm (2 mil) und 0,102 mm (4 mil) von parallelen Schraffurvektoren entfernt sind (d. h., daß die Hüllfüllvektoren, die am nächsten zu der Schraffur sind, 0,152 mm (6 mil) weg sind).
y-Hüllfüllung = SP für eine 0,406 mm (16 mil) Aushärtung, wenn SS = 2 (SP 17, SS 16);
Füllvektoren sind um 0,051 mm (2 mil) beabstandet, wobei Vektoren entfernt werden, die 0,051 mm (2 mil) und 0,102 mm (4 mil) von parallelen Schraffurvektoren weg sind.
Quadratischer Flecken 7: "Nach unten freie Hüllen mit Hüllexposition, die eng an die Kreuzschraffurexposition angepaßt ist"
Rand = 0,508 mm (20 mil) Aushärtung (SP 29, SS 2)
x- und y-Kreuzschraffur = 0,508 mm (20 mil) Aushärtung (SP 29, SS 2)
x-Hüllfüllung = SP für eine 0,508 mm (20 mil) Aushärtung, wenn SS = 2 (SP 29, SS 16);
Füllvektoren sind um 0,051 mm (2 mil) beabstandet, wobei Vektoren entfernt werden, die 0,051 mm (2 mil) und 0,102 mm (4 mil) von parallelen Schraffurvektoren weg sind.
y-Hüllfüllung = SP für eine 0,508 mm (20 mil) Aushärtung, wenn SS = 2 (SP 29, SS 16) ist;
Füllvektoren sind um 0,051 mm (2 mil) beabstandet, wobei Vektoren entfernt sind, die 0,051 mm (2 mil) und 0,102 mm (4 mil) von parallelen Schraffurvektoren weg sind.
Quadratischer Flecken 8: "Nach unten freie Hüllen, wobei die Hülle leicht überexponiert ist"
Rand = 0,508 mm (20 mil) Aushärtung (SP 29, SS 2)
X- und y-Kreuzschraffur = 0,508 mm (20 mil) Aushärtung (SP 29, SS 2) x-Hüllfüllung = SP für eine 0,660 mm (26 mil) Aushärtung, wenn SS = 2 (SP 65, SS 16);
Füllvektoren sind um 0,051 mm (2 mil) beabstandet, wobei Vektoren entfernt sind, die 0,051 mm (2 mil) und 0,102 mm (4 mil) von parallelen Schraffurvektoren weg sind.
y-Hüllfüllung = SP für eine 0,660 mm (26 mil) Aushärtung, wenn SS = 2 (SP 65, SS 16);
Füllvektoren sind um 0,051 mm (2 mil) beabstandet, wobei Vektoren entfernt sind, die 0,051 mm (2 mil) und 0,102 mm (4 mil) von parallelen Schraffurvektoren weg sind.
Nach dem Aufbauen dieser vier quadratischen Flecken wurden sie geprüft und keines der Teile zeigte irgendwelche Zeichen von Verwindung. Teil 5 hatte die typische große Waffelstruktur, wobei Kreuzschraffur hinter die Hülle hervorragte. Teil 6 hatte eine kleinere Waffelstruktur mit einer Kreuzschraffur, die hinter die Hülle hervorragt. Teil 7 hatte eine Kreuzschraffur und Hüllfüllung, die zu ungefähr dem gleichen Niveau ausgehärtet waren. Es gab jedoch leichte Vorsprünge längs der Seiten der Kreuzschraffur und eine leichte Vertiefung in dem Zentrum der Kreuzschraffur, die anzeigte, daß die Hülle leicht überausgehärtet war und vielleicht, daß die Hülle nicht innerhalb der geeigneten effektiven Aushärtbreite der Kreuzschraffur ausgehärtet war. Teil 8 schien eine Kreuzschraffur zu haben, deren Zentrumslinie vertieft war verglichen mit der Hülle und zu einer erhöhten überlappenden Kante, wo Hülle und Kreuzschraffur sich trafen. Die Größe der Diskontinuitäten in Teil 8 war größer als diejenigen in Teil 7. Siehe 6a–6d für einen Entwurf jedes dieser Fälle.
