DE69628348T2

DE69628348T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Datenveränderung und Systemsteuerung bei einer Modelliervorrichtung durch selektive Materialablagerung

Info

Publication number: DE69628348T2
Application number: DE69628348T
Authority: DE
Inventors: Jocelyn M. Frazier Park Earl; Chris R. Moorpark Manners; Thomas A. Calabasas Kerekes; Paul H. Monrovia Marygold; Jeffrey S. Simi Valley Thayer
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2016-09-28
Also published as: DE69623489T2; DE69634921T2; WO1997011835A2; KR19990063816A; EP1013407A3; DE69636237D1; EP0852535A2; CN1202131A; AU7376696A; JP3545421B2; JP2003181941A; AU7550396A; EP0852536B1; ATE328722T1; EP1262305B1; MX9802391A; EP1270184B1; WO1997011837A1; ATE240829T1; JPH11512662A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Generieren von Daten, die beschreibend sind für eine Unterstützungsstruktur in einem Rapid-Prototyping System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und für ein Rapid-Prototyping System zum Aufbauen eines dreidimensionalen Objektes auf einer Schicht-für-Schicht-Basis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Ein Verfahren und ein System dieses Typs ist zum Beispiel bekannt aus der US-A-4 999 143 oder EP-A-0 655 317.
Die Erfindung befasst sich mit Techniken zur Verwendung in Rapid-Prototyping- und Herstellungssystemen (Rapid Prototyping and Manufacturing Systems = RP&M) und insbesondere mit der Datenverarbeitung und mit Aufbausteuertechniken zur Verwendung in einem System für thermische Stereolithographie (Thermal Stereolithography = TSL), in einem System für geschmolzene Ablagerungsbildung (Fused Deposition Modeling = FDM) oder in anderen Systemen selektiver Ablagerungsbildung (Selektiv Deposition Modeling = SDM).
Hintergrundinformationen
Verschiedene Herangehensweisen an automatisierte oder halbautomatisierte Herstellungstechniken von dreidimensionalen Objekten oder an Rapid-Prototyping und Herstellung sind in den letzten Jahren zugänglich geworden, die sich dadurch auszeichnen, dass jede Herstellung derart vorgeht, dass dreidimensionale Objekte aus dreidimensionalen Computerdaten, die für die Objekte beschreibend sind, in einer additiven Weise aus einer Vielzahl von gebildeten und aneinander haftenden Schichten aufgebaut werden. Diese Schichten werden manchmal als Objektquerschnitte, Schichten der Struktur, Objektschichten, Schichten des Objektes oder einfach als Schichten bezeichnet (wenn der Zusammenhang deutlich macht, dass auf eine verfestigte Struktur geeigneter Form Bezug genommen wird). Jede Schicht repräsentiert einen Querschnitt eines dreidimensionalen Objektes. Typischerweise werden Schichten gebildet und an einem Stapel von zuvor gebildeten und aneinander haftenden Schichten angeklebt. In einigen RP&M-Technologien sind Techniken vorgeschlagen worden, die von einen strikten Schicht-für-Schicht-Aufbauprozess abweichen, wobei nur ein Bereich einer anfänglichen Schicht gebildet wird und vor dem Bilden des verbleibenden Bereichs (der Bereiche) der anfänglichen Schicht zumindest eine nachfolgende Schicht zumindest teilweise gebildet wird.
Gemäß einer derartigen Herangehensweise wird ein dreidimensionales Objekt aufgebaut, in dem aufeinanderfolgende Schichten eines nicht-verfestigten, fließfähigen Materials auf eine Arbeitsoberfläche aufgebracht werden und dann werden die Schichten selektiv einer synergistischen Stimulation in gewünschten Mustern ausgesetzt, die bewirken, dass die Schichten selektiv in Objektschichten aushärten, die an den zuvor gebildeten Objektschichten anhaften. In dieser Herangehensweise wird Material auf die Arbeitsoberfläche in beiden Gebieten aufgebracht, die die nicht Teil einer Objektschicht werden und auf Gebiete, die Teil einer Objektschicht werden. Typisch für diese Herangehensweise ist Stereolithographie (Stereolithography = SL), wie sie in dem US-Patent mit der Nr. 4,575,330 von Hull beschrieben ist. Gemäß einer Ausführungsform der Stereolithographie besteht die synergistische Stimulation in der Strahlung eines UV-Lasers und das Material ist ein Fotopolymer. Ein anderes Beispiel dieser Herangehensweise ist das selektive Lasersintern (Selective Laser Sintering = SLS), wie es in dem US-Patent mit der Nr. 4,863,538 von Deckhard beschrieben ist, indem die synergistische Stimulation die IR-Strahlung eines CO₂-Lasers ist und das Material ein sinterbares Pulver darstellt. Ein drittes Beispiel ist das dreidimensionale Drucken (Three-dimensional Printing = 3DP) und das direkte Shell-Maskengießverfahren (Direct Shell Production Casting = DSPC), wie es in den US-Patenten mit den Nr.: 5,340,656 und 5,204,055 von Sachs et al. beschrieben ist, in denen die synergistische Stimulation ein chemischer Binder ist und das Material ein Pulver darstellt, das aus Teilchen besteht, die sich über die selektive Anwendung eines chemischen Binders miteinander verbinden.
Gemäß einer zweiten derartigen Herangehensweise wird ein Objekt durch das sukzessive Schneiden von Objektquerschnitten mit gewünschten Formen und Größen aus einer Lage von Material gebildet, um eine Objektschicht zu bilden. Typischerweise werden in der Praxis die Lagen aus Papier gestapelt und an den zuvor geschnittenen Lagen angeklebt, bevor sie geschnitten werden, wobei jedoch das Schneiden vor dem Stapeln und dem Ankleben möglich ist. Typisch für diese Herangehensweise ist die laminierte Objektherstellung (Laminated Object Manufacturing = LOM), wie sie in dem US-Patent mit der Nr. 4,752,352 von Feygin beschrieben ist, in der das Material Papier ist und die Mittel zum Schneiden der Lagen in die gewünschten Formen und Größen ein CO₂-Laser darstellt. Das US-Patent 5,015,312 von Kinzie betrifft ebenfalls die LOM.
Gemäß einer dritten derartigen Herangehensweise werden Objektschichten durch selektives Ablagern eines unverfestigten, fließfähigen Materials auf einer Arbeitsoberfläche in gewünschten Mustern in Gebieten gebildet, die ein Teil einer Objektschicht werden. Nach oder während der selektiven Ablagerung wird das selektiv abgelagerte Material verfestigt, um eine nachfolgende Objektschicht zu bilden, die an den zuvor gebildeten und gestapelten Objektschichten anhaftet. Diese Schritte werden dann wiederholt, um sukzessive das Objekt Schicht-für-Schicht aufzubauen. Diese Objektbildungstechnik kann generisch als selektive Ablagerungsbildung (Selective Deposition Modeling = SDM) bezeichnet werden. Der wesentliche Unterschied zwischen dieser Herangehensweise und der ersten Herangehensweise besteht darin, dass das Material selektiv nur in jenen Gebieten abgelagert wird, die Teil einer Objektschicht werden. Typisch für diese Herangehensweise ist die geschmolzene Ablagerungsmodellierung (Fused Deposition Modeling = FDM), wie sie in den US-Patenten mit den Nr. 5,121,329 und 5,340,433 von Crump beschrieben ist, indem das Material in einem fließfähigen Zustand in eine Umgebung ausgegeben wird, die eine Temperatur unterhalb der Fließtemperatur des Materials aufweist und in der das Material dann aushärtet, nachdem ihm gestattet worden ist abzukühlen. Ein zweites Beispiel ist die Technologie, die in dem US-Patent mit der Nr. 5,260,009 von Penn beschrieben ist. Eine dritte ist die ballistische Teilchenherstellung (Ballistic Particle Manufacturing = BPM), wie sie in den US-Patenten mit den Nr. 4,665,492, 5,134,569 und 5,216,616 von Masters beschrieben ist, in denen Teilchen auf spezifische Orte gerichtet werden, um Objektquerschnitte zu bilden. Ein viertes Beispiel ist die thermische Stereolithographie (Thermal Stereolithography = TSL), wie sie in dem US-Patent mit der Nr.: 5,141,680 von Almquist et al. beschrieben ist.
Bei der Verwendung von SDM (sowie anderen RP&M-Aufbautechniken) ist die Geeignetheit von verschiedenen Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von nützlichen Objekten abhängig von einer Anzahl von Faktoren. Da diese Faktoren typischerweise nicht gleichzeitig optimiert werden können, beinhaltet eine Auswahl einer geeigneten Aufbautechnik und des damit verbundenen Verfahrens und der Vorrichtung Kompromisse in Abhängigkeit von spezifischen Erfordernissen und Umständen. Einige zu berücksichtigende Faktoren können enthalten: 1) Ausrüstungskosten, 2) Betriebskosten, 3) Herstellungsgeschwindigkeit, 4) Objektgenauigkeit, 5) Objektoberflächenverarbeitung, 6) Materialeigenschaften der gebildeten Objekte, 7) voraussichtliche Verwendung der Objekte, 8) Zugänglichkeit von Zweitprozessen zum Erhalten anderer Materialeigenschaften, 9) einfache Verwendung und Betriebszwänge, 10) erforderliche oder gewünschte Betriebsumgebung, 11) Sicherheit und 12) Zeit und Aufwand für die Nachbearbeitung.
In dieser Hinsicht hat eine langexistierende Notwendigkeit bestanden, gleichzeitig so viele dieser Parameter wie möglich zu optimieren, um effektiv dreidimensionale Objekte aufzubauen. Als ein erstes Beispiel bestand eine Notwendigkeit, die Objektherstellungsgeschwindigkeit zu verbessern und die Einrichtzeit und die Dateivorbereitungszeit zu verringern, wenn die Objekte unter Verwendung einer selektiven Ablagerungsmodellierungstechnik (SDM), wie sie oben beschrieben worden ist (z.B. thermische Stereolithographie), aufgebaut wurden, während gleichzeitig die Ausrüstungskosten beibehalten oder reduziert werden. In dieser Hinsicht bestand ein kritisches Problem der Notwendigkeit für eine effiziente Technik zum Erzeugen und Handhaben von Aufbaudaten. Ein anderes kritisches Problem beinhaltet die Notwendigkeit für eine effiziente Technik zum Erzeugen von Unterstützungsdaten, die für die Unterstützung eines Objektes während der Bildung geeignet sind. Zusätzliche Probleme beinhalten die Existenz von Steuersoftware, die geeignet ist, die großen Mengen von Daten in Echtzeit zu verarbeiten, zum Kompensieren der Fehlausgaben oder Fehlfunktionen der Düsen, zum Einstellen der Daten, so dass sie in der benötigten Reihenfolge zugänglich sind, und für das effiziente Bereitstellen für geometrieempfindliche Aufbaustile und Ablagerungstechniken. Geeignete Aufbaustile und Unterstützungsstrukturen zur Verwendung in SDM, für die eine Datenerzeugungstechnik benötigt wird, sind in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/534,813 beschrieben. Eine Kopie dieser US-Anmeldung ist in der Akte der vorliegenden Anmeldung als Prioritätsdokument dafür vorhanden.
Demgemäß besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um Daten zu berechnen und ein SDM-System zu steuern, um die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 431 924 und die veröffentlichte PCT-Anmeldung WO 94/19112 offenbart ein Verfahren zum Aufbauen eines Objektes Schicht-für-Schicht, in dem jede Schicht dadurch gebildet wird, dass Material in Übereinstimmung mit Daten ausgegeben wird, die einen Querschnitt des Objektes repräsentieren. In den gerade erwähnten Beschreibungen wird jede Schicht durch eine nicht-selektive Ablagerung einer Pulverschicht und dann das Ausgeben eines Binders in Übereinstimmung mit Daten, die einen Querschnitt des Objektes repräsentieren, gebildet.
Vorschläge für das selektive Ausgeben des Materials, aus dem das Objekt gebildet werden soll, sind in den oben erwähnten US-Patenten 5,121,329 (FDM) und 5,141,680 (TSL) offenbart.
In der EP-A-0 431 924 und der WO 94/19112 wird der Binder ausgegeben, indem Tintenstrahldrucktechniken verwendet werden, wobei ein Druckkopf in einer gegebenen Richtung abtastet, so dass die ausgebenden Düsen gleichzeitig parallele Abtastlinien durchfahren. Die EP-A-0 431 924 offenbart das An- und Abschalten einer ausgebenden Düse in Übereinstimmung mit Daten, die die Länge von einem definierten Anfangspunkt eines Segmentes in einer Abtastlinie definieren. Eine Abtastlinie kann mehr als ein Segment aufweisen. Alle Anfangspunkte sind mit Bezugnahme auf einen Referenzrichtwert spezifiziert und die Ausgabelängen werden von den Startpunkten gemessen. Die WO 94/19112 betrifft eine Verbesserung, die ein Verschachtelungsverfahren beinhaltet.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Erzeugen von Unterstützungsdaten für Bereiche eines aufzubauenden Objektes, die anderenfalls nicht unterstützt werden würden durch darunter liegendes Material, wenn das Ausbauen auf einer Schichtfür-Schicht-Basis fortschreitet. Dieses Problem wird in dem US-Patent mit der Nr. 4,999,143 und der EP-A-338, 751 angesprochen. Beide Dokumente betreffen die Erzeugung von Unterstützungen im Speziellen beim Aufbauen der Objekte durch Stereolithographie. Die WO 92/08200 beschreibt Techniken zum Schneiden von Daten, die ein dreidimensionales Objekt repräsentieren, um Daten bereitzustellen, die die zu bildenden Schichten repräsentieren und um unter anderem Repräsentationen von Schichtgrenzen zu berechnen, die abwärtszeigende Grenzen beinhalten.
Gemäß eines Aspektes der Erfindung wird das obige Ziel durch ein Verfahren erreicht, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird das obige Ziel durch ein Rapid-Prototyping System erzielt, wie es in Anspruch 16 definiert ist.
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Es ist ein bevorzugtes Merkmal des Verfahrens der Erfindung und der Steuerung des Mikroprozessors des Rapid-Prototyping Systems der Erfindung, dass die jeweils im Schritt a) des Anspruchs 1 und des Anspruchs 16 bestimmten Objektdaten (A) die Gesamtdaten darstellen, die durch die logische Vereinigung der entsprechenden Regionen aller Schichten oberhalb einer gegebenen Schicht erhalten werden.
Andere bevorzugte Merkmale des Verfahrens der Erfindung sind in den Ansprüche 3 bis 5 dargestellt und die des Rapid-Prototyping Systems der Erfindung in den Ansprüchen 18 bis 23.
Die Erfindung und ihre Ausübung wird insbesondere unter Bezugnahme auf ein System des selektiven Ablagerungsmodellierens (SDM) beschrieben, das ein Aufbaumittel in der Form eines ausgebenden Kopfes mit einer Mehrzahl von Öffnung zum selektiven Ausgeben des Materials umfasst. Im Speziellen ist der ausgebende Kopf ein Druckkopftyp des Gerätes.
Angefügte Anhänge und in Beziehung stehende Patente und Anmeldungen
Der Anhang umfasst eine Kopie der Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen (die Ansprüche wurden weggelassen) der ebenfalls anhängigen europäischen Patentanmeldung 96 937 643.3, die als die WO 97/11837 (EP-A-0 852 536) veröffentlicht worden ist; d.h. der Anhang entspricht den Seiten 1 bis 39 und den 1 – 32d (den Blättern 1 bis 35) der WO 97/11837. Die WO 97/11837 ist äquivalent zu der Continuation in Part-Anmeldung 08/722,335 (die jetzt fallen gelassen worden ist) die am 27. September 1996 eingereicht worden ist. Die Anmeldung 08/722,335 wurde zu Gunsten einer Continuation-Anmeldung 09/353,581 fallen gelassen, die in dem US-Patent 6,193,923 aufgegangen ist, und die Anmeldung 08/722,335 war eine Contination in Part der US-Anmeldung 08/534,813 (die jetzt fallen gelassen wurde), die eine der US-Anmeldungen ist, von denen die vorliegende Erfindung und die ebenfalls anhängige Erfindung 969 37 643.3 die Priorität beansprucht; die andere Prioritätsanmeldung ist die US-Anmeldung 08/534,447 (die jetzt fallen gelassen wurde). Eine Kopie beider US-Anmeldungen 08/534,447 und 08/534,813 wurde eingereicht, um den Prioritätsanspruch der PCT-Anmeldung PCT/US 96/15517 zu unterstützen, von der die vorliegende Anmeldung abgeleitet worden ist.
Zusätzlich wird unten Bezug genommen auf die US-Anmeldungen mit den Serien-Nr.: 08/535,722 und 08/533,477 (die beide jetzt fallen gelassen worden sind), die an dem gleichen Datum eingereicht worden sind, nämlich dem 27. September 1995, und die sich jeweils auf ein Verfahren und System zur selektiven Ablagerungsbildung beziehen.
Gemäß der thermischen Stereolithographie und einigen Techniken zur geschmolzenen Ablagerungsbildung wird ein dreidimensionales Objekt Schicht-für-Schicht aus einem Material aufgebaut, das erwärmt wird, bis es fließfähig ist, und welches dann ausgegeben wird mit einem Ausgabegerät. Das Material kann als ein halbkontinuierlicher Fluss des Materials von dem Ausgabegerät ausgegeben werden oder es kann alternativ als einzelne Tropfen ausgegeben werden. In dem Fall, in dem das Material als ein halbkontinuierlicher Fluss ausgegeben wird, ist es denkbar, dass weniger strikte Kriterien für die Arbeitsoberfläche akzeptabel sein können. Eine frühere Ausführungsform der thermischen Stereolithographie ist in dem US-Patent mit der Nr.: 5,141,680 beschrieben, das hiermit durch Referenz aufge nommen ist. Die thermische Stereolithographie ist aufgrund ihrer Fähigkeit, nicht reaktive, nicht giftige Materialien zu verwenden, besonders zur Verwendung in einer Büroumgebung geeignet. Weiterhin muss der Vorgang des Bildens von Objekten unter Verwendung dieser Materialien nicht die Verwendung von Strahlungen (z.B. UV-Strahlung, IR-Strahlung, sichtbares Licht und/oder Laserstrahlung), das Erhitzen von Materialien auf feuergefährliche Temperaturen (z.B. das Abbrennen von Material entlang von Querschnittsgrenzen, wie in einigen LOM-Techniken), die Verwendung von reaktiven Chemikalien (z.B. Monomeren, Fotopolymeren) oder toxischen Chemikalien (z.B. Lösungsmittel), von komplizierten Schneidmaschinen und dergleichen berücksichtigen, die geräuschvoll sein können oder signifikante Risiken darstellen, wenn sie falsch verwendet werden. Stattdessen wird die Objektbildung durch das Aufheizen des Materials auf eine fließfähige Temperatur und dann das selektive Ausgeben des Materials und das Gestatten, dass es abkühlt, erzielt.
Die US-Patentanmeldung mit der Nr.: 08/534,813 beschreibt Aufbau- und Unterstützungsstile und -Strukturen, die in einem bevorzugten System zur selektiven Ablagerungsbildung (SDM) basierend auf TSL-Prinzipien verwendet werden können. Alternative Aufbau- und Unterstützungsstile und -Strukturen sind ebenfalls zur Verwendung in anderen SDM-Systemen sowie zur Verwendung in anderen RP&M-Systemen beschrieben.
Die US-Patentanmeldung mit der Nr.: 08/535,772 ist auf ein bevorzugtes Material gerichtet, dass durch das bevorzugte SDM/TSL-System benutzt wird, dass hiernach beschrieben wird. Einige alternative Materialien und Verfahren sind ebenfalls beschrieben.
Die US-Patentanmeldung mit der Nr.: 08/534,447 offenbart Techniken zur Datentransformation zur Verwendung beim Konvertieren von 3-D-Objektdaten in Unterstützungs- und Objektdaten zur Verwendung in einem bevorzugten System zur selektiven Ablagerungsbildung (SDM) basierend auf TSL-Prinzipien (thermische Stereolithographie).
Es sind ebenfalls verschiedene Datenverarbeitungstechniken, Datensteuertechniken und Systemsteuertechniken zum Steuern des bevorzugten SDM/TSL-Systems beschrieben, auf die hiernach eingegangen wird. Alternative Datenverarbeitungstechniken und Steuertechniken sind ebenfalls zur Verwendung in SDM-Systemen sowie zur Verwendung in anderen RP&M-Systemen beschrieben.
Obwohl primär auf SDM-Techniken gerichtet, können die hierin beschriebenen Techniken in einer Vielzahl von Wegen auf die anderen RP&M-Technologien angewandt werden, wie sie oben beschrieben sind, um den Systemdurchsatz zu steigern durch das Bereitstellen verbesserter Datenverarbeitungstechniken und Datenerzeugungstechniken. Weiterhin können die hierin beschriebenen Techniken angewandt werden auf SDM-Systeme, die ein oder mehrere Aufbau- und/oder Unterstützungsmaterialien verwenden, wobei eins oder mehrere der Materialien selektiv ausgegeben werden, wobei andere nicht-selektiv ausgegeben werden können und wobei erhöhte Temperaturen verwendet oder nicht verwendet werden können für alle oder Teile des Materials, um bei seiner selektiven Ablagerung zu helfen.
Die Techniken können angewandt werden auf SDM-Systeme, wobei das Aufbaumaterial (z.B. Farbe oder Tinte) zu Ausgabezwecken fließfähig gemacht wird durch das Hinzugeben eines Lösungsmittels (z.B. Wasser, Alkohol, Acetone, Farbverdünner oder andere Lösungsmittel, die für spezifische Aufbaumaterialien geeignet sind), wobei das Material nach dem Ausgeben verfestigt werden kann, indem das Entfernen des Lösungsmittels bewirkt wird (z.B. durch Erhitzen des ausgegebenen Materials, durch Ausgeben des Materials in eine teilweise evakuierte (d.h. Vakuum) Aufbaukammer oder durch einfaches Gestatten einer ausreichenden Zeit, damit das Lösungsmittel verdampft). Alternativ und/oder zusätzlich kann das Aufbaumaterial (z.B. Farbe) in seiner Natur thixotrop sein, wobei eine Steigerung in den Scherkräften auf das Material verwendet werden könnte, um sein Ausgeben zu unterstützen oder die thixotrope Eigenschaft kann einfach verwendet werden, um das Material in seiner Form zu halten, nachdem es ausgegeben worden ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Material in seiner Natur reaktiv sein (z.B. ein Fotopolymer, ein thermisches Polymer, ein Ein- oder Zweikomponenten-Epoxymaterial, ein Kombinationsmaterial, wie beispielsweise eins der zuvor erwähnten Materialien in einer Kombination mit einem Wachs oder einem thermoplastischen Material) oder es kann zumindest verfestigbar sein, wenn es mit einem anderen Material kombiniert wird (z.B. Gips und Wasser), wobei das Material nach dem Ausgeben durch geeignete Anwendung der vorgeschriebenen Stimulation reagiert wird (z.B. Wärme, elektromagnetische Strahlung (sichtbares, IR-, UV-Licht, Röntgenstrahlen, etc.), eine reaktive Chemikalie, die zweite Komponente eines zwei Komponenten-Epoxy, der zweite oder vielfache Teil einer Kombination davon), wobei das Aufbaumaterial und/oder Kombination des Materials verfestigt werden. Natürlich können Materialien der thermischen Stereolithographie und Ausgabetechniken allein oder in Kombination mit den obigen Alternativen verwendet werden. Weiterhin können verschiedene Ausgabetechniken verwendet werden, wie beispielsweise das Ausgeben durch einzelne oder Mehrfachtintendüsengeräte umfassend heiß-schmelzende Tintendüsen, Bubble-Jet-Düsen, etc., und einen kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Fluss, Extrusionsdüsen mit einfachen oder mehrfachen Öffnungen oder Köpfe davon.
Es werden hiernach nun Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden, die sich mit dem Verwirklichen folgender Ziele befassen: Umwandeln dreidimensionaler Objektdaten in Querschnittsdaten und die Herstellung von Objekten aus dieser Datenumwandlung; das Erhalten von Unterstützungsdaten von dreidimensionalen Objektdaten und das Herstellen von Objekten unter Verwendung der Unterstützungsdaten während der Objektbildung.
Die Erfindung und ihre bevorzugte Ausübung wird weiter unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Kurze Beschreibung der Zeichnungen (Blätter 1/62 – 35/62)
1 ist ein Diagramm eines bevorzugtem Systems thermischer Stereolithographie
2a und 2b illustrieren die Öffnungsplatte des Druckkopfes der 1 in zwei verschiedenen Winkeln;
3 ist eine detailliertere Zeichnung des Ebners bzw. Glätters der 1;
4 illustriert die relative Beabstandung zwischen angrenzenden Düsen auf der Öffnungsplatte und angrenzenden Rasterlinien;
5 illustriert das Gitter der Pixel, das die Datenauflösung des Systems definieren;
6a – 6d illustrieren verschiedene Überdruckungsmethoden;
7 illustriert eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8a – 8b illustriert das Kreuzen einer STL-Datei mit Schnittebenen;
9 illustriert den Effekt der booleschen Extraktionsoperation;
10 illustriert eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11a illustriert das Ordnen von Dreiecken in der Z-Richtung;
11b – 11c illustrieren die Auswahl der aktiven Dreiecke;
12a, 12b und 12c illustrieren wechselnde Formen des Repräsentierens von Querschnittsdaten;
13a, 13b und 13c illustrieren die Platzierung von Übergangsdaten in eine Liste in Verbindung mit unterschiedlichen Abtastlinien;
14 – 15 illustrieren in größerem Detail die boolesche Extraktionsoperation;
16 – 17 illustrieren die logischen bzw. booleschen Operationen der Addition, Subtraktion und Kreuzung;
18 – 21 illustrieren einen Zweistufenprozess zum Erzeugen von Unterstützungen unter Verwendung von Zwischenschichten;
22 illustriert einen Dreistufenvorgang zum Erzeugen von Unterstützungen;
23 – 26 illustrieren ein Verfahren zum Speichern von Start/Stop-Daten in zusammenhängenden Wörtern;
27a – 27b, 28a – 28b, 29a – 29b und 30a – 30b illustrieren ein Verfahren zum Zuordnen von Speicher zu Datenlisten, die die Start/Stop-Übergänge repräsentieren;
31 illustriert die Eigenschaft, in der aufeinanderfolgende Abtastlinien durch ähnliche Übergangsnummern repräsentiert werden;
32 illustriert den Quantisierungsfehler, der durch die Umwandlung der Start/Stop-Daten in Pixel eingeführt wird;
33 illustriert die Umwandlung der .RLE-Daten in Umwandlungsdaten;
34a – 34c illustriert Daten zur Verwendung beim Aufbauen von Unterstützungen;
35a illustriert eine Annahme über die Neigung des Teils, die in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemacht wird;
36a – 36c illustrieren einen Ringpuffer, der in der vorliegenden Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
37 illustriert eine Mischunterstützungsstruktur;
38a – 38b illustrieren zwei Beispiele von Stiltypen;
39a, 39b und 39c illustrieren das Zusammentreffen von Teilen und Unterstützungen, das manchmal stattfindet;
40a – 40c repräsentieren ein Beispiel dafür, wie Stildateien genutzt werden;
41a – 41f repräsentieren zusätzliche Stiltypen;
42a – 42e illustrieren das Abschrägen;
43 illustriert die vorgeschriebene Sequenz der Kodierungslinien;
44 illustriert ein Auflösungsproblem, das durch nur einen Ausgabe/Abfeuerzähler auftreten kann; und
45a – 45b illustrieren einen Algorithmus zum Steigern der Auflösung in der Abtastrichtung durch die Verwendung von zwei Zählern;
46a stellt eine Seitenansicht eines Objektes dar, dass eine Lücke zusammen mit hypothetischen Niveaus und Regionen enthält, auf der die Bildung von unterschiedlichen Unterstützungsstrukturen basiert werden kann;
46b stellt eine Seitenansicht des Objektes der 46a dar, wobei die Lücke mit verschiedenen Typen von Unterstützungsstrukturen gefüllt ist;
47 stellt das konzeptionelle Format einer .RLE-Datei dar.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Praxis der vorliegenden Erfindung wird in Bezug auf Datenverarbeitungstechniken und Systemsteuertechniken zum Implementieren von Aufbautechniken und Unterstützungstechniken beschrieben werden, die für die Nutzung in einem System für selektive Ablagerungsbildung (Selective Deposition Modeling = SDM) geeignet sind. Insbesondere ist das bevorzugte SDM-System ein System für thermische Stereolithographie (Thermal Stereolithography = TSL). Die detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mit einer Beschreibung des bevorzugten TSL-Systems beginnen, wobei Details der Ausführungsform je nach Eignung diskutiert werden. Eine detailliertere Beschreibung der bevorzugten Aufbau- und Unterstützungstechniken, der bevorzugten Materialzusammensetzungen und -eigenschaften des bevorzugten Systems und verschiedener Alternativen sind in den oben erwähnten US-Patentanmeldungen mit den Nummern 08/534,447; 08/535,772 und 08/534,477 beschrieben. Weitere alternative Systeme sind in einer Anzahl von zuvor eingearbeiteten Anmeldungen und Patenten diskutiert, insbesondere denen, die als in direkter Beziehung stehend zu oder angewandt auf die selektive Ablagerungsbildung, die thermische Stereolithographie oder die Schmelzablagerungsbildung genannt sind. Aus diesem Grund sollten die Datenverarbeitungstechniken und Systemsteuertechniken hiernach als anwendbar auf eine Mehrzahl von SDM-, TSL- und FDM-Systemen ausgelegt werden und nicht ungeeignet begrenzt werden durch die Beispiele, die hierin beschrieben sind.
Eine bevorzugte Vorrichtung zum Ausführen von SDM/TSL ist in 1 illustriert. Die Vorrichtung umfasst eine Ausgabeplattform 18, auf der der Ausgabekopf 9 (z.B. ein Kopf mit Mehrfachöffnungen für Tintendüsen) und der Ebener bzw. Glätter 11 angeordnet sind. Die Ausgabeplattform ist gleitend durch das Glied 13 mit der Querbühne 12 verbunden. Die Querbühne 12 bewegt gesteuert die Ausgabeplattform 18 zurück und vorwärts in der X-Richtung, die ebenfalls als Hauptabtastrichtung bekannt ist. Die Bewegung der Querbühne steht unter der Steuerung eines Steuercomputers oder eines Mikroprozessors (nicht gezeigt). Weiterhin sind an beiden Seiten der Plattform 18 und/oder zwischen dem Ebener 11 und dem Ausgabekopf 9 Ventilatoren (nicht gezeigt) zum vertikalen Abwärtsblasen von Luft befestigt, um beim Abkühlen des ausgegebenen Materials und des Substrates derart zu unterstützen, dass die gewünschte Aufbautemperatur aufrecht erhalten wird. Natürlich sind andere Befestigungsmethoden für die Ventilatoren und/oder andere Kühlungssysteme möglich umfassend die Verwendung von Nebelgeräten, um verdampfbare Flüssigkeiten (z.B. Wasser, Alkohol oder Lösungsmittel) auf die Oberfläche des Objektes zu richten. Kühlsysteme können aktive oder passive Techniken zum Entfernen von Wärme beinhalten und sie können computergesteuert sein in Kombination mit temperaturwahrnehmenden Geräten, um das ausgegebene Material in dem gewünschten Bereich der Aufbautemperatur zu halten.
Der Ausgabekopf (oder Druckkopf) 9 ist ein kommerzieller Druckkopf, der zum Ausspritzen von heißschmelzenden Tinten (z.B. thermischen Kunststoffen oder wachsähnlichen Materialien) konfiguriert ist und der zur Verwendung in einem System in einem dreidimensionalen Aufbauen modifiziert ist, wobei der Druckkopf Rückwärts- und Vorwärtsbewegungen und Beschleunigungen erfährt. Die Druckkopfmodifikationen beinhalten das Konfigurieren eines Reservoir an Bord, so dass die Beschleunigungen in einer minimalen Fehlplatzierung des Materials in dem Reservoir resultieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kopf ein kommerzieller Druckkopf mit 96 Düsen, das Model mit der Nummer HDS 96i, dass durch die Spectra Corporation aus Nashua in Hew Hampshire verkauft wird, und Reservoir-Modifikationen umfasst. Der Druckkopf 9 liefert Material in einem fließfähigen Zustand aus einem Subsystem für Materialverpackung und Materialhandhabung (nicht gezeigt). Das Subsystem für Materialverpackung und Materialhandhabung ist in der zuvor referenzierten US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/534,477 beschrieben. In einer bevorzugten Implementierung sind alle 96 Düsen an dem Kopf computergesteuert, um selektiv Tropfen durch die Öffnungsplatte 10 abzufeuern bzw. auszugeben, wenn jede Öffnung (d.h. Düse) geeignet positioniert ist, um Tropfen auf die gewünschten Orte auszugeben. In der Praxis werden bevorzugt ungefähr 12.000 – 16.000 Befehle pro Sekunde an jede Düse gesandt, um jede selektiv zum Feuern (Ausgeben eines Tropfens) oder zum Nichtfeuern (Nichtausgehen eines Tropfens) in Abhängigkeit von der Düsenposition und dem gewünschten Orten zur Materialablagerung aufzufordern. In der Praxis ebenfalls bevorzugt werden Feuerbefehle gleichzeitig an alle Düsen gesandt. Daher ist in der bevorzugten Ausführungsform der Kopf computergesteuert, um selektiv die Düsen abzufeuern, um gleichzeitig Tropfen des geschmolzenen Materials durch eine oder mehrere Öffnungen in der Öffnungsplatte 10 auszugeben. Man wird natürlich erkennen, dass in alternativen Ausführungsformen Köpfe mit einer anderen Anzahl von Düsen verwendet werden können, dass unterschiedliche Feuerfrequenzen möglich sind und das unter geeigneten Umständen nicht gleichzeitiges Abfeuern der Düsen möglich ist.
Die Öffnungsplatte 10 ist an der Ausgabeplattform 18 derart befestigt, dass es dem Material trotzdem gestattet ist, von der Unterseite der Ausgabeplattform auszutreten. Die Öffnungsplatte 10 ist in den 2a und b dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform und wie in der 2a dargestellt, ist die Öffnungsplatte (d.h. die Reihe der Öffnungen) ungefähr rechtwinklig zu der Hauptabtastrichtung (z.B. der X-Richtung) befestigt und die Öffnungsplatte ist mit N = 96 individuell steuerbaren Öffnungen (bezeichnet mit 10 (1), 10 (2), 10 (3)... 10 (96)) konfiguriert. Jedes Ausgabegerät (z.B. Düse) ist mit einem piezoelektrischen Element ausgerüstet, das eine Druckwelle bewirkt, die sich durch das Material bewegt, wenn ein elektrischer Feuerimpuls auf das Element angewandt wird. Die Druckwelle bewirkt, dass ein Tropfen des Materials aus der Öffnung ausgegeben wird. Die 96 Ausgabegeräte werden durch einen Computer gesteuert, der die Rate und die zeitliche Abstimmung der Feuerimpulse angewandt auf die einzelne Düse und daher auf die Rate und die zeitliche Abstimmung der Tropfen, die von den Öffnungen ausgegeben werden, steuert. Unter Bezugnahme auf 2a ist die Entfernung "d" zwischen den Öffnungen in einer bevorzugten Ausführungsform ungefähr 8/300 Inch (ungefähr 26,67 mils oder 0,677 mm). Daher ist mit 96 Öffnungen die effektive Länge "D" der Öffnungsplatte ungefähr (N × 8/300 Inch) _ (96 × 8/300 Inch) = 2,56 Inch (65,02 mm). Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet Rasterabtasten, um den Druckkopf und die Öffnungen zu positionieren, um das Material an den gewünschten Tropforten auszugeben. Der Druckprozess für jede Schicht wird durch eine Reihe von relativen Bewegungen zwischen dem Kopf und den gewünschten Tropforten verwirklicht. Das Drucken findet typischerweise statt, wenn sich der Kopf relativ in der Hauptabtastrichtung bewegt. Dies ist typischerweise gefolgt durch einen kleineren Schritt der Bewegung in einer zweiten Abtastrichtung, während kein Ausgeben stattfindet, was umgekehrt durch ein entgegengesetztes Abtasten in der Hauptabtastrichtung gefolgt ist, in der wieder ein Ausgeben stattfindet. Der Vorgang der alternierenden Hauptabtastungen und der zweiten Abtastungen findet wiederholt statt, bis die Schicht vollständig abgelagert ist. Alternative Ausführungsformen können kleine zweite Abtastbewegungen ausführen, während das Hauptabtasten stattfindet. Aufgrund des typischerweise großen Unterschiedes in der Nettoabtastgeschwindigkeit entlang der Haupt- und der zweiten Richtung resultieren derartige Alternative noch in einer Ablagerung annähernd rechtwinklig zu den Hauptabtastlinien (d.h. die Hauptabtastrichtung und die zweite Abtastrichtung bleiben im Wesentlichen rechtwinklig). Andere alternative Ausführungsformen können Techniken zur Vektorabtastung oder eine Kombination von Vektorabtastung und Rasterabtastung verwenden. Andere alternative Ausführungsformen können im Wesentlichen nicht-rechtwinklige Haupt- und zweite Abtastrichtungen zusammen mit Algorithmen verwenden, die in einer geeigneten Platzierung der Tropfen resultieren.
In alternativen Ausführungsformen kann der Druckkopf in einem nicht-rechtwinkligen Winkel zu der Hauptabtastrichtung befestigt sein. Diese Situation ist in 2b dargestellt, wobei der Druckkopf in einem Winkel „a" zu der Hauptabtastrichtung befestigt ist. In dieser alternativen Situation wird die Trennung zwischen den Öffnungen von d auf d' = (d sin α) reduziert und die effektive Länge des Druckkopfes wird auf D' = (D sin α) verringert. Wenn die Beabstandung d' gleich der gewünschten Druckauflösung in der zweiten Abtastrichtung (die Richtung ungefähr rechtwinklig zu der Hauptabtastrichtung) ist, wird der Winkel α als der „Säbelwinkel" angesehen.
Wenn die Beabstandung d (wie wenn eine bevorzugte Ausführungsform verwendet wird) oder d' (wie wenn einige bevorzugte alternative Ausführungsformen verwendet werden) nicht der gewünschten zweiten Druckauflösung entspricht (d.h. der Druckkopf befindet sich nicht in dem Säbelwinkel), dann muss die gewünschte Auflösung für eine optimale Effizienz im Drucken einer Schicht derart ausgewählt werden, dass d oder d' zu einem ganzzahligen Vielfachen der gewünschten Auflösung gemacht werden. In ähnlicher Weise existiert, wenn mit α ≠ 90° gedruckt wird, eine Beabstandung zwischen angrenzenden Düsen in der Hauptabtastrichtung sowie in der zweiten Abtastrichtung. Diese Beabstandung ist durch d" = d cos α definiert. Diese Beabstandung in der Hauptabtastrichtung d" diktiert umgekehrt, dass eine Optimierung der Druckeffizienz stattfinden wird, wenn die gewünschte Hauptdruckauflösung ausgewählt wird als ein ganzzahliges Vielfaches von d" (angenommen, dass die Abfeuerorte in einem rechteckigen Gitter angeordnet sind). Dies kann alternativ in Worte gefasst werden, indem man sagt, dass der Winkel α derart ausgewählt ist, dass d' und/oder d" (bevorzugt beide), wenn sie durch geeignete ganze Zahlen M und P geteilt werden, die gewünschte Auflösung in der Hauptabtastung und der zweiten Abtastung erzeugen. Ein Vorteil des Verwendens der bevorzugten Druckkopforientierung (α = 90°) besteht darin, dass sie jede gewünschte Druckauflösung in der Hauptabtastrichtung gestattet, während noch die optimale Effizienz aufrecht erhalten wird.
In anderen alternativen Ausführungsformen können mehrere Köpfe verwendet werden, die Ende an Ende (sich in der zweiten Abtastrichtung erstreckend) angeordnet sind und/oder die Rücken an Rücken gestapelt sind (gestapelt in der Hauptabtastrichtung). Die Druckköpfe können, wenn sie Rücken an Rücken gestapelt sind, in der Hauptabtastrichtung ausgerichtete Öffnungen aufweisen, so dass sie über den gleichen Linien drucken oder sie können alternativ voneinander versetzt sein, so dass sie Material entlang unterschiedlicher Hauptabtastlinien ausgeben. Insbesondere kann es wünschenswert sein, Rücken-an-Rücken-Druckköpfe zu haben, die voneinander in der zweiten Abtastrichtung um die gewünschte Beabstandung der Abtastlinien versetzt sind, um die Anzahl der Hauptabtastdurchläufe zu minimieren, die stattfinden müssen. In anderen alternativen Ausführungsformen können die Daten, die Ablagerungsorte definieren, nicht durch Pixel lokalisiert sein, die ein rechteckiges Gitter definieren, aber sie können stattdessen durch Pixel lokalisiert sein, die in einem anderen Muster angeordnet sind (z.B. versetztes oder gestaffeltes Muster). Spezieller können die Ablagerungsorte vollständig oder teilweise von Schicht zu Schicht variiert werden, um ein teilweises Versetzen der Pixeltropforte für eine gesamte Schicht oder für einen Bereich einer Schicht basierend auf den Einzelheiten einer zu spritzenden Region auszuführen.
Derzeit bevorzugte Drucktechniken beinhalten die Ablagerung von 300, 600 und 1200 Tropfen pro Inch in der Hauptabtastrichtung und von 300 Tropfen pro Inch in der zweiten Abtastrichtung.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 3 ist der Ebner bzw. Glätter 11 ein erhitzter rotierender Zylinder 18a mit einer texturierten Oberfläche (z.B. gerändelt). Seine Funktion besteht im Schmelzen, Übertragen und Entfernen von Abschnitten der zuvor ausgegebenen Schicht des Materials, um sie auszuglätten, um eine gewünschte Dicke der zuletzt gebildeten Schicht festzusetzen und um die obere Nettooberfläche der zuletzt gebildeten Schicht auf ein geeignetes Niveau zu setzen (d.h. die gewünschte Arbeitsoberfläche oder das Arbeitsniveau zum Bilden einer nächsten Schicht des Objektes). Das Bezugszeichen 19 identifiziert eine Schicht des Materials, die gerade durch den Druckkopf abgelagert worden ist. Der rotierende Zylinder 18a ist an der Ausgabeplattform derart befestigt, dass es ihm gestattet ist, von der Unterseite der Plattform um einen ausreichenden Betrag in der Z-Richtung derart vorzustehen, dass er das Material 19 an einem gewünschten Niveau unterhalb der Öffnungsplatte kontaktiert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieser Betrag in einem Bereich von 0,5 mm bis 1,0 mm gesetzt. Die Rotation des Zylinders 18a kehrt Material von der gerade abgelagerten Schicht ab bzw. entfernt Material von der gerade abgelagerten Schicht, die in der Figur mit dem Bezugszeichen 21 identifiziert ist, und hinterlässt in seinem „Kielwasser" (hinter sich) eine glatte Oberfläche 20. Das Material 21 haftet an der gerändelten Oberfläche des Zylinders und es wird versetzt, bis es den Abstreifer 22 berührt. Wie gezeigt, ist der Abstreifer 22 angeordnet, um effektiv das Material 21 von der Oberfläche des Zylinders „abzukratzen". Dieses Material, weil es noch fließfähig ist, wird dann durch das Subsystem zur Materialverpackung und -handhabung (nicht gezeigt) aufgenommen, das in der US-Patentanmeldung mit der Nummer 08/534,477 beschrieben ist, wo es entweder abgeführt oder recycelt wird.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ebenfalls eine Teilaufbauplattform 15 bereitgestellt. Auf dieser Plattform 15 wird das dreidimensionale Objekt oder das Teil aufgebaut, das in der Figur mit dem Bezugszeichen 14 identifiziert ist. Diese Plattform 15 ist gleitend an die Y-Bühne 16a und 16b gekoppelt, die gesteuert die Plattform 15 rückwärts und vorwärts in der Y-Richtung (d.h. der Indexrichtung oder der zweiten Abtastrichtung) unter Computersteuerung bewegt. Die Plattform ist ebenfalls mit der Z-Bühne 17 verbunden, die die Plattform gesteuert aufwärts und abwärts (typischerweise Schritt für Schritt abwärts während des Aufbauprozesses) in der Z-Richtung unter Computersteuerung bewegt.
Um einen Querschnitt eines Teils aufzubauen, wird die Z-Bühne ausgerichtet, um die Teilaufbauplattform 15 relativ zu dem Druckkopf 9 derart zu bewegen, dass der zuletzt aufgebaute (d.h. der ausgegebene und möglicherweise geebnete) Querschnitt des Teils 14 einen geeigneten Betrag unterhalb der Öffnungsplatte 10 des Druckkopfes angeordnet ist. Es wird dann bewirkt, dass der Druckkopf in Kombination mit der Y-Bühne ein oder mehrere Male über die XY-Aufbauregion fährt (der Druckkopf fährt zurück und vorwärts in der X-Richtung, während die Y-Bühne das teilweise gebildete Objekt in der Y-Richtung geradlinig bewegt). Die Kombination der zuletzt gebildeten Schicht des Objektes und jeglicher Unterstützungen in Verbindung damit definieren die Arbeitsoberfläche zur Ablagerung der nächsten Schicht und irgendwelche Unterstützungen in Verbindung damit. Während der Translation in den XY-Richtungen werden die Düsen des Druckkopfes in einer registrierten Weise mit den zuvor ausgegebenen Schichten abgefeuert, um Material in einem gewünschten Muster und in einer gewünschten Sequenz für das Bilden der nächsten Schicht des Objektes abzulagern. Während des Ausgabeprozesses wird ein Teil des ausgegebenen Materials durch den Ebner bzw. Glätter in der oben diskutierten Weise entfernt. Die X-, Y- und Z-Bewegungen, das Ausgeben und das Ebnen werden wiederholt, um das Objekt aus einer Mehrzahl von einzeln ausgegebenen und aneinander haftenden Schichten aufzubauen. In einer alternativen Ausführungsform könnte der Schritt des Ebnens unabhängig von den Ausgabeschritten ausgeführt werden. In anderen alternativen Ausführungsformen kann der Ebner nicht auf allen Schichten genutzt werden, er kann aber stattdessen auf ausgewählten oder periodischen Schichten verwendet werden.
