DE69125937T2

DE69125937T2 - Herstellungsverfahren gestaltfreier fester objekte aus der flüssigen phase

Info

Publication number: DE69125937T2
Application number: DE69125937T
Authority: DE
Inventors: David W Gore
Original assignee: Incre Inc
Current assignee: Incre Inc
Priority date: 1990-07-11
Filing date: 1991-07-09
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2011-07-10
Also published as: JPH06502588A; DE69125937D1; EP0538362A1; ATE152381T1; EP0538362B1; EP0538362A4; WO1992000820A1

Description

Technisches Fachgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler gestaltfreier, fester Objekte und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung solcher Objekte Tröpfchen für Tröpfchen aus einem Material in flüssiger Phase.

Hintergrund der Erfindung

Herkömmliche Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte sind typischerweise das Zusammensetzen aus mehreren Teilen, spanabhebende Bearbeitung, Verformen oder Gießen. Beim Zusammensetzen müssen häufig einzelne Bestandteile mittlerer Größe miteinander verklebt oder verschweißt werden, während bei der spanabhebenden Bearbeitung und beim Verformen häufig Material abgetragen wird oder die Gestalt vorgeformter Objekte gedehnt wird.
Beim Gießen wird dagegen gewöhnlich eine flüssige Lösung, ein Polymer oder ein geschmolzenes Material in eine Form eingespritzt. Es ist jedoch nicht einfach große Objekte oder Objekte mit hohlen Innenräumen durch Gießen herzustellen weil die Polymerisation und die Verfestigung in einer Form schwer zu steuern sind. Außerdem ist das Gießen ein relativ teures Herstellungsverfahren von Objekten mit spezieller Form, insbesondere wenn diese nur in geringen Stückzahlen benötigt werden.
Das Masters-Patent Nr. US-4,655,492 offenbarte vor kurzem ein Verfahren zur Herstellung gestaltfreier Objekte aus Partikelmaterial, das einige dieser Probleme umgeht. Masters führt einzelne Partikel aus keramischem Material zu bestimmten Punkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem und befestigt diese mit Klebmitteln an einem Ansatzpunkt oder zuvor schon abgesetzten Partikeln, und stellt so nach und nach ein Objekt der gewünschten Form her. Masters beschreibt auch die Verwendung von Tröpfchen eines keramische Partikel enthaltenden Wasserschlamms, die beim Aufprall auf einen Ansatzpunkt oder auf zuvor abgesetzte Partikel gefrieren. Anschließend wird das Wasser vermutlich durch Gefriertrocknung entfernt, wodurch man ein poröses keramisches Objekt erhält.
Bei jedem dieser Verfahren ist die Absatzgeschwindigkeit unabhängig von der Art der verwendeten Partikel, und die Zeitverzögemng zwischen dem Absetzen der Partikel beeinflußt die Form oder Festigkeit des herzustellenden Objekts nicht wesentlich.
Aus diesem Grund wäre das Verfahren von Masters nicht erfolgversprechend, wenn man es auf Material anwendet, das nicht aus Partikeln besteht, wie z.B. Materialien in flüssiger Phase, insbesondere Materialien mit gut definierten Verfestigungseigenschaften wie z.B. Gefrierpunkten oder Polymerisationsinitiatoren. Insbesondere wäre Masters Schlammtröpfchen-Verfahren nicht zum Formen von Objekten aus geschmolzenen Salzen, geschmolzenen Metallen oder bestimmten Polymeren geeignet. Solche Tröpfchen verformen sich beim Aufprall unregelmäßig und behalten dann diese Form, wenn sie sofort gefrieren. Die so hergestellten Objekte sind typischerweise unregelmäßig geformt, nicht widerstandsfähig und porös.
Aus der US-A-3,222,776 ist bekannt, ein Werkstück durch Ausstoßen eines fortlaufenden Flusses geschmolzenen Materials aus einer Vorrichtung mit einem Ausstoßkanal zu formen, der durch Ultraschall so angeregt werden kann, daß der Durchmesser des Flusses reguliert werden kann, während gleichzeitig die relative Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug so beeinflußt wird, daß man ein Werkstück der gewünschten Form erhält. Aus der US-A-3,222,776 ist ebenfalls bekannt, einzelne Tropfen geschmolzenen Materials wenn gewünscht auszustoßen, um Materialkugeln zu bilden, wobei die Vorrichtung in beträchtlicher Entfernung über einer Haltefläche positioniert ist, so daß die Tropfen aushärten während sie aus dem Ausstoßkanal heraustropfen.
Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Herstellung eines gestaltfreien, dreidimensionalen, festen Objekts (30, 80,120,190) aus einem Material (24) in flüssiger Phase mit großer Oberflächenspannung an, dessen Verfestigungseigenschaften und -temperatur bestimmbar sind, mit den folgenden Schritten:
Ausstoßen von Metalltröpfchen (24, 46, 82,100,138) in flüssiger Phase aus einem Ausstoßkopf (20,132,198) entlang steuerbarer Bahnen in vorbestimmten Zeitintervallen, wobei die Temperatur der Metalltröpfchen (24, 46, 82,100,138) beträchtlich höher ist als die Verfestigungstemperatur, zur Bildung einer ersten Wulstschicht (40, 94); und
Ausstoßen von weiteren Metalltröpfchen (24, 46, 82,100,138) in flüssiger Phase entlang steuerbarer Bahnen in vorbestimmten Zeitintervallen, wobei die Temperatur der Metalltröpfchen beträchtlich höher ist als die Verfestigungstemperatur, zur Bildung einer weiten Wulstschicht (92), die die erste Wulstschicht (40, 94) teilweise schmelzt, um eine gute Bindung zwischen der ersten (40, 94) und der zweiten Wulstschicht (92) zu schaffen und so ein dreidimensionales, festes Objekt (30, 80, 120, 190) zu erhalten, das eine selektive vorbestimmte Form (212) hat.
Die vorliegende Erfindung gibt also ein Verfahren zur Herstellung eines gestaltfreien, dreidimensionalen, festen Objekts aus einem Material wie z.B. Metall oder Salz in flüssiger Phase an, das die Sedimentationsgeschwindigkeit des Materials in der flüssigen Phase und auch die Eigenschaften der Umgebung steuert, um ein starkes, gleichmäßig geformtes, nicht poröses, dreidimensionales Objekt einer bestimmten Form zu erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ein System zum wiederholten Ausstoßen feiner Tröpfchen eines Materials in flüssiger Phase, viele Male pro Sekunde, entlang eines gemeinsamen Auswurfwegs. Die Tröpfchen prallen auf und verschmelzen mit einem Substrat, das entweder aus dem Material der Ansatzfläche oder aus zuvor ausgestoßenen Tröpfchen besteht, um ein Sphäroid zu formen. Die Form und Größe des Sphäroiden werden hauptsächlich durch die Umgebungsbedingungen, die Oberflächenspannung und die Verfestigungseigenschaften des Materials bestimmt, sowie durch die Größe und Ausstoßhäufigkeit der aus einem Ausstoßkopf austretenden Tröpfchen. Wenn das Substrat relativ zu aufeinanderfolgend ausgestoßenen Tröpfchen verschoben wird, so daß diese an einem Ende des Sphäroiden aufprallen, verschmelzen sie mit dem Sphäroiden, verlängern diesen zu einem Objekt mit relativ glatter, stabähnlicher Form oder zu einem Wulst, der abkühlt und sich an einem Ausgangspunkt verfestigt, während er sich an seinem wachsenden Ende weiter verlängert.
Im Gegensatz zum Masters-Schlamm erhärten die Tröpfchen nicht beim Aufprall. Sie vergrößern den Umfang des wachsenden bzw. flüssigen Wulstendes, wodurch dieses zu einem Durchmesser anschwillt, der größer ist als derjenige der Tröpfchen. Während die Tröpfchen auf einen Rand des wachsenden Wulstendes aufprallen, erweitert die durch sie hervorgerufene Turbulenz die Wulstränder schnell in Richtung auf diesen Rand und steuert dadurch die Richtung des Wulstwachstums. Auf diese Weise kann ein starkes, kompaktes, festes Objekt jeder bestimmten Form hergestellt werden.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Beschreibung bevorzugter Ausfühmngsformen zusammen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Schaubild einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung der vorliegenden Erfindung, das eine isomerische Veranschaulichung der Objektformung zeigt.
Fig. 2A und 2B sind eine isomerische bzw. eine Querschnitts-Seitenansicht der Wulstbildung in Horizontalrichtung bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 3A und 3B sind Querschnitts-Seitenansichten, die den Effekt von Schwerkraft, Oberflächenspannung und Ablagegeschwindigkeit auf die Wulstbildung zeigen.
Fig. 4 ist eine isomerische Ansicht bei vertikaler Wulstbildung.
Fig. 5A und 5B zeigen die Herstellung einer Wulstschicht-Wand in isomerischer bzw. Querschnitts-Seitenansicht.
Fig. 6 zeigt die Formung eines Hohlzylinders gemäß dem Verfahren und System der vorliegenden Erfindung in isomerischer Ansicht.
Fig. 7 zeigt eine isomerische Ansicht der Formung einer Hohlkugel.

Detaillierte Beschreibung bevorzuater Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Objekts. Die Vorrichtung 10 umfaßt einen Ausstoßkopf 20 innerhalb eines Gehäuses 22, durch das eine steuerbare Umgebung zum Ausstoßen von Tröpfchen 24 eines Materials in flüssiger Phase in Richtung auf eine vorgesehene Position auf einer Oberfläche 26 eines Substrats 28 erhalten wird, um ein kugelförmiges Objekt 30 zu formen.