Ein Kratztest zeigte an, daß Teil 7 fast glatt war, Teil 8 war leicht rauher, Teil 6 war viel rauher und schließlich Teil 5 war am rauhesten von allen. Eine visuelle Begutachtung zeigte an, daß Teil 7 am besten aussah, gefolgt von Teil 8 oder 6, dann schließlich von Teil 5.
Die Ergebnisse dieses Experimentes zeigten, daß die hierin offenbarte Technik eine Waffelstruktur beträchtlich reduzierte. Mit den Parametern, die bei diesen Tests verwendet wurden, schien die Schraffurfestigkeit ausreichend zu sein, um die Hülle ohne Verwindung zu tragen.
Beispiel V
Experimente wurden ausgeführt, um die Nützlichkeit des "Webens" zum Aufbauen von Teilen ohne Erhöhen der vertikalen Verwindung der Teile oder das Bedürfnis, zusätzliche Unterstützungen hinzuzufügen, zu testen.
In einem ersten Experiment wurden acht Teile aufgebaut mit dem Zweck, die am besten geeigneten Aushärttiefen zu bestimmen, die bei dem ersten Durchlauf von Kreuzschraffur bei einer Webaufbautechnik zu verwenden sind. Die Teile wurden mit 0,254 mm (10 mil) Schichten aufgebaut unter Verwendung eines XB-5081 Stereolithographieharzes, mit einem HeCd-Laser von 14,8 mW und einem Strahldurchmesser von 0,221 bis 0,229 mm (8,7 bis 9,0 mil). Die Teile wurden mit Rändern und mit X- und Y-Schraffur gemäß dem "Web"-Ausführungsbeispiel, das früher beschrieben wurde, aufgebaut. Das heißt, der Abstand zwischen Kreuzschraffurvektoren war etwas größer als die Aushärtungsbreite, die dem Aushärten der Vektoren zugeordnet ist. Den Randvektoren wurde eine 0,406 mm (16 mil) Aushärtung gegeben und die Aushärttiefe für den ersten Durchlauf der Kreuzschraffur wurde von Teil zu Teil variiert. Eine Haftung zwischen Schichten wurde durch das Überaushärten der Ränder und die reine Aushärttiefe (Überaushärtung) der Schnittpunkte von 2 gleich-exponierten, sich überschneidenden Paaren von Kreuzschraffurvektoren erhalten. Die Aushärttiefen für den ersten Durchlauf der Kreuzschraffur für verschiedene Teile waren 0,178, 0,203, 0,229, 0,254, 0,279, 0,305, 0,330 und 0,356 mm (7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 und 14 mil). Es wurde herausgefunden, daß die Teile, die anfängliche Kreuzschraffurexpositionen benutzten, um anfängliche Aushärttiefen von 0,178, 0,203 und 0,229 mm (7, 8 und 9 mil) zu erhalten, keine Anzeichen von Kräuseln zeigten, aber daß sie eine adäquate Haftung zeigten. Die Teile, die mit 0,254 mm (10 mil) und größerer, anfänglicher Kreuzschraffuraushärttiefe aufgebaut wurden, zeigten unakzeptables Kräuseln. Daher wird daraus geschlossen, daß die erste Exposition von Kreuzschraffur in dem bevorzugten Webausführungsbeispiel auf einer ausgehärteten Tiefe basiert sein sollte, die kleiner als die Schichtdicke ist. Es ist möglich, daß eine Aushärttiefe etwas größer als die Schichtdicke für bestimmte Materialien akzeptabel sein würde, die kein signifikantes Verbinden zwischen Schichten für kleine Überaushärtungen zeigen würden.
