DE69626131T2

DE69626131T2 - Verfahren und vorrichtung zur festen prototypherstellung

Info

Publication number: DE69626131T2
Application number: DE69626131T
Authority: DE
Inventors: Samuel Batchelder; R. Jackson
Original assignee: Stratasys Inc
Current assignee: Stratasys Inc
Priority date: 1995-11-13
Filing date: 1996-11-06
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: CN1207187A; DE69626131D1; IN190124B; WO1997019798A2; US5764521A; EP0869864B1; CN1128706C; JP4334619B2; KR19990067544A; EP0869864A2; WO1997019798A3; KR100393357B1; JP2000500709A; AU7671396A; EP0869864A4

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen körperlichen Gegenstandes durch sequentielle, mustermäßige Deposition mehrerer Schichten eines verfestigbaren Materials auf einem Trägerelement.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Fertigung von Gegenständen durch schichtweisen Aufbau des Materials ("Layered Manufacturing") gab es schon vor mehr als zehntausend Jahren, verwirklicht von Handwerkern, die durch aufeinanderfolgendes Hinzufügen von Tonwülsten komplizierte Gegenstände wie Töpfe und Vasen aufbauten. Verbesserungen aus jüngerer Zeit umfassen die Deposition von Metallen, wie bei W. W. McCarroll, US-Patent Nr. 556 472, und R. Baker, US-Patent Nr. 1 553 300, beschrieben; die Deposition von UV-härtbaren Polymeren, wie bei A. J. Herbert: "Solid Object Generation", J. Appl. Phot. Eng., 1982, und C. W. Hull, US-Patent Nr. 4 575 330, beschrieben; das Verspritzen von Materialtröpfchen, wie bei W. E. Masters, US-Patent Nr. 4 665 492 beschrieben; das Sintern von partikelförmigem Material, wie bei V. Pratt et. al., US-Patent Nr. 5 038 014 beschrieben; das Aufbringen kontinuierlicher Bänder, wie bei P. L. DiMatteo, US-Patent Nr. 3 932 923 beschrieben; und das Aufbringen von geformten Lagen von Papier, wie bei C. W. Hull et al., US-Patent Nr. 5 192 559 beschrieben.
Diese Verfahren werden unter dem Begriff Layered-Manufacturing-Prozess zusammengefasst. Bei den computerisierten Ausführungsformen aus jüngerer Zeit wird eine mathematische Beschreibung eines zu erzeugenden körperlichen Teils in (gewöhnlich) planare Schichten aufgeteilt, und diese Schichten werden individuell geformt und angewandt, um das finale Teil herzustellen.
In den letzten Jahren lag die dominierende Anwendung des Layered-Manufacturing-Prozesses in den sog. Rapid-Prototyping-Verfahren; der schnellen Erzeugung körperlicher Äquivalente von mit Einsatz des rechnerunterstützten Konstruierens (CAD) angefertigten Modellen für die Entwurfsverifizierung; Prüfungen auf Interferenz; Käuferakzeptanz und Funktionsprüfungen. Die computergesteuerte Deposition verfestigbaren Materials ist bei V. Valavaara, US-Patent Nr. 4 749 347 beschrieben. Bei J. S. Batchelder et al., IBM Technical Disclosure Bulletin, 10/l/1990, ist die Technik nach Valavaara mit einer vertikal orientierten Düse modifiziert. Eine Verbesserung, welche mit der Zuführung von filament- oder stabförmigem festen Material arbeitet, ist bei S. S. Crump, US-Patent Nr. 5 121 329 beschrieben. Zusätzliche Verbesserungen sind bei S. S. Crump, Patent Nr. 5 340 433, und J. S. Batchelder et al., US- Patent Nr. 5 402 351 beschrieben.
Eine auf Extrusion basierende Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren für den Layered-Manufacturing-Prozess, welche Sensortechniken im geschlossenen Kreis benutzen, um die Charakteristika von deponierten Materialbahnen genau zu regeln, sind in US-Patent Nr. 5 303 141 beschrieben. Bei einer in dieser Schrift offenbarten Ausführungsform wird der Materialfluss durch die Extrusionsdüse mittels einer Hydraulikpumpe gesteuert.
Eine Rotationsviskositätspumpe mit erwünschten Eigenschaften zur Verwendung bei der Deposition verfestigbaren Materials, so etwa in einem Layered- Manufacturing-System, ist bei J. S. Batchelder et al., US-Patent Nr. 5 312 224 offenbart. Die Pumpe weist einen hohen Wirkungsgrad auf und kann deshalb eine kleine Baugröße haben und von einem kleinen Motor angetrieben werden. Die Pumpe kann einen hohen Druck erzeugen und ist auch zu schnellen Druckwechseln in der Lage.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Verbesserung des Leistungsvermögens (Performance) des extrusionsbasierten Layered-Manufacturing-Prozesses durch Erhöhen der Rate, mit der Material aus einer Düse extrudiert wird, so dass die Teile schneller gebaut werden können, wobei gleichzeitig eine verbesserte Zuverlässigkeit des Materialflusses durch die Düse erzielt wird. Im vorhandenen Stand der Technik fehlt ein Extruder mit einer Größe und einer Masse, die klein genug sind für den Einsatz im Layered-Manufacturing-Prozess, und der eine Kombination von hohem Druck, hohen Materialflussraten, hohen Druckänderungsraten und Druckgleichförmigkeit bietet, mit der genaue Teile schneller produziert werden können.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die obengenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe der Vorrichtung nach Anspruch 1 und des Verfahrens nach Anspruch 12 erfüllt.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein verbessertes extrusionsbasiertes Fertigungssystem weist einen oder mehrere Extruder auf, wobei jeder Extruder mindestens zwei Stufen zunehmend größerer Druckbeaufschlagung aufweist. Eine zweite Druckbeaufschlagungsstufe wird durch eine Pumpe bereitgestellt, und eine erste Druckbeaufschlagungsstufe hält einen Fluss verfestigbaren Materials zu der Pumpe unter allen zu erwartenden Pumpraten aufrecht. Die erste Druckbeaufschlagungsstufe erhält das verfestigbare Material als Feststoff, überführt den Feststoff in einen fluiden Zustand, druckbeaufschlagt das Material in seinem fluiden Zustand auf einen gegebenen Zwischendruck und führt dann den fluiden Zustand des Materials bei dem Zwischendruck der zweiten Druckbeaufschlagungsstufe zu.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Druckbeaufschlagungsstufe erzeugt durch Treiben eines Filaments in eine Öffnung einer beheizten Rohres. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die erste Druckbeaufschlagungsstufe erzeugt durch Bewegen eines festen Wafers des Materials durch eine Öffnung in eine beheizte Kammer hinein. Die Wafer sind in entfernbaren, elektronisch etikettierten Kassetten gespeichert; ihre Entnahme aus der Kassette erfolgt durch einen Staplermechanismus, der die Wafer bei Bedarf von der Kassette zu einem Traktorvorschubmechanismus überführt. Der Traktorvorschubmechanismus zwingt die Wafer in die beheizte Kammer hinein.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines extrusionsbasierten Layered-Manufacturing-Systems;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Filamentantriebs für ein extrusionsbasiertes Layered-Manufacturing-System;
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Zweistufen-Druckbeaufschlagungssystem;
Fig. 4(a) und Figur (4b) zeigen Konfigurationen von Wafern aus thermoplastischem Material;
Fig. 5a zeigt eine Kassette mit einem elektronischen Etikett zum Tragen und Ausgeben von Wafern;
Fig. 5b zeigt eine perspektivische Teilansicht einer Kassette von vorn und von oben;
Fig. 6 zeigt einen Düsenmesssensor in einer für die Erfindung verwendeten Trägerplatte.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine allgemeine Darstellung des Prozessablaufs des extrusionsbasierten Layered-Manufacturing-Prozesses. Ein Prozessor 102 enthält ein residentes CAD-Programm für das rechnerunterstützte Konstruieren, das eine Datei generiert, welche die Geometrie eines herzustellenden Teils 104 beschreibt. Diese Datei wird über eine Kommunikationsverbindung 106 einem weiteren Prozessor 108 zugeführt, der ein Programm enthält, welches die Datei algorithmisch in Volumenelemente unterteilt, welche Formen 110 entsprechen, die aus einer Düse extrudiert werden können. Es werden zusätzliche Volumenelemente 112 hinzugefügt, welche die mechanische Stützung eines Teils während des Baus übernehmen. Die Volumenelemente sind sequentiell geordnet, so dass deponiertes Material geeignet abgestützt wird und zuvor deponiertes Material nachfolgende Depositionen nicht störend beeinflusst.
Momentane Geschwindigkeiten und Depositionsraten sind mit den von einem Extrusionskopf, der eine Folge von Volumenelementen 112 bildet, zu verwendenden Bahnen assoziiert. Ein elektronischer Controller 116 bewirkt - als Antwort auf über eine Leitung 114 empfangene Signale - dass ein Roboter/Portal 118 einen Extruderkopf 120 und eine Düse 122 in Bezug auf ein Trägersubstrat 124 entsprechend der gegebenen Bahnen und einer Zeitbasis sequentiell positioniert. Der Extruder stößt synchron dazu thermoplastisches Material aus der Düse 122 bei der vorgegebenen Extrusionsrate aus, um ein finales Teil 126 zu bilden. Das Teil 126 ist mit dem Substrat 124 durch eine Schicht niedrig schmelzenden thermoplastischen Klebstoffs 128 (auf dessen Funktion im Folgenden noch näher eingegangen werden wird) verbunden.