Wie zuvor in einer bevorzugten Ausführungsform bemerkt, wird der Druckkopf ausgerichtet, um ein Rastermuster abzufahren. Ein Beispiel davon ist in der 4 dargestellt. Wie gezeigt besteht das Rastermuster aus einer Reihe von Rasterlinien, R(1), R(2),..., R(N), die entlang der X-Richtung oder der Hauptabtastrichtung verlaufen und entlang der Y-Richtung gruppiert sind (d.h. der Indexrichtung oder zweiten Abtastrichtung). Die Rasterlinien sind voneinander durch eine Entfernung d_r beabstandet, die in einer bevorzugten Ausführungsform 1/300 Inch (ungefähr 3,3 mils oder ungefähr 83,8 μm) ist. Da die Öffnungen des Druckkopfes durch die Entfernung d beabstandet sind, die, wie diskutiert, ungefähr 26,67 mils (0,6774 mm) ist und weil sich die gewünschte Anzahl der Abtastlinien in der Indizierungsrichtung um eine Entfernung größer als die Länge der Öffnungsplatte erstrecken kann, ungefähr 2,56 Inch (65,02 mm), muss der Druckkopf die gesamte Arbeitsoberfläche durch mehrfache Durchläufe abtasten, um alle gewünschten Abtastlinien abzufahren.
Dies wird verwirklicht, indem man einem Zwei-Schritt-Vorgang folgt. In dem ersten Schritt wird der Druckkopf acht mal über die Arbeitsoberfläche bewegt, wobei die Y-Bühne um den Wert d_r nach jedem Durchlauf in der Hauptabtastrichtung gerastet bzw. indiziert wird. In dem zweiten Schritt wird die Y-Bühne um die Entfernung gleich der Länge der Öffnungsplatte (65,02 mm + d_r (0,677 mm) = 65,7 mm) (2,56 Inch + d_r (0,0267 Inch) = 2,5867 Inch) indiziert bzw. gerastet. Dieser Zwei-Schritt-Vorgang wird dann wiederholt, bis alle gewünschten Abtastlinien abgefahren worden sind. Mit anderen Worten beinhaltet ein bevorzugter Zwei-Schritt-Vorgang einen ersten Schritt des Alternierens von Durchläufen in der Abtastrichtung mit Bewegungen in der zweiten Abtastrichtung um einen Betrag gleich der gewünschten Abtastlinienauflösung, bis alle Abtastlinien zwischen Anfangslinien, die durch zwei angrenzende Düsen ausgegeben wurden, abgetastet sind. Danach wird ein zweiter Schritt ausgeführt, der einen großen Zuwachs in der Indizierungsrichtung umfasst. Dieser große Zuwachs in der Indizierungsrichtung ist gleich der Beabstandung zwischen der ersten und letzten Öffnung des Druckkopfes plus einer Abtastlinienbeabstandung. Der erste und der zweite Schritt werden wiederholt, bis die Inkremente in der Indizierungsrichtung und die abgetasteten Linien ausreichend sind, um Material auf allen Abtastlinien abzulagern, die zum Bilden des Objektquerschnittes erforderlich sind (umfassend jegliche notwendigen Unterstützungen zum Bilden aufeinander folgender Querschnitte).
In einem ersten Durchlauf kann der Druckkopf zum Beispiel ausgerichtet sein, um die Abtastlinien R(1) (über die Öffnung 10(1) in 4), R(9) (über die Öffnung 10(2)), R(17) (über die Öffnung 10(3)), etc. abzufahren. Die Y-Bühne würde dann ausgerichtet sein, um die Aufbauplattform um die Entfernung d_r (eine Abtastlinie) in der Indizierungsrichtung zu bewegen. Auf dem nächsten Durchlauf kann der Druckkopf ausgerichtet sein, um R(2) (über 10(1)), R(10) (über 10(2)), R(17) (über 10(3)), etc. abzufahren. Sechs weitere Durchläufe würden dann ausgeführt werden, wobei die Y-Bühne um die Entfernung d_r nach dem Durchlauf gerastet wird, bis eine Gesamtheit von acht Durchläufen ausgeführt worden ist.
Wenn mehrere Abtastlinien abzufahren sind, würde zu diesem Zeitpunkt die Y-Bühne ausgerichtet werden, die Aufbauplattform um einen Betrag gleich der vollständigen Länge der Öffnungsplatte + d_r, 65,7 mm (2,5867 Inch) zu bewegen. Der oben beschriebene Zwei-Schritt-Vorgang würde dann wiederholt werden, bis alle Abtastlinien abgefahren worden sind. In alternativen Ausführungsformen könnten andere Y-Inkremente ausgeführt werden, umfassend Inkremente, die sowohl negative als auch positive Bewegungen entlang der Y-Achse beinhalten. Dies kann ausgeführt werden, um Abtastlinien abzutasten, die anfänglich ausgelassen wurden. Dies wird weiter in Verbindung mit einer Technik beschrieben werden, die „Verschachteln" genannt ist.
Das Abfeuern der Tintendüsenöffnungen wird durch eine rechteckige Bitmap gesteuert, die in dem Steuercomputer oder in einem anderen Speichergerät gespeichert ist. Die Bitmap besteht aus einem Gitter von Speicherzellen, in dem jede Speicherzelle einem Pixel der Arbeitsoberfläche entspricht und in dem die Zeilen des Gitters sich in der Hauptabtastrichtung (X-Richtung) erstrecken und sich die Spalten des Gitters in der zweiten Abtastrichtung (Y-Richtung) erstrecken. Die Breite der (oder der Abstand zwischen den) Zeilen (die Beabstandung entlang der Y-Richtung) kann von der Breite (oder Länge oder Entfernung) zwischen den Spalten (Beabstandung entlang der X-Richtung) verschieden sein, was vorgibt, dass unterschiedliche Datenauflösungen entlang der X- und Y-Richtung vorhanden sein können. In alternativen Ausführungsformen sind nicht-gleichförmige Pixelgrößen innerhalb einer Schicht oder zwischen Schichten möglich, wobei eine oder beide der Pixelbreiten oder -längen durch die Pixelposition variiert ist. In anderen Alternativen sind andere Pixelausrichtungsmuster möglich. Beispielsweise können Pixel in angrenzenden Zeilen um einen Bruchteil der Beabstandung zwischen den Pixeln in der Hauptabtastrichtung versetzt sein, so dass ihre Mittelpunkte nicht mit den Mittelpunkten der Pixel in den benachbarten Zeilen ausgerichtet sind. Dieser Bruchteil kann 1/2 sein, so dass ihre Mittelpunkte mit den Pixelgrenzen der angrenzenden Zeilen ausgerichtet sind. Er kann 1/3 oder ein anderer Betrag sein, so dass zwei oder mehrere Zwischenzeilen der Pixel zwischen den Zeilen angeordnet sind, wo Pixel in der Hauptabtastrichtung ausgerichtet sind. In weiteren Alternativen kann die Pixelausrichtung abhängig sein von der Geometrie des Objektes oder der Unterstützungsstruktur, die ausgegeben wird. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, eine Pixelausrichtung zu versetzen, wenn ein Bereich eines Unterstützungsmusters gebildet wird, das dazu gedacht ist, eine Lücke zwischen Unterstützungssäulen zu überbrücken. Diese und andere Alternativen von Pixelausrichtungsmethoden können implementiert werden, indem die Pixelkonfiguration modifiziert wird oder indem alternativ eine höhere Auflösung der Pixelanordnung (in X und/oder Y) definiert wird und indem Pixelabfeuer- bzw. -ausgabemuster verwendet werden, die nicht auf jeden Pixelort abfeuern, jedoch stattdessen auf ausgewählte beabstandete Pixelorte ausgeben bzw. abfeuern, die gemäß einem gewünschten, beliebigen, vorbestimmten oder objektbasierten Muster variieren können.
Wir können die Datenauflösung in der Hauptabtastrichtung in Begriffen der Hauptrichtungspixel (Main Direction Pixels = MDPs) definieren. Die MDPs können in Begriffen der Pixellänge oder in Begriffen der Anzahl von Pixeln pro Einheitslänge beschrieben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist MDP = 300 Pixel pro Inch (26,67 mils/Pixel oder 677,4 μm/Pixel). In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist MDP = 1200 Pixel pro Inch (ungefähr 47,4 Pixel/mm). In ähnlicher Weise kann die Datenauflösung in der zweiten Abtastrichtung in Begriffen der Zweitrichtungspixel (Secondary Direction Pixels = SDPs) definiert werden und die SDPs können in Begriffen der Pixelbreite oder in Begriffen der Anzahl der Pixel pro Einheitslänge beschrieben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist SDP = MDP = 300 Pixel pro Inch (26,67 mils/Pixel oder 677,4 μm/Pixel). Der SDP kann oder kann nicht äquivalent sein zu der Beabstandung zwischen den Abtastlinien und der MDP kann oder kann nicht äquivalent sein zu der Beabstandung zwischen aufeinander folgenden Tropforten entlang jeder Abtastlinie. Die Beabstandung zwischen aufeinander folgenden Abtastlinien kann als Zweittropforte (Secondary Drop Locations = SDLs) definiert sein, während die Beabstandung zwischen aufeinander folgenden Topforten entlang jeder Abtastlinie definiert sein kann als Haupttropforte (Main Drop Locations = MDLs). Ähnlich zu den SDPs und MDPs können die SDLs und MDLs in Begriffen der Tropfen pro Einheitslänge oder der Tropfenbeabstandung definiert sein.
Wenn SDP = SDL ist, besteht eine Eins-zu-Eins-Korrespondenz zwischen den Daten und den Tropforten entlang der zweiten Abtastrichtung und die Pixelbeabstandung ist gleich der Rasterlinienbeabstandung. Wenn MDP = MDL ist, besteht eine Eins-zu-Eins-Konespondenz zwischen den Daten und den Tropforten entlang der Hauptabtastrichtung.
Wenn SDL und/oder MDL jeweils größer sind als SDP und MDP, wird das Abfeuern bzw. Ausgeben von mehr Tropfen notwendig sein als jene, für die Daten existieren. Daher muss jeder Pixel dazu verwendet werden, das Ausgeben von mehr als einem Tropfens zu bewirken. Das Ausgeben dieser zusätzlichen Tropfen kann in einem von zwei Wegen durchgeführt werden: entweder durch Ausgeben der Tropfen an Zwischenpunkten zwischen den Mittelpunkten aufeinander folgender Pixel (d.h. Zwischentropfen, intermediate dropping = „ID") oder alternativ direkt auf die Pixelmittelpunkte (d.h. direktes Tropfen, direct dropping = „DD"). In jedem Fall wird diese Technik als „Überdrucken" bezeichnet und resultiert in ein schnelleres Aufbauen des Materials und es verringert die mechanischen Konstruktionszwänge, die maximale Abtastgeschwindigkeiten und Beschleunigungsraten umfassen, weil das gleiche Z-Aufbauen stattfinden kann, während sich der Druckkopf und/oder das Objekt langsamer bewegen/bewegt. Der Unterschied im ID-Überdrucken gegenüber dem Nicht-Überdrucken oder dem DD-Überdrucken ist in den 6a bis 6d dargestellt. 61 stellt einen einzelnen abgelagerten Tropfen 60 und eine zugeordnete, ihn umgebende verfestigte Region 62 dar, wenn sich der Druckkopf in Richtung 64 bewegt. Andererseits stellt die 6b die gleiche ausgehärtete Region dar, wobei jedoch die ID-Überdrucktechnik verwendet wurde, wo zwei Tropfen 60 und 66 in Verbindung mit dem einzelnen Datenpunkt abgelagert werden, wenn sich der Kopf in Richtung 64 bewegt. Die Ablagerungszone, die durch die zwei Tropfen gefüllt ist, ist durch die Region 68 dargestellt. 6c zeigt eine ähnliche Situation für ein Vier-Tropfen-ID-Überdruckverfahren, wobei die Tropfen durch die Bezugszeichen 60, 70, 66 und 72 bezeichnet sind und die Ablagerungszone an dem Bezugszeichen 76 dargestellt ist und wobei die Abtastrichtung noch durch die Bezugsziffer 64 dargestellt ist. 6d stellt eine ähnliche Situation für eine Reihe von Pixeln 78, 80, 82, 84, 86 und 88 dar, wobei die Bezugsziffer 90 die Länge der Ablagerungszone ohne Überdrucken darstellt und die Bezugsziffer 92 die Länge der Ablagerungszone unter der Verwendung einer Vier-Tropfen-ID-Überdrucktechnik darstellt. Das Obige kann verallgemeinert werden, indem man sagt, dass das ID-Überdrucken ungefähr 1/2 bis etwas unter 1 zusätzliche Pixellänge zu jeder Region hinzufügt, während es verwendet wird. Je mehr Überdrucktropfen natürlich verwendet werden, um so mehr vertikales Wachstum wird eine Pixelregion aufweisen.
Wenn SDL und/oder MDL jeweils geringer sind als SDP und/oder MDP, werden die Tropfen an weniger Orten abgefeuert werden, als Daten zumindest für einen gegebenen Durchlauf des Druckkopfes existieren. Diese Datensituation kann zum Implementieren des Pixelversatzes und/oder für die oben diskutierten Techniken nicht gleichförmiger Pixelgrößen verwendet werden.
Ein Gitter mit N Zeilen und M Spalten ist in 5 dargestellt. Wie gezeigt, sind die Zeilen in dem Gitter mit R(1), R(2), ..., R(N) bezeichnet, während die Spalten in dem Gitter als C(1), C(2), ..., C(M) bezeichnet sind. Es sind ebenfalls die Pixel gezeigt, die das Gitter bilden. Diese sind mit P(1,1), P(1,2), ..., P(M,N) bezeichnet.
Um einen Querschnitt aufzubauen, wird die Bitmap zuerst mit Daten geladen, die für den gewünschten Querschnitt repräsentativ sind (sowie für jegliche Unterstützungen, die zum Aufbauen gewünscht sind). Angenommen, wie in der bevorzugten Ausführungsform, ein einzelnes Aufbau- und Unterstützungsmaterial wird verwendet, wenn es gewünscht ist, Material an einem gegebenen Pixelort abzulagern, dann wird die Speicherzelle, die diesem Ort entspricht, geeignet markiert sein (z.B. geladen mit einer binären „1") und wenn kein Material abgelagert werden soll, wird eine entgegengesetzte Markierung verwendet (z.B. eine binäre „0"). Wenn mehrere Materialien verwendet werden, werden die Zellen entsprechend den Ablagerungsorten geeignet markiert, um nicht nur den Tropfort sondern ebenfalls den Materialtyp, der abzulagern ist, anzugeben. Zur Erleichterung der Datenverarbeitung können komprimierte Daten, die eine Objekt- oder Unterstützungsregion definieren (z.B. Ein-Aus-Ortspunkte entlang jeder Abtastlinie) mit einer Füllmusterbeschreibung logisch verknüpft werden, die für die spezielle Region verwendet wird, um eine abschließende Bitmaprepräsentation zur Verwendung zum Abfeuern der ausgebenden Düsen zu berechnen. Die Rasterabtastlinien, die das Gitter bilden, werden dann einzelnen Öffnungen in der früher beschriebenen Weise zugeordnet. Dann wird eine einzelne Öffnung angewiesen, über einem Pixel abzufeuern bzw. auszugeben oder nicht in Abhängigkeit davon, wie die entsprechende Zelle in der Bitmap markiert ist.
Wie oben diskutiert, ist der Druckkopf geeignet, um Tropfen in vielen verschiedenen Auflösungen abzulagern. In den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist SDP = SDL = 300 Pixel und Tropfen pro Inch (ungefähr 11,8 Pixel und Tropfen pro mm). Jedoch ist es MDP gestattet, drei Werte in der bevorzugten Ausführungsform anzunehmen: 1) MDL = 300 Tropfen pro Inch (dpi) und MDP = 300 Pixel pro Inch, 2) MDL = 600 Tropfen pro Inch (ungefähr 23,6 Tropfen pro mm) und MDP = 300 Pixel pro Inch oder 3) MDL = 1200 Tropfen pro Inch (ungefähr 47,4 Tropfen pro mm) und MDP = 300 Pixel pro Inch. Wenn das MDL-zu-MDP-Verhältnis größer als eins ist, werden die Extratropfen pro Pixel gesteuert, um an Zwischenorten (ID-Überdrucken) zwischen den Mittel punkten der Pixel aufzutreten. Mit dem derzeit bevorzugten Druckkopf und dem Material ist das Volumen pro Tropfen ungefähr 100 Picoliter, was einen Tropfen erzeugt, der einen ungefähren Durchmesser von 50,8 μm (2 mil) aufweist. Mit dem derzeit bevorzugten Druckkopf ist die maximale Frequenz des Abfeuerns ungefähr 20 kHz. Im Wege des Vergleichs beinhaltet eine Feuerrate von 1200 dpi bei 13 ips (ungefähr 47,4 Tropfen pro mm bei 330,2 mm/s) eine Frequenz von 16 kHz, was sich innerhalb der zulässigen Grenze befindet.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform zum Produzieren von Daten, die zum Teilaufbauen in einem System zur selektiven Ablagerungsbildung (z.B. einem System für thermische Stereolithographie) geeignet ist, die das Erzeugen von repräsentativen Daten für Unterstützungen enthält, ist in 7 illustriert. Wie gezeigt, beginnt das Verfahren unter Verwendung des logischen Schichtschneidprozesses (repräsentiert durch das Modul 31) mit dem Umwandeln der .STL-Datei 30 in eine .SLI-Datei 32. Der logische Schichtschneidprozess sowie die .STL- und .SLI-Formate sind zum Beispiel in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/475,730 beschrieben, die als das US Patent 5 854 748 abgeleitet von dem US Patent 5 321 622 herausgegeben worden ist.
Die .SLI-Datei wird dann in das Modul 33 eingegeben, das Unterstützungsdaten in dem .SLI-Format produziert. Die .SLI-Daten, die für die Unterstützungen repräsentativ sind und durch das Bezugszeichen 34 bezeichnet sind, werden dann mit den .SLI-Daten, die das Objekt repräsentieren und mit dem Bezugszeichen 32 identifiziert sind, in dem Modul 35 angenähert. Das Ergebnis ist die .PFF-Datei 36, die für die Objekt- und Unterstützungsgrenzen repräsentativ ist.
Die .PFF-Datei wird dann im Modul 37 in Übereinstimmung mit dem Stil „schraffiert", wobei der Stil durch die Stildatei 38 bestimmt ist, die Schraffurtechniken verwendet, die in der zuvor erwähnten '730-Anmeldung beschrieben sind. Die Schnittpunkte zwischen den Schraffurlinien und den Objekt- und Unterstützungsgrenzen werden dann zum Erzeugen einer .RLE-Datei 39 verwendet.
Ein Problem dieser Ausführungsform ist die Geschwindigkeit. Wie in den 8a – 8b dargestellt, beinhaltet der Prozess ein Kreuzen einer .STL-Datei 46 mit Schnittebenen, wie beispielsweise jene, die mit der Bezugsziffer 47 in 8a bezeichnet ist, um Segmentlisten für jeden Querschnitt zu produzieren, wie beispielsweise jene, die mit dem Bezugszeichen 48 in der 8b identifiziert ist. Die Segmente werden dann geordnet, innere Segmente werden entfernt und geeignete Endpunkte werden miteinander verbunden, um Polygone zu bilden. In 9 werden zum Beispiel die Segmente 48 in der beschriebenen Weise verarbeitet, um ein Polygon 49 zu bilden.
Der Vorgang ist aufgrund der Anzahl der Vergleiche zeitraubend, die zum Ordnen der Segmente ausgeführt werden müssen, und aufgrund der erforderlichen Zeit, um logische Operationen auf den Polygonen auszuführen. Für eine Liste von N-Segmenten erfordert zum Beispiel der Ordnungsschritt N² Vergleiche. Zudem erfordert der Vorgang des Ausführens einer logischen Operation auf einem Polygon umfassend N Segmente ebenfalls N² Operationen. Wegen dieser beiden Gründe kann der Vorgang zum Bilden der Ausbaudaten unerschwinglich lang sein und typischerweise mehrere Stunden umfassen. Ein Vorteil dieser Herangehensweise besteht jedoch darin, dass, weil Grenzsegmente in Polylisten geordnet werden, die Tropfenbreitenkompensation auf diesen Grenzen in einer Weise analog zu den Kompensationsroutinen ausgeführt werden können, die in der '730-Anmeldung gelehrt werden.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform, die zum Überwinden dieser Probleme konstruiert wurde, ist in 10 dargestellt. Wie gezeigt, wird zunächst die .STL-Datei 40 durch das Modul 41 in die .CTL-Datei 42 komprimiert. Der Vorgang des Komprimierens einer .STL-Datei in eine .CTL-Datei ist in der zuvor erwähnten US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/428,951 beschrieben. Zweitens, basierend auf den Stilinformationen 43, die als eine Eingabe im Modul 44 bereitgestellt sind, wird die .CTL-Datei in einer Weise geschnitten, die ähnlich der ist, die in der US Anmeldung 08/475730 (US Patent 5 854 748) beschrieben ist, ausgenommen, dass nur Schraffurtypdaten oder Außenschichtdaten in eine .RLE-Datei (d.h. Lauflängen kodiert) ausgegeben werden.
Zunächst, wie in 11a dargestellt, werden die Dreiecke, die die .STL-Datei bilden, von oben nach unten in der Z-Richtung sortiert. Spezifisch werden, wie durch das identifizierende Bezugszeichen 50 angezeigt, die Dreiecke in abfallender Ordnung der maximalen z-Werte für jedes Dreieck sortiert. Wie gezeigt, ist die Ordnung der Dreiecke A, B, C, D.
Die erforderliche Von-oben-nach-unten-Sortierung sollte sich abheben von einer Von-unten-nach-oben-Sortierung, wie beispielsweise derjenigen, die durch das identifizierende Bezugszeichen 51 in der 11a angezeigt ist, in der die Dreiecke in aufsteigender Ordnung der minimalen z-Werte der Dreiecke sortiert sind. Wie angezeigt, ist die resultierende Ordnung B, C, A, D.
Für jedes Schnittniveau wird dann eine Liste von aktiven Dreiecken durch die Verwendung eines vorliegenden Niveauindikators und eines Indexzeigers bestimmt. Ein Indexzeiger wird durch die Liste der Dreiecke für ein gegebenes Niveau vorgeschoben und jedes Dreieck, das sich vollständig über dem vorliegenden Niveau befindet, wird von der Betrachtung ausgeschlossen. Wenn ein Dreieck durch den vorliegenden Niveauindikator geschnitten wird, wird es der Liste hinzugefügt. Der Vorgang setzt sich fort, bis der Indexzeiger auf ein Dreieck vollständig unterhalb des vorliegenden Niveaus zeigt. An diesem Punkt ist die Liste der aktiven Dreiecke für das Niveau vollständig. Der Niveauindikator wird dann gewechselt, um das nächst niedrigere Niveau anzuzeigen, und der Prozess setzt sich fort.
11b illustriert den Vorgang, wenn der vorliegende Niveauindikator an dem Niveau 52a ist. Der Indexzeiger 53 wird von links nach rechts vorgeschoben und die zwei Dreiecke, die durch das vorliegende Niveau geschnitten werden und die in der Figur mit dem Bezugszeichen 54a identifiziert sind, werden der Liste der aktiven Dreiecke hinzugefügt. Der Vorgang setzt sich dann fort, bis der Indexzeiger auf das Dreieck 55a zeigt. Da jenes Dreieck vollständig unterhalb des vorliegenden Niveaus ist, stoppt der Vorgang mit dem Indexzeiger 53, der auf das Dreieck 55a zeigt.
11c illustriert den Vorgang, wenn der Niveauindikator zu dem Niveau 52b vorgeschoben wird. Der Indexzeiger wird auf null gesetzt und dann von links nach rechts vorgeschoben. Jedes Dreieck über dem Niveau wird ignoriert und jedes Dreieck, das durch das Niveau geschnitten wird, wird zu der Liste der aktiven Dreiecke hinzugefügt. In der Figur sind diese Dreiecke durch das identifizierende Bezugszeichen 54b angegeben. Der Vorgang wird vervollständigt, wenn der Indexzeiger auf das Dreieck 55b zeigt, da dies das erste angetroffene Dreieck ist, das sich vollständig unterhalb des Niveaus befindet.
Die aktiven Dreiecke für jedes Schneidniveau werden mit jenem Niveau gekreuzt, um einen Satz von Segmenten in der X-Y-Ebene zu bilden. Da die Dreiecke fest gebunden sind und derart orientiert sind, dass sie von der festen Region weg zeigen (wie in den US-Patenten mit den Nr. 5,059,359; 5,137,662; 5,321,622 und 5,345,391 erklärt ist, die hiermit durch Referenz aufgenommen sind), umfassen die resultierenden Segmente ebenfalls eine Orientierung. Von diesen Segmenten können ohne die Notwendigkeit ihres Ordnens in Grenzschleifen die .RLE-Daten, die für die Objektquerschnitte beschreibend sind, erhalten werden, indem die gleichen Schraffuralgorithmen verwendet werden, wie sie in der '730-Anmeldung beschrieben sind.
12a illustriert eine Polygonrepräsentation eines Querschnitts (die Segmente sind geordnet, um Grenzschleifen zu bilden), während 12b eine .RLE-Repräsentation (run-length encoded = Lauflängen kodiert) des gleichen Querschnitts illustriert. Um die Daten zu produzieren, wird die Polygonrepräsentation mit einer Mehrzahl von Raster- oder Pixelabtastlinien überlagert und dann wird eine Liste von Start/Stopp-Paaren an den Punkten erzeugt, wo die Raster- oder Pixellinien die Polygonrepräsentation schneiden, wobei jeder Schnittpunkt verbunden ist mit einem An/Aus-Indikator. Für eine gegebene Abtastlinie wird der An/Aus-Indikator für die Schnittpunkte zwischen dem An- und Aus-Status gewechselt, um anzuzeigen, ob die Abtastlinie in einen Festkörper eintritt oder austritt. In 12b sind zum Beispiel die „An"-Bereiche der aufeinander folgenden Abtastlinien mit den Bezugsziffern 56(1), 56(2), 56(3),... und 56(11) angegeben.
Das .RLE-Format sollte sich abheben von dem Pixelformat, das in 12c dargestellt ist, in dem jeder Punkt innerhalb des Festkörpers repräsentiert ist durch einen einzelnen Datenpunkt. Das Problem mit dieser Form der Datenrepräsentation ist die Größe. Bei 300 DPI (DPI = dots per inch = Punkte pro Inch) erfordern zum Beispiel 10 Inch-Querschnitte 9 Millionen Bits an Information.
Der Vorgang des Erzeugens der .RLE-Daten für die Objektquerschnitte ist in 13a – 13c dargestellt. Wie in 13a gezeigt, wird für jeden Querschnitt, wie beispielsweise den Querschnitt, der in der Figur mit dem Bezugszeichen 57 identifiziert ist, eine Gruppierung von Listen, die mit dem Bezugszeichen 58 identifiziert sind, erzeugt, in der jede Liste in der Gruppierung einer Abtastlinie entspricht, die sich an einem gegebenen y-Niveau in die x-Richtung erstreckt. Betrachtet man dann umgekehrt jedes Segment in dem Querschnitt, werden die Schnittpunkte zwischen jedem Segment und den Abtastlinien beachtet und die Daten, die für diese Schnittpunkte repräsentativ sind, werden zu den jeweiligen Listen in der Gruppierung hinzugefügt. 13b illustriert zum Beispiel die Hinzufügungen zu den Listen durch die Betrachtung des Segments eins, wobei die Hinzufügungen in der Figur durch das Bezugszeichen 59 identifiziert sind.
Die spezifischen Datenpunkte, die der Liste für jeden „y"-Ort hinzugefügt sind, enthalten zwei Teile von Informationen: einen quantitativen Volumenwert (quantitative volume = QV) und den x-Ort des Schnittpunkts. Ein Schnittpunkt, an dem das Segment in der y-Richtung zunimmt, hat einen QV von 2. Ein Schnittpunkt, an dem das Segment in der y-Richtung abnimmt, hat einen QV von -2. Wenn das Segment an einer Abtastlinie entspringt oder endet, zählt der Schnittpunkt als ein „halber Treffer", d.h. der zugeordnete QV ist entweder 1 oder -1, abhängig davon, ob das Segment in der y-Richtung zunimmt oder abnimmt. In 13b ist das Segment 1 zum Beispiel zunehmend in der y-Richtung. Daher sind die QV-Werte in Verbindung mit dem Schnittpunkt dieses Segments mit den aufeinander folgenden Abtastlinien jeweils 1, 2, 2, 2 und 2 (angenommen, dass die Abtastlinie nicht die Spitze des Segments 1 trifft). Weiterhin sind die x-Orte der Schnittpunkte zwischen dem Segment 1 und den aufeinander folgenden Abtastlinien jeweils 126, 124, 122, 120 und 118. Wie gezeigt ist, umfassen die Daten, die zu der Gruppierung hinzugefügt sind, diese Werte.
13c illustriert die Hinzufügungen zu der Gruppierung durch die Betrachtung des Segmentes 2. Das Segment nimmt in der y-Richtung zu und entspringt und endet an zwei aufeinander folgenden Abtastlinien. Der x-Ort des Schnittpunktes der ersten Abtastlinie ist 144, während der für die zweite Abtastlinie 126 ist. Die zwei Hinzufügungen zu der Gruppierung, die diese Werte vereinigt, sind mit den Bezugszeichen 60(1) und 60(2) identifizien.
Der Zweck dieser Halbtreffer kann durch die Betrachtung der 14 verstanden werden. Wie gezeigt, ist jede Abtastlinie mit einem laufenden QV-Gesamtbetrag verbunden, der zu jedem Zeitpunkt aktualisiert wird, wenn die Abtastlinie ein Segment kreuzt, das den QV-Wert in Verbindung mit dem Schnittpunkt mit dem Segment verwendet. Wenn die Abtastlinie innerhalb des Festkörpers ist, ist der laufende QV-Wert 2, während, wenn sie außerhalb des Festkörper ist, der QV-Wert 0 ist. Wenn daher eine Abtastlinie außerhalb des Festkörpers ist und eine Grenze kreuzt, besteht die notwendige Implikation darin, dass die Abtastlinie nun innerhalb des Festkörpers ist. Der laufende QV-Gesamtbetrag sollte dann mit einem Wen von 2 aktualisiert werden, um anzuzeigen, dass sie nun in einem Festkörper ist. Wenn umgekehrt die Abtastlinie innerhalb eines Festkörpers ist und eine Grenze kreuzt, ist die notwendige Implizierung, dass die Abtastlinie jetzt außerhalb des Festkörper ist oder dass sie in ein zweites festes Objekt eingetreten ist, welches das erste Objekt überlappt. Ein Wert von –2 oder 2 sollte dann hinzugefügt werden zu dem laufenden Gesamtbetrag, um den Übergang anzuzeigen.
Wenn die Abtastlinie einen Scheitelpunkt kreuzt, wie beispielsweise angezeigt beim Punkt A in 14, dann schneidet die Abtastlinie tatsächlich zwei Segmente, wenn sie in einen Festkörper eintritt. Jedes Segment sollte daher nur einen Wert von 1 zu dem laufenden QV-Gesamtbetrag beitragen. Dies ist der Grund, warum der QV-Wert in Verbindung mit diesen Scheitelpunkten auf 1 oder –1 gehalten wird.
Man sollte bemerken, dass es für eine Abtastlinie möglich ist, einen Scheitelpunkt zu kreuzen, ohne den Zustand des laufenden QV-Wertes zu ändern. Wie durch den Punkt B der 14 dargestellt, haben die Segmente, die den Scheitelpunkt bilden, jeweils QV-Werte von –1 und +1 an den Schnittpunkten. Das Ergebnis besteht darin, dass der laufende QV-Gesamtbetrag in Verbindung mit der Abtastlinie unverändert bleibt. Zusätzliche Informationen über quantitatives Volumen (quantitative volume = QV) kann man in der oben erwähnten US Patentanmeldung 08/475730 (US Patent 5 854 748) finden.
Nachdem die Schnittpunkte der Abtastlinie für alle Segmente zu der Liste hinzugefügt worden sind, wird die Liste für jede Abtastlinie in ansteigender x-Ordnung sortiert. Eine boolesche Extraktionsroutine wird dann angewandt, um die konekten logischen Segmente für jede Abtastlinie zu extrahieren.
Die bevorzugte Extraktionsroutine beinhaltet das Speichern eines laufenden QV-Zählers, in dem der QV-Wert jedes aufeinander folgenden Datenpunktes in der Liste zu dem laufenden Gesamtwert addiert wird. Jeder Datenpunkt, der einen QV von 2 aufweist, d.h. einen „Start"-Punkt, wenn der laufende QV-Gesamtwert 0 ist (d.h. Übergänge von 0 zu 2), und jeder Datenpunkt, der einen QV von -2 aufweist, d.h. einen „Stopp"-Punkt, wenn der laufende Gesamtbetrag 2 ist (d.h. Übergänge von 2 zu 0), wird beibehalten. Der Vorgang ist in der 15 dargestellt, in der aufeinander folgende Schritte davon mit den Bezugszeichen 61, 62, 63,64, 65, 66 und 67 identifiziert sind. Ein ständiger Punktzeiger, der mit dem Bezugszeichen 68 identifiziert ist, wird verwendet, um auf die aufeinander folgenden Punkte in der Originalliste zu zeigen. Eine „Halte"-Liste, die in der Figur mit dem Bezugszeichen 70 identifiziert ist, wird ebenfalls verwendet, um die Start- und Stopp-Punkte zu speichern, die die vorgeschriebenen Bedingungen, die oben beschrieben wurden, erfüllen. Wie gezeigt, werden durch diesen Vorgang nur der erste Start-Punkt, d.h. (Start 20) und der letzte Stopp-Punkt, d.h. (Stopp 89) gespeichert. Das Ergebnis sind die .RLE-Daten, die für eine Linie eines Querschnittes des Objektes beschreibend sind. Das Anwenden der Technik auf alle Linien für alle Querschnitte resultiert in einer .RLE-Beschreibung für das Objekt.
Man sollte erkennen, dass es nicht notwendig ist, die Segmente in Polylisten (wie es in dem US Patent 5 321 622 beschrieben ist) zu sortieren, wobei die Segmente durch das Schneiden der Dreiecke mit den Schnittebenen gebildet werden, um polygonale Repräsentationen der Objektquerschnitte zu bilden. Wie diskutiert wurde, ist das Sortieren der Segmente in Polylisten eine zeitaufwendige Tätigkeit. Weiterhin sollte ebenfalls erkannt werden, dass die gebildeten .RLE-Daten erfolgreich vereinigt werden, sogar wenn die .STL-Datei nicht geeignet vereinigt oder getrennt worden ist (d.h. die .STL-Datei enthält überlappende Objektelemente).
Ein Vorteil der .RLE-Repräsentation gegenüber der polygonalen Repräsentation besteht darin, dass die booleschen Operationen viel einfacher und schneller sind. Der boolesche Extraktionsalgorithmus wurde bereits diskutiert. Verschiedene andere sind boolesche Addition, Subtraktion und Schnittoperationen.
Um diese Operationen am effizientesten auszuführen, ist es vorteilhaft, die .RLE-Daten in absoluten Werten im Gegensatz zu relativen Werten auszudrücken. Zum Beispiel sollte eine Linie, die an der x-Position 100 beginnt und für 30 Pixel vorhanden bleibt, in Begriffen eines Paares von Start/Stopp-Punkten repräsentiert werden, indem der Start an der Position 100 und der Stopp an der Position 130 ist. Unter Bezugnahme auf die 16 werden daher die .RLE-Daten für eine Linie A, die durch das Bezugszeichen 71 in der Figur identifiziert ist, und jene für eine Linie B, die durch das Bezugszeichen 72 in der Figur identifiziert ist, wie folgt repräsentiert: A = [(Start 20), (Stopp 48), (Start 60), (Stopp 89)], B = [(Start 37), (Stopp 78)].
Das Berechnen der booleschen Addition dieser zwei Linien beinhaltet das Vereinigen der zwei Sätze von Daten, während die vereinigte Liste, die in der x-Richtung sortiert ist, beibehalten wird. Das Ergebnis ist [(Start 20), (Start 37), (Stopp 48), (Start 60), (Stopp 78), (Stopp 89)]. Die vereinigte Liste wird dann dem booleschen Extraktionsalgorithmus ausgesetzt, der früher diskutiert wurde, wobei zum Beispiel den Startorten QV-Werte von 2 und den Stopporten QV-Werte von –2 zugeordnet sind und nur jene Orte beibehalten werden, die in QV-Übergänge von 0 zu 2 (Start) oder von 2 zu 0 (Stopp) resultieren. Das Ergebnis ist das Datenpaar [(Start 20), (Stopp 89)], das die boolesche Addition A + B repräsentiert, die mit dem Bezugszeichen 73 in der 16 identifiziert ist.
Das Berechnen der booleschen Subtraktion von zwei Linien beinhaltet die identischen Schritte, die oben in Verbindung mit der booleschen Additionsoperation diskutiert wurden, ausgenommen, dass, bevor die zwei Listen vereinigt werden, die Vorzeichen der QV-Werte der Liste, die abgezogen wird, umgekehrt werden, so dass die Startübergänge Stoppübergänge werden und umgekehrt. Das Ergebnis der Operation A – B ist in 16 mit dem Bezugszeichen 74 identifiziert.
Das Berechnen der booleschen Multiplikation von zwei Linien beinhaltet die identischen Schritt wie die Additionsoperation, ausgenommen, dass die Extraktionsroutine beginnend mit einem Anfangs-QV-Wert von –2 ausgeführt wird. Die Multiplikation zwischen A und B ist in 16 durch das Bezugszeichen 75 identifiziert.
Zweidimensionale boolesche Operationen können ebenfalls leicht durchgeführt werden. Für zweidimensionale Bereiche, die jeweils durch eine Mehrzahl von .RLE-Linien repräsentiert werden, die bevorzugt in absoluten Werten ausgedrückt werden, werden boolesche Operationen durch Ausführen aufeinander folgender boolescher Linienoperationen auf jedem aufeinander folgenden Paar von entsprechenden Linien in den jeweiligen Gebieten ausgeführt. 17 illustriert den Vorgang. Der Satz von Linien, der durch das Bezugszeichen 76 identifiziert ist, repräsentiert das Gebiet A, während der Satz von Linien, der durch das Bezugszeichen 77 identifiziert ist, das Gebiet B repräsentiert. Die boolesche Addition, A + B, dieser zwei Gebiete ist mit dem Bezugszeichen 78 identifiziert, während die boolesche Subtraktion dieser zwei gebiete, A – B, mit dem Bezugszeichen 79 identifiziert ist.
Ein Nachteil der Verwendung von .RLE-Daten in Bezug auf polygonale Daten ist andererseits der Betrag des erforderlichen Speichers. Das Speichern jeder Schicht in .RLE-Form mit hoher Auflösung kann über 100 MB des Speichers für ein typisches Teil erfordern. Dies ist zu groß für einen Arbeitsspeicher und sogar die Notwendigkeit des Speicherns solch großer Dateien auf der Festplatte ist problematisch. Das Problem wird verstärkt durch die Divergenz zwischen der Ordnung des Aufbauens der Teilung, die sich vom Boden aufwärts fortsetzt, und der Ordnung des Konstruierens von Unterstützungsstrukturen, die sich von oben nach unten fortsetzt, wie hiernach beschrieben wird.
Wie hiernach diskutiert werden wird, ist eine Ausgabedatei erforderlich zum Konstruieren von Unterstützungen, in der für jeden Querschnitt eine .RLE-Beschreibung für jenen Querschnitt sowie die boolesche Summation von jedem Querschnitt über dem vorliegenden Querschnitt bereitgestellt wird. Grundsätzlich beinhaltet die Technik das Berechnen der booleschen Subtraktion zwischen der .RLE-Beschreibung eines Querschnitts und der .RLE-Repräsentation des „vorliegenden Gesamtbetrages" für jenen Querschnitt, d.h. die boolesche Vereinigung von allen Schichten oberhalb der vorliegenden Schicht. Ein Pseudocode für diese grundlegende Technik ist in 18 gezeigt, in der get_part (Niveau) sich auf eine Funktion bezieht, die die .RLE-Repräsentation des Querschnitts an dem vorgeschriebenen Niveau bereitstellt; boolean_subtract (current_total = area A, part_for_layer = area B) bezieht sich auf eine Funktion, die das Ergebnis der booleschen Subtraktion des Gebietes A von dem Gebiet B bereitstellt; und boolean_add (area A, area B) bezieht sich auf eine Funktion, die die boolesche Addition zwischen dem Bereich A und dem Bereich B bereitstellt.
Es wird nun ein Algorithmus zum Ausführen des Speichermanagements beschrieben, der zu konstruierende Unterstützungen erlaubt, ohne dass das gleichzeitige Speichern der Gesamtheit des Teils und der vorliegenden Gesamtdaten im Speicher erforderlich ist. Der bevorzugte Algorithmus geht in zwei Stufen vor.
In der ersten Stufe werden die Schichten des Teils sukzessive beginnend an der Oberseite des Teils betrachtet, während ein laufender Gesamtwert der booleschen Summation der Schichten des Teils gespeichert wird. Über das Auftreffen einer Schicht wird der vorliegende Gesamtwert für die Schicht (d.h. der aktualisierte laufende Gesamtbetrag) berechnet durch das Berechnen der booleschen Addition zwischen dem Gebiet des laufenden Gesamtwertes von der vorhergehenden Schicht und dem Gebiet der vorliegenden Schicht. Anstelle des Speicherns der vorliegenden Gesamtdaten für alle Schichten werden jedoch nur die vorliegenden Gesamtdaten für zwischengeordnete Schichten, d.h. jede N-te Schicht, wo N 100 sein kann, gespeichert. Der Rest der vorliegenden Gesamtdaten wird verworfen.
Diese erste Stufe ist in 19 in Beziehung zu dem Teil 80 und den damit verbundenen Unterstützungen, die in der Figur durch das Bezugszeichen 81 identifiziert sind, illustriert. Die Von-oben-nach-unten-Erzeugung des vorliegenden Gesamtwertes für die jeweiligen Schichten ist mit dem Bezugszeichen 82 identifiziert und die Zwischenstufen dieser sind mit dem Bezugszeichen 83 identifiziert. Der Pseudocode für diese erste Stufe ist in 20 illustriert, in dem die get_part-Funktion jene ist, die früher in Beziehung zur 18 beschrieben wur de, und in dem die boolean_addition-Funktion jene ist, die früher in der Diskussion der booleschen Operationen diskutiert wurde.
Die zweite Stufe beinhaltet das Auswählen einer Zwischenschicht und das Durchführen einer Von-oben-nach-unten-Berechnung in der Weise des zuvor beschriebenen vorliegenden Gesamtwertes für all die Schichten zwischen jener Zwischenschicht und der nächsten Zwischenschicht. Die Daten, die aus den Teil- und den vorliegenden Gesamtdaten für jede Schicht bestehen, werden dann von unten aufwärts ausgegeben. Wenn dies verwirklicht worden ist, können die vorliegende Zwischenschicht und die Daten zwischen ihr und der nächst niedrigeren Zwischenschicht gelöscht werden und der Prozess wird für die nächst höhere Zwischenschicht wiederholt.
Diese zweite Stufe ist in 21 illustriert, in der verglichen zu 19 auf ähnliche Elemente mit ähnlichen identifizierenden Bezugsziffern Bezug genommen wird. Vier Schritte dieser zweiten Stufe sind gezeigt, die mit den Bezugszeichen 84 – 87 identifiziert sind. Im Schritt 84 werden die vorliegenden Gesamtwerte für all die Schichten zwischen den Zwischenschichten 14 und 15 (z.B. dem Boden des Teils oder des Objektes), die in der Figur mit dem Bezugszeichen 88 identifiziert sind, bestimmt und gespeichert. Als nächstes werden im Schritt 85 die Unterstützungen für diese Schichten unter Verwendung der hiernach beschriebenen Verfahren bestimmt und dann ausgegeben. Die Teil- und die Gesamtdaten zwischen 14 und 15 werden dann gelöscht. Dann werden im Schritt 86 die Teil- und die Gesamtdaten für jede Schicht zwischen 13 und 14, die durch das Bezugszeichen 89 in der Figur identifiziert sind, bestimmt und gespeichert. Abschließend werden im Schritt 87 die Unterstützungen für diese Schichten bestimmt und zum Aufbauen ausgegeben. Die Daten für diese Schichten werden dann gelöscht. Der Vorgang wiederholt sich dann selbst für jede Zwischenschicht.
Man sollte erkennen, dass dieser Algorithmus drastisch die Speicheranforderungen für den Prozess zum Erzeugen von Unterstützungen reduziert. Wenn N die Anzahl der Schichten zwischen zwei aufeinander folgenden Zwischenschichten darstellt, dann ist die Anzahl der Schichten, die zu einem Zeitpunkt gespeichert wird, gleich der Anzahl der Zwischenschichten plus 2N (weil das Teil und der Gesamtteil erforderlich sind). Wenn T die Gesamtanzahl der Schichten darstellt, dann ist die Anzahl der gespeicherten Schichten gleich T/N + 2N. Optimale Speicherausnutzung wird dann erzielt, wenn N = √(T/2). Für einen Gesamtbetrag von 5000 Schichten ist daher die optimale Anzahl von Zwischenschichten N gleich 50. Die Gesamtanzahl von Schichten, die zu jedem Zeitpunkt gespeichert werden müssen, ist daher 200.
