DE69427305T2

DE69427305T2 - Dreidimensionales prototyp-schnellbauverfahren

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Publication number: DE69427305T2
Application number: DE69427305T
Authority: DE
Inventors: Alfrede De Angelis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1994-08-22
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: US5398193A; US5398193B1; EP0722386B1; DE69427305D1; WO1995005935A1; EP0722386A1

Description

Die Erfindung bezhieht bezieht sich auf ein Verfahren zum automatisierten lagenweisen Herstellen eines dreidimensionalen Teiles nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein Verfahren mit diesen Merkmalen ist z. B. aus EP-A- 0 523 981 bekannt, die sich mit der Herstellung einer Struktur aufgrund thermischen Sprühens unter Verwendung einer Vielzahl von Masken befasst, die über einer Werkstückoberfläche in einer vorbestimmten Folge positioniert und entfernt werden.
Es besteht in der Industrie ein erhebliches Interesse an der Herstellung von Prototypen oder kleinen Produktions-Chargen in rascher und kosteneffektiver Weise. Herkömmliche Verfahren zum Herstellen von Teilen sind weder zeit- noch kosteneffektiv, wenn nur eine kleine Anzahl von Einheiten benötigt werden, weil sie eine teuere, teilespezifische Werkzeugbestückung, das Einrichten von Bearbeitungs- Protokollen und das Erzeugen und Programmieren von dreidimensionalen Werkzeugabläufen erforderlich machen, die viel Zeit und professionelle Erfahrung erfordern. Die Kosten und die Zeitdauer zum Einrichten und zum Betrieb von maschinenspezifischen Werkzeugbestückungen zusammen mit den anfänglichen Kapitalkosten für die Werkzeugbestückung, machen Prozesse, die für die Produktion von Prototypen und kleinen Stückzahlen erfordern, sowohl Zeit- als auch kostenintensiv. Ferner sind Verfahen zum konventionellen Herstellen von Prototypen in der Praxis auf einfache Teile-Geometrien beschränkt. Komplizierte Teile, die innere Merkmale und Kerne/Hohlräume benötigen, sind unter Verwendung herkömmlicher Techniken schwierig herzustellen und erfordern häufig Präzisions-Gießverfahren, die sehr teuer und zeitaufwendig sind und die eine große Erfahrung erforderlich machen.
Prototyp-Schnellbausysteme (RPS) der bekannten Art versuchen, die Notwendigkeiten und Probleme der obigen Art zu lösen. Ein einziges automatisiertes System kann verwendet werden, um Prototyp-Teile und kleine Produktionszahlen direkt von einem Design zu erstellen. Ein derartiges System ist nur durch die Größe des Teiles und nicht durch die Kompliziertheit der Geometrie des Teiles begrenzt. Eine solche Maschine ist nicht so teile-spezifisch wie eine herkömmliche Werkzeugbestückung, und die Kapitalinvestition für eine solche Maschine ist alles, was erforderlich ist, um praktisch jeden Teil innerhalb der Größenbegrenzungen des Systems herstellen zu können. Automatisierte Prototyp-Maschinen erfordern ferner ein Minimum an Fachwissen für einen erfolgreichen Betrieb und eine relativ vernachlässigbare Menge an Einstellzeit für ein bestimmtes Teil. Teile mit komplexen Geometrien können in relativ kurzen Zeitabschnitten mit einem entscheidenden Vorteil für die Industrie realisiert werden, insbesondere, wenn Designs häufig geändert und Prototypen für die Verwertung des Designs benötigt werden.
Alle derartigen RPS-Systeme machen Gebrauch von dem Gedanken der Schichtenbildung des Prototyps. Eine Software "schneidet" die Prototyp-Teile- Geometrie in eine Folge von Querschnitts-Konturen (Flözen), die verwendet werden, um ein Materialverarbeitungssystem einzusetzen, das jede Kontur aus vorgegebenen Materialien neu schafft. Das Prototyp-Teil wird durch Verbinden der Querschnitte aufeinanderfolgender Teile miteinander aufgebaut, bis das Teil vollständig ist.
Derzeit gibt es verschiedene Realisierungen von RPS, wobei jedes eine bestimmte besondere Technik verwendet, die ihre eigenen Stärken und Schwächen hat:
- Stereolithographie, nach US Patent 4 757 330 von Charles W. Hull;
- Rechnergestütztes Herstell-Verfahren und System (CAMPS), wie in US Patent 4 665 492 von William E. Masters beschrieben;
- Laminier-Methode, beschrieben in US Patent 4 752 352 von Michael Feygin;
- Selektive Laser-Sinterung (SLS), beschrieben in US Patent 4 863 538 von Carl R. Deckard;
- Masken- und Auftragsystem (MD), beschrieben in US Patent 5 126 529 von Lee E. Weiss;
- Dreidimensionales Drucken, erläutert in der Veröffentlichung"Three Dimensional Printing: Form, Materials and Performance" von Michael J. Cima und Emanuel M. Sachs, Solid Freeeform Fabrication Symposium, University of Texas in Austin, Austin TX, August 1991.
Stereolithographie schafft Teile-Lagen durch Abtasten eines Lasers über die Oberfläche eines Fotopolymer-Flüssigbades und Aushärten des Fotopolymers längs der Teile- Konturen. Die Genauigkeit ist nur durch die Begrenzung der Fotopolymerisation zu Anfang beschränkt, wenn jedoch die Teile zunehmend in der Nach-Ausbildungsstufe aushärten, wird ein Verwerfen oder Verziehen zu einem begrenzenden Faktor. Die Materialeigenschaften der Teile sind ebenfalls durch die Materialeigenschaften von Fotopolymeren begrenzt.
Selektive Laser-Sinterung (SLS) erzeugt Teile-Lagen durch Abtastpulver mit einem Laser hoher Leistung, um eine Sinterung lokal zu dem Laser-Pfad zu induzieren. Während dieser Prozess komplizierte Geometrien schafft, sind die gesinterten Materialdichten niedrig. Infolgedessen sind die mechanischen Eigenschaften von SLS- Teilen relativ ungeeignet für funktionale Prototypen. Die Erhöhung der Dichte von SLS-Teilen würde ein höheres Maß an Sinterung/Schmelzen der Teile-Pulver erforderlich machen, wodurch die durch SLS gelieferte geometrische Steuerung ausgeglichen wird.
Ein Prototyp-Schnellbauverfahren durch Präzisions-Metall-Sprühen (Maske und Auftrag) verwendet andererseits präzise geschnittene Masken für jede Teile-Lage und hat somit den Vorteil der geometrischen Steuerung, die auf die Präzision der Maske und/oder das Verhältnis Maskenbreite zu Lagen-Tiefe begrenzt ist, ungeachtet aller Probleme, die bei der Auswahl des Masken/Teile-Materials auftreten, z. B. das Verbinden, Verwerfen und Schmelzen der Maske. Die Intra/Zwischenlagen-Bindung in gesprühten Teilen ist jedoch häufig vorzugsweise mechanisch, weil die Material- Partikel gekühlt werden, bevor sie die Oberflächen-Lage treffen. Die Erzielung von beanspruchungsfreien Lagen mit gewünschten Materialeigenschaften verlangt ein Abwägen in bezug auf die geometrische Steuerung des Teiles.
In ähnlicher Weise müssen Teile, die durch ballstische Partikel-Herstellung oder Tintenstrahl-Drucken (CAMPS) hergestellt werden, einen Abgleich zwischen der Qualität der Teile und der geometrischen Steuerung machen. Der Aufbau von Prototypen aus geschweißten oder verklebten vorgeschnittenen Schichtungen, wie bei der Laminier-Methode hat darüber hinaus den Nachteil, dass ein Abgleich zwischen einer Verbindung zwischen den Laminierungen und der geometrischen Steuerung gemacht werden muss, wie auch, dass verschiedene Präzisions-Handhabungsprobleme bei komplzierten Teile-Querschnitten auftreten.
Schließlich tragen 3-D Drucksysteme winzige Tröpfchen aus Bindermaterial auf eine Pulverschicht auf, wobei jede aufeinanderfolgende Teile-Lage mit Präzision gedruckt werden muss. Diese Systeme jedoch haben den Nachteil der Porosität (niedrige Dichte) und der schwachen Bindung in grünen Teilen (vor dem Backen im Ofen) und zwar aufgrund der Fluid-Mechanik und Physik der Druck- und Binde-Prozesse. Wenn die Teile einmal im Ofen erhitzt werden und das Binder-Material ausbacken, begrenzten Verwerfungen und Deformationen durch Schrumpfen die erzielbare Genauigkeit der End-Teile.
Alle derzeitigen schnell arbeitenden Prototyp-Verfahren haben deshalb bedauerlicherweise den Nachteil, dass sie eingeprägte Schwierigkeiten und Beschränkungen in bezug auf ihre Prototyp-Herstellung enthalten. Zusammenfassend sind die Haupt-Nachteile, die einem oder mehreren der laufenden Systeme zugeordnet werden, folgende: (1) schlechte Materialeigenschaften und/oder schlechte Verteilung von Materialeigenschaften, (2) schlechte geometrische Steuerung und/oder Schwierigkeit bei komplexer Geometrie und (3) Ausgleich zwischen der Steuerung des geometrischen Teiles und der Bindefestigkeit zwischen den Lagen und/oder Teile- Eigenschaften, z. B. Dichtheit oder Mikrostruktur.
Während jeder der vorgenannten bekannten Prozesse unterschiedlich ist, haben sie alle ein Merkmal gemeinsam: Jeder Prozess ist additiv, d. h. dass alle Vorgänge einen dreidimensionalen Teil durch schrittweises Hinzufügen bzw. Aufbringen von Material zu dessen Aufbau ergeben. Ferner ist den additiven Technologien, die diese Prozesse unterscheiden, allen gemeinsam, dass ein Ausgleich zwischen der Aufrechterhaltung eines hohen Grades an geometrischer Präzision und der Erzielung geeigneter Materialeigenschaften im fertigen Teil vorgenommen werden muss.
Ein anderer relevanter Stand der Technik ergibt sich aus WO-A- 92/08200, die sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bezieht, bei dem die Objektdarstellung in eine Vielzahl von Lagen-Darstellungen geschnitten wird, die anschließend zur Bildung des Objektes Lage um Lage aus einem verfestigten Material durch Stereolitographie verwendet wird.
Gemäß der Erfindung stellt die 3-D Herstellung durch gesteuertes, lagenweises Aufbringen/Abnehmen ein neuartiges Prototyp-Schnellbauverfahren dar, das die Genauigkeitssteuerung von subtraktiven Prozessen mit additiven Prozessen in optimaler Weise zur Erzielung gewünschter Materialeigenschaften integriert, um ein ausgezeichnetes Prototyp-Schnellbausystem zu erreichen, das die vorerwähnten Nachteile bekannter Systeme vermeidet.