Druckbeaufschlagung in zwei Stufen

Der Entwurf eines Extruders für den Hochgeschwindigkeits-Layered-Manufacturing-Prozess ist festgelegt durch Spitzendrucktauglichkeit, Druckagilität, Druckgleichförmigkeit, Gasentwicklung, Temperaturkompatibilität, Zuverlässigkeit und Kosten.
Spitzendruck: Die Viskositäten (v) der interessierenden Extrusionsmaterialien variieren von einigen Centipoise im Falle von Wachsen und flüssigen Metallen bis hin zu ca. 10 000 Poise für technische Kunststoffe. Die interessierenden Düsenöffnungsinnendurchmesser (d) sind in einem Bereich von 0,003 Inch bis 0,03 Inch angesiedelt. Die maximale lineare Geschwindigkeit (V) für die Düse während der Deposition von Extrudat mit einem Querschnitt annähernd gleich dem der Düsenöffnung variiert von 0,2 Inch pro Sekunde bis ca. 20 Inch pro Sekunde. Unter der Annahme, dass die Länge der Öffnung typisch das Zweifache des Innendurchmessers der Öffnung beträgt, kann das Poiseuillesche Gesetz für den Druckabfall in einem Rohr umgeschrieben werden zum Abschätzen des Druckabfalls, der mit dem Treiben eines Extrudats durch eine Düsenöffnung verbunden ist:
ΔP = 64·v·V/d
An der Grenze von niedriger Geschwindigkeit, niedriger Viskosität und großen Öffnungsabmessungen beträgt der erforderliche Betriebsdruck ca. 0,00006 psi über Atmosphärendruck; an der Grenze von hoher Geschwindigkeit, hoher Viskosität und kleiner Öffnungsgröße beträgt der erforderliche Betriebsdruck 60 000 psi über Atmosphärendruck oder das Milliardenfache der Niederdruckgrenze.
Druckagilität: Mechanische Zwangsbedingungen verlangen, dass ein Portal seine Geschwindigkeit längs Geradenstrecken bei Annäherung an nicht colineare Schnittpunkte von Geradenstrecken zurücknimmt. Der zeitliche Zwang, die Teile so schnell wie möglich zu bauen, verlangt, dass das Portal beim Verlassen eines solchen Schnittpunktes beschleunigt. Eine Folge davon ist, dass sich die Größe der Momentanvektorgeschwindigkeit der Düse mit Bezug auf den Träger rasch verändert. So wird zum Beispiel ein Portal mit einer Beschleunigung von 0,3 g, das sich mit 20 Inch pro Sekunde bewegt, in 50 Millisekunden zu einem vollständigen Halt kommen. Dies gebietet, dass die maximale Antwortzeit für den Extruder entweder von Null auf vollen Druck oder von vollem Druck zurück auf Null kommt.
Druckgleichförmigkeit: Variationen in der Extrusionsrate, abgesehen von den zum Bau des Teils erforderlichen, verursachen beobachtbare Schwankungen in der Oberfläche des finalen Teils. Typisch ist eine Veränderlichkeit von 1% oder weniger nötig, um die Extrusion gleichförmig erscheinen zu lassen.
Gasentwicklung: Viele Extrusionsmaterialien setzen während ihres Transports durch einen Extruder Gase frei. Thermoplastische Polymere, die etwas hygroskopisch sind, setzen beim Erhitzen auf ihre Schmelztemperatur Wasserdampf oder Dampf frei. Andere Arten von Gasen, welche freigesetzt werden können, sind Weichmacher, Monomere und Oxidationsprodukte. Gas im Druckteil des Extruders wirkt als Stoßtank oder Regler und mindert die Druckagilität des Extruders. Aus diesem Grund wird bei der bevorzugten Ausführungsform das Volumen an Extrusionsmaterial, welches auf den vollen Druck gebracht wird, möglichst klein gehalten.
Um diesen im Widerspruch zueinander stehenden Forderungen zu genügen und um einen Extruder mit niedriger Masse bereitzustellen, der preiswert in der Fertigung und zuverlässig im Gebrauch ist, wird der von dem Extruder ausgeführte Druckbeaufschlagungsprozess in zwei oder mehr Stufen aufgeteilt. Jede Stufe muss nur für ein paar der Kriterien optimiert werden. Eine Druckbeaufschlagungsstufe ist eine mechanische Untereinheit, durch die das Extrusionsmaterial fließt und die einen Druck an ihrem Ausgang erzeugt, der höher sein kann als der Druck an ihrem Eingang.
Bei allen bevorzugten Ausführungsformen ist die Anordnung so getroffen, dass die erste Druckbeaufschlagungsstufe den absoluten Druck, den das Extrusionsmaterial erfährt, von einem Anfangsdruck auf einen Zwischendruck anhebt. Der Anfangsdruck ist gewöhnlich der umgebende Atmosphärendruck. Der Zwischendruck ist ein Niveau zwischen dem Anfangsdruck und dem Spitzendruck, der erforderlich ist, um das Extrusionsmaterial aus der Düse zu treiben. Der Zwischendruck ist der Druck, der erforderlich ist, um das Extrusionsmaterial bei einer maximal erforderlichen volumetrischen Depositionsrate in den Eintritt einer zweiten Druckbeaufschlagungsstufe zu treiben. Im Einzelnen stellt der Zwischendruck einen geeigneten Fluss des Extrusionsmaterials zu der zweiten Druckbeaufschlagungsstufe unter allen zu erwartenden volumetrischen Depositionsraten sicher und gewährleistet einen ununterbrochenen Fluss des Extrusionsmaterials.