Ein zweites Experiment, ähnlich dem obigen, wurde ausgeführt, um den geeignetesten Schraffurabstand zur Verwendung bei "Web"-Aufbauverfahren zu betrachten. Das verwendete Material war XB 5081, die Schichtdicke war 0,254 mm (10 mil), die Aushärttiefe für Ränder war 0,305 mm (12 mil), die Aushärttiefe für den ersten Durchlauf der Kreuzschraffur war 0,203 mm (8 mil) und der Strahldurchmesser war 0,224 mm (8,8 mil) (maximale Aushärtbreite = 0,254 mm (10 mil)). Der Schraffurabstand für die verschiedenen Teile war 0,076, 0,127 0,178, 0,229, 0,279, 0,330, 0,381 und 0,432 mm (3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 und 17 mil). Es wurde herausgefunden, daß die Teile, die mit Abständen von 0,381 und 0,432 mm (15 und 17 mil) aufgebaut wurden, keine adäquate strukturelle Integrität hatten. Die Teile, die mit Abständen von 0,076, 0,127 0,178 und 0,229 mm (3, 5, 7 und 9 mil) aufgebaut wurden, zeigten unakzetables Kräuseln. Schließlich zeigten die Teile, die mit einem Abstand von 0,279 und 0,330 mm (11 und 13 mil) aufgebaut wurden (genauso wie die Teile, die mit Abständen von 0,381 und 0,432 mm (15 und 17 mil) aufgebaut wurden), keine Anzeichen von übermäßigem Kräuseln.
Beispiel VI
Ein Experiment wurde ausgeführt, um die Verwindung nach dem Aushärten von Teilen, die unter Verwendung des bevorzugten "Web"-Aufbauverfahrens aufgebaut worden sind, das Standardaufbauverfahren und das Aufbauverfahren mit Standardabstand, aber gestaffelter Schraffur zu vergleichen.
Dieses Experiment bestand im Aufbauen einer Serie von Teilen mit unterschiedlichen Aufbauparametern. Die Teile wurden dann gereinigt und vermessen auf einer Koordinatenmeßmaschine (CMM). Dieser erste Satz von Messungen maß den Grünteil (nur teilweise ausgehärtet).
Die Teile wurden dann identisch nachausgehärtet gefolgt von einem anderen Satz von Vermessungen der Teile auf der CMM. Dieser zweite Satz von Messungen maß das vollständig ausgehärtete Teil.
Die bei diesem Experiment benutzten Teile sind in 15 dargestellt. 15a stellt zwei vertikale Wände da, die Seite an Seite mit einer kleinen Trennung zwischen ihnen aufgebaut worden sind. Die Höhe jeder Wand 530 war 1,000 Inch. Die Teile wurden aufgebaut und vermessen, während sie an Webträgern angebracht waren, die an der Aufbauplattform (nicht gezeigt) angebracht waren. 15b stellt eine Draufsicht der beiden Wände dar. Die Länge der Wände 510 war 4,000 Inches. Die Breite jeder Wand 500 war 0,100 Inch und die Trennung der Wände 520 war 0,050 Inch. Das Aufbauen von zwei Wänden im wesentlichen Rücken an Rücken erlaubte, daß jede Wand durch synergistische Stimulierung nachausgehärtet wurde, die von im wesentlichen einer Seite der Wand kam. Dieses einseitige Aushärten ergab eine vorhersagbare nicht gleichförmige Aushärtung des Gegenstandes und daher eine vorhersagbare Richtung der Verwindung. Die Messungen, die durch die CMM auf jeder Wand gemacht wurden, sind auch in 15b dargestellt. Die Messungen 540, 550, 570 und 580 wurden bei ungefähr 1,27 mm (50 mil) (0,050 Inch) von der Kante der Wand und ungefähr 2,54 mm (100 mil) unter der oberen Oberfläche der Wand gemacht. Die Messungen 560 und 590 wurden längs der gleichen Kante der Wand und ungefähr 2,54 mm (100 mil) unter der oberen Oberfläche der Wand gemacht. Die Messungen 560 und 590 wurden längs der gleichen Kante der Wand und bei der gleichen vertikalen Position wie die Messungen 540 und 550 bzw. die Messungen 570 und 580 gemacht. Sie wurden an dem horizontalen Zentrum der Kante der Wand gemacht.
15c stellt eine Verwindung der Wände dar, die durch Nachaushärten induziert worden ist. 15c stellt eine Draufsicht der Wände dar. Die gestrichelten Linien 600 und 610 stellen die gewünschte Form der Wände dar. Die durchgezogenen Linien hingegen stellen die tatsächliche Form der Wände dar. Um die Verwindung der ersten Wand zu bestimmen, sind die Messungen der Punkte 540 und 550 durch eine gerade Linie verbunden. Der Betrag an Verwindung 630 ist die Länge längs dem senkrechten Abstand zwischen der Linie und dem Punkt 560. Um die Verwindung der zweiten Wand zu bestimmen, sind die Messungen der Punkte 570 und 580 durch eine gerade Linie verbunden. Der Betrag an Verwindung 650 ist die Länge längs dem senkrechten Abstand zwischen der Linie und Punkt 590.