Bei dem gesteuerten, lageweisen Aufbring/Abnahme-Verfahren nach der Erfindung wird jede Lage durch selektives Aufbringen auf das Teil und komplementäre Materialien auf die vorausgehende Lage (Werkstückfläche) gebildet. Komplementäre Materialien umgeben das Teile-Material auf jeder Lage und ergeben Eigenschaften wie die bauliche Abstützung, chemische und/oder thermische Integrität und Adhäsion, die auf der Basis von speziellen Materialien und der spezifischen Umsetzung des Verfahrens gewählt worden sind. Systeme für das selektive Aufbringen von Materialien werden im allgemeinen auf die Eigenschaften der Materialien gestützt und im einzelnen anschließend erörtert. Teile-Materialien werden von den anfänglichen Konturen des Teiles, die durch die Aufbring-Systeme erstellt werden, abgenommen, damit eine spezielle geometrische Toleranz der Teile-Materiallage erreicht wird. Ein selektives Aufbringen und Abnehmen von komplementären Materialien kann verwendet werden, um Steuerkonturen für das selektive Aufbringen von Teile- Materialien auszubilden. Diese Steuerungs-Konturen werden verwendet, um das Aufbring-System dahin zu bringen, dass es netzförmige Teile-Konturen ergibt, derart, dass die Menge an subtraktiver Verarbeitung für die Teile-Materiallage reduziert wird. Vorgeschnittene Masken können als Form einer Steuerungs-Kontur für das selektive Aufbringen verwendet werden. Durch Vorformen von Masken aus komplementären Materialien und belassen an Ort und Stelle kann die additive Verarbeitung von komplementären Materialien ebenfalls reduziert werden. Die Art der Steuerungs- Kontur und der Präzisionspegel bei einer Steuerungs-Kontur werden durch das Teil und die komplementären Materialien, ihre entsprechenden Bereichsverhältnisse über die Arbeitsfläche und/oder die spezielle Ausführungsform des Verfahrens bestimmt. In jedem Fall ist jede komplettierte Lage eine Aggregation von Konturen aus Teile- Materialien und Konturen aus komplementären Materialien, wobei die Konturen aus Teile- Materialien innerhalb einer vorbestimmter Geometrie und Materialeigenschaft- Toleranzen liegt und der übrige Bereich der Aggregat-Lage (Werkstückfläche) mit komplementären Materialien gefüllt ist. Durch Verwendung verschiedener Auftrags- und Abnahme-Prozesse und durch Aufrechterhaltung einer strikten Steuerung der Prozess-Umgebung kann das Verfahren zum Prototyp-Schnellbauen gemäß der Erfindung in Verbindung mit vielen unterschiedlichen Materialien verwendet werden, einschließlich beispielsweise Metallen, Legierungen, wärmeformbaren Kunststoffen, wärmehärtbaren Kunststoffen, keramischen Materialien und Salzen. Diese unterschiedlichen Materialien können innerhalb des Teiles gleichzeitig verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum automatisierten Herstellen von Prototypen und/oder kleinen Mengen von Gegenständen anzugeben, die unterschiedlich zu bekannten Techniken darauf basieren, dass Material zum Aufbau des Gegenstandes schrittweise hinzugefügt wird, wobei zugehörige Forderungen an einen hohen Genauigkeitsgrad exakte Verfahren von subtraktiven Prozessen in Verbindung mit additiven Prozessen optimiert werden, um spezifische Materialeigenschaften zu erzielen, damit eine verbesserte Schnellbauweise geschaffen wird, die die Nachteile bekannter Techniken verbessert.
Mit der Erfindung wird ein Verfahren zum automatisierten lagenweisen Herstellen eines dreidimensionalen Teiles bzw. Gegenstandes nach dem Patentanspruch 1 vorgeschlagen.
Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Bevorzugte und besonders zweckmäßige Ausführungsbeispeile und Konstruktionen werden nachstehend im einzelnen beschrieben.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen, Fig. 1-8, die bevorzugte Ausführungsformen und Anordnungen zeigen, in schematischen Ansichten der Verfahrensschritte einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Fig. 1A und 1B sind Flussbilder der allgemeinen Betriebsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung, die das Verfahren zum lagenweisen, automatisierten Aufbringen bzw. Abnehmen mit und ohne vorgeschnittene Masken ergeben,
Fig. 1B zeigt das erste Aufbringen als Teile- oder Komplementär-Material,
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines bevorzugten Rechner- und Steuerungs- Teilsystems zum Betreiben der Einrichtung und zum Steuern des Verfahrens nach der Erfindung,
Fig. 3A zeigt eine geeignete Masken-Bildungs-Einrichtung, wobei Masken verwendet werden,
Fig. 38 und 3C zeigen vorgeschnittene Masken unterschiedlicher Genauigkeit für kontinuierliches Filmmaterial und diskretes Filmmaterial,
Fig. 3D zeigt ein Konturen-Zerlegung, die in Verbindung mit Masken verwendet werden kann,
Fig. 3E-G und 3H-J sind Modifikationen der entsprechenden Fig. 3A-C,
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Bearbeitungseinrichtung, Werkstückfläche und eines Umweltsteuersystems,
Fig. 5A und 5B zeigen Einrichtungen zum Aufbringen und Fusionsschweißen von Teile- und Komplementär-Materialien; die zum Aufbringen, Materialverarbeiten und Verbinden der aufeinanderfolgenden Lagen in dem die Materialien hinzufügenden Untersystem der Erfindung verwendet werden,
Fig. 5C und 5D zeigen radiale und gitterartige Diskretisierungen der Lagen für das Aufbringen von Material,
Fig. 5E, 5F und 5 G zeigen Diagramme des ersten Aufbringschrittes zum Aufsprühen von Material, Verteilen von Pulver, Verteilen von geschmolzenem Material, Verteilen von vorgehärtetem Harz und Verteilen von Sol-Gel,
Fig. 5H ist ein Diagramm einer Fusionsschmelzeinrichtung zum Klebeverbinclen aufeinanderfolgender, aufgelegter Lagen und zum Aufbauen gewünschter Eigenschaften in der Lage,
Fig. 6A und 6B sind Ansichten von Subtraktionen, Extraktionen oder Entfernen mittels Laser/E-Strahlen- und Walz/Schleif-Materialien,
Fig. 7 ist ein Diagramm einer geeigneten Zwischenlagen-Verarbeitungseinrichtung;
Fig. 7A, 7B und 7C zeigen einen Teil, den in Lagen (in parallelen Scheiben) geschnittenen Teil und einer Aggregat-Lage entsprechend einer bestimmten Teile-Lage,
Fig. 8A, 88 und 8C zeigen teilweise nachgeschaltete Verarbeitungsschritte einer Wärme- und Oberflächenbehandlung, einer Behandlung im chemischen Bad und einer Polier-Behandlung.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Bevor Ausführungsbeispiele beschrieben werden, die das Verfahren und die bevorzugte Einrichtung zur Durchführung der lagenweisen, gesteuerten Aufbring/Abnehme-Technik erläutern, die der Erfindung zugrunde liegen, erscheint eine kurze Beschreibung des allgemeinen Prinzips für ein solches Prototyp- Schnellbauverfahren sinnvoll.
Die Haupt-Untersysteme, die einer jeden solchen raschen Prototyp-Schnellbauweise durch schichtweise gesteuertes Aufbringen/Abnehmen zugeordnet sind, umfassen (1) ein Rechner- und Steuerungs-Untersystem, (2) ein wahlweises Maskenform- Untersystem, (3) ein Teilekammer- und Werkstückflächen-Untersystem, (4) ein Umgebungs-Steuerungs-Untersystem, (5) ein Untersystem, das durch Verfahren Materialien hinzufügt, (6) ein Untersystem, das Verfahren umfasst, die Materialien wegnehmen, (7) eine Lagenbearbeitungs- und -herstellungs-Untersystem und (8) ein Teile-Nachverarbeitungs-Untersystem.
Eine derartige Einteilung erfolgt dem Zweck nach und nicht entsprechend der räumlichen Realisierung oder Platzierung, da manche Untersysteme über die Einrichtung verteilt sein können.
Die Flussdiagramme nach den Fig. 1A und 1B zeigen die zugrundeliegenden dreidimensional gesteuerten Aufbring/Abnahme- (oder Beseitigungs- oder Subtraktions-) Vorgänge nach der Erfindung und ihre verschiedenen, nachstehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei vorgeschnittene Masken und solche ohne Vorschneiden verwendet werden.
Zunächst wird auf Fig. 1A Bezug genommen, wonach im Anschluss an die Maskenbildung in Echtzeit oder im Chargenbetrieb und sogenannter "Masken- Handhabung" das Teile-Material durch additives Verarbeiten (primäres Aufbringen und dann Fusionskleben) aufgebracht wird, wobei solche Schritte auch mit komplementären Materialien (primäres Aufbringen und möglicherweise Fusionskleben) durchgeführt werden können und das aufgebrachte und verklebte Teile-Material den subtraktiven Verarbeitungsvorgängen nach der Erfindung ausgesetzt wird, wie dies im Folgenden näher erläutert wird.
Im Anschluss an ein erneutes Aufbringen von komplementärem Material in leeren Bereichen und anschließendes Oberflächenbehandeln werden diese Schritte für aufeinanderfolgende Lagen wiederholt, wie dies durch die Ausführungen von "Oberflächenbehandlungs-" bis "Maskenbildungs-" und "Maskenhandhabungs"- Prozessblöcke ausgeführt ist.
Wenn keine vorgeschnittenen Masken auf dem mit Lagen versehenen Prototyp oder einem Teileaufbau, Fig. 1 B verwendet werden, werden die Teile-Materialien und die komplementären Materialien wiederum durch primäres Aufbringen und dann Fusionskleben wieder aufgebracht (Verläufe A und B entsprechen dem Teile-Material bzw. den Teile-Materialien zuerst und dem komplementären Material bzw. den komplementären Materialien zuerst) und es schließt sich eine subtraktive Bearbeitung der Werkstückfläche an, mit einer Wiederholung wie bei (1), bis die Aggregat-Lage entsprechend einer vollständigen Lage des Teils gebildet ist. Im Anschluss an die "Oberflächenbehandlung" wird der Prozess für aufeinanderfolgende Lagen wiederholt.