Bei allen bevorzugten Ausführungsformen enthält die zweite Druckbeaufschlagungsstufe eine Pumpe, welche den absoluten Druck, den das Extrusionsmaterial erfährt, von dem Zwischendruck auf jeden beliebigen Momentandruck erhöht, der erforderlich ist, um das Extrusionsmaterial bei einer vorgegebenen Rate bis hin zur maximal erforderlichen volumetrischen Depositionsrate aus der Düse herauszutreiben.
Fig. 2 zeigt einen Filamentantrieb, wobei ein Thermoplastfilament 202 mit einem Durchmesser von 0,07 Inch von einem Motor 204, der gummigepolsterte Walzen 206 antreibt, getrieben wird, durch eine Öffnung 208 in ein beheiztes Rohr 210 hinein und aus einer Düse 212 heraus zu gleiten. Dieser Mechanismus ist ein Ausführungsbeispiel für eine erste Druckbeaufschlagungsstufe.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, welche einen Traktorantrieb 302 mit Zahnriemen 304, Riemenscheiben 306, Druckplatten 308, Antriebsmotor 310 und Encoder 312 verwendet. Der Motor 310 und die Antriebsriemen 304 bewirken den Zwangsvorschub eines quader- oder waferförmigen Extrusionsmaterials 314 durch einen Vorwärmereinlass 316 in einen beheizten Kanal (Vorwärmer) 318, der Heizelemente 319 enthält. Das Extrusionsmaterial verlässt den Vorwärmer 318 in fluider, fließfähiger Form über einen Bereich 320.
Der Traktormechanismus stellt eine bevorzugte Ausführungsform für eine erste Druckbeaufschlagungsstufe dar. Als Beispiele für andere Druckbeaufschlagungsmechanismen der ersten Stufe lassen sich nennen: hypodermische Spritzen, Stabantriebe, Zahnpumpen und pneumatische oder hydraulische Druckbeaufschlagungseinrichtungen.
Neben der Bereitstellung ausreichenden Drucks zum Speisen der zweiten Stufe des Extruders übernimmt die erste Stufe mehrere andere Funktionen. Wenn das Extrusionsmaterial nicht in einer fließfähigen Form gespeichert und gefördert wird, dann macht die erste Stufe das Extrusionsmaterial fließfähig. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die erste Stufe ein Verflüssiger, der thermoplastisches Material erwärmt. In der ersten Stufe des Extruders entwickeltes Gas wird noch bei dem relativ niedrigen Druck am Ausgang der ersten Stufe abgetrennt.
In Fig. 3 wird das von dem fluiden Extrusionsmaterial in dem Vorwärmer 318 entwickelte Gas in einem Verbindungskanal 322 von dem Extrusionsmaterial getrennt und entweicht über eine Drehdichtung 324 am Eintritt zur zweiten Druckbeaufschlagungsstufe aus dem Extruder.
Die Vorschubrate des Extrusionsmaterials durch die erste Druckbeaufschlagungsrate kann reguliert werden durch den Rückdruck von der zweiten Stufe, durch Feedback vom Ausgangsdruck der ersten Stufe oder durch eine Kombination von Feedbackmechanismen. In Fig. 3 ist ein Drucksensor 326 mit dem Verbindungskanal 322 gekoppelt und liefert Signale, die den darin herrschenden Druck bezeichnen, an einen Controller, der seinerseits die Vorschubrate des Traktorantriebs 302 reguliert.
Die zweite Druckbeaufschlagungsstufe enthält eine konische Viskositätspumpe 330, wie bei J. S. Batchelder et al. in der US-PS Nr. 5 312 224 beschrieben. Fluides Extrusionsmaterial 320 vom Verbindungskanal 322 wird einem rotierenden Verdränger 332 zugeführt, den ein drehzahlveränderlicher Motor 336 in einer weiblichen Hülse 334 in Rotation versetzt, um das fluide Extrusionsmaterial zu einer entfernbaren Düse 338 und einer Öffnung 340 hin und daraus heraus zu treiben.
Die in Fig. 3 gezeigte Ausführung spricht die Notwendigkeit hoher Drücke, schneller Druckagilität und Druckgleichförmigkeit an. Die erste Stufe verhindert eine Unterfütterung oder Kavitation der Pumpe an ihrem Eintritt, wenn sie in Verbindung mit hochviskosen Extrusionsmaterialien eingesetzt wird. Andere zweite Stufen umfassen Zahnpumpen, Oszillationskolbenpumpen, Drehschieberpumpen, Ein- und Zweischraubenpumpen etc.
Extrusionsmaterialpackung: Naturbedingt wird bei dem Layered-Manufacturing-Prozess eine beträchtliche Menge an Extrusionsmaterial im Laufe der Erzeugung eines Teils abgegeben; typische Depositionsraten sind in einem Bereich von 0,1 und 10 in³ pro Stunde angesiedelt. Wenn das Extrusionsmaterial auf einen einzigen Typ von Material innerhalb des Systems begrenzt ist, ist eine Reihe von Materialhandhabungstechniken effektiv. Es gehören dazu zum Beispiel die Filamentzuführung von der Spule, die Fluidzuführung von einem entfernten Reservoir, die Pelletzuführung über Trichter und die portionsweise Zuführung von einem Magazin.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen werden feste Wafer von Extrusionsquellmaterial verwendet. Die Dimensionen der Wafer werden wie folgt bestimmt. Der Vorwärmereinlass 316 weist eine rechteckige Öffnung der Höhe H und Breite W auf, und der Vorwärmer 318 weist einen geraden Durchlass der Länge L auf. Bei der maximalen Extrusionsrate Q des Systems beträgt die Verweilzeit τ dwell des Extrusionsmaterials in diesem geraden Abschnitt (Pfropfenströmung vorausgesetzt)