Die Teile wurden mit 0,254 mm (10 mil) Schichten auf einer Standard SLA-250 aufgebaut, die von 3D Systems hergestellt worden ist, unter Verwendung eines HeCd-Lasers und Aufbaumaterial "XB5081", hergestellt von Ciba-Geigy. Das Nachaushärten wurde in einer PCA ausgeführt, unter Verwendung von 10 bis 40 W Schwarzlichtlampen.
Das Reinigen der Teile wurde mit Ultraschall in einem Alkoholbad für zwei Minuten durchgeführt. Acht Paare von Teilen wurden aufgebaut unter Verwendung der standardmäßigen Randtechnik (d. h. Hüllbilden nur der nach oben freien und nach unten freien Merkmale des Gegenstandes zusammen mit der Verwendung von breit beabstandeter Kreuzschraffur, um die interne Struktur des Teiles zu bilden). Vier Paare von Teilen wurden aufgebaut unter Verwendung der standardmäßigen Aufbautechnik mit der Modifikation des Staffelns der Schraffur von Schicht zu Schicht. Zwei Sätze von Teilen wurden aufgebaut unter Verwendung der Weblösung.
Aus den Grünteilmessungen ist herausgefunden worden, daß alle Teile praktisch keine Verwindung aufwiesen nachdem sie aus der Wanne entfernt und gereinigt worden waren. Die Verwindung jedes Teiles bei diesem Schritt war kleiner als 0,025 mm (1 mil). Daher mußte man nur die Verwindungsdaten der Nachaushärtung betrachten, um die Verwindung der Nachaushärtung zu studieren.
Die Ergebnisse des Experimentes sind unten zusammengefaßt:

Aufbauverfahren Durchschnittliche Verwindung

Reguläre Schraffur 0,318 mm (12,52 mil)

Gestaffelte Schraffur 0,206 mm (8,11 mil)

Weben 0,045 mm (1,76 mil)
Aus dieser Tabelle kann man sehen, daß sowohl die gestaffelte Schraffur als auch die Webaufbautechniken zu einer wesentlichen Verminderung der Nachaushärtverwindung führen. Weben wird als besonders nützlich zum Minimieren dieser Verwindung angesehen.

Claims

Stereolithographieverfahren zum schichtweisen Bilden von zumindest einem Bereich eines dreidimensionalen Objektes aus einem Medium das bei Belichtung mit einer synergistischen Stimulation verfestigbar ist, gemäß Datendarstellungen die dem dreidimensionalen Objekt entsprechen, aufweisend: a) Aufbringen einer Schicht des Materials auf irgendeine zuvor verfestigte Schicht des dreidimensionalen Objekts; b) Selektives Belichten der Schicht mit einer synergistischen Stimulation indem ein fokussierter Strahlungsstrahl über das Medium bewegt wird, um eine Schicht des dreidimensionalen Gegenstandes zu bilden; c) Wiederholen der Schritte a) und b) für aufeinanderfolgende Schichten bis zumindest der Bereich des dreidimensionalen Objektes gebildet worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass d) die selektive Belichtung der Schicht gemäß der Schritte b) und c) des Belichtens von zumindest einem Bereich von zumindest einer Schicht mit einem Muster von Fliesen, wobei jede Fliese von benachbarten Fliesen isoliert ist durch Abstände von unbelichtetem Material zwischen den Fliesen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nachdem zumindest eine benachbarte Fliese verfestigt worden ist, die Unterbrechungen zwischen den Fliesen zumindest teilweise verfestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Unterbrechung kleiner ist als die Breite der Fliese.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einer nachfolgenden Schicht zumindest eine Fliese gegenüber zumindest einer Fliese der vorausgehenden Schicht versetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei zumindest einige der Fliesen in einer Form verfestigt werden, ausgewählt aus einer Gruppe aufweisend Quadrate, versetzte Quadrate, Dreiecke, versetzte Dreiecke, Sechsecke und versetzte Sechsecke.