(1) Rechner- und Steuerungs-Untersystem

Das Rechner- und Steuerungs-Untersystem 1, Fig. 2, kommuniziert mit allen anderen Untersystemen und dem Bedienenden, um den Prototyp-Schnellbau-Prozess einzuleiten und zu steuern. Dieses Untersystem nimmt eine CAD/CAM-Repräsentation des Prototyp-Teiles auf und schneidet es mit einer Software, wie mit (10) angedeutet, in die Folge von Lagen (L), die zum Antrieb der übrigen Untersysteme verwendet werden. Dieses Untersystem erzeugt die Prozess-Steuerungssignale (12), die die anderen Untersysteme der Einrichtung antreiben, und überwacht den gesamten Prozess, um einen einwandfreien Betrieb sicher zu stellen. Dieses Untersystem erzeugt Lagen des Teiles und führt Steuerungen auf der Basis einer Operator-Präferenz und minimaler Prozess-Schwierigkeiten innerhalb der Prozess-Anlage (14) durch, z. B. Teil- Support-Probleme, gewünschte Materialeigenschaften-Angaben, Material-Anpassungs- Probleme, Merkmals-Größen-Beschränkungen, Materialfluss- und Schrumpfungs- Probleme und Arbeitsraum-Beschränkungen; alle derartigen Merkmale werden im voraus diagnostiziert, damit eine Neukonstruktion des Teiles oder eine Rekonfiguration der Einrichtung erzielt werden kann. Dieses System sieht auch Mechanismen vor, mit denen während des Prozesses Diagnosen erstellt, Korrekturen vorgenommen und Lernprozese durchgeführt werden