τ dwell = L·H·W/Q
Die Schmelzzeit, die erforderlich ist, damit genügend Wärme von den inneren Oberflächen des Vorwärmers 318 durch das Extrusionsmaterial diffundiert, ist gekennzeichnet durch eine exponentielle Abklingzeitkonstante von
τ dwell = H²·ρ·C/K·π²
worin K, C und ρ die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmeleistung bzw. die Dichte des Extrusionsmaterials bedeuten. Weil die Verweilzeit mindestens so lang wie ca. drei exponentielle Schmelzzeiten sein muss, besteht eine Forderung darin, dass die Dicke H des Einlasses und damit die Dicke der Wafer der folgenden Zwangsbedingung genügen:
H ≤ L·W·K·π²/3·Q·ρ·C
Bei der bevorzugten Ausführungsform werden - begründet in der Notwendigkeit, den Extruder hinsichtlich Größe und Masse klein zu halten, plus den Einschränkungen hinsichtlich mechanischer Beeinflussung - L und W auf maximal ca. 1 Inch bzw. 0,75 Inch begrenzt. Für die thermoplastischen Polymere ist K ca. 0,2 Watt pro (Meter Grad Celsius), ρ liegt bei ca. 1, 2 Gramm pro cm³ und C beträgt ca. 1,3 Joule pro (Gramm Grad Celsius). Deshalb sollte für eine maximale Extrusionsrate von 10 in³/h die Dicke der Wafer weniger als 0,18 Inch betragen. Ein Wafer sollte nicht wesentlich dünner sein als diese Grenze, um zu vermeiden, dass der Wafer sich verzieht oder verbiegt, wenn er von dem Traktor 302 in den Vorwärmer 318 getrieben wird.
Fig. 4a zeigt ein Beispiel für einen Wafer 402. Typische Abmessungen sind H = 0,15 Inch, W = 0,75 Inch und Länge = 2 Inch. Weil der Traktor 302 eine Folge von Wafern 402 in den Vorwärmer 310 treibt, wird es bevorzugt, das Führungs- oder Vorläuferende jedes Wafers so zu gestalten, dass es mit dem Nachläuferende eines Wafers zusammenpasst und scherresistent ist. Eine bevorzugte Ausführungsform des Wafers 402 umfasst ein Vorläuferende 404, welches so gestaltet ist, dass mit einem genuteten Nachläuferende 406 zusammenpasst. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass das Vorläuferende 404 den Wafer 402 durch den Eintritt des Vorwärmers 318 leitet.
Fig. 4b zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei ein Wafer 408 eine Verzahnungsfeder 410 aufweist, welche mit einer Verzahnungsnut 412 zusammenpasst und eine Übertragung von sowohl Zug- wie auch Druckkräften über einen Übergang zwischen zwei Wafern erlaubt.
Wafer erfordern einen zusätzlichen Packungsgrad. Sie müssen während ihrer Lagerung und Handhabung frei von partikulärer Kontamination gehalten werden. Vielfach müssen sie auch gegen Wasserdampf isoliert werden. Sie müssen zu einer Packung gruppiert werden, die leicht handhabbar ist, die von einer ungelernten Arbeitskraft in ein System geladen und entladen werden kann, und die entladen werden kann, wenn die Wafer in der Packung teilweise oder vollständig verbraucht worden sind. Wenn ein Extruder während der Fertigung eines Teils von einer Art von Extrusionsmaterial auf eine andere wechseln muss, dann muss der Extruder auf beide Arten von Material Zugriff haben. Wenn das System Folgeteile aus verschiedenen Extrusionsmaterialien ohne Zutun einer Bedienungsperson herstellen soll, muss jedes Material in dem System gespeichert werden. Wenn mehrere Extruder verschiedene Materialien innerhalb des Systems deponieren können, dann müssen diese verschiedenen Materialien jedem Extruder zur Verfügung stehen.
Fig. 5a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Kassette 504, welche eine Mehrzahl von Wafern 502 aufnimmt. Über eine Druckplatte 506 hält ein federbelasteter Schieber 505 die Wafer 502 gegen das Vorderteil der Kassette 504 gepresst, während Wafer 502 aus der Kassette entnommen werden. Die Kassette 504 umschließt die Wafer von wenigstens vier Seiten; während der Lagerung hält ein entfernbares Band (nicht gezeigt) den vorderen Wafer fest. Die Kassette 504 wird typisch in einer Schrumpfverpackung versandt.
Im Gebrauch wird die Kassette 504 von Hand in einen Kassettenhalter 508 eingeführt, der die Kassette 504 unter einem Staplermechanismus 510 orientiert und über eine Konstantkraftfeder 512 und einen Arm 514, der sich durch einen Schlitz 532 im oberen Teil der Kassette 504 erstreckt (siehe Fig. 5b), eine Kraft auf die Druckplatte 506 wirken lässt, um die Wafer entsprechend ihrem Verbrauch vorzuschieben.