Gemäß Fig. 1 und 2 kann ein relativ glattes, stabförmiges Objekt bzw. ein Wulst 40 hergestellt werden, indem man einen Ausstoßkopf 20 relativ zur Oberfläche 42 des Substrates 44 verschiebt, der aufeinanderfolgende Tröpfchen 46 in Richtung auf ein wachsendes Ende 48 des Wulstes 40 ausstößt. Die Tröpfchen 46 verschmelzen mit dem wachsenden Ende 48 des Wulstes 40, während zuvor ausgestoßene Trtpfchen sich gegen einen Ansatzpunkt oder ein Ausgangsende 50 hin verfestigen.
Durch die Manipulation verschiedener Faktoren wie z.B. die Schwere, Temperatur und Umgebungsdruck; Oberflächenspannung, Verfestigungstemperatur oder Polymerisationseigenschaften des Tröpfchenmaterials; und die Größe bzw. die Ausstoßgeschwindigkeit, mit der die Tröpfchen aus dem Aussstoßkopf ausgetrieben werden, können der Durchmesser sowie die Glätte, Festigkeit und Stärke des Wulstes 40 stark beeinflußt werden.
Z.B. kann die Form des Wulstes 40 aufgrund der Schwerkraft abflachen (vgl. Fig. 3A), wodurch die Neigung der Oberflächenspannung, dem Wulst 40 einen runden Querschnitt (vgl. Fig. 3B) zu verleihen, ausgeglichen wird. Die Auswirkungen der Schwerkraft sind bei breiten Wülsten 40a, die durch schnelles Absetzen des Materials in flüssiger Phase entstehen, größer als bei schmalen Wülsten 40b. Das Verhältnis zwischen Oberflächenspannung und Dichte des Materials in flüssiger Phase bestimmt auch wesentlich die Höhe eines Wulstes. Gemäß Fig. 2B definieren die Punkte, an denen die Tröpfchen auf das wachsende Ende des Wulstes aufprallen, nur dessen Mittellinie 60, nicht aber seine Breite 62. Die Mittellinie 60 des Wulstwachstums steht in keiner Beziehung zur Breite 62 oder Höhe 64 des Wulstes 40.
Die Breite des Wulstes 40 wird auch durch das Verändern der Masse des pro Zeiteinheit zugeführten Materials in flüssiger Phase variiert, indem man vorzugsweise die Ausstoßgeschwindigkeit oder die Tröpfchengröße reguliert. Hauptsächlich bestimmt die Materialwahl den entsprechenden Temperaturbereich, in dem eine glatte Verfestigung ohne Abflachen möglich ist. Dann wird typischerweise die Tröpfchengröße bzw. die Ausstoßgeschwindigkeit eingestellt, um einen Wulst 40 der gewünschten Breite 62 zu erhalten. Hierbei muß für die meisten Anwendungen die Tröpfchengröße festgesetzt sowie die Ausstoßgeschwindigkeit variiert werden. Häufiger ausgestoßene feinere Tröpfchen ergeben im allgmeinen glattere Wülste 40 bzw. Objekte 30 als weniger häufig ausgestoßene größere Tröpfchen.
Während der Herstellung eines Wulstes 40 sollte eine Öffnung 70 des Ausstoßkopfes vorzugsweise so nahe wie möglich an der Substratoberfläche 42 positioniert werden, ohne daß sie das wachsende Ende 48 des Wulstes 40 berührt. Durch die Nähe der Öffnung 70 zur Oberfläche 42 und zum wachsenden Ende 48 werden kleine Unregelmäßigkeiten in den Auswurfbahnen unwichtiger und die Tröpfchen 46 verlieren wenig Wärme. Anders als beim Ausstoßen nach vertikal abwärts (vgl. Fig. 1) können solche Unregelmäßigkeiten von größerer Bedeutung sein, wenn die Tröpfchen horizontal oder in einem Winkel vom Ausstoßkopf ausgetrieben werden. Jedoch wird durch die Verringerung des Zwischenraums zwischen dem Ausstoßkopf und dem wachsenden Ende 48 die Zeit verkürzt, in der die Tröpfchen 46 der Schwerkraft ausgesetzt sind; dadurch werden typischerweise die durch solche nicht-vertikalen Auswurfbahnen entstehenden Unregelmäßigkeiten verringert.
Gemäß Fig. 4 kann ein vertikaler Wulst 80 mit rundem Durchmesser auch dadurch hergestellt werden, daß die aufprallenden Tröpfchen 82 in Richtung auf die Mittellinie 84 eines wachsenden Endes 86 des vertikalen Wulstes 80 ausgestoßen werden. Wie bei horizontalen Wülsten hängt auch hier der Durchmesser hauptsächlich von der Temperatur, Dichte und Oberflächenspannung des Materials in flüssiger Phase ab. Hauptsächlich werden durch die Materialauswahl die Dichte, Oberflächenspannung und der Temperaturbereich aufprallender Tröpfchen 82 bestimmt. Der Durchmesser des Wulstes 80 kann jedoch durch Steuern des Durchmessers der Öffnung 70, durch das Ändern der Häufigkeit, mit der die Tröpfchen 82 vom Ausstoßkopf 20 ausgeworfen werden und durch die Temperatur des Materials in flüssiger Phase innerhalb des Temperaturbereichs verändert werden. Diese Faktoren sollten innerhalb eines Bereichs gehalten werden, in dem die Verfestigung nicht direkt beim Aufprall eintritt und verhindert wird, daß die Tröpfchen an einer Seite des wachsenden vertikalen Wulstes 80 heruntertropfen.