(2) Wahlweises Masken-Formgebungs-Untersystem

Das wahlweise Masken-Formgebungs-Untersystem 2, Fig. 3A-3J, kann vorgeformte Masken-Konturen ergeben, um die Menge an Materialien bei der additiven und/oder subtraktiven Verarbeitung zu reduzieren, die erforderlich ist, um für die Lage des Teiles die gewünschte Geometrie zu erzielen. Wird eine Marke benutzt (Fig. 1B), erzeugt das Masken-Formgebungs-Untersystem Masken für das Aufbringen der Materialien für das Teil. Die Maske funktioniert als eine Steuerkontur, nicht notwendigerweise innerhalb einer Toleranz, die mit den Materialien für das Teil gefüllt werden, wodurch der Umfang zusätzlicher Verarbeitung, die während der Ausbildung der Lage erforderlich ist, reduziert wird. Dies ist näher in den anschließend erläuterten Untersystemen 5 und 6 (Fig. 5A-5H und 6A-6B) mit im Prozess hinzugefügten (additiven) und weggenommenen (subtraktiven) Materialien beschrieben.
Ferner können die Masken-Konturen, wenn sie aus komplementären Materialien hergestellt sind und als Abstützung für die Teile-Konturen an Ort und Stelle belassen werden, die Menge an komplementärem Material entscheidend reduzieren, das zur Vervollständigung der Lage aufgebracht werden muss. Jedoch können die Masken aus anderen als komplementären Materialien bestehen, um eine Anpassung an den Materialien hinzufügenden Prozess zu erzielen. Trotzdem müssen die Masken- Konturen exakt über der Werkstückoberfläche ausgebildet und positioniert werden. Die Anwendung und Präzision (bei einem Bereich von nahezu Nutzform zu groben Konturen) der vorgeformten Masken bei der Ausbildung von Lagen ist ein Prozess- Parameter, der gewählt werden muss.
Das Masken-Formgebungs-Untersystem speichert und liefert Masken-Materialien und formt die Masken-Konturen, wobei die Masken-Handhabungs- und Positionierungs- Steuerung und die Masken-Konturgeometrie beibehalten werden.
Zusätzlich führt dieses Untersystem Masken-Verstärkungen und Präparationen aus, die die Verwendung von Masken in anderen Untersystemen der Einrichtung erleichtern, einschließlich von Positionier-Markierungen, Überzugs- und Oberflächenbehandlung, Materialfluss-Wege und Brücken und/oder Halter für Inseln.

(3) Teile-Verarbeitungseinrichtung und Werkstückoberflächen-Untersystem

Das Teile-Verarbeitungs- und Werkstückoberflächen-Untersystem 3, Fig. 4, enthält und manipuliert das Teil, wenn es in die Bearbeitungseinrichtung (14) eingebaut wird, und zwar jeweils für eine Lage gleichzeitig. Dieses Untersystem ergibt einen Zugang zu dem Teil und zu der jeweiligen Werkstückoberfläche (Lage) des Teiles zu Untersystemen, die das Teil überwachen und/oder bearbeiten; einschließlich beispielsweise additiver bzw. hinzufügender Prozesse, subtraktiver bzw. abnehmender Prozesse, Positionierungs- und/oder Handhabungs-Systemen und Untersuchungs/Mess- Systeme.

(4) Umgebungs-Steuerungs-Untersystem

Das Umgebungs-Steuerungs-Untersystem 4, ebenfalls in Fig. 4, hält die geeigneten Umgebungsbedingungen für die Untersysteme der Einrichtung aufrecht, wie dies durch den Rechner und das Steuerungs-Untersystem vorgegeben wird. Die variablen Größen der Umgebungsbedingungen, die gesteuert werden können, schließen Temperatur, Druck, Trägheit und andere chemische Bedingungen, Sauberkeit (Schmutz und Kondensation) sowie Vibrationen und Geräusch ein.

(5) Materialien hinzufügendes (additives) Untersystem

Das Materialien hinzufügende, additive Untersystem 5 (Fig. 5A-5B), besteht aus den verschiedenen additiven Prozessen für das Teil- und komplementäre Materialien. Diese Prozesse liefern und lagern Teile-Materialien innerhalb der geometrischen Steuerung ab, die durch die entsprechende Einrichtung geliefert wird und/oder durch Steuerungs-Konturen, die durch selektiv abgelegte und extrahierte komplementäre Materialien oder durch vorgeschnittene Masken geschaffen werden. Zusätzlich tragen diese Systeme komplemntäre Materialien auf, wo dies erforderlich ist, um die jeweilige Lage zu vervollständigen.
Die Prozesse zum Aufbringen von additiven Materialien auf das Teil haben zwei Phasen: Die primäre Aufbring-Phase und die Fusions-Schmelzphase, wie sie in Fig. 5A bezeichnet wird. Bei der primären Aufbring-Phase wird das Material mit einer vorgegebenen Dicke auf die Werkstückoberfläche oder nur auf ausgewählte, diskrete Bereiche der diskretisierten (sektionalen) Werkstückoberfläche aufgebracht, wie in den Fig. 5C und 5D dargestellt, und zwar für radiale und gitterartige Diskretisierung (Profilierung). In der Fusionsbinde-Phase, Fig. 5H, ist sichergestellt, dass eine Fusionsbindung zwischen der laufenden und der vorausgehenden Teile-Lage stattfindet, und dass das aufgebrachte Material durch Energie behandelt wird, um einen vorbestimmten Satz von Materialeigenschaften (Mikrostruktur) zu erzielen. Abhängig von Materialien können die beiden Phasen zusammenfallen und/oder durch die gleiche Einrichtung erreicht werden. Die Prozesse mit komplementären Material- Additiven können zwei ähnliche Phasen haben, es ist jedoch nicht erforderlich, dass eine Fusionsbindung aufgebaut wird, nur, dass die komplementären Materialien leere Bereiche auffüllen und soweit erforderlich eine bauliche Abstützung, eine chemische und/oder thermische Intengrität und ein Substrat für weitere Lagen-Adhäsion ergeben.
Verschiedene additive Prozesse werden innerhalb des Untersystems mit additiven Materialien verwendet und nach den Prozessbedingungen, durch den Rechner und DAS Steuerungs-Untersystem (12), Fig. 2 geplant, um vorbestimmte Endqualitäten für das Teil zu erzielen. Beispiele für Prozesse mit additiven Materialien schließen den Pulverniederschlag und das Schmelzen, Fig. 5F, das Plasma-Sprühen und Wärme/Energiestrahlen-Glasieren, Fig. 5E, das Verteilen von geschmolzenem Material und das Verteilen und Härten des vorgehärteten Materials mit Wärmequelle/Energiestrahl (vorzugsweise vorgehärtetes Harz und/oder Sol-Gel und dergl.), Fig. 5G ein. Das Untersystem zum Aufbringen additiver Materialien umfasst die Oberflächennutzung das Glasieren der Lage und die rasche Verfestigung, wie dies für verschiedene additive Prozesse erforderlich ist.

(6) Untersystem zum Wegnehmen (subtract) von Materialien

Der Zweck des Untersystems 6 (Fig. 6A und 6B) für wegnehmende, extrahierende oder zu entfernende Materialien besteht darin, Teile des Gegenstandes und komplementäre Materialien von der Werkstückoberfläche abzunehmen, wie dies durch den Rechner und das Steuerungs-Untersystem 1, Fig. 2, vorgegeben ist. Laser- oder E-Strahl- Bearbeitung ist in Fig. 6A dargestellt, und das Walzen oder Schleifen und dergl. in Fig. 6B. Dieses Untersystem liefert die endgültige geometrische Genauigkeit der Konturen, nachdem alle möglichen Quellen geometrischer Fehler auf der Lage, z. B. Biegen/Verwerfen aufgrund von Restbeanspruchung, Schrumpfen aufgrund einer Verfestigung, und Deformierungen aufgrund der Bearbeitung der Lage (um vorgegebene Materialeigenschaften innerhalb der Lage und ein Fusionsbinden zwischen den Lagen zu erzielen), von den anderen Untersystemen bereits eingeführt worden sind. Mit anderen Worten heißt dies, dass die anderen Untersysteme alle auf die aufgebrachte Lage eingewirkt haben, derart, dass die gesamten physikalischen und Material-Eigenschaften der Lage, wie z. B. Materialdichte und Mikrostruktur, sowie Restbeanspruchungen innerhalb vorgegebener Toleranzen für die aufgebrachten Konturen sind. Das Untersystem der subtraktiven bzw. wegzunehmenden. Materialien entfernt dann selektiv die End-Materialien, wie sie durch die entsprechenden Konturen für diese Lage aus dem Rechner- und Steuerungs-Untersystem 1 gegeben sind, ohne dass die vorgegebenen physikalischen und Material-Parameter signifikant geändert werden.
Die Verwendung von Steuerungs-Konturen bei dem additiven Prozess bestimmt die Menge an subtraktiver Bearbeitung, die erforderlich ist, um innerhalb der geometrischen Toleranz der gewünschten Teile-Lage zu liegen. Wenn keine Steuerungs-Kontur verwendet wird, muss die gesamte Teile-Lage durch die subtraktive Bearbeitung der auf das Teil aufgebrachten Materialien gebildet werden. Angenähert netzförmige Teile-Lage-Konturen in der Maske reduzieren den Umfang subtraktiver Verarbeitung, wie dies ein diskretisierter Prozess mit additiven Materialien tun würde. Nach einer subtraktiven Verarbeitung der Teile-Konturen werden komplementäre Materialien durch das Untersystem mit additiven Materialien in leere Bereiche der Arbeitsfläche aufgetragen.