Der Stapler 510 enthält einen Antriebsmotor 512, einen Zahnantrieb 514, eine Spindel 516 und eine Kombination Mutter mit Staplerzahn 518. Bei Bedarf wird der Traktor 302 unter der Kassette 502 orientiert und der Staplerzahn 518 greift durch einen Schlitz 530 (Fig. 5b) in der Vorderseite der Kassette 504 hindurch und drückt einen vordersten Wafer 502 durch einen Austrittsschlitz 522 in der Kassette und platziert ihn in dem Traktor 302.
Eine elektronisch lesbare und beschreibbare Einrichtung 524, bei der es sich zum Beispiel um einen elektrisch löschbaren Nur-Lese-Speicher handeln kann, ist mit der Kassette 504 verbunden, so dass beim manuellen Einführen der Kassette ein elektrischer Kontakt zu dem Steuersystem über einen Verbinder 526 hergestellt wird. Die Einrichtung 524 wirkt als elektronisches Etikett mit einer Vielfalt von Funktionen. Sie informiert das Steuersystem von der Art des Extrusionsmaterials, welches sich in der Kassette befindet, und über die richtigen Extrusionsparameter zum Ausgeben des Materials. Sie kann die laufende Nummer der Wafer in der Kassette registrieren und eine Kassetten- Seriennummer bereitstellen.
Betrieb ohne Bedienungspersonal: Viele Funktionen des Layered-Manufacturing-Prozesses werden von den Menschen ausgeführt, welche die Extrusionsmaschinen bedienen. Zu diesen Funktionen gehören das mechanische Ausrichten des Systems, Teile-Initialisierung und -Entnahme und Verbesserungen des Depositionsprozesses. Fig. 6 zeigt einen Sensor, der die Bedienungsperson von zahlreichen Ausrichtfunktionen entlastet. Ein oder mehrere Magnetsensoren 602 sind in eine Bau-Trägerplatte 604 eingebettet und liefern dem Steuersystem vor Beginn des Teilebaus Informationen über die relative Ausrichtung von Extruder und Substrat. Die konische Außenfläche einer Düse 606 ist wenigstens zum Teil aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Der Sensor 602 ist ein Toroid aus einem Material 608 mit hoher magnetischer Durchlässigkeit, bei dem eine Fläche so entfernt ist, dass eine der Form der Düse 606 entsprechende Kavität 610 gebildet ist. Eine Wicklung 612 durch die Mitte des Toroid erzeugt einen Induktor, dessen Induktanz sich mit der Position der Düse 606 verändert. Die Düsenposition relativ zu dem Sensor kann mit drei Verschiebungsfreiheitsgraden detektiert werden.
Die dargestellte Sensortechnik wird bevorzugt, weil sie unempfindlich ist gegenüber der Temperatur der Düse 606 und möglichen Schichten von Extrusionsmaterial von unbestimmter Dicke auf der Düse 606. Alternative Sensortechniken umfassen Thermoelemente, Druckschalter, Dehnungsmessstreifen, Kapazitätssensoren, Infrarotdetektoren, optische Sender und Empfänger und akustische Entfernungsmessung.
Bevorzugt werden auf einem entfernbaren Substrat 614 aufgebaute Teile mit dem Substrat so fest verbunden, dass zwei Effekte überwunden werden. Innerhalb des extrudierten Materials erzeugte Spannungen zeigen die Tendenz, die deponierten Strukturen zu verformen, wenn die Strukturen in ihrer korrekten Orientierung nicht gestützt werden. Zusätzlich dazu sind aus dem Depositionsprozess selbst herrührende Kräfte vorhanden, z. B. Zug von der Düse und die auf nicht-stationäre Teile wirkende Zentripetalbeschleunigung, welche die Tendenz zeigen, die deponierten Strukturen zu verformen. Es ist ferner notwendig, dass die auf dem Substrat 614 deponierten Teile so schwach mit dem Substrat verbunden sind, dass die Teile ohne Schaden zu nehmen aus der Extrusionseinrichtung entfernt werden können.
Diese im Widerspruch zueinander stehenden Anforderungen werden bei der bevorzugten Ausführungsform gelöst durch Vorbeschichten des Substrates 614 mit einem thermoplastischen Klebstoff 616, der bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt als das Extrusionsmaterial. Heizelemente in der Bau- Trägerplatte 604 (nicht gezeigt) erlauben das Loslösen des Teils von dem Substrat nach Vollendung des Teils.
Weil das entfernbare Substrat 614 eine definierende Oberfläche für die zu bauenden Teile wird, muss es in einer wohldefinierten Konfiguration gehalten sein; in den bevorzugten Ausführungsformen kommt es einer Ebene nahe. Um Gewicht und Kosten der verbrauchbaren Substrate 614 zu reduzieren, werden sie dünn genug gemacht, um flexibel zu sein, und ihre Planarität wird durch die Ebenheit der Bau-Trägerplatte 604 sichergestellt.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen wird die Bau-Trägerplatte 604 hergestellt, indem zunächst ein Rahmen gegossen wird, an den drei parallele Präzisionsschienen angebracht werden. Mittels dieser Schienen wird der Rahmen über einer Präzisionstuschierplatte gehalten, und der Spalt zwischen der Tuschierplatte und dem Rahmen wird mit einem härtbaren Komposit gefüllt, bei dem es sich z. B. um eine Kombination aus Epoxid und Aluminiumpartikeln handeln kann. Die resultierende Trägerplatte ist insgesamt eben, leichtgewichtig und billig in der Herstellung.