Gemäß Fig. 5A und 5B können die Wände 90 größerer Objekte durch Übereinanderlegen bzw. Nebeneinanderlegen von Wülsten erhalten werden. Fig. 5A zeigt z.B. einen oberen Wulst 92, der auf einen unteren Wulst 94 aufgelegt wird, und Fig. 5B zeigt eine Seitenansicht der Wand 90, die sich auf der Oberfläche 96 des Substrats 98 befindet. Beim Aufprall der Tropfen 100 auf das wachsende Ende 102 des oberen Wulstes 92 schmelzen diese den unteren Wulst 94 teilweise, bevor beide Wülste sich verfestigen, wodurch die Wülste 92 und 94 miteinander verbunden werden. Zusätzliche Wülste können auf den Wulst 92 aufgesetzt werden, um Wände 90 beliebiger Höhe herzustellen.
Wände mit einfachen oder versetzten Krümmungen können durch Einstellen der Position des Substrats 98 relativ zur Position des Ausstoßkopfes 20 und zum Umfang, in dem der obere Wulst 92 gegen den unteren Wulst 94 versetzt wird, hergestellt werden. So können erfindungsgemäß Hohlzylinder, Kugeln, Toroide und auch andere, komplexere Formen erhalten werden.
Die Stärke der Verbindung zwischen den Wülsten 92 und 94 hängt hauptsächlich davon ab, wie weit der untere Wulst schmilzt, wenn der obere Wulst 92 aufgelegt wird. Der Schmelzvorgang wird verstärkt, wenn entweder das aufprallende Material in flüssiger Phase heißer ist oder der untere Wulst 94 wärmer ist. Zu niedrige Temperaturen können zu schwächeren Verbindungen führen, während zu hohe Temperaturen das Zusammenfallen der Wand 90 zur Folge haben können. Deshalb werden die Temperaturen des unteren Wulstes 94 und der aufprallenden Tröpfchen 100 vorzugsweise innerhalb eines genau definierten Temperaturbereichs gehalten, um zu verhindern, das sich schwache Verbindungen bilden oder sich übermäßig viel Hitze ansammelt.
Hauptsächlich wird die Breite 108 des Wulstes 90 dadurch bestimmt, wie stark der untere Wulst 94 beim Aufsetzen des oberen Wulstes 92 schmilzt. Z.B. kann bei relativ hoher Temperatur des Materials in flüssiger Phase die Hälfte oder mehr des Volumens des unteren Wulstes 94 schmelzen, wodurch sich die Wände 90 verdicken. Durch höhere Absatztemperaturen kann auch die effektive Höhe 110 jedes Wulstes verringert werden, wodurch zum Erhalt einer Wand 90 einer vorgegebenen Höhe zusätzliche Wülste erforderlich werden.
Der Durchmesser der Öffnung 70 beeinflußt ebenfalls die Breite und somit auch die Stärke der Wand 90. Daher können durch Variieren der Größe und Ausstoßgeschwindigkeit der Tröpfchen, durch die relative Bewegungsgeschwindigkeit zwischen dem Substrat 98 und dem Ausstoßkopf 20 und die Absatztemperatur des Materials in flüssiger Phase, wodurch gesteuert wird, wie weit jeder obere Wulst 92 seinen jeweiligen unteren Wulst 94 schmelzt, eine Vielzahl verschiedener Wanddicken erzeugt werden.
Durch zu schnelles Auflegen des Materials in flüssiger Phase kann ein Objekt bzw. ein aus einer Wand 90 erhaltener Aufbau überhitzt werden. Die maximal mögliche Tropfgeschwindigkeit ist abhängig von der Umgebungstemperatur relativ zum Schmelzpunkt des Materials, seiner thermischen Leitfähigkeit und der gegenwärtigen Form des schon aufgebauten Objekts.
Geschmolzene Metalle können z.B. relativ schnell aufgebaut werden, weil ihr Schmelzpunkt üblicherweise höher liegt als die Umgebungstemperatur; durch ihre hohe thermische Leitfähigkeit kann ein größerer Teil des herzustellenden Objekts zur Wärmeableitung dienen. Erfindungsgemäß sind deshalb geschmolzene Metalle bevorzugt. Da die meisten geschmolzenen Metalle sich mit einer das Verbinden typischerweise erschwerenden Oxidschicht überziehen, wenn sie der Luft ausgesetzt werden, ist die regulierbare Umgebung innerhalb des in Fig. 1 angedeuteten Gehäuses 22 vorzugsweise eine inerte Gasatmosphäre oder ein Vakuum.