(7) Zwischenlagen-Verarbeitungs- und Präparierungs-Untersystem

Das Untersystem 7, Fig. 7 für die Zwischenlagen-Verarbeitung und Präparierung besteht aus Vorbereitungen der Werkstück-Fläche, die zwischen jeder Teile-Lage durchgeführt werden, wie dies von dem Rechner- und Steuerungs-Untersystem 1, Fig. 2 vorgegeben wird. Diese Vorgänge umfassen eine Oberflächenbehandlung, z. B. ein Erhitzen (18), Aufrauhen, Schleifen, Nivellieren, usw. (16), Hinzufügen von Surfaktanten, Bindemitteln, chemischen Barrieren, Legierungsmaterialien usw. (20), und Addieren und/oder Konfigurieren von Haltevorrichtungen.

(8) Untersystem für das Nach-Bearbeitung von Teilen

Das Untersystem 8 für das Nachbearbeiten von Teilen, Fig. 8, führt Finish-Vorgänge an dem komplementären Teil durch, nachdem es aus der Teile-Kammer entfernt worden ist. Derartige Vorgänge schließen das Entfernen von komplementären Materialien durch Oxidieren oder thermische/mechanische Prozesse, Fig. 8A, und/oder Verdampfen oder Auflösen, Fig. 8B, Polieren, Fig. 8C, Bearbeiten, Wärmebehandeln, chemisches Behandeln, Überzugsaufbringen und Zusammenbauen ein.

Einzelheiten der Arbeitsweise der Untersysteme (1) bis (8)