Die Zahl der Prozessvariablen, die zur Charakterisierung und Steuerung typischer Layered-Manufacturing-System erforderlich ist, geht gewöhnlich in die Hunderte. Das Abstimmen dieser Variablen auf Erhalt einer optimalen Teilequalität wird typisch von geschultem Personal durchgeführt. Die kritischsten unter diesen Variablen verlangen eine automatische Anpassung in einem einfachen autonomen System. Die Schlüsselvariable bei der bevorzugten Ausführungsform, die kontinuierliche kleine Anpassungen erfordert, ist die Kalibrierung der in der zweiten Druckbeaufschlagungsstufe verwendeten Viskositätspumpe. Diese Kalibrierung wird durchgeführt durch Notieren des Waferverbrauchs, der in den Vorwärmer eintritt, und Vergleichen dieses Wertes über der Zeit mit dem vorgegebenen Wafer-Verbrauch. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Wafer-Verbrauch mit Hilfe eines optischen Encoders 312 gemessen (siehe Fig. 3), der mit dem Leerlauf- oder Nichtantriebsriemen des Traktors 302 verbunden ist.
Ein wichtiges Element für den Betrieb ohne Bedienungspersonal liegt bei einem Layered-Manufacturing-System darin, dass es sich glatt mit der Umgebung verbindet, in der es verwendet werden soll. Typisch erfordert dies, dass das System in einem lokalen Datennetz (LAN) existiert und sich ähnlich einem Laserdrucker oder einem anderen Drucker verhält, indem es Ausspul- oder Spool-Dateien von einem Server akzeptiert, Anforderungsketten abwickelt und auf Anfragen mit Statusinformationen antwortet. Um die Intrusion des Systems in seine Umgebung auf ein Minimum zu reduzieren, ist die bevorzugte Ausführungsform intern ausgeglichen, so dass sie keine Querschwingungen auf ihren Träger überträgt. Eine bevorzugte Ausführungsform isoliert von der Umgebung des Systems erzeugte mechanische Geräusche und Schwingungen von dem Depositionssystem durch Verbinden aller Depositionsfunktionen mit einer Inertialmasseebene und Verbinden der Inertialmasseebene über Schwingungsisolatoren mit einem Chassis. Die Inertialmasseebene ist ein vertikal orientierter gegossener rechteckiger Rahmen.
Um die Anzahl von mechanischen Verkopplungen zwischen beweglichen Komponenten und der Inertialmasseebene auf ein Minimum zu reduzieren, ist der Extruder direkt mit einem Linearlager auf der Inertialmasseebene verbunden. Die Bewegung des Extruders (in X-Richtung angenommen) ist durch ein Gegengewicht ausgeglichen, welches mit dem gleichen Antriebsriemen wie der Extruder und mit Linearlagern auf der gegenüberliegenden Seite der Inertialmasseebene verbunden ist. Die Horizontalbewegung der Trägerplatte (in Y-Richtung angenommen) ist auf ähnliche Weise mittels eines Gegengewichtes ausgeglichen, welches auf einem Linearlager direkt unterhalb der Trägerplatte sitzt und sich in die der Trägerplatte entgegengesetzten Richtung bewegt. Die Vertikalbewegung der Trägerplatte und deren Gegengewicht wird von einem Paar Riemen ausgeführt und hat keine Gegengewichte.
Bei der bevorzugten Ausführungsform werden aus dem Extrusionsprozess stammende flüchtige Substanzen aus der an die äußere Umgebung zurückzugebenden Luft entfernt, indem die Luft über Aktivkohlefilter in den Raum zurückströmen gelassen wird.
Es versteht sich, dass die voranstehende Beschreibung die Erfindung rein beispielhaft erläutert. Für den Fachmann sind verschiedene Alternativen und Modifikationen erkennbar, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. So wird zum Beispiel für den Fachmann erkennbar sein, dass, wenngleich es sich bei den Materialien, auf die im Vorstehenden Bezug genommen wurde, im Wesentlichen um thermoplastische Materialien handelt, die Erfindung auch mit anderen Materialien verwirklicht werden kann, z. B. mit flüssigen Metallen, keramischen Aufschlämmungen, Kompositen etc. Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung alle derartigen Alternativen, Modifikationen und Varianten umfassen, welche in den Bereich der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen körperlichen Gegenstandes durch sequentielle, mustermäßige Deposition mehrerer Schichten eines verfestigbaren Materials auf einem Trägerelement, wobei die Vorrichtung umfasst:

ein Düsenmittel (338) zum Bereitstellen eines extrudierten Materials;

ein Pumpmittel (330) mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Auslass in fluidischer Verbindung mit dem Düsenmittel steht und einen druckbeaufschlagten Strom des verfestigbaren Materials in einem fluiden Zustand an das Düsenmittel (338) bereitstellt;

ein mit dem Pumpmittel (330) verbundenes Antriebsmittel (336) zur Befähigung des Pumpmittels (330) zum Bereitstellen einer variablen Druckbeaufschlagungshöhe und Fließrate des verfestigbaren Materials an das Düsenmittel (338),

eine Druckbeaufschlagungsstufe mit einem mit dem Einlass des Pumpmittels (330) verbundenen Auslass (322) zur Bereitstellung des verfestigbaren Materials an den Einlass in einem fluiden Zustand und unter einem bestimmten Zwischendruck, welcher für alle funktionalen Druckbeaufschlagungshöhen und Fließraten des Pumpmittels (330) sicherstellt, dass eine kontinuierliche Menge des verfestigbaren Materials an dem Einlass zum kontinuierlichen Betrieb des Pumpmittels (330) zur Verfügung steht, so dass ein ununterbrochener Strom des verfestigbaren Materials zu dem Düsenmittel (338) und durch dieses hindurch sichergestellt ist, wobei das verfestigbare Material der Druckbeaufschlagungsstufe als Feststoff zugeführt wird, wobei die Druckbeaufschlagungsstufe umfasst:

eine Leitung (318, 210) zur Aufnahme des Feststoffs und zur Anwendung von Wärme hierauf, um den Feststoff in einen fluiden Zustand des verfestigbaren Materials zu überführen; und