Speicheranforderungen können weiter reduziert werden, indem der zuvor erwähnte Algorithmus ausgedehnt wird auf zwei Niveaus der Zwischenschichten. Wie in 22 gezeigt, setzt sich der Algorithmus in drei Stufen fort, wie es in der Figur mit den identifizierenden Bezugszeichen 90, 91 und 92 dargestellt ist. In der ersten Stufe, die mit dem Bezugszeichen 90 identifiziert ist, wird das erste Niveau der Zwischenschichten bestimmt. In der zweiten Stufe, die mit dem Bezugszeichen 91 dargestellt ist, wird ein zweites Niveau der Zwischenschichten zwischen zweien des ersten Niveaus der Zwischenschichten bestimmt. Dann wird in Stufe drei, die mit dem Bezugszeichen 92 in der Figur dargestellt ist, der vorliegende Gesamtbetrag für all die Schichten zwischen zwei aufeinander folgenden Zwischenschichten des zweiten Niveaus bestimmt und gespeichert. Nach dem Berechnen der Unterstützungen für diese Schichten werden die Daten verworfen und der Vorgang wird für die nächste Zwischenschicht des zweiten Niveaus wiederholt. Wenn all die zweiten Zwischenschichten in Verbindung mit der vorliegenden Zwischenschicht des ersten Niveaus verarbeitet worden sind, wird die nächste Zwischenschicht des ersten Niveaus verarbeitet.
Wenn die Anzahl der Zwischenschichten des ersten Niveaus N ist und die Anzahl der Zwischenschichten des zweiten Niveaus M ist, dann sind die Speicheranforderungen für diesen Drei-Stufen-Prozess (T/N) + (N/M) + 2M. Wenn T = 5000, N = 288 und M = 14 ist, dann ist die Anzahl der Schichten, die zu einem Zeitpunkt gespeichert werden müssen, gleich 66. Da dieser Drei-Stufen-Prozess die Rechenzeit steigert, wird der Zwei-Stufen-Prozess bevorzugt, es sei denn, sehr dünne Schichten oder eine große Anzahl von Schichten sind vorhanden, so dass in diesen Fällen der Drei-Stufen-Prozess bevorzugt sein kann.
Wie diskutiert, bestehen die .RLE-Daten für eine gegebene Schicht aus einem Satz von Start- und Stopp-Übergängen mit einem x-Ort in Verbindung mit jedem Übergang. Die Daten, die in 23 dargestellt sind, entsprechen zum Beispiel den folgenden Start- und Stopp-Orten und Rasterlinien: Rasterlinie A = [(Start 20), (Stopp 48), (Start 60), (Stopp 89)], die jeweils durch die Bezugsziffern 102, 104, 106 und 108 angezeigt sind, und die Rasterlinie B = [(Start 35), (Stopp 72)], die durch die Bezugsziffern 112 und 114 angegeben ist. Ein Verfahren zum Speichern dieser Daten besteht aus einer verbundenen Liste von Start/Stopp-Übergängen, wie sie beispielsweise in dem Pseudocode der 24 dargestellt ist. Verglichen zu einer Gruppierung ist eine verbundene Liste bevorzugt, weil sie leicht die Flexibilität und Variabilität in der Anzahl der Übergänge berücksichtigt, die pro Abtastlinie erforderlich sind. Das Problem besteht darin, dass sie in der Verwendung einer großen Anzahl von dynamisch zugewiesenen kleinen Speicheranteilen resultiert, die zumindest aus drei verschiedenen Gründen die Leistung signifikant verschlechtern können. Erstens ist die dynamische Speicherzuweisung zeitintensiv, da sie Systemaufrufe erfordert. Zweitens umfasst jeder Teil eines dynamischen Speichers verdeckten Speicher-Overhead in Zuordnung damit, der zur Aufrechterhaltung der Verbuchung genutzt wird. Drittens werden logisch angrenzende Bestandteile der Information in nicht-benachbarten Speichern angeordnet, was zu einer großen Anzahl von Hilfsspeicherfehlgriffen führt.
Um diese Probleme zu überwinden, ist eine andere Form der Datenstruktur mehr bevorzugt. Bei einer Auflösung von 1200 DPI kann ein Übergang in einem typischen Teil mit 15 Bits repräsentiert werden. Daher kann ein 32-Bit-Wort (mit zwei Hilfsbits) verwendet werden, um ein Start/Stopp-Paar zu repräsentieren. Diese Datenstruktur ist in dem Pseudocode der 25 dargestellt. Die „letzte" Markierung wird zum Anzeigen verwendet, ob das Start/Stopp-Paar das letzte in dem Satz für eine spezielle Abtastlinie ist. Wenn dies der Fall ist, wird das „letzte" Bit auf eine logische „1" gesetzt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird das Bit auf eine logische „0" gesetzt. In diesem Fall wird das nächste Start/Stopp-Paar in der Sequenz an dem unmittelbar angrenzenden Speicherort gespeichert. Dieses Verfahren ermöglicht große Anzahlen von Übergangspunkten, die in angrenzenden Speicherblöcken gespeichert werden soll, wobei 2 Bytes pro Übergang bereitgestellt werden. Ein Beispiel dieses Verfahrens ist in 26 bereitgestellt, wobei die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen identifiziert sind, wie sie in 23 genutzt werden. Wie gezeigt, besteht die Linie A aus zwei Übergangspaaren: [(Start 20), (Stopp 48)] und [(Start 60), (Stopp 89)], jeweils den Elementen 102, 104, 106 und 108, die, wie gezeigt, in angrenzenden 32-Bit-Worten gespeichert sind. Das „letzte" Bit 122 in dem ersten Wort wird auf eine logische „0" zurückgesetzt, um anzuzeigen, dass zusätzliche Daten für die Abtastlinie folgen, während das „letzte" Bit 124 für das zweite Wort auf eine logische „1" gesetzt wird, um anzuzeigen, dass keine zusätzlichen Daten folgen. Linie B besteht nur aus einem einzelnen Paar von Start/Stopp-Orten, wie angezeigt ist: [(Start 37),(Stopp 78)], wobei jeweils auf die Bezugsziffer 112 und 114 Bezug genommen wird und wobei das letzte Bit 126 auf die logische 1 gesetzt wird, so dass angezeigt wird, dass keine zusätzlichen Daten für die Linie B folgen. Bezugsziffern 132, 134 und 136 beziehen sich auf die anderen verwendeten Bits in Verbindung mit jedem 32-Bit-Wort.
Die .RLE-Daten werden anfänglich nicht erzeugt in dem oben beschriebenen Platz sparenden Format. Statt dessen, wie es in Bezug auf die 13a-13c diskutiert worden ist, werden die Daten in einem angepackten Format erzeugt und dann in das gepackte bzw. Platz sparende Format umgewandelt.
Zusammenfassend wird ein Speicherblock zum Speichern der Übergänge zugewiesen. Zeiger werden dazu verwendet, um anzuzeigen, wo Daten in Verbindung mit jeder Rasterlinie beginnen (Zeiger für „die vorliegende Rasterlinie" und Zei ger für „die vorliegende Liste") und einen Zeiger zum Anzeigen, wo nicht zugewiesener Speicher beginnt (Zeiger für „nächster verfügbarer Ort" oder für „nächster freier Ort"). Jedes Vier-Byte-Wort (32 Bit) in diesem Speicherblock ist derart definiert, dass die ersten 15 Bits dazu verwendet werden, um den x-Ort des Überganges zu speichern, und die zweiten 15 Bits werden dazu verwendet, um den QV des Übergangs zu speichern. Das 31. Bit wird dazu verwendet, um eine „verwendete" Markierung zu definieren, die anzeigt, ob das Wort zugewiesen und verwendet worden ist. Das 32. Bit wird dazu verwendet, um eine Endmarkierung zu definieren, die anzeigt, ob der Eintrag in das Wort der letzte Übergangseintrag für eine gegebene Abtastlinie, für die das Wort zugeordnet wurde, ist oder nicht. Anfänglich kann jede Abtastlinie einem oder mehreren Worten zum Speichern von Daten zugewiesen werden. Wenn Übergänge für jedes Grenzsegment in den Speicherblock eingegeben werden, werden sie den Listen in Verbindung mit den Rasterlinien, von denen sie berechnet sind, hinzugefügt.
Beim Zufügen jedes neuen Übergangspunktes zu den Listen der Rasterlinien können verschiedene Situationen angetroffen werden. Erstens, wenn keine Übergangsdaten in dem Speicherblock in Verbindung mit einer gegebenen Rasterlinie vorhanden sind, werden die Übergangsdaten zu dem Wort in Verbindung mit dem „Zeiger für die vorliegende Liste" für jene Rasterlinie hinzugefügt. Zweitens, wenn die Übergangsdaten bei dem Wort in Verbindung mit dem Zeiger für die vorliegende Liste für die gegebene Rasterlinie existieren, wird das Wort, das dem letzten aufgenommen Speicherpunkt für jene Rasterlinie folgt (d.h. das „folgende Wort" und für jenen Zeiger der vorliegenden Liste), überprüft, um zu sehen, ob es verwendet worden ist. Wenn es nicht verwendet worden ist, werden die neuen Übergangsdaten dort eingegeben. Drittens, wenn das „folgende Wort" besetzt ist, dann wird das Wort vor dem Zeiger der vorliegenden Liste (d.h. das „vorhergehende Wort") überprüft, um zu sehen, ob es verwendet wird. Wenn es nicht verwendet wird, werden der Zeiger der vorliegenden Liste und alle registrierten Übergangsdaten (für die Rasterlinie) um ein Wort versetzt und die neuen Daten des Übergangspunktes werden am Ende der verschobenen Liste hinzugefügt.
Viertens, wenn das „vorhergehende Wort" besetzt ist, werden alle Übergangsdaten für die Rasterlinie (umfassend den Zeiger der vorliegenden Liste für diese Linie) zu dem Wort bewegt, das durch den Zeiger „nächster verfügbarer Ort" markiert ist; die neuen Übergangsdaten werden hinzugefügt, die ursprünglichen Wortorte der Übergänge werden als verfügbar zum Hinzufügen neuer Daten markiert und der Zeiger für den „nächsten verfügbaren Ort" wird zu dem Ort bewegt, der den gerade bewegten Worten und dem hinzugefügten Wort folgt.
Verschiedene Modifikationen des oben dargestellten Vorgehens können durchgeführt werden. Zum Beispiel können Worte unterschiedlicher Größe verwendet werden, Bitzuweisungen können variiert werden, anfängliche Zuweisungsbeträge für jede Rasterlinie können variiert werden, anfängliche Zuweisungen für jede Rasterlinie können verhindert werden und Speicherorte, die als zusätzliche Rasterlinien zugewiesen sind, werden verwendet, um die Eingabesegmente vollständig zu verarbeiten, zusätzliche Schritte können zur besseren Steuerung des verwendeten Speichers hinzugefügt werden und dergleichen.
Der oben beschriebene Prozess ist in der folgenden Beschreibung und den zugeordneten Figuren beispielhaft erklärt. Die 27a und b basieren auf den gleichen Daten, die in der 13 gefunden werden, und aus diesem Grund wird auf ähnliche Elemente mit den gleichen identifizierenden Bezugsziffern Bezug genommen, die den Prozess illustrieren. Ein großes Gebiet des Speichers 93 ist zugewiesen, um die .RLE-Übergänge zu speichern, und der Zeiger 101 wird dazu verwendet, um das nächste verfügbare Speicherwort (32 Bits) anzuzeigen. In diesem Beispiel umfasst das Wortformat die folgende Bitzuweisung: Die ersten 15 Bits 142 speichern den verwendeten Wert, um den x-On des Übergangs zu speichern, die zweiten 15 Bits 144 speichern den Wert des QV des Übergangs. Das 31. Bit 146 ist die „verwendete" Markierung, die anzeigt, ob das Wort zugewiesen und verwendet worden ist. Das 32. Bit 148 ist die letzte Markierung oder die „End"-Markierung, die anzeigt, ob dies oder ob dies nicht der Übergang des zuletzt gespeicherten Übergangs für die Rasterlinie ist.
27a stellt die Situation dar, bevor jegliche Übergangsdaten zu dem Speicher 93 hinzugefügt werden. Aus Verfahrensgründen, wie hiernach klargemacht werden wird, ist das erste Wort in dem Gebiet 93, wie gezeigt, als verwendet markiert. Der Zeiger für den „nächsten freien Ort" 101 zeigt auf das zweite Wort in dem Gebiet. Als nächstes wird eine Gruppierung 58 von Zeigern angelegt, wobei alle Zeiger mit ihren auf null gesetzten „verwendet"-Bits initialisiert werden. Wie oben diskutiert wurde, ist jeder Zeiger mit einer Abtastlinie verbunden und jeder Zeiger wird dazu verwendet, um den Speicherort für das erste Wort (d.h. für den ersten Übergang) verbunden mit jener Abtastlinie zu lokalisieren. Dieser Zeiger wird als der Zeiger der „vorliegenden Liste" bezeichnet, weil er auf das erste Wort in der Liste der Übergänge verbunden mit der vorliegenden Abtastlinie, die betrachtet wird, zeigt. Um einen Übergang für eine spezielle Abtastlinie zu der Gruppierung hinzuzufügen, wenn sich der Zeiger in der Gruppierung auf einem Wort mit einem „verwendet"-Bit befindet, das auf eine logische 0 gesetzt ist, wird der Ort des Zeigers als frei betrachtet und der Übergang wird jenem Wort des Speichers zugewiesen. 27b illustriert die Situation, wobei ein erster Übergang in den Speicher für fünf Abtastlinien eingegeben worden ist.
Der Vorgang des Hinzufügens eines Übergangs für eine Abtastlinie, die eine Nicht-Null-„verwendet"-Markierung in der Position des Zeigers 94 der „vorliegenden Liste" aufweist, ist in 28a und b illustriert. 28a stellt zwei Worte 150 und 160 dar, die bereits als gehörig zu der Abtastlinie in Verbindung mit dem Zeiger 94 der vorliegenden Liste eingegeben wurden. Das Wort 150 umfasst Bitzuweisungen 150, 154, 156 und 158 mit den gleichen Definitionen in Verbindung mit den Bits 142, 144, 146 und 148 der 27b. In ähnlicher Weise umfasst das Wort 160 die Bitzuweisungen 162, 164, 166 und 168. Die Elemente 156 und 166 geben die Werte der „verwendet"-Markierung an. Die Elemente 158 und 168 zeigen an, ob oder ob nicht das Wort (d.h. der Übergang) die letzte Übertragung ist, die soweit in der vorliegenden Liste gespeichert worden ist. Wie man erkennen kann, zeigt das Element 158 an, dass das Wort 150 nicht das letzte Wort ist, wobei 168 anzeigt, dass 160 das letzte verwendete Wort in der vorliegenden Liste ist. Zuerst wird die „verwendet"-Markierung in dem nächsten Wort 170 nach dem Ende der vorliegenden Übergangsliste, deren Markierung mit dem Bezugszeichen 96 in der 28a identifiziert ist, überprüft, um zu erkennen, ob das Wort verfügbar ist. Wenn die „verwendet"-Markierung auf die logische 0 gesetzt ist, ist das Wort zum Speichern neuer Übergangsdetails verfügbar. Wenn es auf die logische 1 gesetzt ist, ist das Wort nicht verfügbar. Wenn es verfügbar ist, wie es in der 28a gezeigt ist, dann können die neuen Übergangsdetails in diesem Wort angeordnet werden. Die vorliegende Liste, die durch das Hinzufügen eines neuen Überganges modifiziert ist, ist in der 28b dargestellt. In 28b sind die neuen Übergangsdetails 97 zu dem Wort 170 hinzugefügt, der Wert des Elementes 168 der „End"-Markierung wird von „1" zu „0" geändert und dem Element 178 der Endmarkierung des Wortes 170 wird der Wert „1" gegeben, da 170 nun das Endwort der vorliegenden Liste ist.
Wenn das nächste Wort nach dem Ende der vorliegenden Übergangsliste nicht verfügbar ist, dann wird die Verfügbarkeit des unmittelbar vorhergehenden Wortes vor dem Anfang der vorliegenden Übergangsliste überprüft. Dieses Überprüfen findet statt, indem der Wert der „verwendet"-Markierung dieses unmittelbar vorhergehenden Wortes ausgewertet wird. Wenn es verfügbar ist (angezeigt durch einen „0"-Wert), dann wird die vollständige Liste um ein Wort zurück umgeordnet und der neue Übergang wird in dem Wort platziert, das gerade gelöscht worden ist. Dieser Vorgang ist in den 29a – 29b dargestellt, in denen, verglichen zu den 28a – 28b, auf ähnliche Elemente mit den gleichen identifizierenden Bezugszeichen Bezug genommen wird. Wie in 29a gezeigt ist, ist der Zeiger der „vorliegenden Liste" dem Wort 150 und die Listenenden dem Wort 160 zugeordnet und das nächste Wort nach dem Ende der vorliegenden Liste, das in der Figur mit dem Bezugszeichen 170 identifiziert ist, ist nicht verfügbar (wegen des Wertes „1" in dem Element 176), während das Wort kurz vor dem Anfang der Liste, das mit dem Bezugszeichen 180 identifiziert ist, verfügbar ist (wegen des Wertes „0" in dem Element 186). Die Konsequenzen dieser Bewertungen sind in der 29b gezeigt, wobei die Übergangswerte, die zuvor mit den Worten 150 und 160 in Verbindung standen, verschoben sind, um jeweils mit den Worten 180 und 150 verbunden zu sein. Der Zeiger der „vorliegenden Liste" wird ebenfalls auf das Wort 180 verschoben und die neuen Übergangsinformationen werden dem nun verfügbaren Wort 160 hinzugefügt. Als ein weiteres Ergebnis bleibt die „End"-Markierung in Verbindung mit dem Wort 160 bestehen, obwohl es nicht länger mit dem Übergang bei dem x-Wert 60 (vorhergehendes Element 162, neues Element 152) verbunden ist, wobei es jedoch statt dessen mit dem Übergang bei dem x-Wert 12 (vorhergehendes Element 172, neues Element 162) verbunden ist. Mit anderen Worten wird die vollständige vorliegende Liste um ein Wort zurück umgeordnet und der neue Übergang 97 wird an dem frei gewordenen Ort gespeichert.
Wenn kein Platz vor oder hinter der vorliegenden Übergangsliste (d.h. dem Wort unmittelbar vorhergehendem Zeiger der vorliegenden Zeiger und dem Wort unmittelbar folgend dem Wort, das das wahre Ende der Listenmarkierung enthält) vorhanden ist, dann wird die vollständige vorliegende Liste in den Raum kopiert, der mit dem Wort beginnt, das durch den Zeiger „nächster verfügbarer Ort" indiziert ist, und der neue Übergang wird dem Ende dieser kopierten Liste hinzugefügt. Die „verwendet"-Markierungen der ursprünglichen Speicherworte, in denen die Liste gespeichert war, werden dann zurückgesetzt, um anzuzeigen, dass diese ursprünglichen Speicherworte nun verfügbar sind zur Verwendung durch Abtastlinienlisten, die diesen Originalorten unmittelbar vorhergehen und unmittelbar folgen. Dieser Vorgang ist in den 30a – 30b illustriert, in denen, relativ zu den 28a – 28b, 29a – 29b auf gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern Bezug genommen wird.
30a stellt dar, dass das Wort 170 nach dem Ende 160 der vorliegenden Liste sowie das Wort 180 vor dem Wort 150, das den Zeiger der vorliegenden Liste enthält, beide aufgrund der „verwendet"-Markierungen 176 und 186, die auf „1" gesetzt sind, nicht verfügbar sind. Die 30a stellt weiter das Wort 200 dar, wo der Zeiger „nächster verfügbarer Ort" vorgefunden wird. Das Wort 200 folgt den bereits eingegebenen Übergangspunkten für alle Abtastlinien. Konsequenterweise können keine neuen Übergänge für die vorliegende Abtastlinie in die nachfolgenden Speicherorte jener Orte 150 und 160 eingegeben werden, da diese bereits Übergänge verbunden mit den Abtastlinien enthalten. Wie in der 30b dargestellt, wird die vollständige vorliegende Liste (Übergänge, die ursprünglich in den Worten 150 und 160 angeordnet waren) in das Gebiet beginnend mit dem Wort 200 kopiert, auf das durch den Zeiger 101 für den nächsten freien Ort gezeigt wird. Die „verwendet"-Markierungen in dem alten Speicher, die durch die Bezugsziffer 100 in der 30b identifiziert ist, wird zurückgesetzt, um anzuzeigen, dass dieser Speicher nun verfügbar ist. Der Zeiger 94 der vorliegenden Liste wird aktualisiert, um auf das Wort 200 zu zeigen, wobei der neue Übergang 97 zu dem Ende der Liste bei dem Wort 220 hinzugefügt wird. Der Zeiger des „nächsten verfügbaren Ortes", der durch das Bezugszeichen 101 identifiziert ist, wird dann aktualisiert, um auf das Wort 230 unmittelbar folgend auf das Wort 220 zu zeigen, das den zuletzt eingegebenen Übergang 97 (d.h. das Ende der Liste) enthält. Natürlich können, wenn gewünscht, ein oder mehrere leere Wörter zwischen dem zuletzt eingegebenen Übergang 97 bei dem Wort 220 und dem Wort, auf das der Zeiger für den „nächsten verfügbaren Ort" zeigt, leer belassen werden.
Dieses Verfahren ist insbesondere effizient aufgrund des Wesens der .RLE-Daten. Da die Daten dazu verwendet werden, feste geometrische Objekte zu beschreiben, ist die Anzahl der Übergänge auf einer speziellen Abtastlinie gewöhnlich die gleiche wie die Anzahl der Übergänge auf einer benachbarten Linie. Diese Eigenschaft ist in 31 dargestellt. Ein Objektquerschnitt ist von oben dargestellt, wobei beabstandete Raster- oder Abtastlinien gezeigt sind. An der rechten Seite jeder Abtastlinie ist die Anzahl der Übergänge in Verbindung mit dieser Abtastlinie gezeigt. Wenn es daher gewünscht ist, einen Übergang zu einer speziellen Abtastlinie hinzuzufügen, ist es wahrscheinlich, dass ein Übergang zu einer benachbarten Abtastlinie hinzugefügt wird. Wenn ein Speichergebiet gelöscht wird, wie es in den 30a – 30b und in dem in Verbindung stehenden begleitenden Text beschrieben ist, ist es wahrscheinlich, dass die benachbarte Liste Übergänge haben wird, die in diesem Gebiet gespeichert werden können, wie es in den 28a – 28b und 29a – 29b und in dem in Verbindung stehenden begleitenden Text dargestellt ist. Große Gruppierungen von Speicher entwickeln daher weniger Lücken, als mit beliebigen Daten auftreten würden. Es werden zudem weniger Verluste von den im Cache gespeicherten Daten auftreten.
Wenn alle Segmente verarbeitet worden sind, werden die resultierenden Listen in der x-Richtung sortiert. Die korrekt logisch verarbeiteten Linien werden dann in der Weise extrahiert, die zuvor beschrieben wurde, und die extrahierten Linien werden dann in einem platzsparenden bzw. gepackten Format, wie zuvor beschrieben, gespeichert.
Diese Ausführungsform arbeitet direkt auf einer .STL-Datei, ohne dass das Runden von Scheitelpunkten auf die Schnittebenen notwendig ist, und daher vermeidet es zumindest einige Quantifizierungsfehler. Einige vertikale und horizontale Quantifizierungsfehler werden jedoch eingebracht durch das Erzeugen der .RLE-Daten, weil Schnittebenen nur an diskreten Niveaus in der vertikalen Richtung angeordnet werden und weil horizontale Übergänge auf die Pixelgrenzen begrenzt sind. Ein Beispiel dieser Ergebnisse ist in 32 dargestellt, die die Quantifizierungsentscheidungen in Verbindung mit dem Repräsentieren der An/Aus-Übergangspunkte 322, 324, 326, 328, 330, 332 und 334 für die Rasterlinien 302, 304, 306, 308, 310, 312 und 314 repräsentiert. Die Mittellinie jeder Rasterlinie ist jeweils durch gestrichelte Linien in Verbindung mit dem Grenzsegment 300 dargestellt, die durch eine Mehrzahl von Pixeln kreuzt. In der Figur wird die Region auf der rechten Seite der Linie als innerhalb des Objektes angeordnet angesehen und die Region auf der linken Seite wird als außerhalb des Objektes liegend angesehen. Für jede Rasterlinie kann nur ein Übergangspixel ausgewählt werden, um den Rand des Objektes zu repräsentieren, unabhängig davon, wie viele Pixel auf dieser Linie durch die Grenze geschnitten werden. Obwohl viele Wege vorhanden sind, um zu bestimmen, welche Pixel die Grenze des Objektes bilden werden, wählt die dargestellte Herangehensweise den Grenzpixel für eine gegebene Rasterlinie als den Pixel aus, der sowohl das Liniensegment als auch die Mittellinie der Rasterlinie enthält. In dem Fall, dass die Mittellinie der Rasterlinie genau die Grenze zwischen zwei Pixeln trifft, wird eine Entscheidung dahingehend getroffen, ob oder ob nicht das Gewicht auf das Objekt (d.h. fest) oder das Nicht-Objekt (d.h. hohl) zu legen ist. Wie für die Rasterlinien 302, 306, 310 und 314 dargestellt ist, wurde die Entscheidung, das Gewicht auf hohl zu legen, gefällt.
Eine Anzahl von Alternativen zur Übergangsauswahl existiert. Beispielsweise kann man wählen, um den Festkörper zu betonen, dass ein Übergang ausgewählt wird, der derart stattfindet, dass jeder Pixel, durch den die Linie läuft, als ein Teil des Objektes gezählt wird. Umgekehrt kann man wählen, um das Hohle zu betonen, dass der Übergang ausgewählt ist, derart stattzufinden, dass nur jene Pixel, die vollständig innerhalb der Objektgrenze liegen, als ein Teil der festen Region enthalten sind. Als eine Zwischenalternative kann man einen Mittelwert der Übergänge der vorhergehenden zwei Alternativen nutzen. Andere Verfahren zum Bestimmen der Übergangsorte können Bestimmungen von Prozentanteilen des Gebietes des Festkörpers oder des Hohlkörpers für Pixel der Grenzregion berücksichtigen und dergleichen. Eine Implementierung einiger dieser Techniken kann unterstützt werden durch die Verwendung der Techniken, die in den zuvor referenzierten Patenten und Anmeldungen beschrieben sind, insbesondere in denen, die die Schneidtechniken verwenden. Als ein abschließendes Beispiel kann eine Alternative das Subunterteilen eines Pixels beinhalten und auf einer Entscheidung basieren, die darauf ausbaut, ob das Segment ein oder mehrere Subpixel schneidet. Welche Herangehensweise jedoch. auch immer verwendet wird, Konsistenz ist wünschenswert in der Herangehensweise, die in Verbindung sowohl mit dem Teil als auch mit den Unterstützungen verwendet wird.
Datenkompensationstechniken
Die Kompensation wird einfach geleistet, indem die Endpunkte der Übergänge nach innen oder außen bewegt werden, wobei im Gedächtnis behalten werden muss, dass Endpunkte von angrenzenden Segmenten nicht gekreuzt werden sollten. Um zu verhindern, dass die Berührung einer Unterstützung mit einem Teil auftritt, können zum Beispiel die .RLE-Daten für das Teil ausgedehnt und dann boolesch von den vorliegenden Gesamtdaten subtrahiert werden, um die für die Unterstützungsregion beschreibenden .RLE-Daten zu erhalten. Alternativ könnten die vorliegenden Gesamtdaten erweitert werden und die Unterstützungsdaten könnten als die boolesche Differenz zwischen den erweiterten vorliegenden Gesamtdaten und den Teildaten berechnet werden. Oder die Unterstützungsdaten könnten berechnet werden als die boolesche Differenz zwischen den vorliegenden Gesamtdaten und den Teildaten. Dann werden die Unterstützungsdaten erweitert. Die tatsächlichen Unterstützungsdaten werden dann als die boolesche Differenz zwischen den erweiterten Unterstützungsdaten und den ursprünglichen Teildaten berechnet.
Kompensation zum Einstellen der Tropfengröße entlang der Abtastrichtung ist leicht durchzuführen, solange die DPI eine höhere Auflösung aufweisen als der Tropfendurchmesser. Kompensation in der y-Richtung ist schwieriger, kann jedoch ebenfalls durch das Fortschreiten in kleineren Inkrementen als 300 DPI verwirklicht werden.
Es ist nützlich, in der Lage zu sein, die .RLE-Daten in Vektordaten zu übertragen. Wie in 33 gezeigt ist, beinhaltet die Technik das Verbinden von zwei aufeinander folgenden „An"-Punkten oder von zwei aufeinander folgenden „Aus"-Punkten, um Vektoren zu bilden, es sei denn, dass ein Zwischenpunkt zwischen den beiden vorhanden ist, in welchem Fall die Verbindung nicht gestattet ist. In 33 ist es zum Beispiel gestattet, den Punkt a und den Punkt a' zu verbinden, wobei es jedoch nicht gestattet ist, den Punkt a und den Punkt c zu verbinden. Der Grund besteht darin, dass der Punkt b zwischen den beiden angeordnet ist.
Erzeugung von Unterstützungsdaten
Ein bevorzugter Vorgang zum Erzeugen von Daten für Unterstützungsstrukturen wird nun beschrieben werden. Der Vorgang beginnt mit Daten, die von den oben beschriebenen Datenverarbeitungstechniken bereitgestellt werden. Wie oben beschrieben, stellt das Subsystem für die Datenverarbeitung Objektdaten (d.h. Teildaten) und „Gesamt"-Daten für jede Schicht bereit. Die Teildaten für eine gegebene Schicht sind eine Reihe von Start- und Stopp-Punkten in angrenzenden Rasterlinien, die die XY-Orte des Teils auf jener Schicht definieren. Die „Gesamt"-Daten für eine gegebene Schicht sind eine Reihe von Start- und Stopp-Punkten in angrenzenden Rasterlinien, die die boolesche Vereinigung zwischen den XY-Orten des Teils auf jener Schicht und jeder gewünschten Unterstützung an dieser Schicht definieren.
Solche Daten sind in den 34a – 34c dargestellt. 34a illustriert die Teildaten P[1] bis P[10] für jeweils jede Schicht 1 bis 10 (d.h. Querschnitte, Lagen) für ein „Erdnuß"-geformtes Teil, das fließend in der z-x-Ebene gezeigt ist. In 34a ist nur eine einzelne .RLE-Linie für jeden der Querschnitte P[1] bis P[10] gezeigt. Die Startübergänge sind mit dem "⊢"-Symbol identifiziert, während die Stoppübergänge mit dem "⊣"-Symbol gekennzeichnet sind. Wie man erkennen kann, verlaufen die Teildaten entlang der Grenze (d.h. der Ausdehnung) des Teils.
34b illustriert die „Gesamt"-Daten T[1] bis T[10] für jeweils jede Lage 1 bis 10 für das Teil. Es ist ebenfalls in Begriffen der Start- und Stopp-Übergänge definiert. Jedoch unähnlich den Teildaten verlaufen sie nicht notwendiger Weise entlang der Grenze des Teils. Wie oben diskutiert wurde, sind die „Gesamt"-Daten für eine gegebene Schicht die boolesche Vereinigung der Teildaten für all die Schichten oberhalb der gegebenen Schicht.
34c illustriert eine Querschnittsansicht (in der X-Y-Ebene) von sowohl dem Teil und den Gesamtdaten einer gegebenen Schicht. Diese Daten, die jeweils als P[i] und T[i] identifiziert sind, umfassen eine Mehrzahl von Start- und Stopp-Übergängen, die entlang von Mehrfachlinien (hash lines) H[i] in der X-Y-Ebene angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform würden die Mehrfachlinien parallel zu der x-Achse orientiert sein. Wie jedoch angezeigt ist, sind andere Orientierungen der Mehrfachlinien möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die kombinierten Objekt- und Gesamtdaten dazu verwendet, um die Start- und Stopp-Übergänge für die Unterstützungen auf einer Schicht pro Zeit zu bestimmen. Wenn ein einzelner Typ einer Unterstützung in allen Regionen verwendet werden soll, die Unterstützungen erfordern, kann ein einzelner Unterstützungsstil definiert werden, der auf jede Schicht in der Region angewandt wird, die als die Differenz zwischen den Gesamtdaten für eine Schicht und den Teildaten für jene Schicht definiert ist. Andererseits, wie es in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/534,813 diskutiert wird, kann es vorteilhaft sein, unterschiedliche Typen von Unterstützungsstrukturen für unterschiedliche Orte in Abhängigkeit davon zu verwenden, wie nah oder wie weit entfernt irgendwelche aufwärts zeigenden und/oder abwärts zeigenden Oberflächen des Objektes sind. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, unterschiedliche Unterstützungsstile in Abhängigkeit davon zu verwenden, wie weit die Region von den Objektgrenzen auf der gleichen Schicht entfernt ist. Techniken zum Ausführen horizontaler Vergleiche sind in der oben referenzierten US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/427,951 beschrieben, die auf die vorliegende Erfindung anwendbar sind, um beim Definieren von Unterstützungsregionen zu helfen. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, zwei unterschiedliche Unterstützungsstile zu verwenden, wobei einer verwendet wird, wenn eine Region einige Schichten unterhalb einer abwärts zeigenden Oberfläche angeordnet ist, und wobei einer anderswo verwendet wird. Alternativ können zwei physikalische Unterstützungsstile verwendet werden in Kombination mit einem dritten „Nicht-Unterstützungs"-Stil, wobei der Nicht-Unterstützungsstil auf die Region ange wandt werden kann, die sich innerhalb der ein oder zwei Pixel Grenzregionen des Teils befindet, oder wobei die Teiloberfläche oberhalb des Objektes eine; Nominale zu der Vertikalen ist, die größer als ein kritischer Winkel ist. Viele zusätzliche Ausführungsformen, die mehrfache Unterstützungsstile verwenden, sind möglich und sie können ohne Weiteres implementiert werden durch die Lehren hierin und durch jene der US-Patentanmeldungen mit den Nr. 08/475,730; 08/480,670; 08/428,951 und 08/428.950. Die Anmeldung 08/475,730 ist in dem oben erwähnten US Patent 5 854 748 aufgegangen und die Anmeldung 08/480,670 ist in dem US Patent 5 870 307 aufgegangen, das von dem US Patent 5 194 307 abgeleitet worden ist. Zusätzlich können die Lehren hierin darauf angewandt werden, was als Unterstützungen für das innere Objekt bezeichnet wird, wobei einzelne oder mehrfache Unterstützungsstile in dem Prozess zum Bilden innerer Abschnitte des Objektes verwendet werden können. Beispiele derartiger Techniken, wie sie in der Stereolithographie zum Zwecke des Herstellens von Genaugussmustern angewandt werden, sind in der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 08/428,950 beschrieben, die zuvor aufgenommen wurde.
Um weiter zu erklären, wie man Daten für unterschiedliche Unterstützungsregionen definieren kann, wird das folgende Beispiel angegeben, das denn Misch-Unterstützungsbeispiel entspricht, das in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/534/813 beschrieben ist. In den Begriffen dieses Beispiels erkennt man drei Kategorien von Unterstützungen: (1) dünne, faserähnliche Säulen, die in einem Schachbrettmuster beabstandet sind; (2) haltbarere 3 × 3-Pixel-Säulen-Unterstützungen; und (3) Zwischen- oder Übergangsschichten.
Es wird angenommen, dass die Schicht "n" aufzubauen ist, wobei die Technik das Bestimmen beinhaltet, wie nahe jeder Abschnitt der Schicht „n" zu einer aufwärts zeigenden und/oder abwärts zeigenden Oberfläche des Objektes ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist, wenn ein Abschnitt der Schicht „n" innerhalb von „r" Schichten (z.B. 5-10 Schichten) einer abwärts zeigenden Oberfläche oder innerhalb von „u" Schichten (z.B. 5-10 Schichten) einer aufwärts zeigenden Ober fläche ist, die Schachbrettkategorie der Unterstützungen für jenen Abschnitt aufzubauen; wenn zwischen „s" (s=r+1) und „t" Schichten von einer abwärts zeigenden Oberfläche (z.B. 6-10 oder 11-15 Schichten) und mehr als „u" Schichten (z.B. 5-10 Schichten) von einer aufwärts zeigenden Oberfläche ein Bereich angeordnet ist, dann ist die Zwischen- oder Brückenkategorie der Unterstützungen aufzubauen; und wenn mehr als „u" Schichten (z.B. 5-10 Schichten) von einer aufwärts zeigenden Oberfläche und mehr als „t" Schichten (z.B. 10-15 Schichten) von einer abwärts zeigenden Oberfläche vorhanden sind, dann ist die 3 × 3-Säulen-Unterstützung aufzubauen.
Das obige Beispiel ist in den 46a und 46b dargestellt, die identische Seitenansichten eines Objektes mit einer Lücke zwischen einer aufwärts zeigenden Oberfläche und einer abwärts zeigenden Oberfläche eines Objektes darstellen. 46a stellt die Seitenansicht zusammen mit hypothetischen Niveaus und Regionen dar, auf denen die Bildung von unterschiedlichen Unterstützungsstrukturen basiert sein wird. 46b stellt die Seitenansicht dar, wobei die Lücke mit verschiedenen Typen von Unterstützungsstrukturen gemäß der Gestaltung der hypothetischen Niveaus und Regionen der 46a gefüllt ist.
46a stellt spezifischer eine abwärts zeigende Objektoberfläche 402 und eine aufwärts zeigende Objektoberfläche 400 dar, die durch eine Beabstandung getrennt sind, die die Regionen 404, 410, 408 und 406 umfasst. Die Region 404 ist innerhalb der „u" Schichten der aufwärts zeigenden Oberfläche 400 angeordnet und die Region 406 ist innerhalb der „r" Schichten der abwärts zeigenden Oberfläche 402 angeordnet. Die Region 408 ist zwischen den „r" und den „t" Schichten von der abwärts zeigenden Oberfläche 402 angeordnet und sie ist gleichzeitig mehr als „u" Schichten von der aufwärts zeigenden Oberfläche 400 angeordnet. Die Region 410 ist gleichzeitig mehr als „u" Schichten von der aufwärts zeigenden Oberfläche 400 und mehr als „t" Schichten von der abwärts zeigenden Oberfläche 402 angeordnet. Region 404 und 406 müssen mit Unterstützungen des Schachbretttyps gebildet werden, Region 408 ist mit Unterstützungen des Über gangstyps zu bilden (z.B. vollständig verfestigt) und Region 410 ist mit den 3 × 3-Säulen-Unterstützungen zu bilden. Es wird gezeigt, dass sich die Schichten 414, 412, 424 und 416 jeweils vollständig in den Regionen 404, 406, 408 und 410 befinden. Daher werden diese Schichten mit einem einzigen Typ einer Unterstützungsstruktur über das ganze Gebiet gebildet werden. Andererseits sind die Schichten 418, 420 und 422 derart gezeigt, dass sie teilweise jeweils in der Regionen 404 und 410, 410 und 408 und 408 und 406 angeordnet sind. Daher werden diese Schichten mit unterschiedlichen Typen von Unterstützungsstrukturen gebildet, die von dem XY-Ort jedes Abschnitts der Schichten abhängt.
46b stellt feste Objektregionen 432 und 430 dar, die jeweils oberhalb und unterhalb der abwärts zeigenden Oberfläche 402 und der aufwärts zeigenden Oberfläche 400 angeordnet sind. Die Regionen 404 und 406 sind als mit Schachbrettmuster-Unterstützungen (ein Pixel an, ein Pixel aus) gefüllt angezeigt. Die Region 410 ist als mit den 3 × 3-Säulen-Unterstützungen (3 Pixel an, ein Pixel aus) gefüllt angezeigt. Die Region 408 ist als durch eine feste Region von Unterstützungen gefüllt angezeigt.
Diese Ausführungsform kann in Gleichungsform präsentiert werden. Bei der Präsentation dieser Gleichungen wird die folgende Terminologie verwendet:
C_n(D): die Gebietselemente der Schicht n, über der die „Schachbrett"-Kategorie der Unterstützungen aufgebaut werden sollte, wie sie von den abwärts zeigenden Oberflächen bestimmt wurde.
C_n(U): die Gebietselemente der Schicht n, über der die „Schachbrett"-Kategorie der Unterstützungen aufgebaut werden sollte, wie sie von den aufwärts zeigenden Oberflächen bestimmt wurde.
B_n(D): die Gebietselemente der Schicht n, über der die „Brücken"-Kategorie der Unterstützungen aufgebaut werden sollte, wie sie von den abwärts zeigenden Oberflächen bestimmt wurde.
S_n: die Gebietselemente der Schicht n, über der die 3 × 3-Pixel-Säulen-Kategorie der Unterstützungen aufgebaut werden sollte.
P_I: die Gebietselemente des Teils auf dem Querschnitt „I".
P_n: die Gebietselemente des Teils auf dem Querschnitt „n".
T_n: die Gebietselemente der Gesamtdaten auf dem Querschnitt „n".
Σ: die boolesche Summation der Gebietselemente.
+: die boolesche Vereinigung der Gebietselemente.
–: die boolesche Differenz der Gebietselemente. ⌒: die boolesche Schnittmenge der Gebietselemente.
r: die Anzahl der Schichten unterhalb eines abwärts zeigenden Merkmals, die mit den Schachbrettunterstützungen gebildet werden.
u: die Anzahl der Schichten oberhalb eines aufwärts zeigenden Merkmals, die mit den Schachbrettunterstützungen gebildet werden.
s: r+1 = die Anzahl der Schichten unterhalb einer aufwärts zeigenden Oberfläche, an der Unterstützungen des Übergangstyps enden.
t: die Anzahl der Schichten unterhalb einer abwärts zeigenden Oberfläche, an der Unterstützungen des Übergangstyps beginnen.
In Anbetracht dieser Terminologie definieren die folgenden Gleichungen das bevorzugte Verfahren zum Bestimmen der Unterstützungen für die Schicht „n" gemäß dem Ausführungsbeispiel:
Gleichung (1) zeigt an, dass das Gebiet der Schicht „n", über dem die Schachbrettkategorie der Unterstützungen aufgebaut werden sollte, wie von den abwärts zeigenden Oberflächen bestimmt wurde, dadurch berechnet wird, dass die boolesche Vereinigung der Teildaten der „r" Schichten oberhalb der Schicht „n" genommen wird und dass dann die boolesche Differenz zwischen den Daten berechnet wird, die dieses vereinigte Gebiet repräsentieren, und den Teildaten für die Schicht „n".
Gleichung (2) zeigt an, dass das Gebiet der Schicht „n", über dem die Schachbrettkategorie der Unterstützungen aufgebaut werden sollte, wie von den aufwärts zeigenden Oberflächen bestimmt wurde, dadurch berechnet wird, dass die boolesche Vereinigung der Teildaten der „u" Schichten unterhalb der Schicht „n" genommen wird, die boolesche Differenz zwischen den Daten, die dieses vereinigte Gebiet repräsentieren und den Teildaten für die Schicht „n" berechnet wird und dass dann die Schnittmenge zwischen diesen Daten und den Gesamtdaten für die Schicht „n" berechnet wird. Der Zweck dieser letzten Berechnung besteht darin, das Aufbauen von Unterstützungen zu verhindern, wenn tatsächlich keine Teilschichten über der Schicht „n" vorhanden sind.
Gleichung (3) zeigt an, dass das Gebiet auf der Schicht „n", über der die Brückenunterstützungen aufgebaut werden sollten, wie von den abwärts zeigenden Oberflächen bestimmt wurde, berechnet wird durch 1) die boolesche Summation der Teildaten der Schichten „s" bis „t" oberhalb der Schicht „n" und 2) dann werden von den summierten Daten des Schrittes 1 subtrahiert: t, die Daten, die die Gebiete repräsentieren, über denen die Schachbrettunterstützungen auf der Schicht n gebaut werden (unterhalb der abwärts zeigenden und oberhalb der aufwärts zei genden Oberflächen) und die Daten, die für die Gebiete repräsentativ sind, über denen das Teil selbst aufgebaut wird auf der Schicht „n". Im Wesentlichen begründet diese Gleichung eine Priorität zwischen den Brücken- und Schachbrettunterstützungen. Es erfordert, dass in Gebieten, die sowohl in den „u" Schichten einer aufwärts zeigenden Oberfläche und innerhalb der „s" bis „t" Schichten einer abwärts zeigenden Oberfläche (wie beispielsweise ein Gebiet unterhalb einer kontinuierlich gekrümmten Oberfläche) liegen, die Priorität dem Aufbauen der Schachbrettunterstützungen zugeordnet wird.
Abschließend stellt Gleichung (4) bereit, dass das Gebiet auf der Schicht „n", über dem die 3 × 3-Pixel-Säulen-Unterstützungen aufzubauen sind, dadurch bestimmt wird, dass die Gesamtdaten für die Schicht „n" genommen werden und die boolesche Differenz zwischen diesen Daten und 1) den Teildaten für die Schicht „n", 2) den Daten, die für das Gebiet oder die Gebiete der Schicht „n" repräsentativ sind, über denen die Schachbrettunterstützungen aufzubauen sind, und 3) den Daten, die für das Gebiet oder die Gebiete der Schicht „n" repräsentativ sind, über denen die Brückenunterstützungen aufzubauen sind.
Wie aus der obigen Diskussion offensichtlich ist, können die Gleichungen für verschiedene Regionen definiert werden, wo unterschiedliche Typen von Unterstützungsstrukturen gegebenenfalls gebildet werden sollen. 37 stellt einen Bogentyp einer Unterstützungsstruktur dar, der ein unterschiedliches Aufbaumuster erfordert, wenn man sich schrittweise einer abwärts zeigenden Oberfläche 24 nähert. Wie angezeigt ist, beginnt der Bogentyp der Unterstützung an der Oberfläche 23, die die Oberfläche einer Aufbauplattform, einer aufwärts zeigende Oberfläche des Objektes oder eine Oberfläche in Verbindung mit den zuvor gebildeten Unterstützungen sein kann. Wenn dies der Fall ist, ist diese Unterstützungsstruktur eine Misch-Unterstützung mit vielen (z.B. 10 oder mehr) unterschiedlichen Unterstützungsstilen, die für seine Bildung erforderlich sind. Natürlich würde es möglich sein, eine Anzahl von Schichten der Schachbrettunterstützungen zwi schen den Oberseiten der Bögen und den abwärts zeigenden Oberflächen hinzuzufügen, die unterstützt sind.