Nach den Fig. 2-8C wird das automatisierte Prototyp-Schnellbauverfahren nach der Erfindung, das auf einen selektiven Auftragen/Entfernen von Materialien basiert, mit den Arbeitsabläufen, die vorstehend in den Flussbildern nach den Fig. 1 A und 1 B zusammengefasst worden sind, durchgeführt.
Das Rechner- und Steuerungs-Untersystem 1, Fig. 2, weist als Steuerungsgenerator und Systemmonitor (12) z. B. einen kommerziell verfügbaren Rechner mit CAD/CAM- Slicing-Software, eine Benutzer-Schnittstelle und I/O-Hardware auf, um mit anderen Untersystemen zu kommunizieren. Die Software ist kommerziell verfügbar, z. B. CAMAND- und ULTRACAM-Produkte von CAMAX Systems Inc. und kann auf einfache Weise modifiziert und erweitert werden, wie in der Technik bekannt, um Expertendiagnose-Fähigkeiten zu entwickeln, die auf Materialien und Prozess- Variablen wie auch Lernfähigkeiten basieren.
Das wahlweise Maskenformgebungs-Untersystem 2, Fig. 3A-3J kann aus einer Bearbeitungsstation (22), Fig. 3A und 3E bestehen, auf der kontinuierliche Filme oder Sätze von Tafeln mit Laser auf einem System, z. B. dem Landmark-Lasermarkier-System von AB Lasers Co. geschnitten oder durch Walzen, Fig. 3H, oder Stanzen zur Erzielung einer vorgeschnittenen Kontur für die Teile-Lage bearbeitet werden. Die vorgeschnittenen Masken können, wenn sie aus komplementärem Material hergestellt sind und an Ort und Stelle verbleiben, auch als Konturen aus komplementärem Material für jede Lage dienen: Graphit-Filme oder Tafeln sind eine mögliche Wahl von aus komplementärem Material vorgeschnittenen Masken und können für Hochtemperatur-Anwendungen benutzt werden, z. B. mit Teilen, die Werkzeugstähle oder Keramik umfassen, da Graphit eine hohe Schmelztemperatur hat. Graphit oxidiert auch rasch unterhalb des Schmelzpunktes, wodurch das Entfernen der mit Graphit komplementären Materialien, die das fertige Teil umgeben, vereinfacht wird. Unterschiedliche Auswählkriterien von komplentärem Material können auch abhängig von den Anforderungen des Prozesses gemacht werden. Diese komplementären Materialien können dann durch eine Vielzahl von Arbeitsvorgängen einschließlich Erhitzen, Oxidieren, Eintauchen in Lösungsbäder, Vibrationsbehandeln usw. entfernt werden. Das Masken-Ausgangsmaterial kann die Form eines kontinuierlichen Filmes haben, der in die Einrichtung eingeführt und entsprechend weitergeschoben wird, Fig. 3A und 3B, 3E und 3F und/oder 3H und 31, oder in Form von diskreten Platten, die nacheinander geladen werden, Fig. 3C und 3G und/oder 3J.
Die vorgeschnittenen Masken-Konturen, Fig. 3A-3J können, falls eingesetzt, grobe Schnitte der gewünschten Teile-Kontur sein, damit eine nachfolgende subtraktive Bearbeitung und Abfall reduziert weden. Alternativ können die vorgeschnittenen Masken-Konturen präzisionsbearbeitet werden und zwar auf die Toleranz der gewünschten Teile-Lage, um eine nachfolgende subtraktive Verarbeitung und Abfall so gering wie möglich zu halten. Im allgemeinen ist der Grad der Genauigkeit in dem Masken-Bildungs-Vorgang 2 bestenfalls gleich der Präzision des Untersystems des Material-Subtraktions-Vorganges. Unter den zusätzlichen Vorschnitt-Masken- Verarbeitungsvorgängen ist die Bearbeitung der Masken-Handhabung und Positionier- Markierungen, Fig. 3B, 3C, 3F, 3G, 3I und 3J, und die Formgebung der entfernbaren Brücken in beliebige Masken-Inseln, die absichtlich zugunsten der Verwendung von subtraktiven Prozessen in speziellen Bereichen der Maske erzeugt worden sind. Wenn die vorgeschnittenen Masken nicht als Stützstrukturen belassen werden sollen, kann eine Konturen-Faktorisierung, Fig. 3D, verwendet werden, um Masken-Inseln zu verhindern. Die fertigen vorgeschnittenen Masken werden in einen Masken-Puffer transportiert, Fig. 3A, 3E und 3H, von wo sie zur exakten Positionierung, Ausrichtung und Abflachung über die Werkstückoberfläche in fig. 4 geplant werden.
Das Umgebungs-Steuerungs-Untersystem 4 und das Teile-Bearbeitungs-Untersystem 3 sind in Fig. 4 als eine versiegelte Bearbeitungseinrichtung 4 mit Sensoren, Heizvorrichtungen/Kühlvorrichtungen, Gasflussleitungen und -pumpen sowie Fenstern für gerichtete Energiestrahlen und Sensoren dargestellt. Die Teile-Kammer besteht vorzugsweise aus einem servogesteuerten Kolben in einem Zylinder, der in der Bearbeitungseinrichtung (14) eingeschlossen ist und die jeweilige Arbeits-Oberfläche, Fig. 4, ist als die oberste Oberfläche innerhalb des Zylinders dargestellt. Die Bearbeitungseinrichtung (4) zur Bearbeitung der oberen Kammer des Teiles beinhaltet oder ergibt einen Zugriff der Werkstückoberfläche zu dem Umgebungs-Steuerungs- Untersystem 4, den Untersystemen 5 und 6 für Prozesse, die Materialien hinzufügen und wegnehmen, Fig. 5A-5H und 6A sowie 6B, und das Untersystem 7 zur Bearbeitung der Zwischenlagen, Fig. 7.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Teile-Kammer auf einem Präzisions- x-y-z- Positioniertisch befestigt, der schematisch durch das dreiachsige Vektor-Diagramm dargestellt ist, und die Vorrichtungen des additiven und subtraktiven Untersystems werden über die Werkstückoberfläche angeordnet. Es wird hier festgelegt, dass die erforderlichen Positionier-Tabellen schematisch als ein Achsvektor-Diagramm verwendet werden, wobei die Vorrichtung an sich bekannt ist und nicht im einzelnen dargestellt oder beschrieben ist.
Bei einer modifizierten Ausführugsform kann die Teile-Kammer auf einem Präzisions-x und/oder y- und/oder z-Positioniertisch befestigt sein, und jede additive und/oder subtraktive Bearbeitungsvorrichtung kann in der Lage sein, eine Bewegung in der x-y- und/oder z-Achse zusätzlich zu der Bewegung der Werkstückoberfläche auszuführen.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Teile-Kammer fest angeordnet sein und die additive und/oder subtraktive Vorrichtung in der Lage sein, eine Präzisionsbewegung in der x-y- und/oder z-Richtung auszuführen. Die Bearbeitungseinrichtung und die Teile-Kammer können auf erhöhten Temperaturen gehalten werden, um einen thermischen Arbeitszyklus, Restbeanspruchungen zu reduzieren und die additiven Prozesse an dem Material sowie die Ausbildung von Qualitäts-Zwischenlagen-Verbindungen zu erleichtern, und können eine inerte und saubere Umgebung durch Entfernen von Schmutz und Verunreinigungen ergeben. Die Bearbeitungseinrichtung und die Teile-Kammer können in der Lage sein, einen Druck- Arbeitszyklus für das additive Verarbeiten von Materialien, das Verarbeiten von Zwischenlagen, und/oder das Beseitigen von Abfall bei (1 l), Fig. 4, durchzuführen. Zusätzlich nimmt die Bearbeitungseinrichtung und/oder die Teile-Kammer Materialvorrat auf oder hat Zugriff zu dem Materialvorrat sowie Masken-Puffern, die die verschiedenen Prozesse speisen, die einer Teile-Lagenformation eigen sind. Die Bearbeitungseinrichtung und die Kammer sind so ausgelegt und werden so betrieben, dass sie den Pegel von Sauerstoff oder nichtinerten Gasen (mit "Gas" in Fig. 4 bezeichnet) und Verunreinigungen während des Herstellens des Teiles regeln.
Zu Beginn einer jeden Lage kann eines der beiden Bearbeitungs-Szenarios auf der Basis der speziellen Ausführungsform und/oder des Volumenbruchteiles des Teiles an den komplementären Materialien in der jeweiligen Lage ausgeführt werden.
Szenario Eins: Komplementäres Material wird selektiv zuerst aufgebracht. Anschließend wird Teile-Material innerhalb der Steuerungs-Konturen aufgebracht, die durch die komplementären Materialien vorgegeben sind. Dann werden Material- Bearbeitungsvorgänge, wie sie oben beschrieben sind, z. B. Aufheizen, chemische Behandlung oder Energiebehandlung an den Konturen der aufgebrachten Teile- Materialien (und möglicherweise komplementären Materialien) durch das Materialien hinzufügende (additive) System vorgenommen, um sicher zu stellen, dass die Teile- Materialien und möglicherweise komplementären Materialien innerhalb der Toleranz von vorbeschriebenen Materialeigenschaften liegen. Komplementäres Material kann dann entweder durch Platzieren einer vorgeschnittenen Maske aufgebracht werden, die aus komplementärem Material hergestellt ist oder selektiv durch das Materialien addierende Untersystem aufgebracht und zusätzlich bearbeitet oder selektiv entfernt wird. Die Präzision der vorgeschnittenen Masken-Kontur und/oder der Vorrichtung zum selektiven Aufbringen von komplementären Materialien ist dabei ein Parameter der jeweiligen Ausführungsform oder Vorrichtung.
Szenario Zwei: Teile-Material wird zuerst selektiv aufgetragen. Komplementäres Material kann anschließend selektiv aufgebracht werden oder auch nicht. Materialverarbeitungsvorgänge, z. B. Erhitzen, chemische Behandlung oder Energiebehandlung werden dann an den Konturen des auf das Tteil aufgebrachten Materials (und möglicherweise komplementären Materials) durch das Materialien hinzufügende System vorgenommen, um sicher zu stellen, dass die Teile- (und möglicherweise komplelmentären) Materialien innerhalb einer Toleranzgrenze der vorgegebenen Materialeigenschaften liegen. Teile-Material kann dann über eine vorgeschnittene Maske oder selektiv über das Materialien hinzufügende Untersystem aufgebracht werden.