ein Triebmittel (302, 206) zum körperlichen Treiben des Feststoffs in die Leitung (318, 210) hinein zwecks Druckbeaufschlagung des fluiden Zustandes des verfestigbaren Materials auf den bestimmten Zwischendruck.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das feste verfestigbare Material dem Triebmittel (302) in der Druckbeaufschlagungsstufe als eine Reihe von festen Wafern (314, 402, 408) zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jeder der Wafer (314, 402, 408) eine geformte nicht-planare Führungsoberfläche (404, 410) und eine geformte nicht-planare Folgeoberfläche (406, 412) aufweist, wobei die Führungsoberfläche (404, 410) eines Wafers (314, 402, 408) für ein Ineinandergreifen mit einer Folgeoberfläche eines nächsten Wafers (314, 402, 408) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Triebmittel (302) umfasst:

einen ersten und zweiten Riementrieb (304, 306, 308) in einander gegenüberliegender Anordnung um einen Zuführungspfad zum Aufnehmen der Wafer (314, 402, 408) zwischen Riemen (304) der Riementriebe (304, 306, 308) und zum Vermitteln einer Antriebswegung an die Wafer.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend:

ein entfernbares Kassettenmittel (504) zur Aufnahme einer Mehrzahl der Wafer (314, 402, 408, 502);

einen an das Triebmittel (302) angrenzenden Halter (508) zur Aufnahme eines Kassettenmittels (504); und

ein Mittel (510) zum Entnehmen von Einzelwafern (314, 402, 408, 502) aus dem Kassettenmittel (504) und zum Bewirken des Eintritts der Wafer (314, 402, 408, 502) in das Triebmittel (302).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei jedes Kassettenmittel (504) einen elektronisch lesbaren Datenspeicher (524) aufweist, wobei der Halter (508) ein Verbindermittel (526) zum Verbinden mit dem Datenspeicher (524) nach Einfügung einer Kassette (504) in den Halter (508) aufweist, wodurch Daten in dem Datenspeicher (524) einem externen Controller verfügbar gemacht werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Pumpmittel (330) eine Viskositätspumpe ist, welche einen mit dem Antriebsmittel (336) verbundenen rotierenden Verdränger (332) und eine den Verdränger (332) umgebende passende Hülse (334) aufweist, wobei die passende Hülse (334) mit dem Düsenmittel (338) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das feste verfestigbare Material dem Triebmittel (206) in der Druckbeaufschlagungsstufe als Filament (202) zugeführt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend:

ein entfernbares Substrat (614) zum Aufnehmen des verfestigbaren Materials von dem Düsenmittel (338, 606), wobei das entfernbare Substrat mit einem Klebstoff (616) beschichtet ist, wobei der Klebstoff (616) eine Schmelzpunkttemperatur aufweist, die niedriger ist als eine Schmelzpunkttemperatur des verfestigbaren Materials, wodurch die Deposition von verfestigbarem Material in fluidem Zustand ein Schmelzen eines darunterliegenden Bereichs der Klebstoffbeschichtung (616) verursacht und eine Härtung desselben mit Verfestigung des verfestigbaren Materials eintritt; und

eine Platte (604) zum Tragen des entfernbaren Substrats (614).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das entfernbare Substrat (614) eine Schicht eines magnetischen Materials umfasst und die Platte (604) ein Magnetmittel zum Anziehen des magnetischen Materials aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Platte (604) mindestens einen Magnetsensor (602) aufweist und das Düsenmittel (338, 606) ein magnetisches Material umfasst, wobei der Magnetsensor (602) ein Signal an einen Controller bereitstellt zwecks Kontrolle der relativen Orientierung zwischen der Platte (604) und dem Düsenmittel (338, 606).

12. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen körperlichen Gegenstandes durch sequentielle, mustermäßige Deposition mehrerer Schichten eines verfestigbaren Materials auf einem Trägerelement, wobei das Verfahren eine Vorrichtung verwendet, welche umfasst: ein Düsenmittel (338) zum Bereitstellen eines extrudierten Materials, ein Pumpmittel (330) mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Auslass in fluidischer Verbindung mit dem Düsenmittel (338) steht und einen druckbeaufschlagten Strom des verfestig baren Materials in einem fluiden Zustand an das Düsenmittel (338) bereitstellt, und ein Antriebsmittel (336) zur Befähigung des Pumpmittels (330) zum Bereitstellen einer variablen Druckbeaufschlagungshöhe und Fließrate des verfestigbaren Materials an das Düsenmittel (338), wobei das Verfahren umfasst:

Bereitstellen einer Druckbeaufschlagungsstufe (206, 210, 302, 318) mit einem mit dem Einlass des Pumpmittels (330) verbundenen Auslass (322) zur Bereitstellung des verfestigbaren Materials in einem fluiden Zustand an den Einlass;

Zuführen einer festen Form des verfestigbaren Materials (202, 402, 408) zu der Druckbeaufschlagungsstufe mit einer Rate und mit einer Größe an Kraft, durch die sichergestellt ist, dass ein bestimmter Zwischendruck in dem Druckbeaufschlagungsmittel erzeugt wird, welcher ferner sicherstellt, dass für alle funktionalen Druckbeaufschlagungshöhen und Fließraten, die durch Betrieb des Pumpmittels (330) erzeugt werden, eine kontinuierliche Menge des verfestigbaren Materials an dem Einlass zum kontinuierlichen Betrieb des Pumpmittels (330) zur Verfügung steht; und

Beeinflussen des Antriebsmittels (336), um das Pumpmittel (330) zu veranlassen, einen kontinuierlichen Strom des verfestigbaren Materials an das Düsenmittel (338) bereitzustellen, und damit einen ununterbrochenen Strom des verfestigbaren Materials durch das Düsenmittel (338) sicherzustellen.