Vorzugsweise sollten kleine Objekte aus schmalen Wülsten oder Wulstschichten aufgebaut werden, weil dünne Wände die bei ihrem eigenen Aufbau entstehende Hitze besser ableiten können als dickere Wände. Kleine Objekte haben weniger Oberfläche zum Ableiten der Hitze und können deshalb nicht so hohe Temperaturen oder Absatzgeschwindigkeiten des Materials in flüssiger Phase verkraften wie größere Objekte. Wieviel Hitze ein bestimmtes Objekts während seiner Herstellung ableiten kann, läßt sich im allgemeinen durch Bestimmen der Weglänge eines Wulstes um das Objekt herum messen. Je länger der Weg, desto schneller kann das Material in flüssiger Phase abgesetzt werden, ohne daß das Objekt durch Überhitzen zusammenfällt.
Durch Masse und Temperatur des Substrats 98 wird auch die Form der ersten wenigen Wulstschichten beeinflußt. Eine relativ kalte Substratoberfläche 96 kühlt den unteren Wulst 94 beträchtlich stärker ab als den oberen Wulst 92 oder nachfolgende Wülste, die weiter vom Substrat 98 entfernt liegen. Zusätzlich schmilzt während des Absetzen des oberen Wulstes 92 ein geringerer Teil des unteren Wulstes 94 als beim Zufügen eines nachfolgende Wulstes. Ein kaltes Substrat kann deshalb ausgeprägtere und schwächere Verbindungen zwischen dem unteren Wulst 94 und dem oberen Wulst 92 verursachen als zwischen dem oberen Wulst 92 und einem folgenden. Dieser Effekt nimmt zwischen nachfolgenden Wülsten, die weiter vom Substrat 98 entfernt sind, langsam ab. Durch die daraus entstehenden Unregelmäßigkeiten bei der Verbindungsbildung erhält man Objekte, die ungleichmtßiger geformt sind und deren Wulstverbindungen weniger stark sind.
Jedoch kann eine stärkere und gleichmäßigere Wand 90 erhalten werden, wenn man die Geschwindigkeit und die Temperatur, bei der ein oberer Wulst 92 auf einen kalten (Umgebungstemperatur) unteren Wulst 94 aufgesetzt wird, erhöht. Z.B. erreicht ein 19 mg/mm-Zinnwulst 92, der mit einer Geschwindigkeit von 22 mm/sec und einer Temperatur von 400ºC auf einen ähnlich abgesetzten Wulst 94 aufgesetzt wird, der zwei Minuten abkühlen konnte, eine bessere Verbindung als ein entsprechender, mit 16,6 mm/sec abgesetzter Wulst 92.
Dieser Effekt verstärkt sich noch&sub7; wenn das Substrat 98 zu dünn oder ein thermischer Isolator ist. Der untere Wulst 94 verfestigt sich dann nur unwesentlich und durch das Aufsetzen des oberen Wulstes 92 und weiterer Wülste entsteht eine Lache aus Material in flüssiger Phase. Um insbesondere diese Effekte und schlechte Verbindungen zu vermeiden, verwendet eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform ein vorgeheiztes metallisches Substrat einer Dicke 112, die ungefähr der vorgesehenen Breite 108 der Wand 90 entspricht. Die Temperatur des Substrats 98 wird vorzugsweise zunächst auf eine Gleichgewichtstemperatur erhöht, die die Wand 90 oder das Objekt während ihrer Herstellung wahrscheinlich erreichen wird. Diese Gleichgewichtstemperatur liegt für Aufbauten oder Objekte, die schnell hergestellt werden, vorzugsweise nur geringfügig unter der Verfestigungstemperatur des Materials in flüssiger Phase, und für größere Wände oder Aufbauten, die langsam aufgebaut werden, näher an der Umgebungstemperatur. Man erhält die stärksten Wände mit den am wenigsten offensichtlichen Verbindungen zwischen den Wulstlagen bei Temperaturen, die knapp unter derjenigen liegen, bei der sie zusammenfallen. Obwohl das Einstellen der Temperatur des Materials in flüssiger Phase und des Substrats 98 im wesentlichen direkt geschieht, muß das Einstellen der Temperatur der Wand 90 oder des herzustellenden Objekts im Hinblick auf die oben diskutierten Faktoren sorgfältig abgewogen werden.
Gemäß Fig. 6 wird im folgenden gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung die Herstellung eines kleinen, hohlen, spiralförmig gerippten Zylinders 120 beschrieben, der eine Höhe 122 von 36 mm und einen Durchmesser 124 von 20 mm aufweist. Zwar können Objekte wie der Zylinder 120 mit Hilfe eines ausgefeilten, dem von Masters verwendeten ähnlichen Computerverfahrens hergestellt werden; jedoch ist die erfindungsgemäße Durchführung mit relativ einfachen Mitteln möglich. Anders als bei der Masters-Erfindung beeinflussen hier kleine Ungenauigkeiten der Bahn nämlich die endgültige Form solcher Objekte nicht wesentlich.