Sobald diese Daten bestimmt worden sind, besteht der nächste Schritt in diesem Vorgang darin, die Daten zum Ausgeben an den Steuercomputer zu formatieren. Wie diskutiert wurde, wird der Steuercomputer diese Daten sowie Objektdaten in die Bitmap laden, um den Druckkopf sowie die X-, die Y- und die Z-Bühne anzutreiben.
Für diesen Zweck werden Stildateien verwendet, eine für jede Kategorie der Objektstruktur und der Unterstützungsstruktur. Eine Stildatei für einen gegebenen Objekt- oder Unterstützungstyp ist das Kernmuster, das über das gesamte Gebiet wiederholt wird, in dem die Kategorie des Objektes oder der Unterstützung aufzubauen ist. Die Stildateien werden dazu verwendet, um das Aufbaumuster in Verbindung mit einer gegebenen Region zu modulieren. Diese Datenmodulationstechnik vereinfacht die Datenverarbeitung und die Speichererfordernisse. Die Stildatei in Verbindung mit der „Schachbrett"-Kategorie der Unterstützungen in der vorliegenden Ausführungsform ist z.B. das 2 x 2-Pixel-Muster, das in 38a gezeigt ist. Die Stildatei in Verbindung mit den 3 x 3-Pixel-Säulen-Unterstützungen in der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist als ein zweites Beispiel das 4 × 5-Pixelmuster dargestellt, das in 38b gezeigt ist. Natürlich sind viele andere Stilmuster möglich. Diese Stilmuster werden eines nach dem anderen wiederholt, wobei typischerweise an dem (x,y)-Ort (0,0) begonnen wird, so dass ein wiederholtes Muster in dem XY-Raum definiert wird. Dieses Gesamtmuster steht in Verbindung mit den entsprechenden Start- und Stoppübergangsdaten für Objekt- und Unterstützungsregionen. Die Kombination von Stildateiinformationen und Objektinformationen kann vor der Übertragung von Daten zu dem Steuercomputer stattfinden oder sie kann nach der Übertragung stattfinden. Typischerweise werden Objekt- und Stilinformationen in einem einzelnen Datensatz kombiniert, nachdem beide zu dem Steuercomputer übertragen wurden. Derzeit ist die bevorzugte Stildatei in Verbindung mit dem Teil einfach ein 1 × 1-festes-Pixelmuster, welches anzeigt, dass das Innere des Teils immer fest ist.
Derzeit ist die am meisten bevorzugte Replikation der Muster in der X-Y-Ebene fixiert. Im Hinblick auf die am meisten bevorzugten 3 × 3-Unterstützungsmuster besteht das Ergebnis darin, dass einige der 3 × 3-Pixelsäulen an den Teilgrenzen kleiner gemacht werden können. Dieser Effekt ist in 39a dargestellt. Wie gezeigt, werden die Bereiche 30 und 31 der 3 × 3-Pixelsäulen aufgrund ihrer Nähe zu der Teilgrenze 32 nicht aufgebaut. Das Ergebnis besteht darin, dass diese zwei Unterstützungen verkleinerte Oberflächengebiete aufweisen. Wenn die Säulen nicht von der Teilgrenze zurückgezogen werden, liefert dies ein kleines Problem, weil die Bildung des Teils den anderen Abschnitt jeder teilweise gebildeten Säule bilden wird. Das Aufbauen von Unterstützungen in Verbindung mit dem Teil neigt jedoch zum Beschädigen der Verarbeitung der Objektoberfläche, was dadurch in ein anderes Problem resultiert.
In dem Fall, dass die Unterstützungen von dem Teil zurückgezogen werden, besteht eine Lösung dieses Problems darin, zu gestatten, dass das Muster der Replikation variiert, um den 3 × 3-Unterstützungen zu erlauben, die Teilgrenze abzufahren. Diese Herangehensweise ist in 39b dargestellt. Graduelle Änderungen in den Positionen der Unterstützungssäulen können dadurch erzielt werden, dass ein Versatz der Pixelmuster verwendet wird, wie es in der US-Patentanmeldung 08/534,813 beschrieben ist.
Wie oben erwähnt, besteht ein anderes, manchmal auftretendes Problem darin, dass die 3 × 3-Unterstützungssäulen manchmal in direktem Kontakt mit dem Teil aufgebaut werden. Dieses Problem ist in der 39c dargestellt. Wie gezeigt, sind die Unterstützungen 33 in direktem Kontakt mit dem Teil 33 aufgebaut worden (die Unterstützungen 34, die in Phantomlinien gezeigt sind, befinden sich unter dem Teil und sind einzig und allein für die Zwecke der Vollständigkeit dargestellt). Eine Lösung zu diesem Problem besteht in dem Zurückbewegen dieser Unterstützungen um einen Pixel oder mehrere, um die Unterstützungen von dem Teil zu beabstanden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass einfach die Start- und Stoppübergangsdaten für die Unterstützungen eingestellt werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist aufgrund des involvierten Kompromisses diese Einstellung optional: Durch das Zurückbewegen der Unterstützung um einen Pixel wird das Oberflächengebiet der Säulen verkleinert werden, was möglicherweise ein Akkumulationsproblem bewirkt.
Einige Patentanmeldungen sind über das bevorzugte Verfahren zum Durchführen der booleschen Berechnungen in Auftrag gegeben. Wie diskutiert worden ist, werden die Daten, die in diesen Berechnungen verwendet werden, als eine Reihe von Start- und Stopp-Übergängen formatiert. Es wurde entdeckt, dass dieses Format die booleschen Berechnungen dadurch erleichtert, dass ihnen gestattet wird, als eine Reihe von arithmetischen Berechnungen ausgeführt zu werden. Um zum Beispiel eine boolesche Differenzoperation zwischen zwei Sätzen von Übergangsdaten auszuführen, ist es nur notwendig, entsprechende Start- und Stopp-Übergänge voneinander arithmetisch zu subtrahieren. Das Ergebnis ist eine signifikante Verbesserung in der Rechengeschwindigkeit. Der Grund besteht darin, dass die booleschen Operationen, die N Datenpunkte basierend auf polygonalen Daten enthalten, im Wesentlichen N² Operationen umfassen, wobei arithmetische Operationen, die Start- und Stopp-Übergangsdaten verwenden, im Wesentlichen proportional zu N sind.
Ein anderer Punkt besteht darin, dass die zwischengeordneten booleschen Vereinigungsdaten, die für die Schicht „n" berechnet wurden, d.h. die boolesche Vereinigung der Teildaten „r" und der „u" Schicht oberhalb und unterhalb der Schicht „n" und zwischen den „s" und den „t" Schichten oberhalb der Schicht „n", nicht in jeder nachfolgenden Verarbeitung verwendet werden können. Der Grund besteht in dem Fehlen des „Speichers" in Verbindung mit der booleschen Vereinigungsoperation, wie durch die folgenden Gleichungen dargestellt ist:
Wie mit der arithmetischen Operation angezeigt ist, hat das n-te Glied der Summation einen Effekt auf die abschließende Summe, die aussubtrahiert werden kann, wenn die Berechnungen für die nächste Schicht durchgeführt werden. Mit der booleschen Operation hat andererseits das n-te Glied nicht notwendigerweise einen Einfluss. Daher kann der Effekt dieses Gliedes nicht notwendigerweise aussubtrahiert werden, wenn die Berechnungen für die nächste Schicht durchgeführt werden.
Obwohl die obigen Gleichungen (1) bis (4) exakte Ergebnisse liefern, können sie zu übermäßiger Rechenzeit führen. Unter einigen Umständen kann es zum Beispiel wünschenswert sein, Gleichungen zu nutzen, die Näherungsergebnisse liefern können, die jedoch weniger Berechnungen beinhalten. Übertriebene Berechnungen können dadurch verhindert werden, dass man von der Annahme ausgeht, dass der Anstieg einer Oberfläche eines Teils nicht sein Vorzeichen in einer gegebenen Anzahl von Schichten ändert (z.B. 10 Schichten, ungefähr 254-308 μm (10-20 mils)) oder dass jede Änderung in der Richtung eine vernachlässigbare Variation in der Querschnittsposition repräsentiert. Mit anderen Worten besteht die Annahme darin, dass sich die Oberfläche des Teils nicht schnell oder drastisch ändert. Dieser Punkt ist in den 35a – 35b dargestellt. 35a illustriert ein Teil, das mit der Annahme konsistent ist. Wie man erkennen kann, ändert der Anstieg der Oberfläche des Teils, der mit S in der Figur identifiziert ist, nicht sein Vorzeichen oder seine Richtung über eine gegebene Anzahl von Schichten, zum Beispiel 10 Schichten. 35b zeigt andererseits ein Teil, welches mit der Annahme inkonsistent ist, dass die Richtung des Anstiegs der Oberfläche nicht ihr Vorzeichen ändert. In Abhängigkeit von dem Betrag der Veränderlichkeit in der XY-Position der Oberfläche kann jedoch die Änderung in der Richtung in eine vernachlässigbare Variation in der Querschnittsposition resultieren. Wie man erkennen kann, wechselt der Anstieg der Oberfläche des Teils, der mit S' in der Figur identifiziert ist, sein Vorzeichen über zum Beispiel 10 Schichten. Je dünner die Schichten für eine gegebene Anzahl von Schichten sind, um so wahrscheinlicher ist es, dass die Annahme richtig sein wird.
Wenn diese obigen Annahmen gemacht werden, können die folgenden Formeln verwendet werden, um die erforderlichen mathematischen Berechnungen zu reduzieren:
Statt auf der booleschen Summation des Gebietes jedes Querschnitts innerhalb einer Region basiert zu sein, wie es die Originalgleichungen (1) bis (4) sind, nutzen diese Gleichungen die Querschnittsinformationen von nur dem oberen und dem unteren Querschnitt der Region. Wenn die Annahmen immer wahr bleiben, erzeugen diese Formeln genaue Ergebnisse. In jedem Fall haben sie in der Praxis gezeigt, dass sie sehr gute Näherungen darstellen.
Man sollte erkennen, dass es zum Durchführen der zuvor genannten Berechnungen notwendig ist, gleichzeitig die Daten von (t+u+1) Schichten verfügbar zu haben (zum Beispiel für t=10, u=5 benötigen wir Daten für 16 Schichten). Dies ist aufgrund dessen, dass die Unterstützungsdaten für die Schicht „n" abhängig sind von den Teil- und den Gesamtdaten für die Schichten „n+1" bis „n+t", die Schichten „n-1" bis „n-u" und natürlich für die Schicht „n".
Um diese Daten in sofort zugriffsbereiter Form beizubehalten, ist es vorteilhaft, einen Ringpuffer zu verwenden. Wie in 36 gezeigt ist, ist ein Ringpuffer ein zirkularer Puffer, in dem die Teil- und die Gesamtdaten für t+u+1 Schichten (z.B. 16 Schichten) gespeichert werden. 36a illustriert den Zustand des Puffers in Begriffen eines 16-Schichten-Beispiels (t=10, u=5), bevor die Berechnungen für die Schichten ausgeführt werden. Ein Zeiger, der als PTR in der Figur identifiziert ist, wird dazu verwendet, auf die vorliegende unter Betrachtung befindliche Schicht zu zeigen. Wie angezeigt ist, werden die Daten für die Schichten „n+1" bis „n+10" und „n-1" bis „n-5" in dem Puffer gespeichert. Ein zweiter Zeiger, der als LAST in der Figur identifiziert ist, wird dazu verwendet, um auf den letzten Eintrag in dem Puffer zu zeigen, was in diesem Fall der Eintrag für die Schicht n–5 ist.
Nachdem die Berechnungen für die Schicht „n" abgeschlossen worden sind, ist es notwendig, den Puffer in Vorbereitung zum Durchführen der Berechnungen fir die Schicht „n+1" zu aktualisieren. Um dies zu verwirklichen, wird PTR zuerst aktualisiert, so dass er auf die Daten für die Schicht „n+1" zeigt. Dann werden die Daten, auf die durch LAST gezeigt wird, durch die Daten für die nächste zu dem Puffer hinzuzufügende Schicht überschrieben, welche in diesem Fall Schicht „n+11" ist. Abschließend wird LAST aktualisiert, indem er auf die Daten zeigt, die jetzt der letzte Eintrag in dem Puffer sind, welches in diesem Fall die Daten für die Schicht „n-4" sind. Das Ergebnis dieser drei Berechnungen ist in der 36b illustriert. 36c illustriert den Status des Puffers an dem Punkt, bevor die Berechnungen für die Schicht n+2 ausgeführt werden. Es wiederholt sich dann dieser Prozess so lange, bis die Berechnungen für alle Schichten abgeschlossen worden sind.
Eine Anzahl von alternativen Ausführungsformen ist zum Verarbeiten von 3D-Objektdaten in Daten möglich, die zum Betreiben einer SDM-Vorrichtung nützlich sind. In einer alternativen Ausführungsform werden zum Beispiel die zuvor erwähnten Berechnungen unter Verwendung von booleschen Operationen an polygonalen Daten anstelle von Übergangsdaten durchgeführt. In einer anderen Ausführungsform werden die Daten für alle Schichten des Teils gleichzeitig in einem Speicher gespeichert statt in einem Ringpuffer. In einer noch anderen Ausführungsform ist es möglich, die Akkumulationsraten der dünnen, faserähnlichen Unterstützungen und die des Teils gleichzusetzen, indem Mehrfachdurchläufe des Druckkopfes ausgenutzt werden.
Es sollte ebenfalls erkannt werden, dass es möglich ist, Brückendaten oder Übergangsunterstützungsdaten von aufwärts zeigenden Oberflächen zu berechnen, d.h. B_n(U). Diese Daten könnten dazu verwendet werden, um Übergangsunterstützungen zwischen den dünnen, faserähnlichen Säulen-Unterstützungen, die an einer aufwärts zeigenden Oberfläche des Objektes beginnen, und den 3 × 3-Säulen-Unterstützungen, die darauf sitzen, zu bilden. Weiterhin sollte ebenfalls erkannt werden, dass es nicht notwendig ist, C_n(U)-Daten getrennt von C_n(D)-Daten zu berechnen, wenn die Stildatei für die beiden die gleiche ist. Wenn natürlich beabsichtigt ist, dass die beiden Stildateien unterschiedlich sind, dann sollten beide Kategorien von Daten beibehalten werden.
Man sollte ebenfalls erkennen, dass es möglich ist, eine beliebige Anzahl von Unterstützungstypen oder Unterstützungskategorien auf einer gegebenen Schicht aufzubauen, indem man den Erfindungsgegenstand anstelle der drei verwendet, die diskutiert worden sind. Dies kann auf einfache Weise dadurch verwirklicht werden, dass zusätzliche Stildateien und Gleichungen zum Bestimmen der Gebiete, in denen die neuen Kategorien der Unterstützungen aufzubauen sind, hinzugefügt werden.
Aufbaustile und Unterstützungsstile:
Für eine optimale Datenverarbeitung ist es vorteilhaft, die reguläre Musterbildung nicht in die .RLE-Daten einzubetten, da dies die .RLE-Dateien übermäßig groß machen würde und weil dies die Datenverarbeitung in zeitlicher Weise unpraktisch machen würde. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Informationen für die Objekt- und Unterstützungsquerschnitte unabhängig von den genauen Expositionsmustern (d.h. Ablagerungsmuster) zu speichern, bis das Schichtdrucken stattfindet. Wie oben erwähnt, werden zu einem geeigneten Zeitpunkt die Querschnittsdaten (z.B. in der Form der RLE-Informationen) boolesch geschnitten beziehungsweise es wird eine boolesche Schnittmenge gebildet mit den geeigneten Mustern der Aufbaustile, um das genaue Muster zu definieren, das verwendet wird, um das Ablagerungsdetail zu definieren.
Dies kann beispielsweise genutzt werden, um die Schachbrettmuster auf einer schnellen Basis zu erzeugen. Ein Beispiel davon ist in den 40a – 40c illustriert, in denen auf ähnliche Elemente mit den gleichen identifizierenden Bezugsziffern Bezug genommen wird. 40a illustriert die gewünschte Darstellung 28, die zu drucken ist. Wie gezeigt ist, besteht die gewünschte Abbildung aus zwei Komponenten. Die erste Komponente, die mit dem Bezugszeichen 29 identifiziert ist, ist ein Festkörper. Die zweite Komponente, die mit dem Bezugszeichen 30 identifiziert ist, wird bevorzugt mit einem An-Aus-Schachbrettmuster gebildet. Aus den diskutierten Gründen kann es übermäßig langsam und speicherintensiv sein, die Darstellung 30 in ein Honigwabenmuster auf einer Pixel-zu-Pixel-Basis zu übertragen. Weitere Verarbeitungen der Daten für die Darstellung 30 können übertrieben kompliziert und verlangsamt sein, wenn sie zu früh in ein Honigwabenmuster gesetzt werden. Die Übertragung der Daten auf ein Speichergerät (d.h. eine Festplatte oder ein Bandlaufwerk) kann ebenfalls übertrieben behindert sein, wenn sie in einem derartig detaillierten Format beibehalten werden. Die Daten werden daher für beide Muster, wie es in der 40b gezeigt ist, gespeichert oder in eine feste Form (minimale Übergänge) zur weiteren Verarbeitung umgewandelt, wonach sie zu einem digitalen Signalprozessor übertragen werden, der für das Steuern der Düsen und der X,Y,Z-Bewegung verantwortlich ist. Wie es in der 40c gezeigt ist, werden dann die Daten 31 in Verbindung mit der Komponente 30, die in fester Form vorliegt, mit dem Honigwaben/Schachbrett-Muster 32 logisch „vereinigt" („ANDed", d.h. es wird die boolesche Schnittmenge gebildet), um die festen Daten in die gewünschte modulierte Form zu ändern, die für das zu spritzende modulierte Querschnittsmuster repräsentativ ist. Sobald die Daten in dieser abschließenden modulierten Form vorliegen, ist es bevorzugt, dass kein weiteres Speichern der Daten stattfindet, sondern dass sie stattdessen zum Steuern des Abfeuerns der Düsen mit oder ohne weitere Verarbeitung verwendet werden. In diesem Beispiel müssen die Daten für die Komponente 29 und 30 nun über eine „OR"-boolesche Vereinigung miteinander vereinigt werden („ORed"), um eine einzelne Bitmap zu erzeugen, die den gesamten gewünschten Datensatz enthält. Dies sind die kombinierten Daten, die dann zum Antreiben des Anfeuerns des Druckkopfes verwendet werden.
Die Daten, die mit der RLE-Datei dem Modellierer bereitgestellt werden, umfassen Informationen für Aufbau/Unterstützungsmusterstile für die Verwendung, wie es oben diskutiert ist. Wie es oben diskutiert wurde, wird die Verbindung der RLE-Daten mit den Verarbeitungsdaten durch die Verwendung der Stildateien verwirklicht, wobei jede einen bestimmten „Stil" oder ein Aufbaumuster speichert. Beispiele für Aufbaumuster sind in den 41a , 41b und 41c gezeigt. 41a illustriert ein Schachbrett-Aufbaumuster, das zur Verwendung beim Aufbauen einer Kategorie von Unterstützungen geeignet ist, wie sie in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/534,813 beschrieben ist. 41b illustriert ein Muster, das zur Verwendung beim Aufbauen einer zweiten Kategorie von Unterstützungen geeignet ist, wie sie ebenfalls in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/534,813 beschrieben ist. 41c illustriert ein Muster, das einen aufzubauenden Festkörper spezifiziert.
Viele andere Aufbaustile sind möglich, umfassend Aufbaustile mit Mehrfachexposition. Wie die Beispiele, die in 41d dargestellt sind, in der die wechselnd beabstandeten Abtastlinien in aufeinander folgenden Durchläufen verfestigt werden. In diesem Beispiel wird das Muster 56 während eines ersten Durchlaufes exponiert und das Muster 57 wird in einem zweiten Durchlauf exponiert. Ein weiteres Beispiel ist in 41e gezeigt, in dem wechselnd beabstandete Säulen bei aufeinander folgenden Durchläufen verfestigt werden. In diesem Beispiel wird das Muster 58 während eines ersten Durchlaufes exponiert und das Muster 59 wird während eines zweiten Durchlaufes exponiert. Ein drittes Beispiel ist in 41f dargestellt, in der nicht überlappende Schachbrettmuster bei aufeinander folgenden Durchläufen verfestigt werden. Das Muster 60 wird in einem ersten Durchlauf exponiert und das Muster 61 wird in einem zweiten Durchlauf exponiert.
Um verschiedene Stildateien mit unterschiedlichen Objekt- und Unterstützungsregionen zu verbinden, ist das .RLE-Format so definiert, dass es eine Bezeichnung des Aufbaumusters für jeden unterschiedlichen Satz von Informationen der Übergänge der Rasterlinien enthält, die an den Modellierer weitergegeben werden. Das konzeptionelle Format der .RLE-Datei ist in 47 dargestellt.
Durch dieses Dateiformat kann ein Benutzer virtuell jedes Aufbaumuster für ein gegebenes Paar oder Paare von Übergangspunkten spezifizieren.
Datenverschieben
In Ergänzung zum Bereitstellen einer Bitmap, die die genauen Pixelinformationen zum Steuern des Abfeuerns der Düsen enthält, müssen die Daten ohne Weiteres aus der Bitmap extrahierbar sein und dem Abfeuermechanismus in der richtigen Ordnung bereitgestellt werden. Diese Notwendigkeit, die Daten in einer extrahierbaren Form zu platzieren, bringt uns zu dem nächsten Schritt in dem Datenverarbeitungsprozess. Dieser nächste Schritt wird „Verschieben" („skewing") genannt. Die Daten können zum Beispiel verarbeitet werden, so dass die notwendigen Informationen verfügbar sind, um den Düsen das gleichzeitige Feuern zu gestatten, sogar wenn angrenzende Düsen nicht auf angrenzenden Rasterlinien lokalisiert sind oder sogar wenn sie gleichzeitig auf ihrer jeweiligen y-Rasterlinie über der gleichen X-Koordinate lokalisiert sind. Wenn dies der Fall ist, bezieht sich „Verschieben" auf einen Datenneuausrichtungsprozess, der zum Beispiel erforderlich ist, wenn der Abtastkopf in einem Winkel zu der Abtastrichtung positioniert ist (wie es in 2b dargestellt ist), wenn mehrere Köpfe verwendet werden und gleichzeitig oder in Sequenz abgefeuert werden sollen oder wenn einfach die Düsen über angrenzenden Abtastlinien nicht beabstandet sind.
In 2b werden beispielsweise die Öffnungen 10(3) und 10(4), die in 2a ausgerichtet sind, in der Abtastrichtung um die Entfernung d" versetzt, wie es in 2b gezeigt ist, wenn der Abtastkopf relativ zur Abtastrichtung winklig steht. Die Daten, die in Bezug auf die Konfiguration in 2a verwendet werden, würden jedoch erfordern, dass die Düsen 10(3) und 10(4) zum gleichen Zeitpunkt feuern, um gleiche X-Orte zu treffen. Mit der Konfiguration von 2b würde durch die Verwendung derartiger Daten eine Verzerrung bewirkt werden. Konsequenterweise müssen die Daten in diesem Beispiel verschoben werden, um diese relative Verschiebung zu korrigieren.
Das Problem besteht darin, dass die darin involvierte Menge an Daten relativ groß ist und dass das Verschieben in Echtzeit durchgeführt werden muss. Zum Beispiel hat eine Tintendüse in einer typischen Konfiguration nur 500 ns zur Verfügung, um über einen gegebenen Pixel zu laufen. Daher kann jeder Verschiebungsprozess, der einen einzelnen Pixel handhabt, nicht länger als diese Zeit pro Pixel (im Mittelwert) dauern, um mit der Datenverarbeitungsrate Schritt zu halten.
Ein typischer digitaler Signalprozessor, z.B. ein C31-Prozessor, der mit 40 MHz läuft, hat eine Zykluszeit in der Ordnung von 50 ns. Wenn daher die Zeit über jedem Pixelort in der Größenordnung von 500 ns ist, sind nur 10 Zyklen verfügbar, um auf einem gegebenen Pixel zu operieren. Andererseits erfordert jede Prozessoranweisung ein Minimum von einem Zyklus. Oftmals sind verschiedene Zyklen notwendig, um mit Bus-Konflikten, Datenleitungskonflikten und Speicherwartezuständen fertig zu werden. Jede Anweisung kann daher effektiv zwei bis vier Zyklen erfordern. Daher können nur ungefähr drei Anweisungen realistisch jedem Pixel gewidmet werden.
Das Problem besteht darin, dass zum Ausführen einer typischen Operation, wie beispielsweise dem Setzen eines individuellen Pixels auf eine logische „1" ungefähr sechs Anweisungen erforderlich sind. Daher ist es praktisch nicht möglich, Operationen auf einer Pixel-zu-Pixel-Basis auszuführen. Stattdessen sind Operationen erforderlich, die zu einem Zeitpunkt auf mehreren Pixeln operieren, wie beispielsweise auf 32 Pixeln. Einige typische Operationen können das Löschen der Darstellung, das Bewegen der Darstellung, das Ausgeben der Darstellung, das „AND"-Vereinigen von zwei Darstellungen oder das „XOR"-Vereinigen von zwei Darstellungen umfassen. Diese Typen von Anweisungen erfordern typischerweise weniger Anweisungen (zwei oder drei statt sechs) und arbeiten gleichzeitig auf 32 Pixeln zu einem Zeitpunkt. Insgesamt arbeiten sie ungefähr 100-mal schneller als Operationen auf individuellen Pixeln.
Wie oben diskutiert, führt ein Steuercomputer die Funktionen des Schneiden einer .STL- oder .CTL-Datei und des Berechnens der .RLE-Daten für verschiedene Querschnitte aus. Ein digitaler Signalprozessor (Digital Signal Processor = DSP), der mit dem Druckkopf verbunden ist, muss diese .RLE-Daten übernehmen, sie dekomprimieren, die Daten gemäß der Düsenanordnung verschieben und dann die Daten an die Düsen ausgeben. Wie diskutiert wurde, bezieht sich das „Verschieben" auf den Prozess des Verarbeitens der Abbildungsdaten, um die Anordnung der Düsen und mögliche andere Faktoren zu kompensieren. Da die Daten, wenn sie einmal dekomprimiert sind, nicht schnell genug verarbeitet werden können, ist es vorteilhaft, zum Verarbeiten der Daten in der Lage zu sein, während sie noch in komprimierter Form vorliegen (z.B. während sie immer noch in dem .RLE-Format vorliegen). Eine andere kritische, zeitsparende Randbedingung besteht darin, die Daten derart in einem Speicher zu speichern, dass ein 2-Byte- oder ein 4-Byte-Wort Pixel enthält, die alle zum gleichen Zeitpunkt ausgegeben werden sollen.
Der Prozess des Verschiebens der Daten beinhaltet dann einfach das Verschieben der Start- und Stopp-Übergänge um einen geeigneten Betrag in der Abtastrichtung, während die Daten in dem gleichen Wort beibehalten werden, die in Verbindung mit den Pixeln zu dem gleichen Zeitpunkt ausgegeben werden sollen. Die Daten werden dann dekomprimiert und individuelle Worte werden zu dem Druckkopf gesandt, wenn er auf den geeigneten Ort in der X-Richtung trifft.
Die Technik ist in den 42a, 42b, 42c, 42d und 42e dargestellt, in denen auf ähnliche Elemente durch gleiche identifizierende Bezugszeichen Bezug genommen wird. 42a illustriert die Darstellung des Originalquerschnitts in Pixeln. 42b illustriert diese Daten im .RLE-Format. Wie gezeigt ist, sind die Daten für die einzelnen Abtastlinien, die in der Figur mit den Bezugsziffern 25(1), 25(2), 25(3),..., 25(10) identifiziert sind, in Daten komprimiert worden, die für die Start- und Stopp-Übergänge repräsentativ sind. 42c illustriert den Vorgang des Verschiebens dieser Daten, um sie auf einen Druckkopf abzustimmen, der relativ zu der Abtastrichtung winklig angeordnet ist. In dieser Figur wird angenommen, dass der Druckkopf fünf Düsen aufweist und dass er derart winklig angeordnet ist, dass die einzelnen Düsen von den darauf folgenden Düsen um einen Pixel relativ beabstandet sind. Die Daten für die Abtastlinie 25(2) sind daher in Bezug auf die Abtastlinie 25(1) um einen Pixel versetzt; die Daten für die Abtastlinie 25(3) sind in Bezug auf die Abtastlinie 25(2) um 1 Pixel versetzt, etc. Der Vorgang setzt sich fort, bis auf die Abtastlinie 25(6) getroffen wird. Da dies die sechste Abtastlinie ist und da sie nicht bei dem gleichen Durchlauf wie die ersten fünf Linien abgetastet werden wird, wird diese Linie nicht relativ zu den anderen versetzt. Stattdessen wird die Abtastlinie 25(7) um einen Pixel relativ zu der Abtastlinie 25(6) versetzt. Die Abtastlinie 25(8) wird um einen Pixel relativ zu der Abtastlinie 25(7) versetzt. Die Abtastlinie 25(9) wird um einen Pixel relativ zu der Abtastlinie 25(8) versetzt, etc.
Während dieses Vorgangs werden die verschobenen Daten in der Art „in einem Band verbunden" („banded"), so dass Daten in Verbindung mit dem Abfeuern, das zu dem gleichen Zeitpunkt stattfinden soll, in einem einzelnen Wort gesammelt werden. Diese Daten werden dann sukzessive jeweils ein Band nach dem anderen dekomprimiert. Der Vorgang ist in 42d illustriert. Die Daten für die Pixel der Spalten 27(1), 27(2), 27(3), ..., 27(12) repräsentieren jeweils Daten, die zum gleichen Zeitpunkt abzufeuern sind. Dem gemäß wird jede dieser Datenspalten in einem einzelnen zugriffsbereiten Wort gespeichert und ist daher gleichzeitig zugriffsbereit. Eine Bandindex 26 wird ebenfalls gespeichert, um durch die Daten mit einer Spalte pro Zeitpunkt zu laufen. Wenn jede Spalte angetroffen bzw. angesprochen wird, wird sie daraufhin dekomprimiert (d.h. jeder Übergang wird umgewandelt in ein An/Aus-Bit, z.B. 32 Bits zu einem Zeitpunkt). Unter Bezugnahme auf die 42d ist beispielsweise der Bandindex in der Spalte 27(8) lokalisiert. Wie gezeigt, werden dem gemäß die Daten in jener Spalte dekomprimiert. Die verbleibenden Daten in den Spalten 27(9) bis 27(12) sind immer noch im komprimierten Format. Wie diskutiert, werden jedoch die Daten dekomprimiert, wenn sie durch den Bandindex angesprochen werden.
Als nächstes werden die Daten sequenziell immer eine Spalte auf einmal an den Druckkopf ausgegeben. Der Vorgang ist in 42e dargestellt. Wie gezeigt ist, ist der Bandindex zurückgesetzt worden und er wurde dann verwendet, um sukzessive durch die Spalten 27(1) bis 27(12) in einem zweiten Durchgang zu laufen. Wie gezeigt ist, befindet sich der Index vorliegend an der Spalte 27(5). Dem gemäß werden die Daten in dieser Spalte an den Druckkopf ausgegeben. Die Daten in den verbleibenden Spalten 27(6) bis 27(12) werden der Reihe nach ausgegeben werden.
Flugzeit und Abfeuern der Düsen
Bevor die oben erzeugten Daten in die Ablagerung der Tropfen des Materials an den gewünschten Orten resultieren, verbleibt eine kritische Funktion auszuführen.
Wenn die Daten in den Tintenstrahlkopf zum Abfeuern geladen werden, muss das System bestimmen, wann der Tintenstrahlkopf die geeignete Position zum Ausgeben seines Materials erreicht hat. Der geeignete Zeitpunkt des Abfeuerns, wie er in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/534,813 diskutiert worden ist, auf die zuvor Bezug genommen wurde, findet tatsächlich etwas vor dem Zeitpunkt statt, an dem der Kopf über dem geeigneten Ablagerungsort positioniert ist. Diese Kompensation zum frühen Abfeuern wird als Flugzeitkorrektur bezeichnet. Das System muss jedoch noch bestimmen, wann es sich an dem geeigneten Ort befindet, um das frühe Abfeuersignal auszugeben. Die Details dieses Bestimmungsprozesses sind unten dargelegt.
Um das Aufbauen mit der gewünschten Abtastlinienauflösung zu ermöglichen, ist es wichtig, dass man in der Lage ist, die Düsen an jeder beliebigen Position entlang der Abtastrichtung abzufeuern. Dies kann problematisch sein, wenn man eine Kodiereinrichtung zum Indizieren der tatsächlichen X-Position verwendet, wobei die Kodiereinrichtung keine Grenzsteuerimpulse an den erforderlichen Positionen aufweisen muss. Tatsächlich kann die Kodiereinrichtung geringerer Auflösung sein als jene, die zum Drucken gewünscht wird. Da Kodiereinrichtungen mit höherer Auflösung teurer sind und es gewünscht ist, die Ausrüstungskosten niedriger zu halten, und da es ein Nachteil ist, auf eine einzelne Auflösung oder Auflösungen beschränkt zu sein, die ein Vielfaches der Grenzbeabstandungen sind. Andere Mittel sind wünschenswert, um die genauen Abfeuerpositionen zu bestimmen. Genaue Abfeuerpositionen, wie sie unten erläutert sind, werden dadurch bestimmt, dass eine Entfernungsinterpolation zwischen den Grenzlinien basierend auf einer berechneten mittleren Geschwindigkeit und einer bekannten Durchlaufzeit ausgeführt wird, seitdem die letzte Grenze passiert wurde. Die Abfeuerorte werden dann bestimmt, indem der bekannte gewünschte Abfeuerpunkt und die interpolierte Abschätzung der tatsächlichen Position verwendet werden.
Der X-Bühne 12 (siehe 1) ist eine Kodiereinrichtung zugeordnet, um sie beim Bestimmen der Position des Druckkopfes in der X-Richtung zu verwenden, so dass die Abfeuerimpulse des Druckkopfes zu dem geeigneten Zeitpunkt initiiert werden können. Um diese Funktion auszuführen, wird eine Glasplatte, die mit dem Bezugszeichen in der 43 identifiziert ist, in einer bevorzugten Ausführungsform ausgenutzt, auf der Linien 33 geätzt sind, die voneinander um 10 micron beabstandet sind. Ein Licht- und ein Fotodiodendetektor (nicht gezeigt) werden ebenfalls verwendet, um zu bestimmen, wann diese Linien durchlaufen werden, und um den DSP zu jedem Zeitpunkt zu unterbrechen, an dem der Druckkopf eine dieser Linien durchläuft. Ein Paar von Detektoren (nicht gezeigt) wird ebenfalls verwendet, um anzuzeigen, ob sich der Druckkopf nach links oder rechts bewegt. Um zu verhindern, dass der DSP durch Signale gestört wird, die durch Vibration und dergleichen bewirkt werden, wird ein digitaler Hysteresekreis (nicht gezeigt) verwendet, um den DSP von Nebenwellenunterbrechungen abzuschirmen, die durch Vibrationen und dergleichen bewirkt werden. Es ist für den DSP möglich, aus dieser Schaltung die Position des Druckkopfes innerhalb der 10 micron zu bestimmen, und es ist ebenfalls möglich, die Richtung der Bewegung zu bestimmen.
Um mit einer feineren Auflösung als 10 micron zu drucken, wird innerhalb des DSP ein Zähler bereitgestellt, um das Zählen zu starten, wann immer der DSP eine der zuvor genannten Linien durchläuft. Wenn der Zähler einen bestimmten Wert erreicht, bewirkt der DSP ein Abfeuersignal, das erzeugt werden soll, um den Druckkopf zu starten.
Ein zweiter Zähler wird ebenfalls bereitgestellt, um sich mit der in 44 illustrierten Situation zu befassen. Die Signale T₀, T₁, T₂, T₃ und T₄, die mit der Bezugsziffer 35 identifiziert sind, repräsentieren Signale, die durch die Kodiereinrichtung aufgrund des Durchlaufes des Druckkopfes über die Linie 33, die in 43 dargestellt ist, erzeugt werden. Die Linien, die durch das Bezugszeichen 36 identifiziert sind, geben im Gegensatz die gewünschten Abfeuerpositionen an. Die Signale T₀, T₁', T₂', T₃' folgen jeweils den entsprechenden Signalen T₀, T₁, T₂, T₃. Daher kann ein einzelner Zähler bei der Erzeugung dieser Signale in der beschrie benen Weise verwendet werden. Das Problem, welches auftritt, wird durch die Signale T₄ und T₄' illustriert. Da T₄' tatsächlich Vorrang hat gegenüber seinem entsprechenden Signal 7 ₄, muss ein zweiter Zähler zum Bereitstellen des Erzeugens dieses Signals in Antwort auf das Auftreten des Signals T₃ bereitgestellt werden.
Ein Algorithmus zum Erzeugen der Abfeuersignale ist in den 45a – 45b dargestellt. Wie gezeigt ist, wird eine Unterbrechung, die in 12a mit der Bezugsziffer 57 identifiziert ist, erzeugt, wenn der Druckkopf durch eine der Linien der Kodiervorrichtung läuft. Dann wird im Schritt 38 ein Zeitgeber der Kodiervorrichtung (nicht gezeigt) gelesen und mit der Druckkopfposition in Verbindung gebracht. Dieser Schritt wird über verschiedene Linie der Kodiervorrichtung ausgeführt. Die resultierenden Daten werden gespeichert.
Im Schritt 39 wird die mittlere Geschwindigkeit des Druckkopfes von den gespeicherten Daten berechnet, indem die Änderung in der Position durch die Änderung in der Zeit über die vorgeschriebenen Linien der Kodiervorrichtung dividiert werden. Im Schritt 40 wird die Entfernung, ΔD, zwischen dem nächsten Abfeuerort und der letzten Linie der Kodiervorrichtung bestimmt. Im Schritt 41 wird dieser Wert verwendet, um die zeitliche Ableitung, Δt(1), von der letzten Linie der Kodiervorrichtung bis zum nächsten Abfeuerort zu berechnen, wobei die Links/Rechts-Kompensation und die Flugzeitkompensation berücksichtigt werden.
Dann wird im Schritt 42 dieser Wert in einen ersten Abfeuerzeitgeber geladen, der, wie diskutiert, einen Abfeuerimpuls initiiert, wenn derselbige abgelaufen ist. Im Schritt 43 (45b) wird die zeitliche Ableitung, Δt(2), für die nächste Abfeuerposition in der Weise berechnet, wie sie in Bezug auf Δt(1) beschrieben wurde. Im Schritt 44 wird dieser Wert überprüft, um zu sehen, ob die nächste Abfeuerposition über die nächste Linie der Kodiervorrichtung hinaus positioniert ist. Wenn dies der Fall ist, dann kann der Abfeuerimpuls wenig entfernt von der näch sten Linie der Kodiervorrichtung initiiert werden. Wenn dies nicht der Fall ist, dann wird der Wert im Schritt 45 in einen zweiten Abfeuerzeitgeber geladen. Im Schritt 46 wird dann ein Rücksprung von der Unterbrechung initiiert.
Alternative Ausführungsformen können verwendet werden, um die Position der Kodiervorrichtung mit dem Ausgeben der Abfeuerbefehle zu verbinden. Eine derartige Alternative verwendet mehrere Zeitsignale für die Orte der Grenzen der Kodiervorrichtung, um eine genauere Repräsentation der mittleren Geschwindigkeit des Abtastkopfes zu berechnen. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird der Mittelwert der letzten acht Zeitsignale der Orte der Grenzen der Kodiervorrichtung gebildet, um ein Zeitsignal zu erzeugen, das mit der Position der 4. Grenzrückseite der Kodiervorrichtung in Verbindung steht. Die vorhergehenden acht Zeitsignale der Orte der Grenzen der Kodiervorrichtung werden gemittelt, um ein Zeitsignal zu erzeugen, das mit der 12. Rückseite der Grenzen der Kodiervorrichtung in Verbindung gebracht werden kann. Diese zwei gemittelten Zeitsignale werden verwendet, um einen mittleren Geschwindigkeitswert für das Abtasten des Druckkopfes zu berechnen. Aus einer Bestimmung der Entfernung zwischen der 4. Rückseite der Kodiervorrichtung und dem nächsten Abfeuerort, der mittleren Geschwindigkeit, der abgelaufenen Zeit, seitdem die 4. Rückseite der Grenze der Kodiervorrichtung gekreuzt worden ist, wird eine Zeit abgeschätzt, wann die Düse den genauen Abfeuerort erreichen wird, wobei ein Zeitgeber unter Verwendung der abgeschätzten Zeit gestartet wird und wobei die Düse abgefeuert wird, wenn das Zeitintervall abgelaufen ist.
Dies vervollständigt eine Diskussion des grundlegenden Algorithmus zum Verbessern der Abfeuerposition. Man sollte erkennen, dass verschiedene Verbesserungen oder Modifikationen verfügbar sind umfassend die Kompensation basierend auf der Beschleunigung des Druckkopfes oder die Verwendung von mehr als einem Abfeuerzähler, um die Druckauflösung zu steigern in Bezug auf die erreichbare Steigerung durch die zwei Zähler.
Weitere Informationen sind in dem folgenden Anhang enthalten, der einen Teil dieser Beschreibung bildet und der mit der WO 97/11837 und anderen Anmeldungen verwandt ist, wie oben erklärt wurde.
Anhang
Bestehend aus den Seiten 79 bis 189 und 1 bis 32d der Zeichnungsblätter 36/62–62/62.
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Techniken zum Bilden dreidimensionaler (3D) Objekte und Unterstützungen dieser Objekte während der Bildung; insbesondere bezieht sie sich auf Techniken zur Verwendung in Systemen zum Rapid Prototyping und zur Herstellung (Rapid Prototyping and Manufacturing = RP&M); und am speziellsten bezieht sie sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Aufbauen und Unterstützen zur Verwendung in einem System der thermischen Stereolithographie (Thermal Stereolithography = TSL), einem System der Schmelzablagerungsbildung (Fused Deposition Modeling = FDM) oder in anderen Systemen zur selektiven Ablagerungsbildung (Selektiv Deposition Modeling = SDM).
2. Hintergrundinformationen
Verschiedene Herangehensweisen an automatisierte und halbautomatisierte Herstellung von dreidimensionalen Objekten und an Rapid Prototyping & Herstellung sind in den letzten Jahren zugänglich geworden, die dadurch charakterisiert sind, dass jede derart abläuft, dass 3D-Objekte aus 3D-Computerdaten, die diese Objekte beschreiben, in einer additiven Weise aus einer Mehrzahl von gebildeten und anhaftenden Schichten aufgebaut werden. Diese Schichten werden manchmal als Objektquerschnitte, Schichten der Struktur, Objektschichten, Schichten des Objektes oder einfach als Schichten bezeichnet (wenn der Kontext klarmacht, dass auf verfestigte Strukturen geeigneter Form Bezug genommen wird). Jede Schicht repräsentiert einen Querschnitt des dreidimensionalen Objektes. Typischerweise werden die Schichten gebildet und an einen Stapel von zuvor gebildeten und anhaftenden Schichten angehaftet. In einigen RP&M-Technologien sind Techniken vorgeschlagen worden, die von einem strikten Schicht-für-Schicht-Aufbauprozess abweichen, wobei nur ein Bereich einer anfänglichen Schicht gebildet wird und vor der Bildung des verbleibenden Bereiches/ der Bereiche der anfänglichen Schicht zumindest eine nachfolgende Schicht zumindest teilweise gebildet wird.
Gemäß einer derartigen Herangehensweise wird ein dreidimensionales Objekt derart aufgebaut, dass sukzessive Schichten eines nicht-verfestigten, fließfähigen Materials auf einer Arbeitsoberfläche aufgebracht werden und dann selektiv die Schichten einer synergistischen Stimulation in gewünschten Mustern ausgesetzt werden, die bewirkt, dass die Schichten selektiv in Objektschichten aushärten, die an zuvor gebildeten Objektschichten anhaften. In dieser Herangehensweise wird das Material auf die Arbeitsoberfläche sowohl in Gebieten, die nicht Teil einer Objektschicht sein werden, und in Gebieten, die Teil einer Objektschicht sein werden, aufgebracht. Typisch für diese Herangehensweise ist die Stereolithographie (Stereolithography = SL), wie sie in dem US-Patent mit der Nummer 4,575,330 von Hull beschrieben ist. Gemäß einer Ausführungsform der Stereolithographie ist die synergistische Stimulation Strahlung eines UV-Lasers und das Material ist ein Fotopolymer. Ein anderes Beispiel dieser Herangehensweise ist das selektive Lasersintern (Selective Laser Sintering = SLS), wie es in dem US-Patent mit der Nummer 4,863,538 von Deckhard beschrieben ist, indem die synergistische Stimulation IR-Strahlung eines CO₂-Lasers ist und das Material ein sinterbares Pulver darstellt. Diese erste Herangehensweise kann als fotobasierte Stereolithographie bezeichnet werden. Ein drittes Beispiel ist das dreidimensionale Drucken (Three Dimensionale Printing = 3DP) und das direkte Shell-Maskengießverfahren (Direct Shell Production Casting = DSPC), wie es in den US-Patenten mit den Nummern 5,340,656 und 5,204,055 von Sachs et al. beschrieben ist, in denen die synergistische Stimulation ein chemischer Binder ist (z.B. ein Klebstoff) und das Material ein Pulver bestehend aus Teilchen darstellt, die sich über die selektive Anwendung eines chemischen Binders verbinden.
Gemäß einer zweiten Herangehensweise wird ein Objekt durch sukzessives Schneiden von Objektquerschnitten mit gewünschten Formen und Größen aus Materiallagen gebildet, um Objektschichten zu bilden. Typischerweise werden in der Praxis die Lagen aus Papier gestapelt und an zuvor geschnittene Lagen angehaftet, bevor sie geschnitten werden, wobei jedoch ebenfalls das Schneiden vor dem Stapeln und Anhaften möglich ist. Typisch für diese Herangehensweise ist die laminierte Schichtherstellung (Laminated Object Manufacturing = LOM), wie sie in dem US-Patent mit der Nummer 4,752,352 von Feygin beschrieben ist, indem das Material Papier und die Mittel zum Schneiden der Lagen in die gewünschten Formen und Größen ein CO₂-Laser ist. Das US-Patent 5,015,312 von Kinzie betrifft ebenfalls das Aufbauen eines Objektes mit LOM-Techniken.