Das gesteuerte Aufbringen und Abnehmen von Teile- und Komplementär-Materialien, wie in den Szenarien Eins und Zwei angegeben, wird wiederholt, damit alle Teile- und Komplementär-Materialien, die für die Teile-Lager bestimmt sind, erfasst werden. An dieser Stelle des Prozesses ist die Lage mindestens teilweise durch aufgebrachte Teile- Materialien und/oder Komplementär-Materialien innerhalb der Toleranzgrenzen ihrer entsprechenden vorgegebenen Materialeigenschaften bedeckt. Das Materialien abnehmende Untersystem bearbeitet dann die Teile-Konturen so, dass eine vorgegebene geometrische Toleranz des Teiles erreicht wird. Anschließend vervollständigt das Materialien aufbringende Untersystem die Lage dadurch, dass komplementäres Material in leeren Bereichen der jeweilien Lage aufgebracht wird, um die Lage zu vervollständigen. Die Materialbearbeitung dieses zusätzlichen komplementären Materials kann oder kann auch nicht von dem Materialien hinzufügenden Untersystem durchgeführt werden. Eine Bearbeitung der Zwischenlagen, z.B die Lagen-Dickensteuerung durch Oberflächenbearbeitung und Oberflächenbehandlung und/oder Aufrauhung, Fig. 7, wird an der vervollständigten (Aggregat-) Lage durch das Zwischenlagen-Bearbeitungs- und Aufbereitungssystem zur Vorbereitung für die nächste Lage durchgeführt. Diese Vorgänge treten innerhalb einer kontrollierten Umgebung auf, die durch das Umgebungs-Steuerungs-Untersystem 4, Fig. 4, festgelegt ist. Bei einer speziellen Ausführungsform, bei der das Materialien abnehmende (subtraktive) System ein Laser-Bearbeitungssystem ist, können die Teile- Konturen oberflächenbearbeitet werden, um Dicken-Toleranzen zu erzielen, bevor das Materialien abnehmende System auf die Teile-Konturen einwirkt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann, wie vorstehend ausgeführt, das primäre Aufbringsystem aus einem Pulver-Verteiler, Fig. 5E, bestehen, der Pulver auf die Werkstückoberfläche aufbringt. Eine Roll- oder Quetsch-Vorrichtung (R) wird verwendet, um die Höhe der Pulverschicht zu regeln und es kann eine Maske verwendet werden, falls erwünscht, um die Kontur der Pulverschicht zu steuern. Sowohl das System für die Bearbeitung der Lagen-Materialien als auch das System für die Fusions-Verbindung, Fig. 5H, bestehen aus einem Laser, z. B. dem Diamond SL-64, der von Coherent General hergestellt wird, einem Elektronenstrahl oder einer anderen, einen örtlichen Effekt hervorrufenden Wärme/Energie-Quelle, und werden in einem entsprechenden Umgebungs-Zyklus (z. B. Temperatur und Druck) verwendet, damit eine dichte, durch Fusion verbundene Lage innerhalb einer Toleranz der spezifizierten Materialeigenschaften erzielt wird, wie dies bekannt ist. Dieser Vorgang fügt sowohl Teile- als auch komplementäre Materialien der Werkstückoberfläche hinzu.
Bei einer modifizierten Ausführung kann der primäre Aufbring-Prozess, wie vorbeschrieben, aus einem Pulver- oder über Draht gespeisten Mehrfach-Material- Plasma-Sprühsystem, Fig. 5E, bestehen (entweder Mehrfach-Kopf- oder Mehrfach- Material-Zuführungen), z. B. die 5 G-2000 Plasma-Sprühpistole, die auf dem von Plasma dyne Co. entwickelten System basiert. Die Plasma-Sprühparameter werden so gewählt, dass sie die Lagen-Höhe regeln und es kann, falls erwünscht, eine Maske verwendet werden, um die aufgebrachte Kontur zu steuern. Das Verbinden in der mit Plasma gesprühten Lage kann teilweise mechanisch oder teilweise durch Fusion entstehen, abhängig von der Wahl der Sprühparameter, z. B. der Abstands-Distanz, der Höhe der Ampere und der Gasgeschwindigkeit. Um eine überwiegende Fusions- Zwischen/Intralagen-Verbindung zu erzielen, sind nicht triviale Sprühparameter erforderlich, und somt würde eine Fusions-Bindungsphase vorzugsweise verwendet werden. Das Fusions-Bindungssystem besteht aus einem Laser oder einem Elektronenstrahl oder einem anderen einen regionalen Effekt hervorrufenden Wärme/Energie-Quelle, Fig. 5H, und wird innerhalb eines geeigneten Umgebungs- Zyklus (z. B. Temperatur und Druck sowie Gaskonzentration) verwendet, um eine dichte, fusionsgebundene Lage innerhalb der Toleranz der speziellen Materialeigenschaften zu erzielen. Die additive Bearbeitung von komplementären Materialien braucht nicht eine Fusions-Bindephase einzuschließen, vorausgesetzt, dass die Plasma-Sprühparameter so gewählt werden, dass eine geeignete Abstützstruktur erzielt wird. Zusätzlich können schnelle Verfestigungs-Mechanismen, wie z. B. lokalisierte Kühlvorrichtungen, verwendet werden, falls erforderlich, um gute Materialeigenschaften zu erreichen.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die primäre Aufbringphase, Fig. 5G, die vorher beschriebene Verteilvorrichtung für geschmolzenes Material mit Pulver- oder Drahtführung umfassen. Mehrfach-Köpfe oder Mehrfach-Materialzuführungen ermöglichen einen Mehrfach-Materialauftrag. Die Verteil-Parameter für geschmolzene Materialien werden so gewählt, dass sie die Höhe der Lage regeln, und es kann eine Maske verwendet werden, falls erwünscht, um die Kontur der Lage zu steuern. Das Fusions-Bindungssystem, Fig. 5H, besteht wie vorher aus einer Laser- oder Elektronenstrahl- oder einer anderen Quelle, die regional Wärme/Energie erzeugt, und wird in einem entsprechenden Umgebungs-Zyklus verwendet (z. B. Temperatur, Druck und Gaskonzentrationen), um eine dichte, fusionsverbundene Lage innerhalb einer Toleranzgrenze der speziellen Materialeigenschaften sicher zu stellen. Der Prozess des Hinzufügens von komplementären Materialien kann entweder den Verteiler für geschmolzene Materialien oder einen Plasma-Sprühkopf verwenden und macht nicht eine vollständige Fusions-Bindung erforderlich, um eine geeignete Stütz-Struktur zu ergeben.
Bei einer anderen Ausführungsform besteht das primäre Aufbring-System, Fig. 5G, aus einem Flüssigkeitsverteiler für das vorher erwähnte vorgehärtete Harz oder thermohärtende Materialien oder für Materialien in Sol-Gel- oder Lösungsform (z. B. Keramik). Die Verteil-Parameter werden wiederum so gewählt, dass die Lagen-Höhe geregelt wird, und eine Maske kann, falls erwünscht, verwendet werden, um die Lagen-Kontur zu steuern. Das gleiche Fusionsbindungs-System nach Fig. 5H und/oder eine generelle Wärmequelle durch das die Umgebung steuernde Untersystem kann verwendet werden, um die Hitzehärtung auszuhärten oder das Lösungsmittel zu verdampfen, um eine dichte, durch Fusion gebundene Lage innerhalb einer Toleranz der spezifizierten Materialeigenschaften zu erzielen jede der vorerwähnten additiven Verarbeitungsvorrichtungen kann für die komplementären Materialien verwendet werden, abhängig von der Wahl des komplementären Materials.
Bei einer Ausbildung der Lage mit oder ohne Maske werden die Präzisions- Subtraktionsvorgänge nach den Figuren GA und 6B verwendet, um die exakte Geometrie des gewünschten Teiles zu erhalten. Das Untersystem zur Verarbeitung subtraktiver Materialien besteht, wie vorstehend angegeben, aus Präzisions- Bearbeitungssystemen, wie z. B. Walzen, Bohren, Fräsen, Schleifen, Fig. 6B, oder Bearbeiten mittels Laser oder Elektronenstrahl, Fig. 6A, oder Bearbeiten durch elektrostatische Entladung, um nur Beispiele anzugeben.
Jedes solche System ist in der Lage, innerhalb der Umgebung, die von dem Rechner- und Steuerungs-Untersystem gefordert wird, zu arbeiten. Hierzu können flüssige und/oder gasförmige Kühlmittel oder Hochtemperatur-Werkzeugausstattungen verwendet werden. Die Wahl eines subtraktiven Prozesses hängt weitgehend von den Materialien und der Umgebung ab und somit können verschiedene Prozesse je nach Bedarf ausgelegt werden. Die Entfernung von Schmutz, wie mit (11), Fig. 4, dargestellt, ist erforderlich, um eine verschmutzungsfreie Umgebung der Teile- Verarbeitungseinrichtung aufrecht zu erhalten. Schmutz tritt in Form von Chips und/oder losem Pulver und/oder Dampf und/oder Flüssigkeit aus den verschiedenen Materialabgaben, Zusätzen und subtraktiven Prozessen und möglicherweise Kühlmitteln auf.
Gasströme ("Gas", Fig. 4) können verwendet werden, um Materialdampf, Schmutz und andere unerwünschte Produkte durch Gasleitungen und Filter zu blasen, wie z. B. in dem Modell 1005/1310 Fume Exhauster and Filtered Air Cleaner von KEI. Gasströme können auch verwendet werden, um Bereiche nur auf der Arbeitsoberfläche freizuhalten, je nach Bedarf. Gasflüsse können ferner durch Hochdruckdüsen oder durch Vakuum-Diffusoren induziert werden, die innerhalb der Teile- Verarbeitungseinrichtung während eines Hochdruck-Zyklus geöffnet werden. Die Gasströme können lokal auf die subtraktive Verarbeitungseinrichtung fixiert werden, um Abfallprodukte bei deren Entstehung fortzublasen oder abzusaugen. Globalere Gasströme können auch verwendet werden, um Dämpfe aus der Teile- Verarbeitungseinrichtung mit Ableitpfaden abzusaugen, die zum Entfernen von unverdampften Flüssigkeiten verwendet werden.
Eine subtraktive Bearbeitung der Lage von Teilen auf Toleranz in den fig. 6A und 6B kann ferner leere Bereiche der Arbeitsfläche erzeugen, die mit komplementärem Material aufgefüllt werden müssen. Das Untersystem für additive Materialien, Fig. 5A, erfüllt dann diese Aufgabe.
An dieser Stelle im Prozess wird die Lage des Teils (Aggregat) auf Toleranz in der Arbeitsflächenebene gebildet, aber nicht notwendigerweise in der vertikalen Ebene (Höhe oder Dicke der Lage). Das Untersystem zur Bearbeitung der Zwischen-Lagen (Fig. 7) bearbeitet die vervollständigte Lage auf vertikale Toleranz (Höhe) und Oberflächen-Präparierungen (Aufrauhen, Hinzufügen von legierenden oder bindenden Elementen, chemische Behandlung, usw.) der Lage, um die Konstruktion der nächsten Teile-Lage zu vereinfachen. In den Fig. 7A-7C ist ein Teil in Fig. 7A gezeigt, der z. B. drei Teil-Materialien umfasst, wobei die Aggregat-Lage in gestreckter Ansicht in Fig. 7C für eine bestimmte Teile-Lage der Fig. 7B gezeigt ist.
Die Folgen von Arbeitsvorgängen, die vorstehend ausgeführt sind, werden wiederholt, bis das gesamte Teil erstellt ist, wie in Verbindung mit den Fließschemen nach den Fig. 1A und 1B beschrieben. Das fertige Teil ist von komplementärem Material umgeben, das entfernt werden muss. Der vorher erwähnte Graphit beispielsweise kann durch rasche Oxidation entfernt werden, während andere komplmentäre Materialien durch thermische oder mechanische Stossbehandlung, chemische Bäder oder durch Schmelzen entfernt werden, wie in den Fig. 8A und 8C dargestellt.
Komplementäres Material kann einen Schmelzpunkt unter dem des Materials des Teils haben und somt durch Erhitzen entfernt werden. Komplementäres Material kann in einem geeigneten flüssigen oder gasförmigen Lösungsmittel löslich sein, damit es entfernt wird, und kann beispielsweise in Wasser löslich sein, z. B. in Form von anorganischen Salzen, bestimmten Wachsen oder wasserlöslichen Aluminiumlegierungen. Die komplementären Materialien können Glasmaterialien, z. B. Borsilikat sein, die beispielsweise in Lösungsmitteln wie Aceton lösbar sind, oder können keramische Materialien oder dergl. enthalten. Wie vorher angegeben, können solche Oxide einfach unter entsprechenden Hitze- und/oder Sauerstoff- Konzentrationen behandelt werden, wenn Graphit oder auf Graphit-Basis hergestelltes Material verwendet wird. Thermische und/oder mechanische zyklische Behandlungen und/oder Stoss-Behandlungen können verwendet werden, um die komplementären Materialien zu entfernen.
Die Erfindung ist ferner auf eine große Vielfalt von Teile-Materialien anwendbar, einschließlich beispielsweise Metallen und Metall-Legierungen, thermoformbarem und thermohärtbarem Kunststoff, Wachsen, Keramik-Materialien, Gläsern, Graphit- Materialien und anorganischen Materialien verschiedener Art, wobei alle diese Materialien in aus Mehrfach-Materialien zusammengesetzten Lagen absetzbar sind.
Für den Fachmann ergeben sich hieraus weitere Modifikationen, die in den Schutzumfang der Erfindung nach den Patentansprüchen fallen.