Um den Zylinder 120 herzustellen, führte man geschmolzenes Zinn unter einer statischen Druckhöhe von ca. 80 mm durch ein Ventil 130 und dann aus einem Ausstoßkopf 132 durch eine Öffnung 132 mit 0,5 mm Durchmesser.
Geschmolzene Zinntröpfchen 138 mit einer Temperatur von 350ºC wurden durch einen vibrierenden Kolben 140 hergestellt, der mit einem 5-Watt-Lautsprecher 142 verklebt war, der wiederum von einem Verstärker 144, der Signale von einem Spannungstaktgeber 146 erhielt, angetrieben wurde. Der Kolben 140 öffnete und schloß das Ventil 130 abwechselnd entsprechend der Vibrationsgeschwindigkeit des Lautsprechers 142, um Tröpfchen 138 mit einem ungefähren Gewicht von 5 mg in einer Geschwindigkeit von 30 Tröpfchen pro Sekunde bei 350ºC aus dem Ausstoßkopf 132 auszustoßen. Die Tröpfchen 138 wurden auf eine Zieloberfläche 160 auf einem 3 mm dicken Aluminiumblech 162 gerichtet, das von einer Argon- Atmosphäre bei Raumtemperatur umgeben war. Das Blech 162, das betriebsmäßig mit einer Antriebswelle eines Motors (nicht gezeigt) verbunden war, wurde mit einer Geschwindigkeit von ca. 8,8 sec pro Umdrehung gedreht, und die Tröpfchen 138 wurden auf das Blech 162 in Richtung auf einen ca. 8 mm von der Drehachse 164 entfernten Punkt gerichtet. Ein Zwischenraum 166 zwischen der Öffnung 134 und der Zieloberfläche 160 wurde vorzugsweise auf ca. 2 mm beibehalten, indem man beim Wachsen des Zylinders 120 das Blech 162 absenkte. Da das Blech 162 zunächst relativ kalt war, waren die Wülste 170 in der Nähe des Bodens 172 des Zylinders 120 nur 3 mm breit und die Verbindungen 174 zwischen den benachbarten Wülsten lagen etwa 1,36 mm auseinander. Im oberen Teil 176 des Zylinders 120, wo die Ziel-Oberfläche 160 wärmer war, waren die Wülste 170 ca. 3,7 mm dick und die Entfernung von Verbindung zu Verbindung betrug nur ca. 0,94 mm. Die Absatzgeschwindigkeit des Materials in flüssiger Phase von ca. 150 mg pro Sekunde lag für einen solchen kleinen Zylinder 120 in dessen Grenzbereich. Ein Heraufsetzen der Geschwindigkeit hätte das Zusammenfallen des Zylinders 120 zur Folge gehabt.
Vorzugsweise wird die Zeit zum Auftragen jedes Wulstes 170 unabhängig vom Durchmesser 124 des Zylinders 120 im wesentlichen konstant gehalten. Da jedoch die Weglänge für das Absetzen des Wulstes 170 zur Herstellung des Zylinders 120 seine Umfangsfläche ist, verträgt ein Zylinder 120 mit einem größerem Durchmesser 124 eine höhere Absatzgeschwindigkeit des Materials in flüssiger Phase. Deshalb dauert es fast gleich lange, Zylinder 120 mit großem und kleinem Durchmesser herzustellen, und die Zeitunterschiede resultieren eher aus der unterschiedlichen Anzahl von Lagen als aus dem Unterschied in der Weglänge.
Gemäß Fig. 7 verändert sich die Weglänge fortlaufend, wenn eine Hohlkugel 190 hergestellt wird. Die Absatzgeschwindigkeit des Materials in flüssiger Phase ist vorzugsweise zu Anfang relativ gering, wird jedoch mit der Verlängerung der Weglänge erhöht. Nachdem der äquatoriale Wulst 192 positioniert ist, wird die Absatzgeschwindigkeit des Materials in flüssiger Phase entsprechend der Abnahme der Weglänge wieder langsam verringert.
Fig. 7 zeigt auch ein anderes einfaches Verfahren zum Herstellen eines Objekts. Zum Herstellen der Kugel 190 wird ein Draht 194 durch eine oder mehrere Verbindungen 196 zu einem Ausstoßkopf 198 geführt, in dem der Draht geschmolzen wird, so daß Tröpfchen zum Rand 200 der wachsenden Wand 202 hin ausgestoßen werden. Der Ausstoßkopf 198 kann so ausgebildet sein, daß er an dem verfestigten Teil der Wand 202 in einer vorgegebenen Geschwindigkeit entlang fährt, so daß seine Bewegungen nur wenig gesteuert werden müssen. Der Raum innerhalb der Wände eines hohlen Objekts wie z.B. einer Kugel 190 kann mit einem Material in flüssiger Phase gefüllt werden, um ein kompaktes Objekt wie z.B. einen Ball zu formen. Dieser Füllvorgang wird vorzugsweise durch das sehr schnelle Ausstoßen von Tröpfchen durchgeführt, so daß das Material in flüssiger Phase von dem zentralen Aufprallpunkt wegfließt, bis es die Wände erreicht. Um übermäßige Hitzeentwicklung und ein Zusammenfallen zu verhindern, wird der Füllprozeß vorzugsweise schrittweise zusammen mit dem Aufbau der Wände ausgeführt.