Gemäß einer dritten Herangehensweise werden die Objektschichten durch das selektive Ablagern eines nicht-verfestigten, fließfähigen Materials auf eine Arbeitsoberfläche in gewünschten Mustern in Gebieten gebildet, wobei die Gebiete Teil einer Objektschicht werden. Nach oder während der selektiven Ablagerung wird das selektiv abgelagerte Material verfestigt, um eine nachfolgende Objektschicht zu bilden, die an den zuvor gebildeten und gestapelten Objektschichten anhaftet. Diese Schritte werden dann wiederholt, um sukzessive das Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Diese Technik zur Objektbildung kann allgemein als selektive Ablagerungsbildung (Selective Deposition Modeling = SDM) bezeichnet werden. Die Hauptunterschiede zwischen dieser Herangehensweise und der ersten Herangehensweise besteht darin, dass das Material nur in jenen Gebieten abgelagert wird, die Teil einer Objektschicht werden. Typisch für diese Herangehensweise ist die Schmelzablagerungsbildung (Fused Deposition Modeling = FDM), wie sie in den US-Patenten mit den Nummern 5,121,329 und 5,340,433 von Crump beschrieben sind, in denen das Material in einem fließfähigen Zustand in eine Umgebung ausgegeben wird, die sich bei einer Temperatur unterhalb der Fließtemperatur des Materials befindet und wobei dann das Material aushärtet, nachdem ihm gestattet wurde abzukühlen. Ein zweites Beispiel ist die Technologie, die in dem US-Patent mit der Nummer 5,260,009 von Penn beschrieben ist. Ein drittes Beispiel ist die Herstellung mit ballistischen Teilchen (Ballistic Particle Manufacturing = BPM), wie sie in den US-Patenten mit der Nummer 4,665,492; 5,134,569 und 5,216,616 von Masters beschrieben ist, in der die Teilchen auf spezifische Orte gerichtet werden, um Objektquerschnitte zu bilden. Ein viertes Beispiel ist die thermische Stereolithographie (Thermal Stereolithography = TSL), wie sie in dem US-Patent mit der Nummer 5,141,680 von Almquist et al. beschrieben ist.
Wenn man SDM verwendet (sowie andere RP&M-Aufbautechniken), ist die Geeignetheit von verschiedenen Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von nützlichen Objekten abhängig von einer Anzahl von Faktoren. Da diese Faktoren typischerweise nicht gleichzeitig optimiert werden können, stellt eine Auswahl einer geeigneten Aufbautechnik und das in Verbindung stehende Verfahren und die Vorrichtung einen Kompromiss in Abhängigkeit von spezifischen Notwendigkeiten und Umständen dar. Einige zu beachtende Faktoren, können umfassen: 1) Ausrüstungskosten, 2) Betriebskosten, 3) Herstellungsgeschwindigkeit, 4) Objektgenauigkeit, 5) Objektoberflächenverarbeitung, 6) Materialeigenschaften der gebildeten Objekte, 7) antizipierte Verwendung der Objekte, 8) Zugänglichkeit von Zweitprozessen, um verschiedene Materialeigenschaften zu erhalten, 9) Erleichterung der Verwendung und der Betriebszwänge, 10) erforderliche und gewünschte Betriebsumgebung, 11) Sicherheit und 12) Zeit und Aufwand der Nachbearbeitung.
In dieser Hinsicht ist eine lang existierende Notwendigkeit vorhanden, so viele dieser Parameter wie möglich zu optimieren, um effektiver dreidimensionale Objekte aufzubauen. Als ein erstes Beispiel war die Notwendigkeit vorhanden, die Herstellungsgeschwindigkeit von Objekten zu steigern, wenn die Objekte unter Verwendung der dritten Herangehensweise, SDM, wie sie oben beschrieben worden ist (z.B. thermische Stereolithographie) aufgebaut wurden, während gleichzeitig die Ausrüstungskosten beibehalten oder reduziert werden. Als ein zweites Beispiel bestand eine lang existierende Notwendigkeit für ein kostengünstiges RP&M-System, dass in einer Büroumgebung genutzt werden kann.
In SDM sowie in anderen RP&M-Herangehensweisen ist typischerweise eine genaue Bildung und Platzierung der Arbeitsoberflächen erforderlich, so dass auswärtszeigende Querschnittsregionen genau gebildet und platziert werden können.
Die ersten zwei Herangehensweisen liefern in ihrer Natur Arbeitsoberflächen, auf denen aufeinanderfolgende Schichten aus Material platziert und Schichten gebildet werden können. Da jedoch die dritte Herangehensweise, SDM, nicht notwendigerweise eine Arbeitsoberfläche bereitstellt, leidet sie an einem besonders akuten Problem des genauen Bildens und Platzierens aufeinanderfolgender Schichten, die Regionen enthalten, die nicht vollständig durch zuvor ausgegebenes Material unterstützt werden, wie beispielsweise Regionen umfassend auswärtszeigende Oberflächen des Objektes in der Richtung des zuvor ausgegebenen Materials. In dem typischen Aufbauprozess, wo nachfolgende Schichten auf zuvor gebildeten Schichten platziert werden, ist dies typischerweise ein Problem für abwärtszeigende Oberflächen (abwärtszeigende Bereiche der Schichten) des Objektes. Dies kann durch die Betrachtung verstanden werden, dass die dritte Herangehensweise theoretischer Weise nur Material in jenen Gebieten der Arbeitsoberfläche ablagert, die Teil der entsprechenden Objektschicht werden. Daher wird nichts erhältlich sein, um eine Arbeitsoberfläche für abwärtszeigende Oberflächen bereitzustellen oder um irgendwelche abwärtszeigenden Oberflächen zu unterstützen, die auf einem nachfolgenden Querschnitt auftreten. Abwärszeigende Regionen sowie aufwärtszeigende und sich fortsetzende Querschnittsregionen, wie sie mit der fotobasierten Stereolithographie verbunden sind, aber ebenfalls anwendbar sind auf andere RP&M-Technologien umfassend SDM, sind jeweils im Detail in den US-Patenten mit den Nummern 5,345,391 und 5,321,622 von Hull et al. und Snead et al. beschrieben. Die vorhergehende Schicht ist in abwärtszeigenden Regionen nicht vorhanden und sie ist daher nicht zugänglich, um die gewünschte Unterstützungsfunktion zu leisten. In ähnlicher Weise ist nicht verfestigtes Material ebenfalls nicht zugänglich, um die Unterstützungsfunktion zu leisten, weil per Definition in der dritten Herangehensweise derartiges Material typischerweise nicht in Gebieten ausgegeben wird, die nicht Teil eines Objektquerschnitts werden. Auf das aus dieser Situation resultierende Problem kann als das Problem des "Fehlens einer Arbeitsoberfläche" Bezug genommen werden.
Das Problem des "Fehlens einer Arbeitsoberfläche" ist in 1 illustriert, die zwei Schichten, die mit den Bezugsziffern 1 und 2 identifiziert sind, darstellt, die unter Verwendung eines dreidimensionalen Modellierungsverfahrens und einer Vorrichtung hergestellt wurden. Wie gezeigt ist, besitzt die Schicht 1, die sich auf der Schicht 2 befindet, zwei abwärtszeigende Oberflächen, die mit Kreuzschraffur gezeigt sind und durch die Bezugsziffern 3 und 4 identifiziert sind. Unter Ausnutzung der oben beschriebenen SDM-Herangehensweise wird nicht verfestigtes Material niemals in den Volumina direkt unterhalb der abwärtszeigenden Oberflächen abgelagert, wobei die abwärtszeigenden Oberflächen mit den Bezugsziffern 5 und 6 identifiziert sind. Daher ist bei der SDM-Herangehensweise nichts vorhanden, um eine Arbeitsoberfläche bereitzustellen oder um die zwei abwärtszeigenden Oberflächen zu unterstützen.
Verschiedene Mechanismen sind vorgeschlagen worden, um dieses Problem anzugehen, aber bisher war keiner dieser Vorschläge vollständig befriedigend. Ein derartiger Mechanismus, der vorgeschlagen oder beschrieben wurde in dem US-Patent mit der Nummer 4,247,508 von Housholder; in den US-Patenten mit den Nummer 4,961,154; 5,031,120; 5,263,130 und 5,386,500 von Pomerantz et al.; in dem US-Patent mit der Nummer 5,136,515 von Helsinki; in dem US-Patent mit der Nummer 5,141,680 von Almquist et al.; in dem US-Patent mit der Nummer 5,260,009 von Penn; in dem US-Patent mit der Nummer 5,287,435 von Cohen et al.; in dem US-Patent mit der Nummer 5,362,427 von Mitchell; in dem US-Patent mit der Nummer 5,398,193 von Dunghills; in den US-Patenten mit den Nummern 5,286,573 und 5,301,415 von Prinz et al., beinhaltet das Füllen der Volumina unterhalb der abwärtszeigenden Oberflächen mit einem Unterstützungsmaterial, dass verschieden ist von dem, das zum Aufbauen des Objektes verwendet wird, und das vermutlich von ihm leicht separierbar ist (beispielsweise dadurch, dass es einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist). In Bezug auf 1 würden beispielsweise die Volumina, die mit den Bezugsziffern 5 und 6 identifiziert sind, mit dem Unterstützungsmaterial vor dem Zeitpunkt gefüllt werden, indem das Material, das zum Bilden der abwärtszeigenden Oberflächen 3 und 4 verwendet wird, abgelagert wird.
Ein Problem mit der Herangehensweise der zwei Materialien (d.h. dem Aufbaumaterial und dem anderen Unterstützungsmaterial) besteht darin, dass es aufgrund der Ineffizienz, der Erfordernisse an die Wärmedissipation und aufgrund der Kosten in Verbindung mit der Verarbeitung und der Zufuhr des Unterstützungs- oder Zweitmaterials teuer und umständlich ist. Z.B. muss ein getrennter Materialverarbeitungs- und Ausgabemechanismus für das Unterstützungsmaterial bereitgestellt werden. Alternativ können Mittel bereitgestellt werden, um die Verarbeitung und die Zufuhr beider Materialien durch ein Einzelsystem zu koordinieren.
Eine andere Herangehensweise, wie sie in dem US-Patent mit der Nummer 4,999,143 von Hull et al.; in dem US-Patent mit der Nummer 5,216,616 von Masters und in dem US-Patent mit der Nummer 5,386,500 von Pomerantz et al. beschrieben ist, umfasst das Aufbauen allgemein beabstandeter Unterstützungsstrukturen aus dem gleichen Material, wie jenem, das zum Aufbauen des Objektes verwendet wird. Eine Vielzahl von Problemen ist mit dieser Herangehensweise aufgetreten. Ein erstes Problem beinhaltet die Unfähigkeit, Unterstützungsstrukturen von beliebiger Höhe herzustellen, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass sie leicht von dem Objekt entfernt werden können. Zweitens ist man auf ein Problem im Hinblick auf die Unfähigkeit gestoßen, leichte Separierbarkeit zwischen dem Objekt und der Unterstützungsstruktur zu erzielen, während gleichzeitig eine effektive Arbeitsoberfläche für das Aufbauen und Unterstützen der aufwärtszeigenden Oberflächen aufrecht erhalten wird. Ein drittes Problem beinhaltet die Unfähigkeit, Unterstützungsstrukturen in der Richtung rechtwinklig zu den Ebenen der Querschnitte (z.B. die vertikale Richtung) mit ungefähr der gleichen Rate wie jener zu akkumulieren, mit der das Objekt akkumuliert wird. Ein viertes Problem beinhaltet die Unfähigkeit, die leichte Separierbarkeit und die minimale Schädigung der aufwärtszeigenden Oberflächen sicherzustellen, wenn Unterstützungen darauf platziert werden müssen, um abwärtszeigende Oberflächen darüber zu unterstützen, die Teil der nachfolgenden Schichten sind. Ein fünfte Frage beinhaltet den Wunsch, den Systemdurchsatz zu steigern.
Zur Illustration diktiert das Ziel des Erreichens leichter Separierbarkeit, dass das Oberflächengebiet, über dem jede Unterstützung das Objekt berührt, so klein wie möglich gehalten werden muss. Andererseits diktiert die Zielstellung des Akkumulierens einer Unterstützung in der Z-Richtung bei einer Rate, die ungefähr jener der Objektakkumulation entspricht, dass das Querschnittsgebiet jeder Unterstützung so groß wie möglich sein muss, um ein großes Gebiet in Bezug auf das Umfangsverhältnis bereitzustellen, wodurch der Materialverlust für das Aufbauen in der Z-Richtung minimiert wird aufgrund des Verlaufens, des Ausbreitens, des Fehlzielens und dergleichen durch das Gestatten eines großen Zielgebietes, um jegliche Ungenauigkeiten in dem Ablagerungsprozess zu kompensieren und um die Fähigkeit des Materials zu limitieren, sich horizontal auszubreiten, anstatt vertikal aufzubauen.
Weiterhin diktiert das Ziel des Erreichens minimaler Schädigung der abwärtszeigenden Oberfläche, dass die Beabstandung zwischen den Unterstützungen so groß wie möglich gehalten wird, um das Kontaktgebiet zwischen den Unterstützungen und dem Objekt zu minimieren. Andererseits diktiert die Zielstellung des Bereitstellens einer effektiven Arbeitsoberfläche zum Aufbauen der abwärtszeigenden Oberfläche, dass die Beabstandung so klein wie möglich gehalten wird. Wie offensichtlich ist, existiert ein Konflikt in dem gleichzeitigen Erreichen dieser Ziele.
Dieses Problem ist in 2 dargestellt, in der, verglichen zu 1, auf gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern Bezug genommen wird. Wie gezeigt, ist die abwärtszeigende Oberfläche 3 durch die Säulenunterstützungen 7a, 7b und 7c unterstützt, während die abwärtszeigende Oberfläche 4 durch die Säulenunterstützungen 8a, 8b, 8c und 8d unterstützt ist. Die Säulenunterstützungen 7a, 7b und 7c sind weit voneinander beabstandet, um die Schädigung der abwärtszeigenden Oberfläche 3 zu minimieren. Weiterhin sind sie jeweils konfiguriert, um die ab wärtszeigende Oberfläche über ein relativ kleines Oberflächengebiet zu kontaktieren, um die Trennbarkeit oder Separierbarkeit zu verbessern. Andererseits werden sie aufgrund des kleinen Querschnittsoberflächengebietes nicht in der Lage sein, in der vertikalen Richtung schnell genug zu akkumulieren, um die Wachstumsrate des Objektes aufrechtzuerhalten. Weiterhin werden sie aufgrund ihrer weiten Beabstandung nicht in der Lage sein, eine effektive Arbeitsoberfläche für das Aufbauen und das Unterstützen der abwärtszeigenden Oberfläche 3 bereitzustellen.
Die Säulenunterstützungen 8a, 8b, 8e und 8d sind im Gegensatz dazu näher beabstandet, um eine effektivere Arbeitsoberfläche für das Aufbauen und unterstützen der abwärtszeigenden Oberfläche 4 bereitzustellen. Es ist ebenfalls jede Unterstützung mit einem größeren Oberflächengebiet konfiguriert, um ihnen zu ermöglichen, mit einer Rate ungefähr gleich der des Objektes zu wachsen. Unglücklicherweise werden diese Unterstützungen aufgrund ihrer näheren Beabstandung und ihrer größeren Querschnittsgebiete größere Schädigung an der abwärtszeigenden Oberfläche bewirken, wenn sie entfernt werden.
Alle Patente, auf die in diesem Abschnitt der Beschreibung oben Bezug genommen wurde, sind hiermit durch Referenz aufgenommen, als wären sie vollständig dargestellt.
3. Angefügte Anhänge und verwandte Patente und Anmeldungen
Anhang A ist hieran angefügt und stellt Details der bevorzugten Materialien der thermischen Stereolithographie zur Verwendung in einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung bereit.
Die folgenden Anmeldungen sind hierdurch hierin durch Referenz aufgenommen, als wenn sie hierin in ihrer Vollständigkeit dargestellt wären:
Der Inhaberin der vorliegenden Anmeldung, 3D Systems, Inc., hat diese Anmeldung parallel zu der folgenden verwandten Anmeldung eingereicht, die hierin durch Referenz aufgenommen ist, als würde sie vollständig dargestellt sein:
Gemäß thermischer Stereolithographie und einiger Techniken zur Schmelzablagerungsbildung wird ein dreidimensionales Objekt Schicht-für-Schicht aus einem Material aufgebaut, welches erhitzt wird, bis es fließfähig ist, und dass dann mit Hilfe eines Ausgabegerätes ausgegeben wird. Das Material kann als ein halbkontinuierlicher Fluss des Materials von dem Ausgabegerät ausgegeben werden oder es kann alternativ als einzelne Tropfen ausgegeben werden. In dem Fall, in dem das Material als ein halbkontinuierlicher Fluss ausgegeben wird, ist es denkbar, dass weniger strenge Kriterien für die Arbeitsoberfläche akzeptabel sein können. Ein frühere Ausführungsform der thermischen Stereolithographie ist in dem US-Patent mit der Nr. 5,141,680 beschrieben, das hierdurch durch Referenz aufgenommen ist. Die thermische Stereolithographie ist insbesondere für die Verwendung in einer Büroumgebung aufgrund seiner Fähigkeit geeignet, nicht-reaktive, nicht-toxische Materialien zu verwenden. Weiterhin benötigt der Vorgang des Bildens der Objekte unter Verwendung dieser Materalien nicht die Einbeziehung der Verwendung von Strahlungen (z.B. UV-Strahlung, IR-Strahlung, sichtbares Licht und/oder Laser-Strahlung), das Aufheizen von Materialien auf brennbare Temperaturen (z.B. das Abbrennen des Materials entlang von Grenzen der Querschnitte wie in einigen LOM-Techniken), reaktive Chemikalien (z.B. Monomere, Photopolymere) oder toxische Chemikalien (z.B. Lösungsmittel), komplizierte Schneidmaschinen und dergleichen, die sehr laut sein können oder signifikante Risiken aufwerfen, wenn sie falsch bedient werden. Stattdessen wird die Objektbildung durch Aufheizen des Materials auf eine fließfähige Temperatur, dann durch selektives Ausgeben des Materials und durch das gestatten seiner Abkühlung erzielt.
Die US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/534,447 ist eine Stammanmeldung für die vorliegende Anmeldung und sie ist auf die Datenumwandlungstechniken gerichtet, die beim Umwandeln 3D-Objektdaten in Unterstützungs- und Objektdaten zur Verwendung in einem bevorzugten System zur selektiven Ablagerungsbildung (SDM) basierend auf TSL (thermische Stereolithographie)-Prinzipien genutzt werden. Diese referenzierte Anmeldung ist ebenfalls auf verschiedene Techniken zur Datenverarbeitung, Datensteuerung und zur Systemsteuerung zum Steuern des bevorzugten SDM/TSL-Systems gerichtet, dass hiernach beschrieben wird. Alter native Techniken zur Datenverarbeitung und Steuertechniken werden ebenfalls zur Verwendung in SDM-Systemen sowie zur Verwendung in anderen RP&M-Systemen beschrieben.
Die US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/535,772 ist auf ein bevorzugtes Material gerichtet, dass durch das bevorzugte SDM/TSL-System genutzt wird, welches hiernach beschrieben wird. Einige alternative Materialien und Verfahren sind ebenfalls beschrieben.
Die US Patentanmeldung mit der Nummer 08/534,477, auf die oben Bezug genommen wurde, ist auf einige Besonderheiten des bevorzugten SDM/TSL-Systems gerichtet. Einige alternative Konfigurationen werden ebenfalls angesprochen.
Der Inhaber der vorliegenden Anmeldung, 3D Systems, Inc., ist ebenfalls der Inhaber einer Anzahl von anderen US-Patentanmeldung und US-Patenten im Gebiet von RP&M und insbesondere in dem Stereolithographiebereich dieses Gebietes. Die folgenden allgemeinen besitzbefindlichen US-Patentanmeldungen und US-Patente sind hierdurch durch Referenz aufgenommen, als wenn sie vollständig hierin dargestellt wären.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die unmittelbare Erfindung enthält eine Anzahl von Techniken (Verfahren und Vorrichtung), die allein oder in Kombination genutzt werden können, um eine Anzahl von Problemen in Verbindung mit der Datenerzeugung, der Datenverarbeitung und der Systemsteuerung zur Verwendung beim Bilden von 3D-Objekten durch selektive Ablagerungsbildung anzugehen. Obwohl sie primär auf SDM-Techniken gerichtet ist, können die hiernach beschriebenen Techniken in einer Vielzahl von Wegen auf die anderen RP&M-Technologien angewandt werden, wie sie oben beschrieben sind, um den Systemdurchlauf durch das Bereitstellen von verbesserten Technik zur Datenverarbeitung und zur Datenerzeugung zu steigern. Weiterhin können die hierin beschriebenen Techniken angewandt werden auf Systeme zur selektiven Ablagerungsbildung, die eins oder mehrere Aufbau und/oder Unterstützungsmaterialien verwenden, wobei eins oder mehrere der Materialien selektiv ausgegeben wird, wobei andere nicht-selektiv ausgegeben werden können und wobei erhöhte Temperaturen genutzt oder nicht-genutzt werden, für alle oder einen Teil der Materialien, um ihre selektive Ablagerung zu unterstützen.
Die Techniken können auf SDM-Systeme angewandt werden, wobei das Aufbaumaterial (z.B. Farbe oder Tinte) für Ausgabezwecke fließfähig gemacht wird, indem ihn ein Lösungsmittel zugesetzt wird (z.B. Wasser, Alkohol, Aceton, Tintenverdünner oder andere Lösungsmittel, die geeignet sind für spezifische Aufbaumaterialien), wobei das Material nach dem Ausgeben dazu gebracht werden kann, zu verfestigen, indem die Entfernung des Lösungsmittels bewirkt wird (z.B. durch Erhitzen des ausgegebenen Materials, durch Ausgeben des Materials in eine teilweise evakuierte (d.h. Vakuum) Ausbaukammer oder indem man dem Lösungsmittel ausreichend Zeit gibt, um zu verdampfen. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Aufbaumaterial (z.B. Farbe) in seiner Natur thixotrop sein, wobei eine Steigerung in den Scherkräften des Materials verwendet werden könnte, um sein Ausgeben zu unterstützen, oder die thixotrope Eigenschaft kann einfach genutzt werden, um das Material beim Halten seiner Form, nachdem es ausgegeben wurde, zu unterstützen. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Material in seiner Natur reaktiv sein (z.B. ein Photopolymer, ein thermisches Polymer, ein ein- oder zweiteiliges Epoxymaterial, ein Kombinationsmaterial, wie beispielsweise eines der zuvor erwähnten Materialien in einer Kombination mit einem Wachs oder einem thermoplastischen Material) oder zumindest verfestigbar, wenn es mit einem anderen Material kombiniert wird (z.B. eine plastische Masse aus Kreide und Wasser), wobei das Material nach dem Ausgeben durch geeignete Anwendung von vorgeschriebener Stimulation reagiert wird (z.B. Wärme, EM-Strahlung (sichtbar IR, UV, Röntgen, etc.), eine reaktive Chemikalie, ein zweiter Teil eines zweiteiligen Epoxy, der zweite oder mehrfache Teil einer Kombination), wobei das Aufbaumaterial und/oder die Kombination der Materialien verfestigt wird. Natürlich können Materialien der thermischen Stereolithographie und Ausgabe techniken allein oder in Kombination mit den obigen Alternativen verwendet werden. Weiterhin können verschiedene Ausgabetechniken verwendet werden, wie beispielsweise das Ausgeben durch einzelne oder Mehrfachtintendüsengeräte umfassend heißschmelzende Tintendüsen, Blasendüsen etc. und durch kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Fluss, einzelne oder Mehrfachöffnungsextrusionsdüsen oder -köpfe.
Demgemäß ist es ein erstes Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung mit höherer Genauigkeit von Objekten bereitzustellen.
Ein zweites Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Objekten mit weniger Verzerrung bereitzustellen, indem die thermische Umgebung während der Objektbildung gesteuert wird.
Ein drittes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Objekten mit einer geringeren Verzerrung bereitzustellen, indem gesteuert wird, wie das Material ausgegeben wird.
Ein viertes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Steigern der Geschwindigkeit der Objektherstellung bereitzustellen.
Ein fünftes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für Unterstützungsstrukturen bereitzustellen, die es gestatten, Objektunterstützungen beliebiger Höhe zu bilden.
Ein sechstes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für Unterstützungsstrukturen bereitzustellen, die eine gute Arbeitsoberfläche liefern.
Ein siebtes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine Unterstützungsstruktur bilden, die leicht von den abwärtszeigenden Oberflächen des Objektes entfernt werden kann.
Ein achtes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für Unterstützungsstrukturen bereitzustellen, die in einer minimalen Schädigung der abwärtszeigenden Oberflächen des Objektes aufgrund ihrer Entfernung resultieren.
Ein neuntes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen der Unterstützungen von dem Objekt bereitzustellen.
Ein zehntes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für Unterstützungsstrukturen bereitzustellen, die Unterstützungen vertikal mit einer Rate aufbauen, die ungefähr der vertikalen Aufbaurate des Objektes entspricht.
Ein elftes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine Unterstützungsstruktur bilden, die leicht von den aufwärtszeigenden Oberflächen des Objektes entfernt werden kann.
Ein zwölftes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für Unterstützungsstrukturen bereitzustellen, die in einer minimalen Schädigung der aufwärtszeigenden Oberflächen des Objektes aufgrund ihres Entfernens resultieren.
Ein dreizehntes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Herstellen von Unterstützungen bereitzustellen, die von den vertikalen Objektoberflächen getrennt sind.
Ein vierzehntes Ziel der Erfindung ist es, Unterstützungsstrukturen bereitzustellen, die kombinierbar mit anderen RP&M-Technologien sind, um die Objektbildung zu verbessern.
Es wird erwartet, dass die obigen Ziele durch unterschiedliche Aspekte der Erfindung getrennt erzielt werden können und das zusätzliche Ziele der Erfindung ver schiedene Kombinationen der obigen unabhängigen Ziele beinhalten, so dass kombinierte Vorzüge über kombinierte Techniken erzielt werden können.
Andere Ziele der Erfindung werden aus der Beschreibung hierin offensichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 illustriert abwärtszeigende Oberflächen eines Objektes;
2 illustriert zwei Kategorien der Unterstützungsstrukturen zum Unterstützen der abwärtszeigenden Oberfläche der 1;
3 ist ein Diagramm der funktionellen Hauptkomponenten des bevorzugten selektiven Ablagerungsmodellierungs- bzw. des thermischen stereolithographischen Systems umfassend einen Druckkopf;
4a und 4b illustrieren die Platte der Öffnungen des Druckkopfes der 3 in unterschiedlichen Orientierungen zur Abtastrichtung;
5 ist eine detailliertere Zeichnung des Ebeners bzw. des Glätters der 3;
6 illustriert die relative Beabstandung zwischen angrenzenden Düsen auf der Öffnungsplatte und zwischen angrenzenden Rasterlinien;
7 illustriert das Gitter der Pixel, die die Datenauflösung des Systems definieren;
8 illustriert zwei rechtwinklige Beispiele der Rasterlinien-Orientierung;
9 illustriert zwei Beispiele der Ablagerungsausbreitung in der zweiten Abtastrichtung;
Die 10a und 10b illustrieren zwei Beispiele der Ablagerungsausbreitung in der Hauptabtastrichtung;
11a und 11b illustrieren ein Beispiel einer Abtastlinienverschachtelung;
12a und 12b illustrieren ein Beispiel der Tropfenortverschachtelung entlang verschiedener Abtastlinien;
Die 13a und 13b illustrieren ein weiteres Beispiel der Tropfenortverschachtelung entlang verschiedener Abtastlinien;
14 illustriert ein Schachbrettablagerungsmuster aus einzelnen Pixeln;
15 illustriert ein Pixelmuster einer Säulenstruktur, die eine bevorzugte Unterstützungsstruktur bildet;
16a – 16d illustrieren verschiedene Methoden zum Aufdrucken;
17a und 17b illustrieren ein Problem der Vielregistrierung, das auftreten kann, wenn man eine Aufdrucktechnik verwendet;
18a illustriert die resultierenden Ablagerungsregionen, wenn die Pixel der 15 unter Verwendung einer Aufdruckmethode exponiert werden;
19 illustriert ein alternatives Pixelmuster für Säulenunterstützungen;
20 illustriert ein Mischunterstützungsstruktur;
21a und 21b illustrieren Unterstützungen eines Bogentyps;
22a – d stellen eine verschachtelte Ausführungsform dar zum Ablagern des Materials während des Aufbauens eines Objektes;
23a – h illustrieren eine Aufbauausführungsform, die den horizontalen und den vertikalen Versatz von Pixeln verwendet;
24a – d illustrieren eine Ausführungsform des Ablagerns, die das Risiko der Brückenbildung zwischen durch eine Lücke getrennten Regionen reduziert;
25a – e illustrieren eine Aufbautechnik, wobei das Objekt in Stücke unterteilt ist, die getrennt aufgebaut und dann zusammengeklebt werden;
26 illustriert ein bevorzugtes 2-Schritt-Rasterabtasten und ein Indizierungsmuster;
27a – e stellen verschiedenen Kombinationen der Arbeitsoberfläche und Zielpositionen dar;
28a stellt eine Seitenansicht einer Ausführungsform von verzweigten Unterstützungen dar;
28b stellt eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform von verzweigten Unterstützungen dar;
29a – e stellen eine Draufsicht von verzweigten Schichten für eine Ausführungsform der verzweigten Unterstützungen dar;
30a – 30m stellen eine Draufsicht von verzweigten Schichten für eine andere Ausführungsform der verzweigten Unterstützungen dar;
31a – 31c stellen eine Draufsicht von verzweigten Schichten für eine andere Ausführungsform von verzweigten Unterstützungen dar; und
32a – 31d stellen eine Draufsicht von verzweigten Schichten für eine andere Ausführungsform von verzweigten Unterstützungen dar.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie vorhergehend diskutiert, ist die vorliegende Anmeldung auf Unterstützungstechniken und Aufbautechniken gerichtet, die zur Verwendung in einem System zur selektiven Ablagerungsbildung (SDM = Selective Deposition Modeling) geeignet sind. Insbesondere ist das bevorzugte SDM-System ein System thermischer Stereolithographie (TSL = Thermal Stereolithography). Die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird mit einer Beschreibung eines bevorzugten TSL-Systems beginnen. Weitere Details des bevorzugten Systems, der Datenverarbeitungstechniken, der Systemsteuertechniken, der Materialzusammensetzungen und -eigenschaften und verschiedene Alternativen sind in den zuvor referenzierten US-Patenanmeldungen mit den Nr.: 08/534,813; 08/534,447; 08/535,772 und 08/534,477 und unter dem 3D-Aktenzeichen USA.143, die parallel zu dieser Anmeldung eingereicht wurde, beschrieben. Weiterhin werden alternative Systeme in einer Anzahl von zuvor erwähnten Anmeldungen und Patenten diskutiert, insbesondere in den erwähnten, die direkt in Beziehung stehen zu oder die anwendbar sind auf SDM, TSL oder auf Schmelzablagerungsbildung (FDM = Fused Deposition Modeling). Die hiernach als solche beschriebenen Unterstützungsstrukturen und Aufbaustile sollten derart ausgewählt werden, dass sie anwendbar sind auf eine Vielzahl von SDM, TSL und FDM-Systemen und dass sie nicht begrenzt sind durch die Systembeispiele, die hierin beschrieben sind. Weiterhin, wie zuvor bemerkt wurde, finden diese Unterstützungsstrukturen und Ausbaustile in den anderen RP&M-Technologien Anwendung.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen von SDM/TSL ist in 3 dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Ausgabeplattform 18, einen Ausgabekopf 9 (z.B. einen Tintenstrahlkopf mit mehreren Öffnungen), wobei der Ausgabekopf 9 an der Ausgabeplattform 18 angeordnet ist, einen Ebener bzw. Glätter 11 und eine Teilaufbauplattform 15. Die Ausgabeplattform 18 ist ein horizontales Element, das zum Unterstützen des Ebeners 11 und des Ausgabekopfes 9 geeignet ist. Die Ausgabeplattform 18 ist gleitend mit einer X-Bühne 12 durch ein Verbindungselement 13 verbunden. Die X-Bühne 12 ist bevorzugt durch einen Steuercomputer oder einen Mikroprozessor (nicht gezeigt) gesteuert und bewegt gesteuert die Ausgabeplattform 18 in der X-Richtung oder der Hauptabtastrichtung vor und zurück.
Weiterhin sind an jeder Seite der Plattform 18 Lüfter (nicht gezeigt) befestigt, um Luft vertikal abwärts zu blasen, um beim Abkühlen des ausgegebenen Materials und der Teilaufbauplattform 15 zu helfen, so dass die gewünschte Aufbautemperatur aufrecht erhalten wird. Andere geeignete Befestigungsmethoden für die Lüfter und/oder andere Kühlsysteme umfassen, aber sind nicht beschränkt auf, Vorrichtungen zum Beschlagen mit Feuchtigkeit zum Leiten von verdampfbaren Flüssigkeiten (z.B. Wasser, Alkohol oder Lösungsmittel) auf die Oberfläche des Objektes, Vorrichtungen zur Fremdkühlung mit Lüftern, die zwischen dem Ebener 11 und dem Ausgabekopf 9 befestigt sind, und Vorrichtungen zur Fremdkühlung mit festen oder beweglichen Lüftern, die auf der Ausgabeplattform befestigt sind. Die Kühlsysteme können aktive oder passive Techniken zum Abführen der Wärme umfassen, die in Kombination mit Temperaturabtastvorrichtungen computergesteuert sein können, um das zuvor ausgegebene Material innerhalb des gewünschten Aufbautemperaturbereichs zu halten. Andere Herangehensweisen an das Kühlen umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf das Aussalzen des Materials mit einer Substanz, die als ein Schwarzkörperstrahler insbesondere bei IR-Frequenzen funktioniert, so dass Wärme leichter von dem Objekt während des Aufbauprozesses abgestrahlt wird. Weitere alternative Herangehensweisen umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf das Hinzugeben von leitenden Substanzen zu dem Material alle paar Schichten, das Zugeben eines Lösungsmittels zu dem Material, das Aufbauen von Teilen mit Kühlungspassagen oder mit einem eingebetteten Substrat (wie beispielsweise geschachtelte Drähte) zum Kühlen oder dem Aufbauen auf einer Glasplatte oder einer Mylarlage.
Andere Ausführungsformen zum Kühlen des Materials oder zumindest zum Halten des ausgegebenen Materials auf einer geeigneten Temperatur können die Verwendung des Zuleitens eines Temperatur dämpfenden Gases (z.B. eines Kühlgases, wie beispielsweise Luft) an der oberen Oberfläche des teilweise gebildeten Objektes umfassen, wie oben diskutiert ist, aber sie können zusätzlich Steuertechniken zum Abführen der Kühlluft von der Oberfläche umfassen. Solche Techniken beinhalten die Verwendung von Gebläse- und Absaugvorrichtungen und das wechselnde Positionieren von Gebläserohrleitungen (Rohrleitungen zum Einführen von Gas) und Absaugrohrleitungen (Rohrleitungen zum Abführen von Gas). Diese Rohrleitungen können das Abführen des Kühlgases gestatten, bevor ein übermäßiges Erhitzen des Gases einen Verlust in der effektiven Kühlrate bewirkt. Das Gas, das an der Oberfläche entlang geleitet wird, kann in einem gekühlten Zustand zugeführt werden, kann bei Raumtemperatur zugeführt werden oder kann bei einer irgendwie anderen geeigneten Temperatur zugeführt werden. Diese wechselseitig zuführenden und abführenden Rohrleitungen können, wenn sie geeignet konfiguriert sind, eine schnellere Abtastgeschwindigkeit gestatten, als derzeit aufgrund von Turbulenzen oder Windstörungen der zerbrechlichen Strukturen, wie beispielsweise Unterstützungen, gestattet sind. Diese Rohrleitungen können konfiguriert sein, um einen Luftstrom in der entgegengesetzten Richtung zu der Druckkopfbewegung bereitzustellen, wodurch sie die Netto-Windgeschwindigkeit reduzieren, die in Kontakt mit dem teilweise gebildeten Objekt kommt. Das Einblasen oder Absaugen in Verbindung mit den einzelnen Rohrleitungen kann in Abhängigkeit von der Richtung der Bewegung des Druckkopfes umgekehrt, zugeschaltet oder abgeschaltet werden.
Der Druckkopf 9 ist ein kommerzieller Druckkopf, der zum Ausspritzen von heißschmelzenden Tinten, wie beispielsweise für Thermoplaste oder wachsähnliche Materialien konfiguriert ist, und der modifiziert ist zur Verwendung in einem dreidimensionalen Aufbausystem, wobei der Druckkopf Rückwärts- und Vorwärtsbewegungen und Beschleunigungen erfährt. Die Modifikationen des Druckkopfes beinhalten das Konstruieren von einem An-Bord-Reservoir, so dass die Beschleunigungen in einer minimalen Fehlplatzierung des Materials in dem Reservoir resultiert. Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst einen kommerziellen Druckkopf mit 96 Düsen, das Modell mit der Nummer HDS 961, dass durch die Spectra Corp. aus Nashua in Hew Hempshire vertrieben wird, wobei es Reservat-Modifikationen umfasst. Der Druckkopf liefert Material in einem fließfähigen Zustand von einem Materialpack und Bearbeitungsuntersystem (nicht gezeigt), dass in der zuvor erwähnten Patentanmeldung mit der Nr. 08/534,477 beschrieben ist. In der bevorzugten Ausführungsform sind alle 96 Düsen an dem Kopf computergesteuert, um gezielt Tropfen durch die Öffnungsplatte 10 zu feuern, wenn jede Öffnung (d.h. Düse) geeignet positioniert ist, um die Tropfen auf die gewünschten Positionen auszugeben. In der Praxis sind ungefähr 12.000 bis 16.000 Befehle pro Sekunde zu jeder Düse gesendet worden, um jede gezielt zu steuern, um abzufeuern (einen Tropfen auszugeben) oder nicht abzufeuern (einen Tropfen nicht auszugeben) in Abhängigkeit von der Düsenposition und den gewünschten Orten für die Materialablagerung. In der Praxis wurden ebenfalls Feuerbefehle gleichzeitig zu allen Düsen gesendet. Da der oben erwähnte bevorzugte Druckkopf ungefähr 100 Düsen umfasst, resultieren die oben bezeichneten Feuerraten in der Notwendigkeit, ungefähr 1,2 bis 1,6 Millionen Feuerbefehle jede Sekunde zu dem Kopf zu senden. Daher ist der Kopf computergesteuert, um selektiv die Düsen abzufeuern und um zu bewirken, dass sie gleichzeitig Tropfen des geschmolzenen Materials durch eine oder mehrere Öffnungen in der Öffnungsplatte 10 ausgeben. Man wird natürlich erkennen, dass in alternativen bevorzugten Ausführungsformen Köpfe mit anderen Anzahlen von Düsen verwendet werden können, unterschiedliche Feuerfrequenzen möglich sind und unter geeigneten Umständen ein nicht-gleichzeitiges Feuern der Düsen möglich ist.
Um am effektivsten ein dreidimensionales Objekt aufzubauen, ist es wünschenswert, dass alle Düsen korrekt feuern bzw. ausgeben. Um sicherzustellen, dass alle Düsen korrekt ausgeben oder zumindest um die Anzahl derer zu maximieren, die korrekt ausgeben, werden verschiedene Techniken verwendet. Eine derartige Ausführungsform beinhaltet das Prüfen der Düsen nach dem Bilden jeder Schicht. Diese Technik umfasst die Schritte des: 1) Bildens einer Schicht; 2) Prüfen der Düsen durch Drucken eines Testmusters von Linien auf einem Stück Papier mit allen ausgebenden Düsen; 3) Optisches Ermitteln (durch das Abtasten eines Balkencodes oder dergleichen), ob eine Düse falsch ausgibt; 4) Entfernen der Verstopfung der Düse; 5) vollständiges Entfernen der gerade ausgegebenen Schicht (z.B. maschinell unter Verwendung eines bevorzugten Ebeners, der hiernach beschrieben werden wird); und 6) Wiederaufbauen der Schicht mit allen Düsen umfassend die nicht verstopften Düsen.
Eine zweite Ausführungsform umfasst die folgenden bevorzugten Schritte: 1) Bilden einer Schicht; 2) Optisches Ermitteln einer falschausgebenden Düse; 3) Neuabtasten der Linien auf der Schicht, die durch die falschausgebende Düse hätte geformt werden sollen; 4) Verzichten auf die Verwendung der falschausgebenden Düse in dem Rest des Ausbauprozesses; und 5) Abtasten der nachfolgenden Schichten, während die falsch ausgebende Düse kompensiert wird (d.h. das Ausführen von Extradurchläufen mit einer Arbeitsdüse, um die Linien entsprechend der falschausgebenden Düse abzudecken). Optional kann die falsch ausgebende Düse periodisch überprüft werden, um zu erkennen, ob sie wieder begonnen hat zu funktionieren. Wenn dies der Fall ist, wird diese Düse wieder in Betrieb genommen. Eine andere Option beinhaltet, die falschausgebende Düse einer Reaktivierungsroutine zu unterziehen, um zu erkennen, ob sie betriebsfähig gemacht werden kann. Dies könnte während des Aufbauprozesses oder während des Wartens des Systems stattfinden. Als eine weitere Alternative kann es möglich sein zu bestimmen, ob oder ob eine Düse nicht korrekt ausgibt, in dem die elektri schen Charakteristika des piezo-elektrischen Elements verfolgt werden, wenn das Ausgeben stattfinden soll.
Eine dritte Ausführungsform kann die Verwendung eines flexiblen Elements zum Abwischen übermäßigen Materials von dem Boden des Druckkopfes beinhalten. Diese Ausführungsform beinhaltet das Ausgeben durch alle Düsen gefolgt durch ein Abwischen der Öffnungsplatte mit einem erhitzten Gummiabstreifer (z.B. VITON). Bevorzugt ist das Blatt bzw. der Abstreifer derart positioniert, dass es die Öffnungsplatte kontaktiert, wenn sie relativ bewegt und sie sich aneinander vorbei bewegen, wodurch ein Abstreifvorgang bewirkt wird, um übermäßiges Material von der Öffnungsplatte zu entfernen und um hoffentlich jegliche Düsen zu reaktivieren, die sich nicht geeignet verhalten. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Öffnungsplatte und das Blatt in einem Winkel zueinander positioniert sind, so dass zu jedem Zeitpunkt während ihres Kontaktes nur ein Bereich der Öffnungsplatte im Kontakt mit dem Abstreifer ist, wodurch die durch das Blatt ausgeübte Kraft auf die Öffnungsplatte minimiert wird.
Die Öffnungsplatte 10 ist an der Ausgabeplattform 18 derart befestigt, dass es Tropfen des Materials gestattet ist, von der Unterseite der Ausgabeplattform 18 ausgegeben zu werden. Die Öffnungsplatte 10 ist in den 4a und 4b dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform und wie es in 4a dargestellt ist, ist die Öffnungsplatte 10 (d.h. die Reihe der Öffnungen) ungefähr rechtwinklig zu der Hauptabtastrichtung (X-Richtung) befestigt, und sie ist mit N = 96 einzelnen, gesteuerten Öffnung konstruiert (die mit 10(1), 10(2), 10(3) ... 10(96) bezeichnet sind). Jede Öffnung ist mit einem piezo-elektrischen Element ausgerüstet, dass eine Druckwelle bewirkt, die sich durch das Material fortbewegt, wenn ein elektrischer Ausgabeimpuls auf das Element aufgebracht wird. Die Druckwelle bewirkt das Ausgeben eines Tropfens des Materials von der Öffnung. Die 96 Öffnungen werden durch den Steuercomputer gesteuert, der die Raten und die Zeiten der Ausgabeimpulse angewandt auf die einzelnen Öffnungen steuert. Unter Bezugnahme auf 4a ist die Entfernung "d" zwischen angrenzenden Öffnun gen in der bevorzugten Ausführungsform ungefähr 8/300 eines Inch (ungefähr 26,67 mils). Daher beträgt mit 96 Öffnungen die effektive Länge "D" der Öffnungsplatte ungefähr (Nx8/300 inch) = (96x8/300 Inch) = 2,56 Inch (65,02 mm).
Um ein Objekt genau aufzubauen, muss der Druckkopf derart ausgeben, dass die Tropfen bestimmte "gewünschte Tropforte" erreichen, d.h. Orte, an denen das Landen der Tropfen beabsichtigt ist. Die gewünschten Tropforte werden von einer Datenkarte bestimmt oder von Pixelorten, die das Objekt als eine Reihe von relativ beabstandeten Ortspunkten beschreiben. Für die Tropfen, die an den gewünschten Tropforten landen sollen, muss der Druckkopf die Tropfen von einem "gewünschten Ausgabeort" oder zu einer "gewünschten Ausgabezeit" ausgeben, was auf der relativen Position des Druckkopfes in Bezug auf den gewünschten Tropfort, der Geschwindigkeit des Druckkopfes und den ballistischen Charakteristika der Teilchen, nachdem sie ausgegeben wurden, basiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Rasterabtasten verwendet, um den Druckkopf 9 und die Öffnungen an gewünschten Ausgabeorten zu positionieren. Der Druckprozess für jede Schicht wird durch eine Reihe von Relativbewegungen zwischen dem Kopf 9 und den gewünschten Tropf- oder Ausgabeorten ausgeführt. Das Drucken findet typischerweise statt, wenn sich der Kopf 9 relativ in einer Hauptabtastrichtung bewegt. Dies ist gefolgt von einer typischen kleineren inkrementellen Bewegung in einer zweiten Abtastrichtung, während kein Ausgeben stattfindet, was umgekehrt gefolgt ist von einem umgekehrten Abtasten in der Hauptabtastrichtung, indem wieder ein Ausgeben stattfindet. Der Vorgang der wechselnden Hauptabtastungen und zweiten Abtastungen tritt wiederholt auf, bis die Schicht vollständig abgelagert ist.