Zusammenfassung

Es wird ein Verfahren zum automatisierten, lagenweisen Herstellen eines dreidimensionalen Teiles bzw. Gegenstandes aus einem Rechnermodell durch gesteuertes Aufbringen und Abnehmen von Materialien vorgeschlagen. Das Verfahren integriert die Präzisionssteuerung von feststehenden subtraktiven Prozessen mit additiven Prozessen, die so optimiert werden, dass gewünschte Materialeigenschaften gewonnen werden, damit ein überlegenes Prototyp-Schnellbausystem erzielt wird, das die Nachteile bekannter Systeme vermeidet.

Claims

1. Verfahren zum automatisierten, lagenweisen Herstellen eines dreidimensionalen. Teiles bzw. Gegenstandes durch gesteuertes Aufbringen und Abnehmen bzw. Extrahieren von Materialien, wobei das Verfahren umfaßt die Bildung von Sequenzen von Teil- und Komplementär-Tragmaterial-Konturen entsprechend jeder Lage (L), das Aufbringen von Materialien für eine oder mehrere der Konturen auf eine Arbeitsfläche innerhalb einer Bearbeitungseinrichtung (14), die Materialbe - oder -verarbeitung (5, 6) der aufgebrachten Konturen, um festgelegte Materialeigenschaften für die Teile- und Komplementär-Konturen zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (L) geschnitten werden, beispielsweise durch eine Software aus einer dreidimensionalen Computermodell-Wiedergabe oder -Repräsentation des Teils in eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Lagen (L), und zwar entsprechend Lagen vorgegebener Dicke des Teils, um die Sequenzen der Teil- und Komplementärträger-Material-Konturen entsprechend jeder Lage zu erzeugen, Entfernen von Abschnitten des Materials von der oder den Konturen unter Berücksichtigung der entsprechenden Computermodell-Kontur oder -Konturen; Wiederholen des Aufbringens, Bearbeiten und Entfernen, soweit notwendig, unter Berücksichtigung des Computermodels entsprechend der Lage (L), um eine hinzugefügte Schicht oder Masseschicht zu vervollständigen, die Teile- oder Gegenstands-Materialkonturen innerhalb vorgegebener Geometrie und Materialeigenschaftentoleranzen sowie Komplementär-Materialien irgendwo auf der hinzugefügten Schicht oder Masseschicht aufweist, Vervollständigung der Computermodellschicht durch weitere Bearbeitung der hinzugefügten Schicht oder Masseschicht, um die Dicken-Toleranzen und das selektive Anbinden an die nächste angefügte Schicht zu gewährleisten; Wiederholen der Sehritte für die gesteuerte Herstellung der Schichten, um das gesamte durch das komplementäre Material oder die komplementären Materialien umgebene Teil zu bilden, und Entfernen des komplementäre Materials oder der komplementären Materialien, um das hergestellte Teil zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung des dreidimensionalen Computermodells in Konturen im Stapelbetrieb oder nach einander erfolgt, um einen vollständigen Satz von Konturen zu erhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verarbeiten des dreidimensionalen Computermodells für eine vorgegebene Kontur dann durchgeführt wird, wenn die vorgegebene Kontur für den Prozeß benötigt wird, wobei das Schneiden des Modells simultan mit der Herstellung des Teiles erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Materials oder der Materialien bei vorgefertigter oder vorgeschnittener Maske des Komplementärmaterials erfolgt, wobei der Schnitt einer entsprechenden Software- Schnittkontur entspricht, und zwar in der Weise, dass die Maske als komplementäres Stützmaterial für die Bildung der Aggregatchicht befassen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Materials oder der Materialien bei vorgefertigter oder vorgeschnittener Maske aus einem vom Komplementärmaterial unterschiedlichen Material erfolgt und vor der Bildung der Masseschicht entfernt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masken an einem kontinuierlichen, relativ zur Arbeitsfläche bewegten Film vorgesehen oder aber individuelle flache Elemente sind, die sequentiell über der Arbeitsfläche angeordnet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Masken formende System ein herkömmliches Bearbeitungssystem oder eine Laser-Strahl- Bearbeitungssystem ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile- und/oder Komplementärabschnitte, die die Masseschicht formen, aus einem Mehrfach- Material bestehen.