Zur Herstellung weniger regelmäßiger Formen können speziellere Systeme wie z.B. CAD- und CAM-Programme angepaßt und erfindungsgemäß eingesetzt werden, die den für Fräsmaschinen verwendeten ähnlich sind. Eine solche Systemkombination wird im folgenden unter Bezugnahme auf das Verfahren 10 zur Herstellung eines Objekts näher erläutert (vgl. Fig. 1).
Das CAD-System 210 konstruiert durch Eingabe eines Bildes unwoder einer Benutzerzeichnung ein gewünschtes Objekt 212 in einer Reihe von Zuordnungen, deren Positionskoordinaten innerhalb eines dreidimensionalen Koordinatensystems definiert sind. Die Koordinatenpositionen werden in ein CAM-System 214 eingegeben, das sie in eine Bewegungsfolge der Servomechanismen 204 und 206 umsetzt, die die relativen Positionen des Ausstoßkopfes 20 und der Oberfläche 26 bestimmt und somit die Plazierung der Tröpfchen 24. Die Umsetzungen umfassen die Oberflächenspannung und die Verfestigungseigenschaften des spezifischen Materials in flüssiger Phase sowie die Hitzeverteilungseigenschaften für die Form des gewünschten Objekts 212 während des Aufbaus. Das CAM-System 214 maximiert die Eigenschaften bezüglich Stärke, Gleichmäßigkeit oder Glätte und verändert entsprechend die Temperatur des Substrats 28 und der Materialquelle 216 über eine Umgebungs- Steuereinheit 220. Das CAM-System 114 steuert auch das Ventil 218, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der die Tröpfchen 24 aus dem Ausstoßkopf 20 ausgestoßen werden, oder es stellt den Durchmesser der Öffnung 70 ein, um die Größe der Tröpfchen 24 zu regulieren. Das CAM-System kann auch an eine externe Steuereinheit 218 angeschlossen sein, die den Druck und die Temperatur innerhalb des Gehäuses 22 reguliert.
Zwar sind Metalle das bevorzugte Material für dieses Verfahren; es können aber auch nicht-metallische kristalline Materialien wie z.B. Salze verwendet werden, die einen klaren Übergang zum festen Zustand aufweisen. Dieses Verfahren ist nicht so gut für Glas und Kunststoffe einsetzbar, weil diese keine feste Übergangstemperatur haben, bei der sie sich verfestigen.
Einzelheiten der oben beschriebene Ausführungsform können auf vielfältige Art abgewandelt werden, ohne von den der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien abzuweichen. Z.B. können zur Herstellung besonders breiter Wülste zwei Ausstoßköpfe verwendet werden. Aus diesem Grunde soll der Schutzumfang der Erfindung nur durch die nun folgenden Ansprüche definiert sein.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines gestaltfreien, dreidimensionalen, festen Objekts (30, 80, 120, 190) aus einem Material in flüssiger Phase (24) mit ausgeprägter Oberflächenspannung, dessen Verfestigungseigenschaften sowie Verfestigungstemperatur bestimmbar sind, mit den folgenden Schritten:

Ausstoßen von Metalltröpfchen (24, 46, 82, 100, 138) in flüssiger Phase aus einem Ausstoßkopf (20, 132, 198) entlang steuerbarer Bahnen in vorbestimmten Zeitintervallen, wobei die Temperatur der Metalltröpfchen (24, 46, 82, 100, 138) beträchtlich höher ist als die Verfestigungstemperatur, zur Bildung einer ersten Wulstschicht (40, 94); und

Ausstoßen von weiteren Metalltröpfchen (24, 46, 82, 100,138) in flüssiger Phase entlang steuerbarer Bahnen in vorbestimmten Zeitintervallen, wobei die Temperatur der Metalltröpfchen beträchtlich höher ist als die Verfestigungstemperatur, zur Bildung einer zweiten Wulstschicht (92), die die erste Verstärkungsschicht (40, 94) teilweise schmelzt, um eine gute Bindung zwischen der ersten (40, 94) und der zweiten Schicht (92) zu schaffen und so ein dreidimensionales festes Objekt (30, 80, 120, 190) zu erhalten, das eine selektive vorbestimmte Form (212) hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jede Wulstschicht gebildet wird durch Ausstoßen eines ersten Metalltröpfchens (24, 46, 82, 100, 138) in flüssiger Phase entlang einer steuerbaren Bahn aus einem Ausstoßkopf (20, 132, 198), der sich in einer ersten Ausstoßposition in Richtung auf eine erste Zielposition befindet; und

Ausstoßen eines zweiten Metalltröpfchens (24, 46, 82, 100,138) in flussiger Phase entlang einer steuerbaren Bahn aus dem Ausstoßkopf (20, 132,198) in einer zweiten Ausstoßposition in Richtung auf eine zweite Zielposition in einem vorbestimmten Zeitintervall nach dem Ausstoßen des ersten Tröpfchens (24, 46, 82,100,138), wobei die ersten und zweiten Tröpfchen (24, 46, 82, 100, 138) bei einer höheren Temperatur als der Verfestigungstemperatur ausgestoßen werden, so daß das zweite Tröpfchen (24, 46, 82, 100, 138) mit dem ersten Tröpfchen (24, 46, 82, 100, 138) verschmilzt, bevor das erste Tröpfchen (24, 46, 82, 100, 138) sich verfestigt hat.