Alternative bevorzugte Ausführungsformen können kleinere zweite Abtastbewegungen leisten, während das Hauptabtasten auftritt. Aufgrund der typischerweise großen Unterschiede in der Nettoabtastgeschwindigkeit entlang der Haupt- und der zweiten Richtung resultiert eine derartige Alternative noch in der Ablagerung entlang der Abtastlinien, die annähernd parallel zu der Hauptabtastrichtung und rechtwinklig zu der zweiten Abtastrichtung sind. Weitere alternativ bevorzugte Ausführungsformen können Vektorabtasttechniken oder eine Kombination der Vektorabtast- und der Rasterabtasttechniken verwenden.
Es wurde herausgefunden, dass Tropfen unmittelbar nach ihrem Ausgeben aus der Düsenöffnung eine verlängerte Form aufweisen verglichen mit ihrer Breite. Das Verhältnis der Tropfenlänge zur Tropfenbreite kann als das Seitenverhältnis des Tropfens definiert werden. Es wurde weiterhin herausgefunden, dass das Seitenverhältnis dieser Tropfen kleiner wird, wenn sich die Tropfen von den Düsenöffnungen wegbewegen (d.h. sie werden in ihrer Form runder).
Man sollte erkennen, dass in einigen Ausführungsformen die Beabstandung zwischen der Öffnungsplatte 10 und der Arbeitsoberfläche bevorzugt groß genug ist, so dass die von dort ausgegebenen Tropfen halbkreisförmig werden, wenn sie auf der Arbeitsoberfläche auftreffen. Andererseits sollte man ebenfalls erkennen, dass diese Beabstandung, die die Entfernung bestimmt, die die Tropfen während des Druckprozesses vor dem Auftreffen zurücklegen müssen, minimiert werden sollte, um Genauigkeitsprobleme zu vermeiden, die auftreten können, wenn die Flugzeit der Tropfen zunimmt. Es wurde in der Praxis herausgefunden, dass diese zwei Bedingungen befriedigend erzielt werden, wenn zumindest 90% der von der Öffnungsplatte ausgegebenen Tropfen ein Seitenverhältnis (d.h. das Verhältnis, das durch die Breite des Tropfens dividiert durch seine Länge gebildet wird) erreichen, das bevorzugt kleiner als ungefähr 1,3, noch mehr bevorzugt kleiner als ungefähr 1,2 und am meisten bevorzugt zwischen ungefähr 1,05 und 1,1 ist.
In alternativen bevorzugten Ausführungsformen kann der Druckkopf 9 in einem nicht rechtwinkligen Winkel zu der Hauptabtastrichtung befestigt sein. Diese Situation ist in 4b dargestellt, wobei der Druckkopf 9 in einem Winkel "α" zu der Hauptabtastrichtung (z.B. der "X"-Richtung) befestigt ist. In dieser alternativen Situation wird die Trennung zwischen den Öffnungen reduziert von d auf d' = (d·sin α) und die effektive Länge des Druckkopfes 9 wird reduziert auf D' = (D·sin α). Wenn die Beabstandung d' gleich ist zu der gewünschten Druckauflösung in der zweiten Abtastrichtung (die Richtung ungefähr rechtwinklig zu der Hauptabtastrichtung), wird der Winkel α als der "Säbelwinkel" (saber angle) angesehen.
Wenn die Beabstandung d oder d' nicht die gewünschte zweite Druckauflösung ist (d.h. der Druckkopf befindet sich nicht in dem Säbelwinkel), dann muss für die optimale Effizienz im Drucken einer Schicht die gewünschte Auflösung derart ausgewählt werden, dass d oder d' zu einem ganzzahligen Vielfachen der gewünschten Auflösung gemacht wird. Wenn in ähnlicher Weise mit α ≠ 90° gedruckt wird, existiert eine Beabstandung zwischen den Düsen in der Hauptabtastrichtung sowie in der zweiten Abtastrichtung. Diese Beabstandung ist definiert durch d" = d·cos α. Dies bestimmt umgekehrt, dass die Optimierung der Druckeffizienz dann auftreten wird, wenn die gewünschte Druckauflösung der Hauptabtastrichtung ausgewählt wird, ein ganzzahliger Teiler von d" zu sein (dies nimmt an, dass Ausgabeorte in einem rechtwinkligen Netz angeordnet sind). Ein anderer Weg, um dies auszudrücken, besteht darin, dass der Winkel α derart ausgewählt ist, dass d' und/oder d", wenn sie durch geeignete ganze Zahlen M und P geteilt werden, die gewünschten zweiten und Hauptabtastauflösungen liefern. Ein Vorteil bei der Verwendung der bevorzugten Orientierung des Druckkopfes (a = 90°) besteht darin, dass sie jede gewünschte Druckauflösung in der Hauptabtastrichtung gestattet, während noch die optimale Effizienz aufrechterhalten wird.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen können eine Vielzahl von Köpfen verwendet werden, die Seite an Seite angeordnet sind (sich in der zweiten Abtastrichtung erstrecken) und/oder die Rückseite an Rückseite gestapelt sind (gestapelt in der Hauptabtastrichtung). Wenn sie Rückseite an Rückseite gestapelt sind, können die Druckköpfe Öffnungen ausgerichtet in der Hauptabtastrichtung aufweisen, so dass sie über die gleichen Linien drucken oder alternativ, dass sie voneinander versetzt werden können, so dass Material entlang unterschiedlicher Ab tastlinien ausgegeben wird. Im Speziellen kann es wünschenswert sein, durch die gewünschte Beabstandung der Rasterlinien in der zweiten Abtastrichtung den Versatz der Rücken-an-Rücken angeordneten Druckköpfe zueinander zu haben, um die Anzahl der Hauptabtastdurchläufe zu minimieren, die stattfinden müssen. In anderen bevorzugten Ausführungsformen müssen die Daten, die die Ablagerungsorte definieren, nicht durch Pixel lokalisiert sein, die in einem rechtwinkligen Gitter konfiguriert sind, aber stattdessen können sie durch Pixel lokalisiert sein, die in einem anderen Muster konfiguriert sind (z.B. in einem versetzten oder gestaffelten Muster). Spezieller können die Ablagerungsorte vollständig oder teilweise von Schicht zu Schicht variiert werden, um das teilweise Versetzen eines Pixeltropfenortes für eine gesamte Schicht oder für einen Bereich einer Schicht basierend auf den Einzelheiten einer auszuspritzenden Region auszuführen.
Derzeit bevorzugte Drucktechniken beinhalten Ablagerungsauflösungen von 300, 600 und 1.200 Tropfen pro Inch in der Hauptabtastrichtung und 300 Tropfen pro Inch in der zweiten Abtastrichtung.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 5 umfasst der Ebener 11 einen aufgeheizten rotierenden Zylinder 18a (z. B. 2.000 Umdrehungen pro Minute) mit einer texturierten Oberfläche (z.B. gerändelt). Seine Funktion besteht im Schmelzen, Transferieren und Entfernen von Bereichen der zuvor ausgegebenen Schicht oder Lage des Materials, um sie zu glätten, um eine gewünschte Dicke für die zuletzt gebildete Schicht zu setzen, und um die obere Netto-Oberfläche der zuletzt gebildeten Schicht auf ein gewünschtes Niveau zu setzen. Das Bezugszeichen 19 identifiziert eine Lage des Materials, die gerade durch den Druckkopf abgelagert wurde. Der rotierende Zylinder 18a ist in der Ausgabeplattform derart befestigt, dass es ihm gestattet ist, von der Unterseite der Plattform um einen ausreichenden Betrag in der Z-Richtung hervorzuragen, so dass er das Material 19 an einem bestimmten Niveau kontaktiert. Es ist bedeutender, dass der rotierende Zylinder 18a derart befestigt ist, dass er eine gewünschte Entfernung unterhalb der Ebene vorsteht, die durch die Unterseite des Druckkopfes oder die Öffnungsplatte überstri chen wurde. In dem Fall, dass die Öffnungsplatte selbst unter der Ausgabeplattform 18 hervorragt, wird der rotierende Zylinder 18a weiter unter der Ausgabeplattform 18 hervorragen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich der Vorsprung unter der Öffnungsplatte in der Z-Richtung in einem Bereich von 0,5 mm bis 1,0 mm. Die Ausdehnung, bis zu der sich die Rolle unter die Ausgabeplattform 18 erstreckt, ist eine Determinante der Beabstandung zwischen der Öffnungsplatte 10 und der Arbeitsoberfläche. Daher ist es in einigen bevorzugten Ausführungsformen bevorzugt, dass die Ausdehnung, bis zu der sich der Ebener 11 unter die Öffnungsplatte 10 erstreckt, nicht mit der Bedingung in Konflikt gerät, die früher in Bezug auf das Tropfenseitenverhältnis beschrieben wurde, indem 90° der Tropfen über das Auftreffen ein Seitenverhältnis von bevorzugt weniger als 1,3, mehr bevorzugt von weniger als ca. 1,2 und am meisten bevorzugt von ungefähr 1,05 bis 1,1 erreicht haben.
Die Drehung des Zylinders reinigt (abstreichen) Material von der gerade abgelagerten Schicht, die in der Figur mit dem Bezugszeichen 21 identifiziert ist, und lässt in seinem Nachlauf eine glatte Oberfläche 20 zurück. Das Material 21 klebt an der gerändelten Oberfläche des Zylinders und es wird versetzt, bis es den Abstreifer 22 kontaktiert. Wie es gezeigt ist, ist der Abstreifer 22 zum effektiven "Abkratzen" des Materials 21 von der Oberfläche des Zylinders angeordnet. Der Abstreifer ist bevorzugt aus VITON hergestellt, obwohl andere Materialien, wie beispielsweise TEFLON^® zum Abkratzen des Materials von der Oberfläche des Zylinders ebenfalls geeignet sind. Bevorzugt ist das Material des Abkratzers nicht benetzend im Hinblick auf das verflüssigte Aufbaumaterial und es ist beständig genug, um mit dem rotierenden Zylinder 18a in Kontakt zu stehen, ohne sich zu schnell abzunutzen. Das entfernte Material wird durch Absaugen über eine erhitzte Leitung zu einem Abfalltank (nicht gezeigt) weggenommen, wo es entweder abgelagert oder recycelt wird. Der Abfalltank des Ebeners wird konstant unter Vakuum gehalten, um kontinuierlich das Material von dem Zylinder des Ebeners zu entfernen. Wenn der Tank voll ist, kehrt das System automatisch das Vakuum für einige Sekunden um, um das Abfallmaterial über ein Absperrventil in einen größeren Abfallbehälter zu klären. Sobald er leer ist, wird das Vakuum wiederhergestellt und der Abfall wird weiter von dem Ebener entfernt. In der Praxis wurde beobachtet, dass ungefähr 10 bis 15% des ausgegebenen Materials durch den Ebener entfernt wird. Daher nutzen die am meisten bevorzugten Ausführungsformen eine Kombination von Drehen, Schmelzen und Abkratzen, um ein Ebenen bzw. Glätten auszuführen. Man nimmt an, dass andere Ausführungsformen irgendeines dieser drei Elemente oder irgendeine Kombination von zweien dieser Elemente verwendet werden können.
In vorliegenden Implementierungen rotiert der Zylinder 18a (z.B. bei ungefähr 2.000 RPM) in einer einzigen Richtung, wenn sich der Kopf rückwärts und vorwärts in jeder Richtung bewegt. In alternativen Ausführungsformen kann der Zylinder 18a hergestellt sein, um in entgegengesetzten Richtungen zu rotieren basierend auf der vorwärts oder umgekehrten Richtung, die die Plattform 18 überstreicht, während er sich in der Hauptabtastrichtung bewegt. Einige Ausführungsformen können beinhalten, dass die Rotationsachse des Zylinders 18a nicht axial in Bezug auf die Orientierungsachse des Druckkopfes ausgerichtet ist. In anderen Ausführungsformen können mehr als ein Zylinder 18a verwendet werden. Wenn beispielsweise zwei Zylinder verwendet werden, kann jeweils bewirkt werden, dass sie in unterschiedlichen Richtungen rotieren und dass sie weiter vertikal positionierbar sind, so dass gestattet wird, dass ein ausgewählter Zylinder bei der Glättung während jedes gegebenen Überstreichens teilnimmt.
Wenn man einen einzelnen Druckkopf 10 und Zylinder 18a verwendet, findet das Ebnen bzw. Glätten nur effektiv bei jedem zweiten Durchlauf des Druckkopfes statt, obwohl das Ablagern bei jedem Durchlauf stattfindet (d.h. das Ebnen bzw. Glätten findet immer in der gleichen Richtung statt). Unter diesen Bedingungen findet das Ebnen statt, wenn die Überstreichrichtung entlang der gleichen Richtung zeigt, wie ein Pfeil, der von dem Zylinder zum Druckkopf zeigt. In anderen Worten findet das Ebnen bzw. Glätten statt, wenn die Überstreichrichtung derart ist, dass der Zylinder dem Druckkopf folgt, wenn die Elemente die Schicht in der Hauptabtastrichtung überqueren.
Andere bevorzugte Ausführungsformen können einen einzelnen Zylinder verwenden, wobei aber einer oder mehrere Druckköpfe verwendet werden, die an jeder Seite des Zylinders angeordnet sind, so dass das Ebnen bzw. Glätten effektiv stattfindet, wenn man in beiden Richtungen überstreicht. Andere alternative Ausführungsformen können die Bewegung des Druckkopfes (der Druckköpfe) und des glättenden Zylinders entkoppeln. Dieses Entkoppeln kann ein unabhängiges Glätten und eine unabhängige Ausgabetätigkeit gestatten. Derartiges Entkoppeln kann enthalten, dass die Richtungen des Überstreichens des Druckkopfes (z.B. die X-Richtung) und das Überstreichen des Zylinders (z.B. die Y-Richtung) unterschiedlich sind. Derartiges Entkoppeln kann ebenfalls gestatten, dass mehrere Schichten gebildet oder Linien einer einzelnen Schicht abgelagert werden zwischen den Ebnungsschritten.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ebenfalls eine Teilaufbauplattform 15 bereitgestellt. Das dreidimensionale Objekt oder Teil, das in der Figur unter dem Bezugszeichen 14 angegeben ist, wird auf der Plattform 15 aufgebaut. Die Plattform 15 ist gleitend mit der Y-Bühne 16a und 16b verbunden, die gesteuert die Plattform vor und zurück in der Y-Richtung unter Computersteuerung bewegt (d.h. die Indexrichtung oder die zweite Abtastrichtung). Die Plattform 15 ist ebenfalls mit der Z-Bühne 17 verbunden, die gesteuert die Plattform aufwärts und abwärts unter Computersteuerung in der Z-Richtung bewegt (typischerweise fortschreitend abwärts während des Aufbauprozesses).
Um einen Querschnitt, eine Lage oder eine Schicht eines Teils aufzubauen, wird die Z-Bühne ausgerichtet, um die Teil-Aufbauplattform 15 relativ zu dem Druckkopf 9 derart zu bewegen, dass der zuletzt aufgebaute Querschnitt des Teils 14 einen geeigneten Betrag unterhalb der Öffnungsplatte 10 des Druckkopfes 9 positioniert ist. Es wird dann bewirkt, dass der Druckkopf 9 in Verbindung mit der Y- Bühne 16a, 16b einmal oder mehrmals die X-Y-Aufbauregion überstreicht (der Kopf überstreicht rückwärts und vorwärts in der X-Richtung während die Y-Bühne 16a, 16b das teilweise gebildete Objekt in der Y-Richtung bewegt). Die Kombination des zuletzt geformten Querschnittes, der Lage oder Schicht des Objektes und jegliche Unterstützungen bzw. Lagerungen in Verbindung damit definieren die Arbeitsoberfläche für die Ablagerung der nächsten Lage und jeder Unterstützungen in Verbindung damit. Während der Translation in den XY-Richtungen werden die Düsenöffnungen des Druckkopfes 9 in einer registrierten Art und Weise im Hinblick auf die zuvor ausgegebenen Lagen abgefeuert, um Material in einem gewünschten Muster und in einer Sequenz zum Aufbauen der nächsten Lage des Objektes abzulagern. Während des Ausgabeprozesses wird ein Anteil des ausgegebenen Materials durch den Ebener 11 in der oben diskutierten Weise entfernt. Die X-, Y- und Z-Bewegungen, das Ausgeben und das Ebnen bzw. Glätten werden wiederholt, um das Objekt von einer Mehrzahl von selektiv ausgegebenen und aneinander haftenden Schichten zu bilden. Weiterhin kann die Plattform 15 in entweder der Y- oder der Z-Richtung indiziert werden, während die Richtung der Ausgabeplattform 18 sich in dem Prozess des Zurückbewegens bei der Fertigstellung eines Abtastens befindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das während der Bildung einer Lage abgelagerte Material eine Dicke von oder etwas größer als die gewünschte Schichtdicke. Wie oben beschrieben, wird das überschüssige abgelagerte Material durch die Tätigkeit des Ebeners entfernt. Unter diesen Bedingungen wird die aktuelle Aufbaudicke zwischen den Schichten nicht durch den Betrag des für jede Schicht abgelagerten Materials bestimmt, sondern es wird stattdessen durch die abwärtige, vertikale Zunahme bestimmt, die durch die Plattform nach der Ablagerung jeder Schicht vorgenommen wird.
Wenn man die Aufbaugeschwindigkeit optimieren und/oder den Betrag des verschwendeten Materials minimieren möchte, ist es wünschenswert, so wenig Material wie möglich während des Ablagerungsprozesses zu bearbeiten bzw. zuzu richten. Je weniger Material bearbeitet wird, um so dicker ist jede Lage und um so schneller wird das Objekt aufgebaut. Wenn man andererseits die Schichtdicke, d.h. den Z-Zuwachs, zu groß macht, dann wird der Betrag des Aufbauens in Verbindung mit zumindest einigen Tropfpositionen beginnen, hinter dem gewünschten Niveau zurückzubleiben. Dieses Zurückbleiben wird auf der aktuellen physikalischen Arbeitsoberfläche darin resultieren, dass sie sich an einer anderen Position von der gewünschten Arbeitsoberfläche befindet und wahrscheinlich in die Bildung einer nicht planaren Arbeitsoberfläche resultiert. Dieser Unterschied in der Position kann in der XY-Fehlplatzierung der Tropfen aufgrund einer längeren Flugzeit als erwartet resultieren und es kann weiterhin in der vertikalen Fehlplatzierung der Objekteigenschaften resultieren, die an den Schichten beginnen oder enden, in denen die aktuelle Arbeitsoberfläche fehlpositioniert ist. Daher ist es in einigen Ausführungsformen wünschenswert, den Schichtzuwachs in der vertikalen Richtung zu optimieren.
Um einen optimalen Zuwachs in der Z-Achse zu bestimmen, kann ein Akkumulationsdiagnoseteil verwendet werden. Diese Technik umfasst bevorzugt das Aufbauen von Schichten von einem oder mehreren Testteilen bei sukzessive größeren Z-Inkrementen, wobei die Höhe der geformten Merkmale gemessen wird und bestimmt wird, welche Z-Inkremente Bildungshöhen (d.h. vertikale Akkumulationen) des korrekten Betrages bewirken und welche Z-Inkremente Bildungshöhen bewirken, die hinter den gewünschten Beträgen zurückbleiben. Es wird erwartet, dass Schichtinkremente (d.h. Z-Inkremente) bis zu einem bestimmten Betrag (d.h. den maximal akzeptierbaren Betrag) Aufbauniveaus für das Objekt liefern würden gleich denen, die durch das Produkt der Anzahl der Schichten und der Dicke jeder Schicht vorausgesagt werden. Nachdem das Schichtinkrement den maximal akzeptablen Betrag überschreitet, würde das Aufbauniveau des Objektes nicht den Betrag erreichen, der durch das Produkt der Anzahl der Schichten und der Dicke jeder Schicht vorausgesagt ist. Alternativ kann die Planheft der oberen Oberfläche des Diagnoseteils (der Diagnoseteile) verloren gehen (was anzeigt, dass einige Tropfenorte ausreichend Material empfangen können, während andere dies nicht können). Durch das Untersuchen des Diagnoseteils (der Diagnoseteile) kann der maximale Wert des akzeptablen Z-Inkrements bzw. des Z-Zuwachses empirisch bestimmt werden. Der optimale Wert des Z-Inkrements kann dann als dieser maximal akzeptable Wert ausgewählt werden oder er kann bei einigen Dicken etwas weniger als dieser maximale Betrag ausgewählt werden. Da es ebenfalls bekannt ist, dass sich verschiedene Aufbau- und Unterstützungsstile in der vertikalen Richtung in unterschiedlichen Raten akkumulieren, kann der obige Test für jeden Aufbaustil und jeden Unterstützungsstil durchgeführt werden, wovon das optimale Z-Inkrement für eine Kombination von unterschiedlichen Stilen dann derart ausgewählt werden kann, dass es nicht dicker ist, als jeder der maximalen Beträge, die für jeden Stil individuell bestimmt wurden.
Weiterhin kann der Ausgabekopf im Abfahren einer gegebenen Abtastlinie nur eine im Wesentlichen konstante Geschwindigkeit über Teile der Abtastlinie aufrechterhalten. Während des Restes des Abtastens wird der Kopf 9 entweder beschleunigt oder abgebremst. In Abhängigkeit davon, wie das Abfeuern oder Ausgeben der Düsen gesteuert ist, kann dies oder kann dies nicht ein Problem mit übermäßigem Aufbauen während der Beschleunigung oder der Abbremsphase der Bewegung bewirken. In dem Fall, dass sich die Geschwindigkeit ändert, kann dies Probleme in einer Akkumulationsrate bewirken, wobei das Aufbauen des Teils oder der Unterstützung eingeschränkt sein kann auf den Bereich der Abtastlinie, über denen der Druckkopf eine im Wesentlichen konstante Geschwindigkeit aufweist. Wie es in der gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldung entsprechend der 3D-Aktennummer USA.143 diskutiert ist, kann alternativ ein Ausgabe- oder Abfeuersteuerschema verwendet werden, das ein genaues Ablagern während der Beschleunigungs- oder Abbremsbereiche einer Abtastlinie gestattet.
Wie zuvor angemerkt, ist in einigen bevorzugten Ausführungsformen der Druckkopf 9 ausgerichtet, um ein Rastermuster abzufahren. Ein Beispiel davon ist in der 6 dargestellt. Wie gezeigt ist, besteht das Rastermuster aus einer Reihe von Rasterlinien (oder Abtastlinien), R (1), R (2)... R (N), die in der X-Richtung oder der Hauptabtastrichtung verlaufen und entlang der Y-Richtung (d.h. der Indexrichtung oder der zweiten Abtastrichtung) angeordnet (d.h. beabstandet sind) sind. Die Rasterlinien sind voneinander durch eine Distanz d_r beabstandet, die in einer bevorzugten Ausführungsform 1/300 Inch (ungefähr 3,3 mils oder ungefähr 83,8 um) beträgt. Da die Öffnungen des Druckkopfes 9 durch eine Entfernung d beabstandet sind, die, wie oben diskutiert, bevorzugt ungefähr 26,67 mils (0,677 mm) ist und weil die gewünschte Anzahl der Rasterlinien sich in der Indexrichtung um eine Entfernung größer als die Länge der Öffnungsplatte 10 (ungefähr 2,56 Inch (65,02 mm)) erstrecken kann, muss der Druckkopf 9 die Arbeitsoberfläche durch mehrere Durchläufe überstreichen, um alle gewünschten Rasterlinien abzufahren.
Dies wird bevorzugt durch den folgenden Zwei-Schritt-Vorgang ausgeführt. In dem ersten Schritt wird der Druckkopf 9 achtmal über die Arbeitsoberfläche in der Hauptabtastrichtung gefahren, wobei die Y-Bühne 16a, 16b in der zweiten Abtastrichtung nach jedem Durchlauf in der Hauptabtastrichtung um den Betrag d_r gerastet wird. In dem zweiten Schritt wird die Y-Bühne 16a, 16b um eine Entfernung gleich der Länge der Öffnungsplatte 10 (2,5600 in + d_r (0,026 in) _ 2,5867 Inch (65,70 mm) gerastet. Dieser Zwei-Schritt-Vorgang wird dann wiederholt, bis alle der gewünschten Rasterlinien abgefahren werden sind.
In einem ersten Durchlauf kann der Druckkopf 9z.B. ausgerichtet sein, um Rasterlinien R (1) (über die Öffnung 10(1) in 4), R (9) (über die Öffnung 10(2)), R (17) (über die Öffnung 10(3)), etc. abzufahren. Die Y-Bühne 16a, 16b würde dann ausgerichtet sein, um die Aufbauplattform 18 um die Entfernung d_r (eine Rasterlinie) in der Indexrichtung zu bewegen. Bei dem nächsten Durchlauf kann der Druckkopf 9 ausgerichtet sein, um R(2) (über 10(1)), R(10) (über 10(2)), R(17) (über 10(3)), etc. abzufahren. Sechs weitere Durchläufe würden dann ausgeführt werden, wobei die Y-Bühne 16a, 16b um die Entfernung d_r nach jedem Durchlauf gerastert wird, bis eine Gesamtzahl von 8 Durchläufen ausgeführt worden ist.
Nach dem Ausführen des ersten Schritts (bestehend aus 8 Durchläufen) wird der zweite Schritt ausgeführt, wenn dort mehr Rasterlinien abzufahren sind. Der zweite Schritt besteht in dem Ausrichten der Y-Bühne, um die Aufbauplattform um einen Betrag gleich der Gesamtlänge der Öffnungsplatte 10+d_r 2,5867 Inch (65,70 mm) zu bewegen. Wenn erforderlich, wird ein anderer Satz von 8 Durchläufen umfassend den ersten Schritt ausgeführt, der durch einen anderen zweiten Schritt gefolgt ist. Der oben beschriebene Zwei-Schritt-Vorgang würde dann wiederholt werden, bis alle Rasterlinien abgefahren worden sind.
Ein Beispiel dieses Zwei-Schritt-Vorganges ist in 26 für einen Druckkopf dargestellt, der aus zwei Düsen besteht und wobei die zwei Düsen voneinander durch 8 Rasterabstände getrennt sind. Das Abtasten der Querschnitte beginnt mit der ersten Düse, die an der Position 201 positioniert ist, und mit der zweiten Düse, die an der Position 301 positioniert ist. Der erste Schritt des Abtastvorgangs beginnt mit dem Abtasten der Rasterlinien 211 und 311 in der angezeigten Richtung durch die erste bzw. zweite Düse. Ein Teil des ersten Schrittes ist das anfängliche Abtasten der Rasterlinien 211 und 311 gefolgt durch ein Indexinkrement einen Rasterlinienbreite, wie es durch die Elemente 221 und 321 indiziert ist. Ein Teil des fortschreitenden ersten Schritts ist das anfängliche Rasterabtasten und das Indexinkrement gefolgt durch sieben weitere Rasterabtastungen (dargestellt durch Paare der Linien 212 und 312, 213 und 313, 214 und 314, 215 und 315, 216 und 316 und 217 und 317 und 218 und 318), die durch sechs weitere Indexinkremente von einer Rasterlinienbreite getrennt sind (dargestellt mit den Paaren der Elemente 222 und 322, 223 und 323, 224 und 324, 225 und 325, 226 und 326 und 227 und 327). Unmittelbar nach dem Abtasten des Paars der Rasterabtastlinien 218 und 318 findet der zweite Schritt des Vorgangs statt, wobei der Kopf in der Y-Richtung gemäß der Richtung und den Längen der Rasterlinien 228 und 229 gerastert wird. Die Länge dieses Indexes ist gleich der Kopfbreite (d.h. in diesem Beispiel 8 Rasterlinienbreiten) plus die Breite von einer weiteren Rasterlinie. Nach diesem großen Inkrement werden die ersten Schritte und zweiten Schritte so oft wie nötig wiederholt, um das Abtasten des speziellen zu bildenden Quer- schnitts zu vervollständigen. Einem Fachmann wird offensichtlich sein, dass diese Zwei-Schritt-Abtasttechnik auf andere Weise in alternativen Ausführungsformen implementiert werden kann. Beispielsweise kann der zweite Schritt anstelle des Bestehens aus dem positiven Indexinkrement in Y, wie es durch die Elemente 228 und 328 indiziert ist, aus dem großen negativen Inkrement in Y bestehen, wie es durch das Element 330 indiziert ist (d.h. drei Kopfreiten minus einer Rasterlinienbreite).
Diese bevorzugte Ausführungsform kann zusammengefasst werden, als die folgenden Charakteristika umfassend: 1) Die Beabstandung entlang einer indizierenden Richtung zwischen angrenzenden Düsen ist ein ganzzahliges Vielfaches (N) der gewünschten Beabstandung (d_r) zwischen angrenzenden Ablagerungslinien, die sich in einer Druckrichtung erstrecken, die ungefähr rechtwinklig zu der Indizierungsrichtung ist; 2) der erste Schritt umfasst das Ausführen einer Anzahl von Durchläufen (M) in der Druckrichtung, wobei jeder Durchlauf in der Indizierungsrichtung durch die gewünschte Beabstandung (d_r) zwischen angrenzenden Ablagerungslinien versetzt ist; und 3) der zweite Schritt umfasst das Versetzen des Druckkopfes 9 in der Indizierungsrichtung um einen großen Betrag, so dass die Düsen Material in weiteren N-Durchläufen ablagern können, wobei sukzessive Durchläufe durch ein Rasterlinienindexinkrement getrennt sind und wonach ein anderes großes Indexinkrement durchgeführt werden wird, wenn dies notwendig ist. In den meisten bevorzugten Ausführungsformen wird der Indexbetrag des zweiten Schrittes gleich sein zu der Summe der Beabstandungen zwischen der ersten Düse und der letzten Düse plus der gewünschten Beabstandung zwischen den angrenzenden Ablagerungslinien (d.h. N.J + d_r wobei J die Anzahl der Düsen an dem Druckkopf 9 ist).
Wie in dem obigen Beispiel bemerkt, sind andere Indexbeträge für den zweiten Schritt möglich. Zum Beispiel sind negative Inkremente des zweiten Schritts (entgegengesetzte Richtung zu den Indexinkrementen, die in dem ersten Schritt verwendet wurden) möglich, die gleich sind der Summe der Kopfbreite plus dem Produkt von zweimal der Breite zwischen aufeinanderfolgenden Düsen minus der Breite einer Beabstandung der Rasterlinien. In einer anderen Ausführungsform ist es möglich, Indexbeträge des zweiten Schrittes zu verwenden, die variieren oder die rückwärts und vorwärts wechseln zwischen positiven und negativen Werten. In diesen Ausführungsformen umfasst der Inkrementbetrag des zweiten Schrittes die allgemeine Eigenschaft, dass er größer ist als die individuellen Indexbeträge, die in dem ersten Schritt verwendet wurden.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen können andere Indizierungsmuster mit einzelnen oder mehrfachen Schritten verwendet werden, wobei die Inkremente der Indizierungsrichtung allgemein ausgeführt werden könnten, was Inkremente umfasst, die sowohl negative und positive Bewegungen entlang der Y-Achse beinhalten. Dies kann durchgeführt werden, um die Rasterlinien abzutasten, die anfänglich übersprungen wurden. Dies wird weiter in Verbindung mit einer Technik beschrieben werden, die als "Verschachteln" ("Interlacing") bezeichnet wird.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen wird das Abfeuern bzw. Ausgeben der Tintendüsen durch eine rechtwinklige Bitmap, d.h. Pixelorte, gesteuert, die in dem Steuercomputer oder anderen Speichergeräten gespeichert wird. Die Bitmap besteht aus einem Gitter von Speicherzellen, in der jede Speicherzelle einem Pixel oder einem Bildelement der Arbeitsoberfläche entspricht, und in der sich die Zeilen des Gitters in der Hauptabtastrichtung (X-Richtung) und die Spalten des Gitters in der zweiten Abtastrichtung (Y-Richtung) erstrecken. Die Breite der (oder die Entfernung zwischen den) Linien (die Abstände entlang der Y-Richtung) können von der Breite (oder Länge der oder Entfernung zwischen den) Spalten (Abständen entlang der X-Richtung) verschieden sein, die vorgeben, dass unterschiedliche Datenauflösungen entlang der X- und Y-Richtungen existieren können. In anderen bevorzugten Ausführungsformen sind nicht einheitliche Bildelementgrößen (Pixelgrößen) innerhalb einer Schicht oder zwischen Schichten möglich, wobei die Pixelbreite und/oder die Pixellänge durch die Pixelposition variiert wird. In anderen bevorzugten Ausführungsformen sind andere Pixelausrichtungsmuster möglich. Zum Beispiel können Pixel auf angrenzenden Zeilen in der Hauptabtastrichtung durch einen Bruchteilbetrag der Beabstandung zwischen Pixeln versetzt sein, so dass ihre Mittelpunkte nicht ausgerichtet sind mit den Mittelpunkten der Pixel in den benachbarten Zeilen. Dieser Bruchteilbetrag kann ¹/₂ sein, so dass ihre Mittelpunkte mit den Pixelgrenzen der angrenzenden Reihen ausgerichtet sind. Er kann ¹/₃, ¹/₄ oder ein anderer Betrag sein, so dass zwei oder mehrere Zwischenschichten notwendig sind, bevor sich die Pixelmuster wieder in aufeinanderfolgenden Schichten ausrichten. In weiteren Alternativen kann die Pixelausrichtung abhängen von der Geometrie des Objektes oder der Unterstützungsstruktur, die ausgegeben werden. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, die Pixelausrichtung zu versetzen, wenn ein Abschnitt eines Unterstützungsmusters gebildet wird, für das angenommen wird, dass es eine Lücke zwischen den Unterstützungssäulen überbrückt, oder wenn ein abwärts zeigender Abschnitt eines Objektes gebildet wird. Diese und andere alternative Methoden der Pixelausrichtung können implementiert werden, indem die Pixelkonfiguration modifiziert wird oder indem alternativ eine höhere Auflösung der Pixelanordnung definiert wird (in X- und/oder Y-Richtung) und indem Pixelfeuer- bzw. -ausgabemuster verwendet werden, die nicht auf jeden Pixelort ausgeben, jedoch stattdessen auf ausgewählte beabstandete Pixelorte ausgeben, die entsprechend einem gewünschten Zufallsmuster, einem vorbestimmten Muster oder entsprechend einem durch ein Objekt vorgegebenes Muster variieren können.
Die Datenauflösung in der Hauptabtastrichtung kann in Begriffen von "Hauptrichtungspixeln" (main direction pixels = MDPs) definiert werden. MDPs können in Begriffen der Pixellänge oder in Begriffen der Anzahl von Pixeln pro Einheitslänge beschrieben werden. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist MDP gleich 300 Pixel/Inch (26,67 mils/Pixel oder 677,4 μm/Pixel). In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist MDP gleich 1.200 Pixel/Inch (ungefähr 47,4 Pixel/mm). Natürlich können jegliche andere MDP-Werte verwendet werden, wie es gewünscht ist. In ähnlicher Weise kann die Datenauflösung der zweiten Abta strichtung in Begriffen der "Zweitrichtungspixel" (secondary direction pixels = SDPs) definiert werden und die SDPs können in Begriffen der Pixelbreite oder in Begriffen der Anzahl der Pixel pro Einheitslänge beschrieben werden. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist SDP = MDP = 300 Pixel/Inch (26,67 mils/Pixel oder 677,4 μm/Pixel). Der SDP kann oder kann nicht gleich sein zu der Beabstandung zwischen den Rasterlinien und der MDP kann oder kann nicht gleich sein zu der Beabstandung zwischen aufeinanderfolgenden Tropforten entlang jeder Rasterlinie. Die Beabstandung zwischen aufeinanderfolgenden Rasterlinien kann definiert sein als "Zweittropforte" (secondary drop locations = SDLs), während die Beabstandung zwischen aufeinander folgenden Tropforten entlang jeder Rasterlinie definiert sein kann als "Haupttropforte" (main drop locations = MDLs). Ähnlich den SDPs und den MDPs können die SDLs und die MDLs in Begriffen der Tropfen pro Einheitslänge oder in Begriffen der Tropfenbeabstandung definiert sein.
Wenn SDP = SDL existiert eine 1:1-Zuordnung zwischen Daten und Tropforten entlang der Zweitabtastrichtung und die Pixelbeabstandung ist gleich der Beabstandung der Rasterlinien. Wenn MDP = MDL, existiert eine 1:1-Zuordnung zwischen den Daten und den Tropforten entlang der Hauptabtastrichtung.
Wenn jeweils SDL und/oder MDL größer ist als SDP und/oder MDP, müssen mehr Tropfen abgefeuert bzw. abgegeben werden, als wofür Daten existieren, wodurch jeder Pixel dazu notwendiger Weise verwendet wird, um das Tropfen von mehr als einem Tropfen zu steuern. Das Ausgeben dieser Extratropfen kann entweder durchgeführt werden, indem die Tropfen an Zwischenpunkten zwischen den Zentren der aufeinanderfolgenden Pixel ausgegeben werden (d.h. zwischen Tropfen = intermediate dropping = ID) oder alternativ durch das Tropfen direkt auf die Pixelzentren (d.h. direktes Tropfen = direct dropping = DD). In jedem Fall wird diese Technik als "Überdrucken" bezeichnet und resultiert in ein schnelleres Aufbauen des Materials und hindert mechanische Konstruktionszwänge ab, die maximale Abtastgeschwindigkeiten und Beschleunigungsraten beinhalten, weil das gleiche Z-Aufbauen stattfinden kann, während der Druckkopf und/oder das Objekt langsamer bewegt werden/wird. Der Unterschied im ID-Überdrucken gegenüber dem Nicht-Überdrucken oder dem DD-Überdrucken ist in den 16a bis 16d dargestellt. 16a stellt einen einzelnen abgelagerten Tropfen 60 und eine zugeordnete verfestigte Region 62, die diesen Tropfen umgibt, dar, wenn sich der Druckkopf in die Richtung 64 bewegt. Andererseits stellt 16b die gleiche ausgehärtete Region dar, wobei aber die ID-Überdrucktechnik verwendet wird, wo zwei Tropfen 60 und 66 in Verbindung mit dem Einzeldatenpunkt abgelagert werden, wenn sich der Druckkopf in Richtung 64 bewegt. Die Ablagerungszone, die durch die zwei Tropfen gefüllt ist, ist durch die Region 68 dargestellt. 16c zeigt eine ähnliche Situation für ein Verfahren des Vier-Tropfen-ID-Überdruckens, wobei die Tropfen durch die Bezugszeichen 60, 70, 66 und 72 angezeigt sind und die Ablagerungszone durch das Bezugszeichen 76 gezeigt ist und wobei die Abtastrichtung noch durch das Bezugszeichen 64 dargestellt ist. Die 16d stellt eine ähnliche Situation für eine Reihe von Pixeln 78, 80, 82, 84, 86 und 88 dar, wobei das Bezugszeichen 90 die Länge der Ablagerungszone ohne Überdrucken und das Bezugszeichen 92 die Länge der Ablagerungszone darstellt, wenn eine Vier-Tropfen-ID-Überdrucktechnik verwendet wird. Das Obige kann dadurch verallgemeinert werden, das man sagt, dass das ID-Überdrucken ungefähr ¹/₂ bis knapp unter eine zusätzliche Pixellänge zu jeder Region hinzufügt, wenn es verwendet wird. Je mehr Überdrucktropfen verwendet werden, umso mehr vertikales Wachstum wird natürlich eine Pixelregion haben.
Wenn jeweils SDL und/oder MDL kleiner ist als SDP und/oder MDP, werden die Tropfen an weniger Orten abgefeuert bzw. abgegeben werden, als für jene, für die Daten existieren zumindest für einen gegebenen Durchlauf des Druckkopfes. Diese Datensituation kann verwendet werden, um oben diskutierte Versatzpixel und/oder Techniken mit Pixeln nicht gleichförmiger Größe zu implementieren.
Ein N-Reihen-mal-M-Spalten-Gitter ist in 7 dargestellt. Wie gezeigt, sind die Reihen in dem Gitter mit R(1), R(2)...R(N) bezeichnet, während die Spalten in dem Gitter als C(1), C(2), ... C(M) bezeichnet sind. Es sind ebenfalls die Pixel gezeigt, die das Gitter bilden. Diese sind mit P(1,1), P(1,2)..., P(M,N) bezeichnet.
Um einen Querschnitt aufzubauen, wird die Bitmap zunächst mit Daten geladen, die repräsentativ für den gewünschten Querschnitt sind (sowie jegliche Unterstützungen, deren Aufbauen gewünscht ist). Für einige bevorzugte Ausführungsformen wird angenommen, dass ein einziges Aufbau- und Unterstützungsmaterial verwendet wird. Wenn es gewünscht ist, das Material an einem gegebenen Pixelort abzulagern, dann wird die Speicherzelle entsprechend jenes Ortes geeignet gekennzeichnet (z.B. mit einer binären "1" geladen), und wenn kein Material abgelagert werden soll, wird ein entgegengesetzter Marker bzw. ein Kennzeichen (Flag) verwendet (z.B. eine binäre "0"). Wenn eine Vielzahl von Materialien verwendet wird, werden Zellen entsprechend den Ablagerungsplätzen geeignet gekennzeichnet, um nicht nur die Tropfenortplätze anzuzeigen, sondern ebenfalls den abzulagernden Materialtyp. Zur Vereinfachung der Datenhandhabung können komprimierte Daten, die ein Objekt oder eine Unterstützungsregion definieren (z.B. RLE-Daten, die An-Aus-Ortspunkte entlang jeder Rasterlinie definieren, wie es unter der 3D-Systems-Aktennummer USA.143 beschrieben ist), boolescher Natur sein, mit einer Füllmusterbeschreibung (z.B. Informationen einer Stildatei, wie es unter der Aktennummer USA.143 beschrieben ist), die für die spezielle Region verwendet wird, um eine abschließende Bitmap-Repräsentation für das Abfeuern bzw. Ausgeben der ausgebenden Düsen zu berechnen. Die tatsächliche Steuerung der Düsen kann durch eine nachfolgende modifizierte Bitmap geregelt werden, die Daten enthält, die verschoben worden sind oder auf andere Weise modifiziert wurden, um einen effizienteren Datendurchlauf zum Steuersystem des Abfeuerns bzw. Ausgebens zu gestatten. Diese Betrachtungen werden weiter in der US-Patentanmeldung basierend auf der 3D-Systems-Aktennummer USA.143 beschrieben. Die Rasterlinien, die das Gitter bilden, werden dann den einzelnen Öffnungen in der Weise zugeordnet, wie es früher beschrieben wurde. Dann wird eine einzelne Öffnung ausgerichtet, um an Ausgabeorten zu feuern oder nicht zu feuern oder abzugeben oder nicht abzugeben entsprechend den gewünschten Tropforten oder den Pixelorten in Abhängigkeit davon, wie die entsprechenden Zellen in der Bitmap gekennzeichnet sind.
Wie oben diskutiert, ist der Druckkopf 9 zum Ablagern von Tropfen bei vielen verschiedenen Auflösungen anwendbar. In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist SDP = SDL = 300 Pixel und Tropfen pro Inch. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist es MDL gestattet, drei verschiedene Werte anzunehmen, während MDP fest bleibt: 1) MDL = 300 Tropfen pro Inch und MDP = 300 Pixels pro Inch; 2) MDL = 600 Tropfen pro Inch und MDP = 300 Pixel pro Inch oder 3) MDL = 1.200 Tropfen pro Inch und MDP = 300 Pixel pro Inch. Wenn das MDL:MDP-Verhältnis größer als 1 ist, werden Extratropfen pro Pixel gebildet, um an zwischengeordneten Orten (ID-Überdrucken) zwischen den Zentren der Pixel aufzutreten. Mit dem derzeit bevorzugten Druckkopf und dem Material ist das Volumen pro Tropfen ungefähr 80 bis 100 pl, was ungefähr Tropfen einen 2 mil Durchmesser (50,8 μm) erzeugt. Mit dem derzeit bevorzugten Druckkopf beträgt die maximale Feuerfrequenz ungefähr 20 KHz. Im Wege des Vergleiches beinhaltet eine Feuerrate von 1.200 DPI bei 13 IPS eine Feuerfrequenz von ungefähr 16 KHz, was sich innerhalb der zulässigen Grenzen befindet.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen sind Aufbaustile getrennt von den Objektdaten definiert, um die Datenverarbeitung, die Übertragung und das Laden des Speichers zu vereinfachen. In dieser Hinsicht, wie oben bereits bemerkt, werden die beschreibenden Objektdaten logisch (z.B. geschnitten bzw. nicht additiv multipliziert) mit für einen Aufbaustil beschreibenden Informationen auf einer Pixel-für-Pixel-Basis verknüpft, um eine Pixel-für-Pixel-Repräsentation des Ablagerungsmusters an jedem gegebenen Ort zu erzeugen. Wenn z.B. ein vollständig festes Muster in zwei Durchläufen ausgegeben werden soll (z.B. ein Zwei-Schritt-Muster), würden die Objektdaten zunächst logisch (z.B. geschnitten bzw. nicht additiv multipliziert) mit einem ersten Muster eines Aufbaustils verknüpft werden, der den Bereich der Pixel repräsentiert, an denen Tropfen abgelagert werden sol len (oder zur Vereinfachung der Terminologie können wir sagen "exponiert" in Analogie zu der selektiven Verfestigung, die in photobasierter Stereolithografie verwendet wird). Die resultierenden modifizierten Pixeldaten könnten danach verwendet werden, um das Ausgeben bzw. Feuern der Düsen zu steuern. Als nächstes würden die Objektdaten logisch (z.B. geschnitten bzw. nicht additiv multipliziert) mit dem komplementären Muster des Aufbaustils verknüpft werden, um modifizierte Pixeldaten zum Steuern eines zweiten Ausgebens der Düsen zu erzeugen. In anderen bevorzugten Ausführungsformen können die Objektdaten und die Unterstützungsdaten sofort korreliert werden, um Stildaten über ihre Berechnung aufzubauen. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen könnten Informationen des Baustils ebenfalls Informationen zum Verschieben der Pixel beinhalten, Informationen zum Verändern der Größe der Pixel, Informationen zum Überdrucken, Präferenzen der Abtastrichtung zum Ablagern auf jedem Pixelort, Präferenzen für die Glättungsrichtung und Rotationspräferenzen und dergleichen. Die Aufbaustile, die hierin beschrieben sind, steigern die Leistung des Systems durch: 1) Erhöhen der Aufbaugeschwindigkeit; 2) Erhöhen der Genauigkeit des gebildeten Objektes; 3) Steigern des Oberflächenglättens; 4) Reduzieren der Spannungen in dem Objekt und/oder der Störung des Objektes; oder 5) eine Kombination von einem oder mehreren dieser Punkte gleichzeitig.
Ein signifikantes Problem mit Systemen zur selektiven Ablagerungsbildung beinhaltet das Sicherstellen der Verlässlichkeit der Materialablagerung und insbesondere das Sicherstellen des Erzielens einer gleichmäßigen Dicke der abgelagerten Querschnitte. Ein anderes Problem beinhaltet das Erzielen einer gleichmäßigen Dicke für alle Ausbaustile. In Tintenstrahlsystemen kann dieses Verlässlichkeitsproblem unter anderem die Form der fehlausgebenden oder nicht-ausgebenden Düsen annehmen. In einem Mehrfach-Düsensystem existieren weitere Probleme im Hinblick auf die Uneinheitlichkeit der Düsenausgaberichtung, der Uneinheitlichkeit des Ausgabevolumens zwischen den Düsen und in einem geringeren Umfang im Hinblick auf die Uneinheitlichkeit des ausgegebenen Volumens von einer einzelnen Düse über der Zeit.
Das Problem der Uneinheitlichkeit der Querschnittsdicke kann ebenfalls genauso aus anderen Phänomenen resultieren. Wenn als ein Beispiel ein Tropfen erst einmal eine Düse verlässt, ist eine Flugzeit vorhanden, bevor der Tropfen auf die Arbeitsoberfläche trifft. Beim Verlassen der Düse wird der Tropfen mit einer anfänglichen abwärts gerichteten Geschwindigkeitskomponente weg von der Düse ausgegeben, aber da sich die Düse in der Hauptabtastrichtung bewegt, hat der Tropfen ebenfalls eine horizontale Geschwindigkeitskomponente. Sobald der Tropfen die Düse verlässt, ist er verschiedenen externen und internen Kräften ausgesetzt, umfassend Gravitation, viskose Widerstandskräfte und Oberflächenspannung. Diese anfänglichen Bedingungen und Kräfte führen umgekehrt zu der Schlussfolgerung, dass der Tropfen nicht landen kann oder wahrscheinlich nicht direkt auf der Arbeitsoberfläche unterhalb der Position, von der er ausgegeben wurde, landen wird. Stattdessen wird der Tropfen etwas entfernt von diesem theoretischen Tropfpunkt landen, typischerweise in der Bewegungsrichtung des Druckkopfes. Mit anderen Worten werden der Ausgabe- oder Abfeuerort und der Auftreffort (oder Tropfenort) nicht die gleichen XY-Koordinaten aufweisen, aber sie werden stattdessen voneinander versetzt sein. Die auftretende Verschiebung in horizontaler Entfernung hängt von den oben genannten Faktoren ab, wobei sie aber ebenfalls von der Entfernung zwischen der Öffnungsplatte 10 und der vertikalen Position (z.B. der "Z"-Position) der Arbeitsoberfläche an jedem horizontalen Ort (z.B. X und/oder Y-Position) abhängt. Wie oben erwähnt, können die Variationen in der vertikalen Position für eine Anzahl von Gründen auftreten. Beispielsweise können die Variationen aus Differenzen in der Geometrie zwischen den unterschiedlichen Bereichen eines Querschnitts resultieren (mehr oder weniger Materialstreuung resultiert in weniger oder mehr Ablagerungsdicke). Als ein anderes Beispiel können die Variationen aus der zeitlichen Ordnung der Ablagerung für ein gegebenes räumliches Muster resultieren (zuvor abgelagertes Material auf einem angrenzenden Pixelort kann die Fähigkeit des Materials begrenzen, sich in dieser Richtung auszudehnen).
Wie vorhergehend erwähnt, nutzen die bevorzugten Systeme zur Umsetzung dieser Erfindung eine Ebnung bzw. ein Glätten, um jeden abgelagerten Querschnitt auf eine einheitliche Höhe zu bringen, wobei die Netto-Schichtdicke aus der Differenz im Z-Niveau zwischen den Glättungsniveaus von zwei aufeinanderfolgenden Schichten resultiert. Umgekehrt, wenn es gewünscht ist, dass der Glättungsschritt eine vollständig glatte und einheitlich nivellierte Oberfläche bildet, muss das Z-Inkrement zwischen den Glättungen an oder unterhalb der minimalen Ablagerungs-/Aufbaudicke für jeden Punkt auf der gesamten Schicht sein. Wenn eine Düse schwächer ausgibt (oder nicht ausgibt), kann das Aufbauen der minimalen Dicke in viel kleinere Nettoschichtdicken als gewünscht resultieren (d.h. nahe 0 oder 0) und daher kann es ebenfalls in viel längere Aufbauzeiten als gewünscht resultieren. Verschiedene Techniken zur Behandlung dieser Ablagerungs-/Aufbauprobleme sind hierin beschrieben. Andere bevorzugte Ausführungsformen können die Verwendung der Glättung auf periodischen Schichten anstelle von auf jeder Schicht beinhalten. Zum Beispiel kann das Glätten bzw. Ebnen auf jeder zweiten, dritten oder höherer Ordnung beabstandeten Schicht verwendet werden. Alternativ kann die Bestimmung, welche Schichten oder Bereiche der Schichten zu ebnen sind, auf der Objektgeometrie basieren.
Flugzeitkorrektur
Wie oben bemerkt, beinhaltet eine Schwierigkeit beim Sicherstellen, dass die Tropfen die gewünschten Orte auf der Arbeitsoberfläche treffen, die Zeit, die sich die Tropfen im Flug befinden (d.h. die Zeit des Fliegens der Tropfen). Wenn die Flugzeiten immer die gleichen wären und wenn die Richtung und der Betrag des Versatzes immer der gleiche wäre, wäre keine Flugzeitfrage vorhanden, da der einzige Effekt eine Verschiebung zwischen den Ausgabekoordinaten und den Ablagerungskoordinaten wäre. Wenn dreidimensionale Objekte gebildet werden, ist es jedoch typischerweise wünschenswert, Material auszuspritzen, wenn sich der Kopf sowohl in der positiven als auch in der negativen Hauptabtastrichtung bewegt und es kann ebenfalls beinhalten, dass z.B. die Definitionen der Hauptabtastrichtung und der zweiten Abtastrichtung gewechselt werden. Dies resultiert in einer Änderung in der Versatzrichtung (z.B. eine Umkehrung der Versatzrichtung) zwischen den Abtastungen wegen der Relativbewegung, die in den unterschiedlichen Richtungen auftritt (z.B. entgegengesetzte Richtung). Dieses Problem kann geeignet angesprochen werden, indem bewirkt wird, dass die Ausgabesignale auftreten, bevor der Kopf tatsächlich den Punkt direkt über dem gewünschten Ablagerungsplatz erreicht. Diese Korrektur der Ausgabezeit ist als Flugzeitkorrektur bekannt. Die Flugzeit kann durch Anwendung eines Korrekturfaktors korrigiert werden, der auf das Abtasten in jeder Richtung getrennt angewandt wird oder alternativ kann ein einzelner Korrekturfaktor verwendet werden, um die Ablagerung von einer Abtastrichtung in Passgenauigkeit mit den unkorrigierten Abtastungen zu bringen, die in der anderen Richtung durchgeführt werden. Die Flugzeitkorrektur kann in einer Anzahl von Wegen implementiert werden. Ein Weg besteht beispielsweise im geeigneten Definieren eines anfänglichen Ausgabeortes (X-Position) an dem Anfang jeder Rasterlinie, wobei der anfängliche Ausgabeort verwendet werden wird, um die Ausgabeorte für alle anderen Pixel entlang der Rasterlinie zu setzen.
Die 27a bis 27e illustrieren die Beziehungen zwischen dem Ausgabeort, dem Tropfort und der Flugzeit, wobei ähnliche Elemente mit ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. 27a illustriert die Situation, wo Ausgabeorte 404a und 404b mit den gewünschten Tropforten 402 zusammentreffen (d.h. kein Faktor zur Flugzeitkorrektur wird verwendet). Das Element 404a repräsentiert den Ausgabeort, wenn der Kopf die positive X-Richtung durchläuft, die durch das Element 406a repräsentiert wird, und das Element 404b repräsentiert den Ausgabeort, wenn der Kopf die negative X-Richtung durchläuft, die durch das Element 406b repräsentiert wird. Die Elemente 408a und 408b repräsentieren den nominalen Weg, dem die Tropfen nach dem Verlassen der jeweiligen Ausgabeorte 404a und 404b folgen. Die nominalen Wege 408a und 408b richten die Tropfen auf die tatsächlichen Tropforte 410a und 410b, wo die Tropfen auf die Oberfläche auftreffen und aufgeschlagene Tropfen 412a und 412b bilden. Der Brennpunkt (d.h. der Fokuspunkt) für die ausgegebenen Tropfen während des Abtastens in beiden Richtungen ist mit dem Bezugszeichen 414 dargestellt. Die Ebene, die durch die Brennpunkte für die gesamte Schicht definiert wird, kann als die Fokusebene bezeichnet werden. Die Elemente 416a und 416b repräsentieren den Flugzeitfaktor, der in Begriffen einer X-Verschiebung zwischen den Ausgabeorten (Feuerorten) und dem gewünschten Tropfort verwendet wird. Ob oder ob nicht die tatsächlichen Tropforte den gewünschten Tropfort treffen bestimmt die Geeignetheit des Korrekturfaktors. In 27a kann man sehen, dass sich die Tropfen in divergierenden Richtungen bewegen und dass sich die aufgeschlagenen Tropfen nicht auf der Arbeitsoberfläche überlappen, was in einem minimalen Aufbauen in Z-Richtung und in einer ungenauen XY-Platzierung des Materials resultiert. 27b repräsentiert die Situation, in der kleine Flugzeitkorrekturfaktoren 416a und 416b verwendet werden, die in einen Fokuspunkt resultieren, der über der gewünschten Arbeitsoberfläche und in einer näheren Beabstandung der aufgeschlagenen Tropfen 412a und 412b verglichen mit denen in 27a dargestellten resultiert. Wenn die Flugzeitkorrektur etwas größer wäre, würde das Aufbauen in Z-Richtung wegen des Überlappens oder der Überlagerung der aufgeschlagenen Tropfen 412a und 412b gesteigert werden. 27c repräsentiert eine Situation, in der die Flugzeitkorrekturfaktoren, die verwendet werden, in die genaueste Platzierung der aufgeschlagenen Tropfen 412a und 412b resultieren (angenommen, dass die Dicke der aufgeschlagenen Tropfen 412a klein ist im Vergleich zu dem Tropfenabstand 418 und dass der Einfallswinkel nicht zu groß ist). Wenn die optimale Flugzeitkorrektur auf der maximalen Z-Akkumulation basiert, dann stellt 27c die optimale Situation dar. 27d repräsentiert die Situation, in der die Flugzeitkorrekturfaktoren 416a und 416b etwas größer sind als jene, die in der 27c verwendet wurden, die jedoch immer noch in der Z-Akkumulation basierend auf der Überlagerung beider Tropfen resultieren. Die Platzierungen der Tropfen in X-Richtung sind noch ziemlich genau und der Fokuspunkt 414 des Ausgebens befindet sich etwas unterhalb der Arbeitsoberfläche (und der tatsächlichen Arbeitsoberfläche). 27e repräsentiert die Situation, in der sogar größere Flugzeitkorrekturen verwendet werden, so dass die Z-Akkumulation auf ei nen minimalen Betrag reduziert ist und in der der Fokuspunkt sogar weiter unterhalb der gewünschten Arbeitsoberfläche angeordnet ist.
Wenn Widerstandseffekte und Gravitationseffekte in der Flugzeit ignoriert werden, würde der Flugzeitkorrekturwert (Zeit) gleich sein zu der Entfernung (der Länge), die die Öffnung von der Arbeitsoberfläche dividiert durch die Abwärtsgeschwindigkeit (Länge/Zeit), mit der der Tropfen ausgegeben wird, trennt. Es wird jedoch angenommen, dass der Widerstand ein wichtiger Faktor ist. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist z.B. die Druckkopfabtastgeschwindigkeit ungefähr 13 Inch pro Sekunde, die Entfernung von der Öffnungsplatte zu der Arbeitsoberfläche ist ungefähr 0,020 Inch und die anfänglichen vertikalen Ausgabegeschwindigkeiten (Feuergeschwindigkeiten) werden in der Ordnung von 200 bis 360 Inch/sec angenommen. Wenn Widerstand oder andere Reibungskräfte ignoriert werden unter diesen Anfangsbedingungen, würde eine Verschiebung zwischen den Ausgabeorten und den Tropforten von ungefähr 0,8 bis 1,3 mils erwartet werden. Unter diesen Bedingungen sind jedoch in der Praxis Verschiebungen in der Hauptabtastrichtung zwischen dem Ausgabeort und dem Tropfort von ungefähr 2 mils beobachtet worden.
Der geeignete Korrekturfaktur kann ohne weiteres empirisch bestimmt werden, indem man versucht, Tropfen an einem einzelnen X-Ort abzulagern, wenn in beiden Richtungen abgetastet wird, und wenn man das Experiment mehrfach mit unterschiedlichen Korrekturfaktoren wiederholt, bis die zwei Tropfen auf dem gleichen Punkt landen. Wie oben bemerkt, ist in einigen bevorzugten Ausführungsformen der geeignetste Flugzeitkorrekturwert derjenige, für den die Tropfen die gleiche Position treffen. Wenn die Widerstandskräfte vernachlässigt werden, würden in Begriffen des obigen Beispiels Flugzeitkorrekturfaktoren von ungefähr 60 bis 100 μsec erwartet werden, während in der Praxis Korrekturfaktoren von ungefähr 150 bis 200 μsec als besser geeignet gefunden worden sind.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen wird der optimale Flugzeitkorrekturfaktor nicht auf einen Wert gesetzt, der das genaueste Abschießen in Richtung Ziel erzeugt (d.h. der Fokuspunkt ist nicht auf der Arbeitsoberfläche), aber stattdessen wird er auf einen Wert gesetzt, der das genaueste Abschießen in Richtung Ziel erzeugen würde für eine Entfernung unterhalb der tatsächlichen Arbeitsoberfläche (d.h. der Fokuspunkt ist unterhalb der Arbeitsoberfläche angeordnet). Diese Ausführungsformen können als "Außerhalb-der-Zieloberfläche"-Ausführungsformen bezeichnet werden. In diesem Zusammenhang wird angenommen, dass das genaueste Abschießen in Richtung Ziel stattfindet, wenn die vertikale Akkumulationsrate die größte ist und wahrscheinlich, wenn die X-Position am genauesten getroffen wird. 27d stellt ein Beispiel für das Abschießen in Richtung Ziel für diese "Außerhalb-der-Zieloberfläche"-Ausführungsformen dar. Diese "Außerhalb-der-Zieloberfläche"-Ausführungsformen werden als insbesondere nützlich angenommen, wenn das Aufbauen, ohne die Verwendung von zusätzlichen Komponenten zum Beibehalten der gewünschten und tatsächliche Arbeitsoberfläche auf dem gleichen Niveau stattfinden soll (z.B. ohne einen Glätter bzw. Ebner oder ohne zusätzliche Elemente, wie z.B. ein Detektiergerät und Einstellmechanismen oder -methoden für das Oberflächenniveau).
Eine Charakteristik dieser "Außerhalb-der-Zieloberfläche"-Ausführungsformen besteht darin, dass die Z-Akkumulation selbst korrigierend oder selbst kompensierend ist. Solange die Z-Inkremente zwischen der Ablagerung von aufeinanderfolgenden Schichten innerhalb eines geeigneten Bereichs sind und das Ablagerungsmuster ein horizontales Streuen des ausgegebenen Materials anstelle nur einer vertikalen Akkumulation gestattet, wird die übermäßige Z-Akkumulation auf einer Schicht eine Reduktion in der Z-Akkumulation auf einer oder mehreren darauffolgenden Schichten bewirken, was wiederum bewirkt, dass die Netto-Akkumulation den Fokuspunkt etwas unterhalb der tatsächlichen Arbeitsoberfläche hält. Andererseits und solange sich wieder die Z-Inkremente zwischen der Ablagerung von aufeinanderfolgenden Schichten innerhalb eines geeigneten Be reiches befinden und das Ablagerungsmuster ein horizontales Streuen des ausgegebenen Materials anstatt nur eine vertikale Akkumulation gestattet, bewirkt eine zu geringe Z-Akkumulation auf eine Schicht ein Zunehmen in der Z-Akkumulation an einer oder mehreren darauffolgenden Schichten, wodurch eine Netto-Akkumulation bewirkt wird, um den Fokuspunkt etwas unterhalb der tatsächlichen Arbeitsoberfläche zu halten. Der bevorzugte Bereich des Z-Inkrements wird weiter unten diskutiert.
Der selbstkorrigierende Aspekt kann verstanden werden, indem die 27c, 27d und 27e studiert und verglichen werden. Wenn die Ablagerung beginnt (z.B. auf der Plattform), ist der Flugzeitkorrekturfaktor (Faktoren) derart ausgewählt, dass sich der Fokuspunkt etwas unterhalb der tatsächlichen Arbeitsoberfläche befindet, wie es in 27d dargestellt ist (d.h. der Fokuspunkt sollte derart an eine geeignete Position gesetzt sein, dass die in den 27c und 27e dargestellten Situation nicht auftreten). Wenn beim Bilden der ersten Schicht zu wenig Material abgelagert wird für das gegebenen Z-Inkrement, das verwendet wird, wird die tatsächliche Oberfläche niedriger sein verglichen mit der neupositionierten Fokusebene (aber noch über ihr, solange das Z-Inkrement nicht zu groß war). Dies resultiert in einer optimaleren fokussierten Ablagerung, wenn die nächste Schicht gebildet wird, wobei dies umgekehrt in einer Zunahme in der Ablagerungsdicke resultiert, wie es in 27c dargestellt ist. Wenn die Netto-Z-Akkumulation, die von dem Ablagern der zweiten Schicht resultiert, noch zu niedrig ist verglichen mit den zwei durchgeführten Z-Inkrementen, dann wird die nächste Schicht, wenn sie abgelagert wird, eine tatsächliche Oberfläche aufweisen, die näher an der optimalen Fokusebene ist, als es die Originaloberfläche war. Diese nähere Möglichkeit des optimalen Positionierens resultiert in einer gesteigerten Z-Akkumulation, was wieder die nettoakkumulierte Dicke dahin zwingt, was durch die Z-Inkremente erforderlich ist. Wenn andererseits die Netto-Akkumulation vom Ablagern der zweiten Schicht größer ist als diejenige, die durch die zwei Z-Inkremente vorgegeben ist, dann wird die tatsächliche Arbeitsoberfläche weiter entfernt sein von der Fokusebene und eine geringere Z-Akkumulation wird über das Bilden der nächsten Schicht auftreten, wodurch die Netto-Akkumulation zu dem Betrag getrieben wird, der durch die Z-Inkremente erforderlich ist. Dies ist die Situation, die in 27e dargestellt ist.
Wenn die Fokusebene geeignet unterhalb der tatsächlichen Arbeitsoberfläche ist, wenn der Betrag des Z-Inkrements geeignet ausgewählt ist, um ungefähr die Ablagerungsraten zu treffen, und wenn die Objekte/Unterstützungen in einer nichtfesten Weise gebildet werden (nicht alle Pixelorte werden direkt abgelagert), dann ist das System stabil und sowohl die Unterstützungen und die Objekte können mit genauen vertikalen Dimensionen ohne die tatsächliche Notwendigkeit eines Glätters bzw. Ebeners gebildet werden. Natürlich kann ein Ebener noch verwendet werden, wenn dies gewünscht ist. Für den optimalen Betrieb dieser Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Z-Inkrement derart ausgewählt ist, dass es sich zwischen dem Mittelwert, der pro Schicht während des optimalen Abschießens in Richtung Ziel akkumuliert wird (z.B. 27e), und dem Mittelwert, der akkumuliert wird, wenn keine Überlagerung auftritt (z.B. 27e), befindet. Es ist weiter bevorzugt, dass die Schichtdicke wesentlich geringer ist als die Entfernung, die die optimale Fokusebene (z.B. 27c) von der Ebene trennt, wo nicht länger die Überlagerung stattfindet (z.B. 27d).
Wie oben bemerkt, können in einigen dieser Ausführungsformen die Objekte in einer derartigen Weise gebildet werden, dass es für das Material in Regionen gestattet ist, horizontal zu streuen, anstatt sich nur vertikal zu akkumulieren basierend auf dem Niveau der Zieloptimierung und wodurch eine Selbstkorrektur der Z-Akkumulation gestattet wird. Eine solche Ausführungsform kann das Bilden des Objektes als eine Kombination alternierender fester Schichten und Schachbrettschichten beinhalten. Andere derartige Ausführungsformen können die Bildung von festen auswärtsgerichteten Oberflächen und von Schachbrettern, versetzten Schachbrettern oder anderen offenen Strukturen in internen Objektregionen umfassen. Andere geeignete Aufbaumuster können empirisch bestimmt werden, indem Testteile aufgebaut und analysiert werden.
In einigen dieser "Außerhalb-der-Zieloberfläche"-Ausführungsformen ist die am meisten bevorzugte Position der anfänglichen Zieloberfläche/der anfänglichen Fokusebenen derart ausgewählt, dass sie ungefähr in der Mitte der Situationen angeordnet ist, die in den 27c und 27e dargestellt sind. Ein Weg, um dies auszuführen, besteht darin, die hypothetischen Fokuspunkte zu ignorieren und stattdessen auf die Flugzeitwerte zu fokussieren. Die Flugzeitkorrekturwerte können derart aufgebaut sein, dass sie größer sind als die optimalen Flugzeitkorrekturwerte (wie oben diskutiert), und kleiner als die Flugzeitkorrekturwerte, die unmittelbar angrenzende aber nicht überlappende Auftreffzonen erzeugen (d.h. nicht-überlagerte Auftreffzonen). Am meisten bevorzugt wären die ausgewählten Flugzeitwerte als ungefährer Mittelwert dieser zwei Extreme.
Einige "Außerhalb-der-Zieloberfläche"-Ausführungsformen können verwendet werden, um gleichzeitig unterschiedliche Bereiche von Objekten und/oder Unterstützungen zu bilden, so dass sich ihre oberen Oberflächen absichtlich auf unterschiedlichen Höhen nach Bildung jeder gegebenen Schicht befinden. Diese Ausführungsformen mit unterschiedlichen Höhen können von der Verwendung der Datenverarbeitungstechniken profitieren, wie beispielsweise der SMLC-Techniken, die in der zuvor referenzierten US-Patentanmeldung mit der Nummer 08/428,951 sowie in einigen anderen der zuvor durch Referenz aufgenommenen Patente und Anmeldungen diskutiert sind.
In Ergänzung zu den oben erwähnten Flugzeitmöglichkeiten bieten sich andere Möglichkeiten an, die unter Verwendung des modifizierten Flugzeitkorrekturfaktors korrigiert werden können. Wenn man z.B. die ID-Überdrucktechniken verwendet, um ein stärkeres Aufbauen zu bewirken, werden die Merkmale auf Abtastlinien, die in entgegengesetzten Richtungen abgetastet werden, die Ausrichtung verlieren, weil das Merkmal in einer Richtung auf einer Linie und in der anderen Richtung auf der anderen Linie ausgedehnt wird. Diese Situation ist in den 17a und 17b dargestellt. 17a illustriert zwei Punkte 60 und 100, die jeweils zu den Abtastlinien gehören, die in den Richtungen 64 und 104 überquert werden. Die Regionen 62 und 102 stellen die Ausdehnung abgelagerten Materials jeweils in Verbindung mit den Punkten 60 und 100 dar. 17b illustriert die gleichen Punkte 60 und 100, wobei das Ausspritzen unter Verwendung eines viermaligen Überdruckens stattfindet (d.h. vier Tropfenablagerungen pro Pixel). Die Ausdehnungen der Ablagerung sind jeweils mit den Bezugszeichen 76 und 106 dargestellt. Wie man erkennen kann, geht wegen der verschiedenen Richtungen des Überdruckens die Passgenauigkeit zwischen den physikalischen Merkmalen auf den zwei Linien verloren. Die obige Fehlpassgenauigkeit kann durch einen zusätzlichen Flugzeitkorrekturfaktor korrigiert werden, der empirisch oder möglicherweise theoretisch bestimmt wird, so dass eine Neuausrichtung der Merkmale auf verschiedenen Abtastlinien bewirkt wird. Natürlich erklärt diese Korrekturform nicht jede Extralänge, die zu den Objektmerkmalen entlang der Abtastlinien hinzugefügt wurde.
Eine andere Form der Korrektur, die beide Probleme vermeiden kann, wird vorgeschlagen, die das Erkennen beinhaltet, dass ein gegebener Pixel an seiner anderen Seite in Abtastrichtung nicht durch einen angrenzenden Pixel, der ebenfalls Materialablagerung erfordert, gebunden ist. Basierend auf diesem Erkennen wird kein Überdrucken auf einem derartigen ungebundenen Pixel verwendet. Als eine andere Alternative können die Extralinienlängen kompensiert werden, indem eine Art der Tropfenbreitenkompensation ähnlich der Linienbreitenkompensation verwendet wird, die in der fotobasierten Stereolithographie Anwendung findet und wie es in den zuvor referenzierten US-Patentanmeldungen mit den Nummern 08/475,730 und 08/480,670 beschrieben ist, wobei diese aber nur auf die Punkte entlang jeder Abtastlinie angewandt wird, die einen Übergang vom Ablagern zum Nicht-Ablagern repräsentieren. Als eine geeignete Korrektur können diese "Endpunkte" einfach von den Ablagerungsmustern gelöscht werden, wie sie gelöscht werden würden in dem Bereich von 1/2 bis vollständig abgedeckt durch die Verwendung des ID-Überdruckens von unmittelbar angrenzenden Pixeln. Eine andere Variante beinhaltet die Nutzung von versetzten Flugzeitkorrekturdaten, um eine Unterpixelablagerung zu implementieren.
Die Flugzeitkorrekturfaktoren können ebenfalls in verschiedener Weise für etwas entgegengesetzte Zwecke zu denen, die oben beschrieben wurden, verwendet werden. In diesen Ausführungsformen können die Flugzeitkorrekturfaktoren verwendet werden, um Material an Zwischenpixelorten (d.h. Subpixelorten) abzulagern, um verbesserte Aufbautechniken zu verwirklichen. Diese verbesserten Aufbautechniken können die Bildung von abwärtszeigenden Oberflächen, die Bildung und Platzierung von Unterstützungen, dass verbesserte vertikale Aufbauen des Materials, verbesserte Auflösung und dergleichen enthalten. In bevorzugten Ausführungsformen kann verbesserte Objektbildung in Verwirklichungen eines einzelnen Durchlaufes oder mehrfacher Durchläufe erzielt werden.
Tropfenbreitenkompensation
In einigen Situation kann es sehr wünschenswert sein, die Objektdaten durch Ausführen einer Tropfenbreitenkompensation zu modifizieren (d.h. die Ablagerungsbreitenkompensation). Kompensation (durch Einwertsversetzen zu festen oder volleren Pixelbreiten) kann verwendet werden, um gesteigerte Genauigkeit zu erzielen, wenn die Tropfenbreite zumindest etwas größer ist als die Pixelbreite und/oder Länge. Diese Technik kann in Kombination mit jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen oder mit jeder hier nachbeschriebenen Ausführungsform verwendet werden. Wenn sich die Tropfenbreite dem Doppelten der Pixelbreite annähert oder diese überschreitet (und/oder die Länge), kann immer bessere Genauigkeit durch einen einfachen oder Mehrfachpixelversatz erzielt werden. Die Tropfenvolumenkompensation kann auf Techniken basieren, wie jenen, die in den US-Patentanmeldungen mit den Nummern 08/475,730 und 08/480,670 offenbart sind. Alternativ können sie pixelbasierte Abtragungsroutinen umfassen. In einigen Ausführungsformen können die pixelbasierten Abtragungen vielfache Durchläufe durch eine Bitmap beinhalten, wobei "feste" Pixel, die bestimmte Kriterien erfüllen, in "hohle" Pixel umgewandelt werden würden.
Einige Ausführungsformen können die folgenden Schritte beinhalten, wobei jeder Rand der Bitmap umfasst: 1) in einem ersten Durchlauf durch die Bitmap werden alle "festen" Pixel, die an ihrer rechten Seite durch einen "hohlen" Pixel gebunden sind, in "hohle" Pixel umgewandelt; 2) in einem zweiten Durchlauf werden alle "festen" Pixel, die an ihrer linken Seite durch einen "hohlen" Pixel gebunden sind, in "hohle" Pixel umgewandelt; 3) in einem dritten Durchlauf werden alle "festen" Pixel, die an ihrer Oberseite durch einen "hohlen" Pixel gebunden sind, in "hohle" Pixel umgewandelt; und 4) in einem vierten Durchlauf werden alle "festen" Pixel, die an ihrer Unterseite durch einen "hohlen" Pixel gebunden sind, in "hohle" Pixel umgewandelt. Andere Ausführungsformen können die Ordnung der Schritte (1) bis (4) verändern. Wenn mehr als eine Pixelabtragung erforderlich ist, können die Schritte (1) bis (4) mehrere Male wiederholt werden, bis der korrekte Betrag der Reduktion erzielt wurde. Diese Ausführungsformen können eine angemessene Tropfenbreitenkompensation leisten, wobei sie jedoch daran leiden, dass Pixel in Regionen von Festkörperecken (entweder eine Objektecke oder Objektrand, der nicht parallel zur entweder der X- oder Y-Achse verläuft) zu einer schnelleren Rate entfernt werden als Pixel, in denen Grenzregionen repräsentiert werden, die entweder zur X- oder Y-Achse parallel sind.
Andere Ausführungsformen, die versuchen, diese unterschiedlichen Behandlungen in der Abtragungsrate anzusprechen, können die folgenden Schritte enthalten: 1) in einem ersten Durchlauf durch die Bitmap werden alle "festen" Pixel, die an ihrer rechten Seite durch einen "hohlen" Pixel und an allen anderen Seiten durch "feste" Pixel gebunden sind, in "hohle" Pixel umgewandelt; 2) in einem zweiten Durchlauf werden alle "festen" Pixel, die an ihrer linken Seite, durch einen "hohlen" Pixel und an allen anderen Seiten durch "feste" Pixel gebunden sind, in "hohle" Pixel umgewandelt; 3) in einem dritten Durchlauf werden alle "festen" Pixel, die zumindest an ihrer Unterseite durch einen "hohlen" Pixel gebunden sind, in "hohle" Pixel umgewandelt; und 4) in einem vierten Durchlauf werden alle "festen" Pixel, die zumindest an ihrer Oberseite durch einen "hohle" Pixel gebunden sind, in "hohle" Pixel umgewandelt. Andere Ausführungsformen können Änderungen der Ordnung der Schritte (1) bis (4) oder der Bedingungen, auf denen die Umwandlung basieren wird, ändern. Wenn mehr als eine Pixelabtragung erforderlich ist, können die Schritte (1) bis (4) mehrere Male wiederholt werden, bis der korrekte Betrag der Reduktion erzielt wurde. Diese Ausführungsformen sind eher geeignet, um die übermäßige Reduktion in den Eckregionen zu minimieren.
Andere Ausführungsformen können das Festlegen von Abtragungsbedingungen beinhalten, die darauf basieren, ob oder ob nicht zwei, drei oder alle vier Seiten eines Pixels durch "hohle" Pixel gebunden sind. Andere Ausführungsformen können die Abtragungsbedingungen in Abhängigkeit davon variieren, wie viele Male die Bitmap durchlaufen worden ist. Andere Ausführungsformen können eine Kombination der Abtragungen und der booleschen Vergleiche mit Originalquerschnitten oder anderen teilweise kompensierten Bitmaps verwenden, um abschließende Bitmap-Repräsentationen der zu exponierenden Pixel zu berechnen. Zahlreiche andere Ausführungsformen und Algorithmen zum Abtragen von Pixeln, während die Reduktion oder das Aufrechterhalten von bestimmten Objektmerkmalen betont wird, werden dem Fachmann im Hinblick auf die hierin enthaltene Lehre offenbar werden.
In Situationen, in denen die X- und Y-Pixeldimensionen wesentlich verschieden sind, kann die Tropfenbreitkompensation nur entlang einer Achse an Stelle von beiden Achsen notwendig sein. In diesen Situationen können Ausführungsformen, die den oben beschriebenen ähnlich sind, verwendet werden, wobei nur der a-Bereich der Schritte ausgeführt werden wird pro Abtragung. Es wird erwartet, dass die Methoden zur Ablagerungsbreitenkompensation ebenfalls verwendet werden können, indem Subpixelversatzbeträge in entweder einer oder in beiden, der X- und Y-Dimension, verwendet werden.
Randomisierung
Eine Technik (Verfahren und Vorrichtung), die als Randomisierung bekannt ist, kann in dem Aufbauprozess ausgenutzt werden. Diese Technik kann in Kombination mit jeder der Ausführungsformen verwendet werden, die oben beschrieben wurden, oder mit jedem Ausführungsbeispiel, das hiernach beschrieben wird. Gemäß dieser Technik wird die Art des Ausgebens des Materials an jedem Ort für zwei aufeinanderfolgende Querschnitte variiert. Dies kann zu einem gleichförmigeren Aufbauen des Materials über eine Schicht führen (d.h. eine Lage), was in der Fähigkeit resultiert, potentiell dickere Schichten zu verwenden, wodurch die Aufbauzeit verbessert wird. Diese Technik minimiert ebenfalls die Effekte von jeder einzelnen Düse oder einer Vielzahl von Düsen, die nicht geeignet feuern bzw. ausgeben. Das Variieren der Ablagerung kann in verschiedenen Wegen stattfinden. Zum Beispiel kann die Variation stattfinden durch: 1) Variieren der Düse, die das Material auf einen gegebenen Bereich einer Schicht abgibt, relativ zu der Düse, die das Material auf dem entsprechenden Bereich der unmittelbar folgenden Schicht abgibt; 2) Variieren der zeitlichen Reihenfolge oder räumlichen Reihenfolge des Ausgebens auf jeden gegebenen Bereich der Schicht im Verhältnis zu jedem anderen Bereich der Schicht; und 3) ein Kombination dieser, wie beispielsweise das Variieren der Hauptabtastorientierung oder Richtung und/oder das Variieren der zweiten Abtastorientierung oder Richtung. Das Variieren der Ablagerung von Schicht zu Schicht kann in einer vollständig zufälligen Weise stattfinden, oder. es kann in einer periodischen oder geplanten Weise stattfinden. Obwohl für einen vollständig anderen Zwecke ist eine ähnliche Technik in der fotobasierten Stereolithographie verwendet worden (siehe "Wechseln der Sequenzierung" in der zuvor referenzierten Patentanmeldung mit der Nr. 08/473,834).
Spezifische Ausführungsformen zum Variieren des Ablagerns werden nun angegeben. Die derzeit bevorzugte Randomisierungstechnik hält die Orientierung der Hauptabtastrichtung und der zweiten Abtastrichtung aufrecht, sie verwendet jedoch ein anderes Ausgabegerät (z.B. Düse), um das Material entlang der entsprechenden Abtastlinien zwischen den zwei Schichten abzulagern. Mit anderen Worten, ein erstes Ausgabegerät wird verwendet, um eine spezielle Hauptabtastli nie auf einer ersten Schicht abzutasten, und ein zweites Ausgabegerät kann verwendet werden, um jene spezielle Hauptabtastlinie auf einer nachfolgenden Schicht abzutasten (diejenige, unmittelbar oberhalb der speziellen Abtastlinie auf der ersten Schicht). In einigen bevorzugten Ausführungsformen wird eine spezielle Abtastlinie von Schicht zu Schicht unter Verwendung einer anderen Düse exponiert (d.h. es wird auf ihr abgelagert), bis 96 Schichten abgelagert worden sind und jede der 96 Düsen auf der speziellen Abtastlinie abgelagert hat, nachdem sich der Prozess wiederholt. Diese Ausführungsformen sind Beispiele der "Vollkopf"-Randomisierung. In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist die "Halbkopf"-Randomisierung bevorzugt. Halbkopf-Randomisierung kann die Anzahl der Durchläufe reduzieren, die durchgeführt werden müssen über jedem Querschnitt in Abhängigkeit von der Geometrie des Objektes. Basierend auf dem Aufbauen mit dem derzeitig bevorzugten Kopf mit 96 Düsen beinhaltet die Halbkopf-Randomisierung das Abtasten über jedem gegebenen Ort mit randomisiertem Ausgeben, dass entweder von den Düsen 1 – 48 oder den Düsen 49 – 96 stattfindet.
Um die Ausführungsformen der Vollkopf-Randomisierung in größerem Detail zu erklären, wird auf die 4a und 6 Bezug genommen. Für eine spezielle Schicht kann die Öffnung 10(1) verwendet werden, um die Abtastlinien R(1) bis R(8) abzufahren; die Öffnung 10(2) für die Linien R(9) bis R(16); die Öffnung 10(3) für die Linien R(17) bis R(25); die Öffnung 10(4) für die Linien R(26) bis R(33) etc. Auf der nächsten Schicht werden jedoch diese Zuordnungen derart verändert, dass eine gegebene Öffnung nicht die gleiche Abtastlinie auf der nächsten Schicht abfährt. Zum Beispiel können die folgenden neuen Zuordnungen sein: Öffnung 10(1) für die Linien R(257) bis R(264); Öffnung 10(2) für die Linie R(265) bis R(272); die Öffnung 10(3) für die Linien R(273) bis R(280), etc.
Eine andere Ausführungsform kann das relative Drehen des teilweise gebildeten Objektes und/oder des Druckkopfes um einen Betrag (z.B. 30°, 60° oder 90°) zwischen der Ablagerung für zwei Schichten beinhalten, so dass die Haupt und die zweite Abtastorientierung gegenüber ihren vorhergehenden Orientierungen verändert werden. Dies resultiert in eine Materialablagerung auf einer vorliegenden Schicht (d.h. Lage) von irgendeiner Düse, was hauptsächlich über Material stattfindet, dass durch andere Düsen auf der vorhergehenden Schicht abgelagert wurde. Dies ist in 8 dargestellt, wobei die Abtastlinien in Verbindung mit einer ersten Schicht durch die Linien R₁(1), R₁(2), R₁(3), R₁(4)...., R₁(N-3), R₁(N-2), R₁(N-1), R₁(N) dargestellt sind, während die Abtastlinien in Verbindung mit einer darauffolgenden Schicht durch die Linien R₂(1), R₂(2), R₂(3), R₂(4),.... R₂(N-3), R₂(N-2), R₂(N-1), R₂(N) dargestellt sind, die um 90° im Verhältnis zu den Abtastlinien der ersten Schicht gedreht sind. Der Betrag der Drehung kann zwischen aufeinanderfolgenden Schichten variieren oder es kann ein konstanter Betrag sein. Die Winkel können derart ausgewählt sein, dass, wenn die Drehung für eine ausreichende Anzahl von Schichten fortgesetzt wird, identische Düsen Material über identischen Abtastlinien ablagern werden, wo Ablagerung auf vorhergehenden Schichten stattfand. Alternativ können die Winkel derart ausgewählt sein, dass kein erneutes Ablagern von identischen Düsen auf der Abtastlinie stattfindet.
Zusätzliche Ausführungsformen können das Wechseln der Ordnung des Fortschreitens von einer Abtastlinie zur anderen beinhalten (in der zweiten Abtastrichtung). Dies ist in der 9 dargestellt, wofür eine erste Schicht die Ordnung der Ablagerung des Materials auf den Hauptabtastlinien auf der obersten Abtastlinie R₃(1) beginnt und sich zu den Abtastlinien R₃(2), R₃(3), ..., R₃(N-2), R₃(N-1) fortsetzt und mit der untersten Abtastlinien R₃(N) endet. Die Ordnung des Fortschreitens der Abtastlinien ist durch den Pfeil R_3P dargestellt. Die Ablagerung des Materials auf den Abtastlinien für eine nachfolgende Schicht beginnt auf der untersten Abtastlinie R₄(1) und setzt sich fort über die Abtastlinie R₄(2), R₄(3), ..., R₄(N-2), R₄(N-1) und endet mit der obersten Abtastlinie R₄(N). Die Ordnung des Fortschreitens der Abtastlinien in dieser nachfolgenden Schicht findet in entgegengesetzter Richtung als jene der Linien auf der ersten Schicht statt und sie ist durch den Pfeil R_4P dargestellt.
Zusätzliche Ausführungsformen sind in den 10a und 10b dargestellt, wobei die Richtung des Abtastens entlang entsprechender Abtastlinien umgekehrt ist zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten. 10a stellt die Abtastrichtungen für die Abtastlinien auf einer ersten Schicht dar, wobei die Abtastlinien R₅(1) und R₅(3) von links nach rechts abgetastet werden und wobei die Abtastlinien R₅(2) von rechts nach links abgetastet wird. Die 10b stellt dar, dass die Abtastrichtungen auf der nachfolgenden Schicht umgekehrt werden, wobei die Abtastlinien R₆(1), R₆(2) und R₆(3) jeweils R₅(1), R₅(2) und R₅(3) überlagern und wobei die Abtastlinien R₆(1) und R₆(3) von rechts nach links und die Abtastlinien R₆(2) von links nach rechts abgetastet werden.
Viele andere Randomisierungsmuster sind möglich umfassend Kombinationen von den oben beschriebenen Techniken. In Abhängigkeit von der oben gewählten Randomisierungstechnik kann der Randomisierungsprozess eine Gesamtsteigerung in der Schichtablagerungszeit bewirken, weil es in die Notwendigkeit resultieren kann, zusätzliche Hauptabtastdurchläufe auszuführen. Für diesen möglichen Nachteil wird jedoch angenommen, dass er durch die Steigerung des gleichförmigen Schichtaufbauens ausgeglichen wird. Da die Wärmeabfuhr ein signifikantes Problem bei der Verwendung von erhöhten Ausgabetemperaturen ist (die verwendet werden, um das Material fließfähig zu machen) können diese Extradurchläufe zusätzlich effektiv verwendet werden, um zusätzliches Abkühlen zu gestatten, das vor der Ablagerung einer darauffolgenden Schicht stattfindet.
Versetzen der Tropforte
Wie oben bemerkt wurde, können einige Aufbautechniken durch das Verwenden des Versetzens von Abtastlinien und/oder das Versetzen von Tropforten entlang der Abtastlinien gesteigert werden. Diese Versetztechniken könnten in Kombination mit den oben angemerkten Randomisierungstechniken verwendet werden, obwohl verstanden werden sollte, dass entsprechende Linien und Tropforte auf aufeinanderfolgenden Linien voneinander versetzt werden können. Diese Techniken können ebenfalls in Verbindung mit anderen Ausführungsformen, die hierin zuvor oder hiernach offenbart werden, verwendet werden. In einigen bevorzugten Ausführungsformen kann dieses Versetzen bis zu 1/2 der Linienbeabstandung oder der Tropfenbeabstandung sein. Ein Nutzen des Pixelversatzes kann das Ablagern von Material auf einem abwärtszeigenden Abschnitt eines Querschnittes beinhalten, so dass beim Überbrücken von Lücken zwischen angrenzenden Unterstützungselementen geholfen wird. Tatsächlich kann die abwärtszeigende Region in vielfachen Durchläufen ausgehärtet werden, wobei fortschreitendes oder wechselndes Versetzen zwischen den aufeinanderfolgenden Durchläufen verwendet wird, um eine weite Lücke bzw. Abstand zwischen Unterstützungselementen zu überbrücken. In einigen Ausführungsformen kann jeder nicht abwärtszeigende Bereich des Querschnitts unter Verwendung von einer oder mehreren Ablagerungen und Versetzungen oder nicht versetzten Pixeln exponiert werden und die Ablagerung in jedem abwärtszeigenden Bereich kann durch Mehrfachablagerungen (oder Expositionen) stattfinden, wo sich Pixelzonen teilweise überlappen. Die Gesamthöhe der Ablagerung in den bevorzugten Ausführungsformen kann gleichmäßig hergestellt werden, indem sie durch Ebnen bzw. Glätten auf ein geeignetes Niveau zugerichtet wird.
In einigen Ausführungsformen kann das Versetzen von Pixeln und daher von Tropfstellen während des Aufbauens von Unterstützungsstrukturen stattfinden, um die Bildung von bogenähnlichen Unterstützungen, Brücken oder Verzweigungsunterstützungen (z.B. wie Äste eines Baumes) zu steigern. In einigen Ausführungsformen kann das Versetzen von Pixeln während der Objektbildung stattfinden, um das Aufbauen der Objektabschnitte zu steigern, die einen begrenzten Betrag über die Grenzen der unmittelbar vorhergehenden Objektschicht vorstehen. Vorstehende Unterstützungen und Objektteilstücke können ohne die Verwendung des Pixelversatzes gebildet werden, aber es wird angenommen, dass das Versetzen von Pixeln nützlich sein kann, um bei der Bildung derartiger Strukturen zu helfen, wobei weniger Material in Regionen unterhalb der Schichtniveaus abrutschen kann, an denen es ausgegeben wurde.
Ausführungsformen können das Versetzen von Pixeln auf jeder Schicht enthalten oder sie können alternativ das Versetzen von Pixeln auf nur periodischen Schichten beinhalten. In dieser letzten Alternative wird das Material gemäß den gleichen Pixelpositionen über eine Anzahl von Schichten abgelagert. Gemäß dieser Alternative wird das bessere Stattfinden der Stabilisierung überhängender Regionen dadurch gestattet sein, dass vielfache Schichten über einen anfänglichen Überhang aufgebaut werden, bevor die Bildung eines nachfolgenden Überhangs versucht wird.