3. Verfahren nach Anspmch 2, bei dem die erste und zweite Ausstoßpositionen identisch sind und die zweite Zielposition durch Verschieben des festen Objekts (30, 80, 120, 190) aus der ersten Zielposition erreicht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem die Horizontalverschiebung zwischen der ersten Ausstoßposition und der zweiten Zielposition einstellbar ist und zur Formung des Objekts (30, 80, 120, 190) beiträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die erste Zielposition auf einer Oberfläche (42) eines Substrats (44) liegt, dessen Temperatur zur Beeinflussung der Form des Objekts (30, 80, 120, 190) einstellbar ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Größe des Substrats (44) einstellbar ist, um die gewünschte Form (212) des Objekt (30, 80, 120, 190) zu erhalten.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Metalltröpfchen in der flüssigen Phase bei einer Temperatur ausgestoßen werden, die mindestens 5ºC über der Verfestigungstemperatur liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Metalltröpfchen in der flüssigen Phase bei einer Temperatur ausgestoßen werden, die mindestens 100ºC über der Verfestigungstemperatur liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das in einer steuerbaren Umgebung (22) ausgeführt wird, die inertes Gas enthält, und die die Oxidation des Metalls (24, 46, 82, 100, 138) in der flüssigen Phase verhindert.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das in einer steuerbaren Umgebung ausgeführt wird, die Luft enthält.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das in einer steuerbaren Umgebung (22) ausgeführt wird, die eine Anzahl physikalischer Variablen umfaßt, die aus einer Gruppe von Umgebungszusammensetzung und -temperatur, Substratzusammensetzung und -temperatur sowie Ausstoßtemperatur ausgewählt sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Tröpfchen (24, 46, 82, 100, 138) in der flüssigen Phase bei einer beträchtlich höheren als der Verfestigungstemperatur ausgestoßen werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Temperatur, bei der die Tröpfchen (24, 46, 82 100, 138) in filissiger Phase ausgestoßen werden, gemäß der Oberflächenspannung und den Verfestigungseigenschaften des Materials in flüssiger Phase eingestellt wird, um die gewünschte Form (212) des Objekts (30, 80, 120, 190) auszubilden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Tröpfchen (24, 46, 82, 100, 138) in der flüssigen Phase mit einer Geschwindigkeit und bei einer Temperatur ausgestoßen werden, die knapp unter der Geschwindigkeit und Temperatur liegen, bei der das Objekt (30, 80, 120, 190) zusammenfallen würde.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem ein CAM-System das Zeitintervall zwischen den Tröpfchen (24, 46, 82, 100, 138), die Positioniewng des Austoßkopfes (20) und die Temperatur steuert, bei der die Tröpfchen (24 46, 82, 100,138) ausgestoßen werden, so daß sie in der flüssigen Phase in selektiven vorbestimmten Zeitabständen, an ausgewählten Zielorten und bei ausgewählten Temperaturen ausgestoßen werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Zeitintervall steuerbar ist und zwischen aufeinanderfolgenden Tröpfchen (24, 46, 82, 100, 138) variiert werden kann.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem weiterhin das Zeitintervall gemäß den Verfestigungseigenschaften des Metalls in der flüssigen Phase eingestellt wird, um die gewünschte Form (212) des Objekts (30, 80, 120, 190) zu erhalten.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem weiterhin das Zeitintervall gemäß den Hitzeverteilungseigenschaften des Objekts (30, 80, 120, 190) gesteuert wird, um die gewünschte Form (212) des Objekts (30, 80, 120, 190) zu erhalten.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem der Ausstoßkopf (20, 132, 198) eine Öffnung (70, 134) variablen Durchmessers umfaßt, aus der die Tröpfchen (24, 46, 82, 100, 138) ausgestoßen werden, und daß weiterhin das Einstellen des Durchmessers einer Öffnung (70, 134) des Ausstoßkopfes (20, 132, 198) gemäß der Oberflächenspannung des Materials in der flüssigen Phase erfolgt, um die gewünschte Form (212) des Objekts (30, 80, 120,190) zu entwickeln.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem das Objekt (120, 190) hohl ist.