Das Versetzen von Pixeln (z.B. durch Aufbauen von verzweigten Unterstützungen oder durch das Verjüngen von äußeren Objektstrukturen), resultiert in die Bildung von Strukturen, die sich über einen leeren Raum verzweigen. Die Ausdehnung dieses Verzweigens ist auf etwas weniger als eine Tropfenbreite pro Schicht begrenzt. Je nachdem, ob sich jede Schicht über die Grenze der unmittelbar vorhergehenden Schicht hinaus erstreckt oder ob mehrere Schichten übereinander aufgebaut werden gefolgt von einer periodischen Erweiterung über die Grenze einer unmittelbar vorhergehenden Schicht hinaus, kann man einen Ausdehnungswinkel definieren basierend auf der mittleren Ausdehnung über eine Anzahl von Schichten. Der maximale Winkel der Ausdehnung hängt teilweise von der Rate ab, mit der das Material nahe und in dem erweiterten Teilstück ausgehärtet wird, was umgekehrt von dem Betrag des Materials abhängig ist, der nahe und in dem erweiterten Abschnitt abgelagert wurde. Die Schichten können in jedem Winkel aufgebaut werden, wobei das Material schnell genug verfestigt und geeignet ist, um die Schicht des Materials zu unterstützen. In einigen bevorzugten Ausführungsformen sind Ausdehnungswinkel nahe 30° erzielt worden. Es wird angenommen, dass Ausdehnungswinkel von annähernd oder sogar über 45° möglich sind.
Aufgrund der Materialabkühlraten ist es bevorzugt, dass die Bildung von überhängenden festen Objektteilstücken in mehreren Durchläufen erzielt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ausdehnungsregion in einem oder mehre ren anfänglichen Durchläufen abgelagert und die vollständig unterstützten Regionen werden in einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Durchläufen exponiert. Diese Ausführungsform gestattet dem Material, in den Ausdehnungsregionen ohne die zusätzlichen Verzögerungen abzukühlen und zu verfestigen, die mit der Wärmeabsorption von dem ausgegebenen Material in den inneren Regionen verbunden sein kann. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird zuerst das Innere der Schicht exponiert und die Ausdehnungsregionen werden in einem oder mehreren nachfolgenden Durchläufen exponiert. Diese Ausführungsform liefert dem Material in dem inneren Teilstück Zeit zum Abkühlen, etwas bevor die Ausdehnungsregionen ausgegeben werden, wodurch das Risiko reduziert wird, dass das Ausdehnungsmaterial für eine zu lange Zeit fließfähig bleibt. Für einen gegebenen Satz von Aufbauparametern können die verwendbaren Ausdehnungswinkel empirisch durch das Aufbauen und Untersuchen von Testteilen bestimmt werden.
Das Versetzen von Pixeln kann in Kombination mit vielfachen Durchläufen über ein gegebenes Teilstück einer Schicht verwendet werden, um auf diese Weise das Aufbauen von Material um ein gegebenes geometrisches Merkmal in einer vorgeschriebenen Ordnung und in einem vorgeschriebenen Versatzmuster zu gestatten. Beispielsweise kann das Versetzen auf einer Seite eines Merkmals derart stattfinden, dass ein Teil einer Pixelverschiebung in eine Position weg von jener Seite des Merkmals stattfindet, während ein anderer Versatz verwendet werden kann, so dass die gleiche Teilverschiebung in der entgegengesetzten Richtung auf der entgegengesetzten Seite des Merkmals erhalten werden kann.
Eine Alternative zum Versetzen von Pixeln besteht einfach im Ausbauen von Objekten unter Verwendung von Daten höherer Auflösung und damit verbundener Aufbaumuster oder Stile, die die gewünschte Tropfdichte erzeugen, die geringer sein kann als jene, die von Natur aus durch die Daten bereitgestellt wird, die jedoch noch das Bilden von Festkörperstrukturen oder anderen gewünschten Merkmalen erzeugen kann.
Das Verschachteln von Abtastlinien
Das Verschachteln ist eine andere Technik, die verwendet werden kann, um die Objektbildung zu steigern. Wie mit allen anderen Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, sind die Ausführungsformen dieses Abschnitts kombinierbar mit jenen anderen Ausführungsformen, die hierin offenbart sind. Wie zuvor diskutiert, ist, wenn der Kopf nicht in dem Säbelwinkel orientiert ist, die Beabstandung zwischen den Düsen nicht gleich zu der gewünschten Auflösung und daher ist sie nicht gleich zu der gewünschten Beabstandung der Hauptabtast- oder Rasterlinien. Wenn dies der Fall ist, muss von Natur aus eine Form von verschachtelten Abtastlinien verwendet werden, wenn es tatsächlich gewünscht ist, Material entlang aller Hauptabtastlinien abzulagern. Zusätzliches Verschachteln kann aber ebenfalls aufgrund einer Anzahl von Gründen durchgeführt werden (z.B. um das Schichtabkühlen und/oder den Materialaufbau zu steigern).
Eine Vielzahl von Mustern, zum Verschachteln von Abtastlinien kann verwendet werden, egal ob der Druckkopf in dem Säbelwinkel orientiert ist, egal ob die bevorzugte Rasterabtasttechnik verwendet wird, egal ob eine Vektorabtasttechnik verwendet wird, egal ob einige andere Abtasttechniken verwendet werden oder ob Kombinationstechniken genutzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wie zuvor beschrieben, ist der Kopf rechtwinklig zu der Hauptabtastrichtung orientiert und eine Auflösung von 300 Abtastlinien pro Inch wird verwendet. In dieser Konfiguration sind aufeinanderfolgende Düsen 8/300 eines Inch voneinander beabstandet. Der Kopf ist hergestellt, um 8 Hauptabtastungen zu leisten, wobei die ersten sieben davon gefolgt werden durch eine zweite Abtastung einer Breite, die gleich ist der Beabstandung zwischen den Rasterlinien (der Rasterbreite), und die achte der Abtastungen wird gefolgt durch eine zweite Abtastung einer Breite, die gleich ist zu der effektiven Kopfbreite plus der Rasterbreite. Wiederholungen des obigen Abtastmusters werden durchgeführt, bis die in der zweiten Abtastrichtung zugenommene Breite die Breite der aufzubauenden Region erreicht oder überschritten hat.
Alternative Ausführungsformen könnten den X-Bereich der Hauptabtastung darauf begrenzen, was ausreichend ist, um effektiv die Arbeitsregion abzudecken, die für das Objekt, für den speziellen Objektquerschnitt, der abgetastet wird, für jedes Segment der Objektlänge, dass zum Durchführen der acht nahen beabstandeten Hauptabtastungen erforderlich ist, oder für andere Methoden erforderlich ist, die zu einer Reduktion in der Abtastzeit führen. Ähnlich könnte ebenso das Positionieren entlang der zweiten Abtastachse auf eine Breite und Position des Objektes des abgetasteten Querschnitts eines speziellen Bereiches eines abgetasteten Querschnitts oder dergleichen begrenzt werden. In bevorzugten Ausführungsformen kann die Verwendung von Randomisierungen den Betrag des Indizierens steigern, der geleistet werden muss, so dass die geeigneten Düsen, die geeigneten Abtastlinien abfahren können. Andere Ausführungsformen können die Hauptabtastung auf Wege begrenzen, die tatsächlich aktive Tropforte umfassen.
Als eine erste bevorzugte Alternative der Verschachtelungstechnik würden nicht angrenzende Abtastlinien nach zumindest einem ersten Durchlauf unexponiert zurückgelassen werden, wonach bei einem oder mehreren nachfolgenden Durchläufen die zwischengeordneten Linien exponiert werden würden. In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist es wünschenswert, dass zwischengeordnete Rasterlinien gezogen werden, bevor das Material auf allen angrenzenden Rasterlinien abgelagert wird oder nachdem das Material auf beiden angrenzenden Linien abgelagert wurde. Beispiele dieses Typs der Ausführungsform sind in den 11a, 11b und 22a – 22d dargestellt. 11a und 11b illustrieren die Situation, wobei jede andere Linie bei einem ersten Durchlauf ausgelassen wird. 11a illustriert vier Abtastlinien, wobei zwei Linien bei einem ersten Durchlauf exponiert werden sollen (d.h. dass die Tropforte genutzt werden sollen). 11b illustriert die gleichen vier Abtastlinien, wobei die anderen zwei Linien bei einem zweiten Durchlauf exponiert werden sollen (d.h. die Tropforte genutzt werden sollen). Weitere Beispiele von verschachtelten Mustern sind in den 22a bis 22d gezeigt. In diesen Figuren repräsentiert ein Pfeil 30 mit zwei Spitzen die Hauptabtastrichtung, wobei die Beabstandung d_r die Beabstandung zwischen aufeinanderfolgenden Rasterlinien repräsentiert, und für die Klarheit sind die Anfangspunkte und die Endpunkte der Linien versetzt gezeigt, obwohl die Linien in der Praxis den gleichen Anfangs- und Endpunkt haben würden. 22a illustriert eine Reihe von Rasterlinien, die in der Hauptabtastrichtung abgetastet werden sollen. 22b illustriert erste Rasterlinien 32, die bei einem ersten Durchlauf exponiert werden soll, und zweite Rasterlinien 34, die auf einem zweiten Durchlauf gemäß dem Beispiel der 11a und 11b gebildet werden sollen. 22c illustriert die Rasterlinien 32, 34, 36 und 38, die jeweils auf einem ersten, zweiten, dritten und vierten Durchlauf exponiert werden sollen. Die 22d illustriert die Rasterlinien 32, 34, 36, 38, 40 und 42, die jeweils auf einem ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Durchlauf exponiert werden sollen. In dem Beispiel der 22d könnten ebenfalls andere Ordnungen von Rasterlinienabtastungen verwendet werden, während noch gesichert ist, dass, wenn zwischengeordnete Linien abgelagert werden, sie entweder nicht an beiden Seiten gebunden sind oder dass sie an beiden Seiten durch zuvor abgelagerte angrenzende Rasterlinien gebunden sind. Andere nützliche Abtastordnungen könnten beispielsweise sein: 32, 34, 36, 38, 40 und 42; 32, 34, 36, 40, 38 und 42 oder dergleichen.
In einem bevorzugten System zum vollständigen Implementieren dieser Ausführungsbeispiele in einer allgemeinen Weise unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Durchläufen müsste eine ungerade Anzahl von Rasterlinien zwischen der durch eine der Düsen abgetasteten Linie (z.B. einer ersten Düse) und der durch eine angrenzende Düse abgetasteten Linie (z.B. einer zweiten Düse) vorhanden sein. Mit anderen Worten müsste die Anzahl der d_r – Beabstandung zwischen aufeinanderfolgenden Düsen gerade sein, wodurch gefordert wird, dass zwei angrenzende Düsen derart positioniert werden müssen, dass sie die Rasterlinien M und M+N abtasten, wobei M und N ganze Zahlen sind und N gerade ist. In dem Fall, wo die Beabstandungen zwischen den Düsen nicht geeignet ist (z.B. nicht gerade), ist es immer möglich, nur geeignete Rasterlinien in einem ersten Durchlauf abzutasten (z.B. jene, die mit jeder anderen Düse verbunden sind) und dann die verbleibenden Abtastlinien in einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Durchläufen zu exponieren. So, wie die Breite der Ablagerung signifikant breiter als die Beabstandung der Rasterlinien sein kann, können andere bevorzugte Ausführungsformen nicht auf dem Auslassen von jeder anderen Abtastlinie bei einem ersten Durchlauf basieren, jedoch können sie auf der Auswahl der Abtastlinien zur Ablagerung (d.h. zum Exponieren) bei einem ersten Durchlauf basiert sein, so dass sich die Linien des abgelagerten Materials nicht direkt berühren, und dann können alle ausgelassenen Rasterlinien bei einer oder mehreren aufeinanderfolgenden Expositionen gefüllt werden.
Diese erste Verschachtelungstechnik kann vollständig oder ähnlich implementiert werden, selbst wenn die angrenzenden Düsen ungeeignet positioniert sind für die gewünschte Abtastlinienauflösung (d.h. die Düsenposition und die Abtastlinienauflösung sind derart, dass eine gerade Anzahl von Rasterlinien zwischen den Linien vorhanden ist, die durch eine der Düsen abgetastet wird, und der Linie, die durch eine angrenzende Düse abgetastet wird). Dies kann zumindest in drei Wegen ausgeführt werden: 1) jede Düse wird dazu verwendet, um jede andere Rasterlinie zwischen ihrer ursprünglichen Position und der Position der Linien abzutasten, die zuerst durch die angrenzende Düse gebildet wurde, ausgenommen von zumindest zwei angrenzenden Rasterlinien, die durch jede Düse abgetastet werden sollen, wobei sie bis zumindest einem zweiten Durchlauf nicht exponiert werden, wenn die verbleibenden Rasterlinien exponiert werden; 2) jede Düse wird dazu verwendet, um jede andere Rasterlinie abzutasten, bis sie ebenfalls die Rasterlinie angrenzend an die erste durch die angrenzende Düse abgetastete Linie abtastet, wonach die verbleibenden nicht-exponierten Linien in einem zweiten Durchlauf gezielt exponiert werden; und/oder 3) nur jede andere Düse wird in dem Abtastprozess verwendet, wodurch sichergestellt wird, dass eine ungerade Anzahl von Rasterlinien zwischen allen zwei angrenzenden Düsen vorhanden ist. In diesen Ausführungsformen sowie den vorhergegangenen Ausführungsformen ist es bevorzugt, wechselnde Linien für die gesamte Schicht zu exponieren, bevor ein zweiter Durchlauf zum Exponieren der zwischengeordneten Linien begonnen wird; es ist jedoch möglich, die Exposition von allen Abtastlinien zwischen dem Anfangspunkt von einigen oder allen der angrenzenden Düsen zu vervollständigen, bevor sogar ein erster Durchlauf über andere Teilbereiche der Schicht durchgeführt wird.
Zahlreiche andere Verschachtelungsausführungsformen werden dem Fachmann klar werden, der diese Offenbarung studiert. Zum Beispiel kann eine Verschachtelung mit einer größeren Anzahl von Durchläufen verwendet werden oder eine Verschachtelung, wobei einige Verbindungen zwischen Linien, die in einem ersten Durchlauf exponiert wurden, stattfinden. Natürlich könnte jede Kombination des Verschachtelns mit den zuvor beschriebenen Randomisierungstechniken ebenfalls verwendet werden. Eine weitere Exposition einer nachfolgenden Schicht kann die Ordnung des Abtastens der verschiedenen Sätze von Linien und/oder die Abtastrichtungen der Linien selbst verändern (z.B. Umkehrung der Ordnung des Abtastens der Sätze der ersten, zweiten und höheren Ordnung). Weitere Ausführungsformen können die Vervollständigung der verschachtelnden Exposition für eine erste Schicht beinhalten, während Regionen während der Bildung von einer oder mehreren nachfolgenden Schichten exponiert werden.
Verschachteln von Tropforten
Wie bei dem Verschachteln von Abtastlinien kann bei der Objektbildung das Verschachteln von Tropforten entlang von einzelnen Abtastlinien verwendet werden. In diesem Fall würde jede Abtastlinie durch zumindest zwei Durchläufe exponiert werden, wobei ein erster Durchlauf eine Anzahl von Tropforten exponiert und wonach bei einem oder mehreren nachfolgenden Durchläufen die verbleibenden Tropforte exponiert werden würden. Als ein Zwei-Schritt (d.h. Durchlauf)-Beispiel würde bei einem ersten Durchlauf jeder andere Tropfplatz exponiert werden, während bei einem zweiten Durchlauf die zwischengeordneten Tropfplätze exponiert werden würden. Diese Situation ist in den 12a und 12b dargestellt. 12a illustriert vier Abtastlinien mit jeweils neun Tropforten, wobei jeder andere Tropfort bei einem ersten Durchlauf exponiert werden soll, während 12b die gleichen Linien und Orte darstellt, wobei jedoch stattdessen dargestellt ist, dass nur komplementäre Tropforte bei einem zweiten Durchlauf exponiert werden sollen. Als ein zweites Zwei-Schritt-Beispiel kann jeder dritte Platz bei einem ersten Durchlauf exponiert werden, während bei einem zweiten Durchlauf alle zwischengeordneten Plätze dazwischen exponiert werden würden. Als ein Drei-Schritt-Beispiel kann ein erster Durchlauf jeden fünften Platz beginnend mit dem ersten Platz exponieren; bei einem zweiten Durchlauf würde dann jeder fünfte Platz beginnend mit dem dritten Platz exponiert werden und abschließend würde bei einem dritten Durchlauf jeder andere Platz beginnend mit dem zweiten Platz exponiert werden.
Wie mit allen anderen Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, sind die Ausführungsformen dieses Abschnitts kombinierbar mit den anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
In diesen Verschachtelungstechniken können aufeinanderfolgende Abtastlinien exponiert werden, indem unterschiedliche oder versetzte Verschachtelungsmuster verwendet werden, so dass zweidimensionale Verschachtelungsmuster entwickelt werden können (das Pixelversetzen könnte ebenfalls verwendet werden). Z.B. kann ein Zwei-Schritt-Verschachtelungsmuster bei jeder Abtastlinie verwendet werden, wobei die Anfangspunkte auf aufeinanderfolgenden Linien um einen Pixel versetzt werden, so dass ein Schachbrettmuster für einen ersten Durchlauf gebildet wird. Die 13a und 13b illustrieren dieses Beispiel. 13a illustriert den ersten Durchlauf des Schachbrettmusters, während 13b das komplementäre Schachbrettmuster darstellt, dass bei einem zweiten Durchlauf exponiert wird.
Wie mit dem Verschachteln der Abtastlinien kann das Verschachteln der Tropforte alle Durchläufe über einzelne Linien vor dem Exponieren nachfolgender Linien vervollständigen, obwohl es bevorzugt ist, dass alle Linien mit jedem Durchlauf exponiert werden, bevor ein nachfolgender Durchlauf über teilweise exponierte Linien gestartet wird. Weiterhin kann die Vervollständigung von allen Durchläufen über Teilstücke von einzelnen Linien erzielt werden, bevor die Exposition über verbleibende Teilstücke jener Linien begonnen wird.
Eine dritte Verschachtelungstechnik beinhaltet ein merkmalsempfindliches Verschachteln. In dieser Technik ist die Ordnung, in der ein gegebener Tropfplatz exponiert wird, abhängig von der Geometrie des unmittelbaren Querschnitts allein oder von der Geometrie vielfacher Querschnitte. Merkmalsempfindliches Verschachteln kann eines oder beide enthalten, dass Verschachteln von Abtastlinien und das Verschachteln von Tropforten. Beispielsweise kann man in einer Ausführungsform einer Einzelschicht der Querschnitte bestimmen und sicherstellen, dass die Grenzzonen bei einem ersten Durchlauf exponiert werden. Einige innere Teilbereiche des Querschnitts können ebenfalls beim ersten Durchlauf exponiert werden oder alternative Exposition aller inneren Teilstücke kann verzögert werden, bis ein oder mehrere nachfolgende Durchläufe durchgeführt worden sind. Beispielsweise können die inneren Teilstücke exponiert werden, indem ein Verschachteln im Schachbrettmuster bei einem ersten Durchlauf in Kombination damit verwendet wird, dass alle Grenzregionen ebenfalls bei dem ersten Durchlauf exponiert werden.
Dann würden bei einem zweiten Durchlauf die verbleibenden inneren Teilstücke exponiert werden. Es ist ebenfalls möglich, dass eine ausgedehnte Grenzbreite zur Exposition bei einem ersten Durchlauf definiert werden könnte, so dass mehr als eine Grenze von einer Tropfenplatzbreite um den Querschnitt platziert werden kann, bevor nachfolgende Durchläufe durchgeführt werden. Diese ausgedehnte Grenzregion kann implementiert werden, indem Abtragungsroutinen verwendet werden, wie beispielsweise jene, die oben in Verbindung mit der Tropfenbreitenkompensation beschrieben wurden. Als eine zusätzliche Alternative kann man sich darauf konzentrieren sicherzustellen, dass nur eine der Abtastliniengrenzplätze oder der Tropfortgrenzplätze (Grenzen entlang der Linien in der zweiten Abta strichtung) bei dem ersten Durchlauf exponiert werden. Als eine weitere Alternative können innere Regionen als ganzes oder teilweise exponiert werden, bevor das Material in den Grenzregionen ausgegeben wird. Es wird angenommen, dass das Ausgeben der Grenzregionen zuerst zu einem verbesserten Aufbauen in der vertikalen Richtung führen kann und dass das Exponieren der Grenzregionen letztendlich zu einer verbesserten horizontalen Genauigkeit des Objektes führen kann. Sogar eine weitere Alternative kann das Ausgeben einer grenznahen Region beinhalten, was anfänglich durch das Ausgeben von tieferen inneren Regionen eines Querschnitts gefolgt ist und abschließend durch das Ausgeben der äußeren Querschnittsgrenzen selbst gefolgt ist.
Beispiele für eine merkmalsbezogene Verschachtelungstechnik für Merkmale über vielfache Querschnitte kann zunächst das Exponieren jener Orte berücksichtigen, die einen Teil des vorliegenden Querschnitts bilden, die jedoch Grenz- oder feste innere Objektregionen auf dem vorhergehenden Querschnitt sind. Die Grenz- und festen inneren Regionen auf dem vorhergehenden Querschnitt können Grenzregionen und feste innere Regionen der Unterstützungsstrukturen sowie der Objektstrukturen umfassen. Unter Verwendung dieser Ausführungsform findet keine Ablagerung in zumindest kritischen abwärtszeigenden Objektregionen bei dem ersten Durchlauf statt, es sei denn, jene abwärtszeigenden Regionen sind tatsächlich durch eine Struktur einer bestimmten Natur unterstützt (z.B. eine Unterstützungssäule direkt darunter). In einer oder mehreren nachfolgenden Eckpositionen wird das Material ausgegeben, um nicht unterstützte abwärtszeigende Merkmale zu bilden. Da die Ablagerungsbreite typischerweise ausgedehnter ist als die Pixelbreite, ist es eher erwünscht, dass ein Tropfen, der ausgegeben wird, um auf einem Pixelort angrenzend an zuvor ausgegebenes Material auf jenem Querschnitt zu landen, das benachbarte abgelagerte Material treffen wird und hoffentlich daran anhaften wird anstatt, weiter abwärts auf einen Querschnitt unter jenem zu fallen, für den er bestimmt war. Da in bevorzugten Ausführungsformen weiterhin Unterstützungsstrukturen typischerweise nicht mehr als einen Pixel voneinander getrennt sind, wenn die Exposition von nicht-unterstützten abwärts zeigenden Regionen stattfindet, wird sich das ausgegebene Material eher zwischen dem bereits ausgegebenen Material auf der vorliegenden Schicht festsetzen bzw. sich mit ihm verbinden, als sich dem entgegengesetzt zwischen dem ausgegebenen Material einer vorhergehenden Schicht festzusetzen. Da jedoch der Tropfendurchmesser typischerweise geringer ist als der Ablagerungsdurchmesser (d.h. der Tropfendurchmesser des aufgeschlagenen Tropfens) und da er kleiner sein kann als die Pixelbreite, kann das an einem angrenzenden Pixelort abgelagerte Material nicht ausreichend in den Weg eines fallenden Tropfens ausgedehnt sein, so dass eine Kollision und ein Aufhalten des Teilchens sichergestellt ist.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform würden die Tropforte um einen Bruchteil einer Pixelbreite (bevorzugt ungefähr 1/2 einer Pixelbreite) entlang der Haupt- und/oder der zweiten Abtastrichtung (bevorzugt beide) verschoben werden, wenn nicht unterstützte abwärtszeigende Regionen und wenn bevorzugt angrenzende Regionen ausgegeben werden, so dass ein Tropfen zumindest eher teilweise unterstützt wird durch zuvor ausgegebenes Material anstatt dass der Tropfen in perfekter Ausrichtung ausgegeben wird. Es ist bevorzugt, dass Tropfen über teilweise nicht unterstützten Regionen in einem nachfolgenden Durchlauf von jenen ausgegeben werden nachfolgend jenen, die über die vollständig und unterstützten Regionen ausgeben. Es ist jedoch möglich, sich einzig und allein auf das Überlappen mit dem vorhergehenden Querschnitt zu verlassen (und nicht auf irgendwelche zusätzlichen Vorteile in Verbindung mit der Anhaftung an zuvor ausgegebenes Material auf dem gegebenen Querschnitt), um eine angemessene vertikale Platzierung der Tropfen in teilweise nicht-unterstützten Regionen sicherzustellen. In dieser Ausführungsform würden zumindest die Unterstützungsregionen (z.B. die Säulen) auf der vorliegenden Schicht nicht verschoben werden. Dies stellt sicher, dass die Passgenauigkeit von Schicht zu Schicht gegeben ist. Es ist weiterhin bevorzugt, dass ausgedehnte Lücken durch zunehmendes Versetzen von Ablagerungsorten einwärts (d.h. mehrstufig) von unterstützten Seiten der Lücke geschlossen werden, indem mehrfache Durchläufe über den Querschnitt verwendet werden, wobei jeder Durchlauf teilweise von dem unmittelbar vorhergehenden Durchlauf versetzt ist, um ein adäquates Überlappen der Tropfen sicherzustellen, um jede Materialplatzierung über das erforderliche vertikale Niveau hinaus zu begrenzen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden weiter gleichzeitig Aushärtetechniken für mehrere Schichten, wie sie in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/428,951 beschrieben sind, verwendet, um kritische abwärtszeigende Daten von einer oder mehreren Schichten zu versetzen, so dass über die bildende Materialablagerung die abwärtszeigende Schicht an dem konekten Niveau platziert werden wird.
Ein Beispiel für die Ausführungsform dieses mehrstufigen horizontalen und vertikalen Versatzes, dass einen horizontalen Versatz von 1/2 Pixel und einen vertikalen Versatz von einer Schichtdicke verwendet, ist in den 23a–23h gezeigt. 23a illustriert eine Seitenansicht eines zu bildenden Objektes 120. 23b illustriert das Objekt 120, wie es normalerweise in die Schichten 122, 124, 126, 128 und 130 geteilt werden würde. Die 23c illustriert das Objekt 120, wie es in die Schicht 122, 124, 126, 128' und 130' zu unterteilen ist. Die Schicht 128' ist anders als die Schicht 128, wobei das abwärtszeigende Teilstück der Schicht entfernt worden ist, da vorausgesehen wird, dass es während der Ablagerung des Materials der nächsten Schicht unter Verwendung einer Reihe von aufeinanderfolgenden Versatzexpositionen erzeugt werden wird. Die Schicht 130' ist ähnlich der Schicht 130 ausgenommen, dass ein anderes Ablagerungsmuster bei seiner Bildung verwendet werden kann. 23d stellt wieder die Schichten 122, 124, 126 und 128' dar, wobei aber in Ergänzung die Ablagerungsorte oder Pixelpositionen 132–137 dargestellt sind, an denen Material während der Bildung der Schicht 130' abgelagert werden kann. 22e ist ähnlich der 23d ausgenommen, dass anstelle der Tropforte 132–137 die Tropforte 140–146 gezeigt sind. Wie man aus den relativen Positionen der Tropforte erkennen kann, sind die Orte 132–137 und 140–146 voneinander um 1/2 Pixelbreiten versetzt. 23f illustriert das Ablagerungsmuster, dass durch einen ersten Durchlauf des Druckkopfes beim Bilden der Schicht 130' geformt wird. Die Tropfen 150, 151, 152 und 153 werden jeweils auf den Tropforten 141, 145, 142 und 144 abgelagert.
Man kann erkennen, dass die Tropfen 152 und 153 nur teilweise durch die Schicht 128' unterstützt werden und dass als ein Ergebnis angenommen wird, dass sie sich teilweise in die Region, die ursprünglich zu der Schicht 128 gehört, ausdehnen (wie dargestellt). 23g illustriert das Ablagerungsmuster des ersten Durchlaufes beim Bilden der Schicht 130' sowie zusätzlich abgelagertes Material in einem zweiten Durchlauf. Die Regionen 160 und 162 wurden bei dem ersten Durchlauf abgelagert und sie werden in 23f als Regionen 150, 152, 151 und 153 repräsentiert. Die Ablagerung auf dem zweiten Durchlauf findet gemäß der Pixelanordnung statt, die in 23d dargestellt ist. Die Tropfen 155 und 156 werden an Tropforten 132 und 137 abgelagert. In der Praxis würde das Ausgeben der Tropfen 155 und 156 anfänglich in Überschussmaterial resultieren, dass über einem Teilbereich der Regionen 160 und 162 aufgebracht wird, wobei dieser Überschuss jedoch während des Glättungsprozesses bzw. Ebnungsprozesses ausgeglichen bzw. zugerichtet werden würde. Die Tropfen 157 und 158 werden an den Tropforten 134 und 135 abgelagert, wobei jedoch diese Orte nicht vollständig von unten durch das zuvor abgelagerte Material gebunden sind, so dass angenommen wird, dass sich ein Teilbereich des ausgegebenen Materials abwärts in die Region erstrecken wird, die ursprünglich Teil der Schicht 128 ist. Das Versatzausgeben der Tropfen 152, 153, 157 und 158 resultiert in die Bildung der abwärtszeigenden Teilbereiche der Schicht 128, die von der Schicht 128' entfernt wurde. In einem dritten und abschließenden Durchlauf wird der Tropfen 164 auf den Tropfort 143 abgelagert, um die Bildung der Schicht 130' zu vervollständigen.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen könnten verschiedene Aspekte der obigen Beispiele verändert werden. Zum Beispiel könnte die Ausdehnung des Materials in untere Schichtregionen (angenommen, dass sie auftreten, wenn Tropfen oder Tropforte nur teilweise unterstützt werden) andere Werte als die beschriebene Ausdehnung einer Schichtdicke annehmen. Die Ausdehnung kann geringer sein als eine Schichtdicke oder zumindest anders als eine ganzzahlige Anzahl von Schichtdicken. Es kann sein, dass die Ausdehnung eine ganzzahlige Anzahl von Schichtdicken sein würde (z.B. zwei bis fünf Schichtdicken oder mehr).
In einem solchen Fall würde es für die genaueste Bildung wünschenswert sein, die anfängliche Objektrepräsentation in eine modifizierte Repräsentation umzuwandeln, wie es in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/428,951 beschrieben ist (entweder vor oder nach Erzeugung der Querschnittsdaten), so dass, wenn das Material gemäß der modifizierten Repräsentation ausgegeben wird, der Boden des abwärtszeigenden Merkmals genau positioniert ist. Andere Variationen können in mehrfachen Durchläufen Ablagerungen basierend auf der Geometrie zusammen mit unterschiedlichen Versatzwerten verwendet, wie beispielsweise 1/4 eines Pixels (so dass 3/4 der Tropfenzone nicht unterstützt werden würde) oder 3/4 eines Pixels (so dass nur 1/4 des Tropfortes nicht unterstützt werden würde). Diese unterschiedlichen Versatzwerte können zu mehr Kontrolle über die Beträge der Ausdehnung in die vorhergehenden Schichtregionen führen. Andere Variationen können andere Ablagerungsordnungen, andere Beträge des Überdruckens oder sogar andere Mengen der Ablagerung pro Tropfen verwenden. Noch andere Variationen werden nicht das Versetzen der Pixel verwenden, stattdessen werden sie jedoch Pixel höherer Auflösung möglicherweise in Kombination mit Ablagerungsmustern nutzen, die die richtige Tropfendichte erzeugen.
Eine zusätzliche Verschachtelungstechnik kombiniert: 1) Merkmalsbezogenheit oder Merkmalsempfindlichkeit und 2) gezielte Richtung des Abtastens, wenn Objektmerkmale exponiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Querschnittsgeometrie (z.B. Grenzinformationen des Querschnitts) von einer vorliegenden Schicht und möglicherweise die Querschnittsgeometrie (z.B. Grenzinformation von einem Querschnitt) von der unmittelbar vorhergehenden Schicht verwendet, um zu bestimmen, welches die Abtastrichtung sein sollte, wenn unterschiedliche Regionen des Querschnitts exponiert werden. Wenn man z.B. den Teilbereich am weitesten links einer festen Regionen eines Querschnitts exponiert, kann es vorteilhaft sein, mit dem Kopf (d.h. die Düse, die zum Exponieren der zu bildenden Linie genutzt wird) von links nach rechts abzutasten, wenn es gewünscht ist, dass der Tropfen gar nicht oder teilweise irgendwelche kleinen Lücken überbrückt. Wenn es andererseits gewünscht ist, dass einiges Überbrüc ken stattfindet, kann es vorteilhaft sein sicherzustellen, dass das Abtasten in der entgegengesetzten Richtung stattfindet. In ähnlicher Weise, wenn der Teilbereich am weitesten rechts einer festen Region eines Querschnitts exponiert wird, kann es vorteilhaft sein, von rechts nach links (für keine Überbrückung) oder von links nach rechts (für Überbrückung) abzutasten. Durch das Steuern der Abtastrichtung, wenn Grenzregionen abgelagert werden, kann sichergestellt werden, dass der horizontale Impuls der Tropfen entweder nicht zum Überbrücken der Lücken beiträgt oder das Überbrücken der Lücken steigert.
Ein Beispiel der nicht überbrückenden Technik ist in den 24a-24d dargestellt. Die 24a-24d illustrieren Seitenansichten von zwei Säulen, wie sie gebildet und in der X-Z-Ebene geschnitten wurden. Die Z-Richtung ist rechtwinklig zu den Ebenen der Querschnitte und die X-Richtung ist die Hauptabtastrichtung. Das Bezugszeichen 108 gibt den gebildeten Querschnitt an und die Bezugszeichen 100, 102, 104 und 106 beziehen sich auf zuvor gebildete Querschnitte. 24a illustriert den Querschnitt 108 mit einer unterbrochenen Linie, wo keine Materialablagerung stattgefunden hat. 24b zeigt an, dass die Abtastrichtung 110 nach rechts und dass die Tropfen 112 auf der Seite am weitesten links von jeder Säule bei einem ersten Durchlauf abgelagert werden. 24c zeigt an, dass die Abtastrichtung 124 nach links geht und dass die Tropfen 114 auf der Seite am weitesten rechts von jeder Säule in einem zweiten Durchlauf abgelagert werden. Die 24d zeigt an, dass das Abtasten in jeder Richtung 126 stattfinden kann und dass die Tropfen 116, 118, 120 und 122 abgelagert werden, um die Bildung des Querschnitts in einem dritten Durchlauf zu vervollständigen. Im Gegensatz zu dem dargestellten Drei-Durchlauf-Ausführungsbeispiel könnte ein Zwei-Durchlauf-Ausführungsbeispiel verwendet werden, wobei die Tropfen 116, 118, 120 und 122 auf ihren jeweiligen Orten während eines oder während des ersten oder zweiten Durchlaufes hätten abgelagert werden können, wenn die Tropfen 112 und 114 abgelagert werden.
Es wird angenommen, dass das Objekt im Verhältnis im Hinblick auf die relative Abtastrichtung des Druckkopfes (d.h. der Düsen) neu orientiert werden könnte (z.B. eine oder mehrere Drehungen um die vertikale Achse), so dass die Ränder jedes gewünschten Querschnittsmerkmals exponiert werden können, während der Druckkopf in einer gewünschten Richtung relativ bewegt wird, um die Wahrscheinlichkeit des Überbrückens schmaler Lücken zu steigern oder zu verringern.
Wie oben bemerkt, wenn die Entfernung zwischen der Öffnungsplatte und der Arbeitsoberfläche zu klein ist, werden die Tropfen eine verlängerte Form aufweisen (d.h. ein großes Seitenverhältnis), wenn sie auf die Arbeitsoberfläche auftreffen. Im Falle des Aufbauens mit verlängerten Tropfen wird erwartet, dass die oben indizierten Abtastrichtungen für die Ablagerung an den Rändern der festen Merkmale entgegengesetzte Ergebnisse von den oben angezeigten erzeugen können. Andere Verschachtelungstechniken können Zwei-Richtungs-Drucken der angrenzenden Rasterlinien oder nicht angrenzender Rasterlinien beinhalten.
Die oben beschriebenen Aufbautechniken können auf die Bildung von festen Objekten oder in Kombination mit anderen Techniken zur Bildung von teilweise hohlen oder halbfesten Objekten angewandt werden. In einer Originalkonstruktion eines Objektes werden Teilbereiche des Objektes als fest angenommen (d.h. gebildet aus verfestigtem Material) und Teilbereiche werden als hol angenommen (d.h. leere Regionen). In Wirklichkeit werden diese beabsichtigten hohlen (oder leeren) Regionen nicht als Teil des Objektes angenommen, da per Definition für ein Objekt angenommen wird, dass dort auch Material vorhanden ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist ein nicht festes, hohles oder halbfestes Objekt ein Objekt, das aufgebaut ist oder aufgebaut werden soll gemäß den Lehren einiger bevorzugter Ausführungsformen, wobei ein Teilbereich von dem, was ein festes Objekt sein sollte, entfernt worden ist. Ein typisches Beispiel davon kann das Aushöhlen, das teilweise Aushöhlen oder das Ausfüllen mit Honigwaben sein, was ursprünglich eine feste Struktur des Objektes war. Unabhängig von ihrer räumlichen Orientierung wird auf diese ursprünglich festen Strukturen manchmal als Objektwände Bezug genommen. Einige bevorzugte Aufbaustile bilden vollständig feste Objekte, während andere Aufbaustile feste Oberflächenregionen der Objekte bilden, die jedoch ausgefüllte oder teilweise ausgehöhlte innere Regionen aufweisen. Beispielsweise können die inneren Teilbereiche eines Objektes in der Art eines Schachbrettes, einer Kreuzschraffur, eines Hexagons, als Fliesen oder als Honigwaben gebildet werden (diese oder andere Aufbaustile, die hierin nützlich sind, wie sie in der fotobasierten Stereolithographie implementiert sind, sind in den oben angegebenen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben). Die obigen Muster für die nicht feste Ablagerung können als Unterstützungsstrukturen für innere Objekte betrachtet werden. Genauso können die anderen hierin beschriebenen Unterstützungsstrukturen als innere Objektunterstützungsstrukturen verwendet werden. Derartige nicht feste Objekte sind leichter als ihre festen Gegenstücke, sie verwenden weniger Material, sie können sogar schneller gebildet werden in Abhängigkeit von den Details der spezifischen Aufbauparameter und sie können mit geringerem Risiko des Auftretens von Wärmedissipationsproblemen gebildet werden, weil viel weniger erhitztes Material während der Bildung abgelagert wird. Diese Objekte können als Genaugussmuster aufgrund der Verringerung der Möglichkeit von brechenden Formen nützlich sein.
Temperatursteuerung
Zusätzliche Ausführungsformen für die Objektbildung beinhalten das Bilden des Objektes, wobei das teilweise gebildete Objekt innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches gehalten wird, wenn es gebildet wird, oder es wird zumindest dort gehalten, so dass das Differenzial in der Temperatur über das Teil klein ist (oder der Gradient der Temperaturdifferenz). Wenn während der Bildung des Objektes den unterschiedlichen Teilbereichen des Objektes gestattet ist, unterschiedliche Temperaturen aufzuweisen, wird das Objekt einen unterschiedlichen Betrag an Schrumpfung erfahren, wenn es auf Raumtemperatur abgekühlt wird, oder wenn es auf seine Verwendungstemperatur gebracht wird (die Temperatur, an der die Benutzung aufgenommen wird). Dieses Differenzial in der Schrumpfung könnte zu der Entwicklung von Spannungen innerhalb des Objektes führen und es ist mit Verzerrung oder sogar mit Brüchen des Objektes verbunden. Es ist bevorzugt, dass das Temperaturdifferenzial innerhalb eines Bereiches bleibt, der effektiv ist, um die Objektverzerrung innerhalb einer vernünftigen Grenze zu halten. Das Temperaturdifferenzial quer über das Objekt wird bevorzugt in einem Bereich von 20°C, mehr bevorzugt innerhalb eines Bereiches von 10°C und sogar mehr bevorzugt innerhalb eines Bereiches von 5°C und am meisten bevorzugt innerhalb eines Bereiches von 3°C gehalten. In jedem Fall kann die gewünschte Temperatur abgeschätzt werden, indem der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Materials und das Differenzial in der Schrumpfung (oder Ausdehnung) in die Betrachtung einbezogen werden, dass beim Abkühlen (oder Erhitzen) des gebildeten Objektes auf eine gleichmäßige Temperatur auftreten würde. Wenn das Schrumpfungsdifferenzial in einen Fehler außerhalb eines gewünschten Toleranzbereiches resultiert, können die oben erwähnten Bereiche der Temperatur eingestellt werden.
Bei der Bildung von Objekten können die anfänglichen Objektdaten skaliert werden, um Änderungen in den Dimensionen des Objektes zu berücksichtigen, die beim Abkühlen des Objektes von der Ausspritztemperatur (130°C in der bevorzugten Ausführungsform) zu seiner Verfestigungstemperatur (ungefähr 50°C – 80°C mit einer Spitzen-DSC-Energieübertragungstemperatur von ungefähr 56°C) zu seiner Aufbautemperatur (ungefähr 40°C – 45°C) und abschließend zu seiner Gebrauchstemperatur (z.B. Raumtemperatur ungefähr 25°C) auftreten wird. Dieser Skalierungsfaktor könnte verwendet werden, um die anfängliche Objektkonstruktion durch einen geeigneten Kompensationsfaktor für die thermische Schrumpfung derart auszudehnen, dass sie bei ihrer Gebrauchstemperatur eine passende Größe aufweisen würde. Es wird weiterhin erwartet, dass ein oder mehrere Schrumpfungsfaktoren in Abhängigkeit von der Geometrie oder zumindest von den Achsen verwendet werden könnten, um zumindest teilweise kritische Regionen des Objektes für erwartete Variationen in der Objekttemperatur während des Aufbauens zu kompensieren.
Es wurde herausgefunden, dass die Temperatur der zuvor gebildeten Schichten und die Abkühlrate der gebildeten Schichten wichtige Parameter für die Bildung der Objekte mit reduzierter Verzerrung und insbesondere mit reduzierter Welligkeitsverzerrung sind. Derzeit bevorzugte Materialien erfahren ungefähr eine 15%tige Schrumpfung, wenn sie von ihrer Verfestigungstemperatur auf Raumtemperatur abkühlen. Diese Schrumpfung liefert eine immense Triebkraft zum Bewirken der Welligkeitsstörung, dem Ausbauen innerer Spannungen und sie steht in Verbindung mit Nacharbeitungsstörungen (diese Störungen sind im Hinblick auf die fotobasierte Stereolithographie in den oben referenzierten Patenten und Anmeldungen beschrieben, wobei viele der Aufbautechniken, die darin beschrieben sind, effektiv in der Praxis von SDM und TSL im Hinblick auf die in der unmittelbaren Anmeldung gefundenen Lehren genutzt werden können). Es ist herausgefunden worden, dass, wenn die Temperatur zum Aufbauen des Objektes und insbesondere wenn die Temperatur der zuletzt gebildeten Schicht bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur während des Aufbauprozesses gehalten wird, die Welligkeitsstörung reduziert werden wird. Es ist bevorzugt, dass die Temperatur des gesamten teilweise gebildeten Objektes oberhalb der Raumtemperatur gehalten wird und dass aufgrund der Betrachtungen der differenziellen Schrumpfung, die oben diskutiert wurde, insbesondere seine Temperatur innerhalb eines engen Toleranzbandes bleibt.
Für eine effektive Objektbildung ist es offensichtlich, dass die Aufbautemperatur des teilweise gebildeten Objektes unterhalb des Schmelzpunktes des Materials gehalten werden muss. Zusätzlich muss die Aufbautemperatur unterhalb einer Temperatur gehalten werden, die dem verfestigten Material eine ausreichende Scher- und Kompressionsfestigkeit und sogar Zugfestigkeit gestattet (insbesondere wenn schiefe oder auf dem Kopf stehende Ausführungsformen in der Objektbildung verwendet werden), um dem Objekt zu gestatten, genau gebildet zu werden, während es die typischen Kräfte in Verbindung mit dem Aufbauprozess erfährt (z.B. Trägheitskräfte in Verbindung mit Beschleunigungen des Objektes, Widerstandskräfte oder Unterdruckkräfte in Verbindung mit dem Ebener bzw.
Glätter und dem Druckkopf, der das Objekt berührt oder nahe daran vorbeifährt, Luftdruckkräfte in Verbindung mit jeglichem Luftstrom, der zum Kühlen des Objektes verwendet wird, und Gravitationskräfte auf das Objekt aufgrund seines eigenen Gewichts). Einige dieser Kräfte sind abhängig von der Masse des Objektes und nehmen mit der Tiefe innerhalb des Teils zu. Daher kann ein leichter negativer Temperaturgradient von höheren zu niedrigeren Schichten (d.h. Temperaturabnahme von den gerade erst gebildeten Schichten zu den am frühesten gebildeten Schichten) eine zunehmende Festigkeit in den notwendigen Regionen liefern, während gleichzeitig der zuletzt gebildeten Schicht oder den Schichten gestattet ist, eine ausreichend hohe Temperatur aufzuweisen, um in minimale Welligkeit oder andere Störungen zu resultieren. Man kann eine einfache Gravitationskraftberechnung addiert mit einer Trägheitskraftberechnung für eine oder mehrere Positionen in dem Teil (basierend auf der Masse des Teils und der Beschleunigung in Y-Richtung, die es erfährt) als eine Näherung für die nötige minimale Scherfestigkeit des verfestigten Materials verwenden. Diese Kombination mit einer empirischen Bestimmung der Änderung der Materialscherfestigkeit mit der Temperatur kann verwendet werden, um die ungefähre obere Grenze der Ausbautemperatur für jede Position in dem Objekt abzuschätzen. Natürlich ist es bevorzugt, dass zusätzliche Betrachtungen berücksichtigt werden, insbesondere nahe der zuletzt gebildeten Schichten des Objektes, weil dynamische thermische Effekte an der Grenzfläche des teilweise gebildeten Objektes und des ausgegebenen Materials auftreten, die Phänomene des erneuten Schmelzens und Phänomene der Wärmekapazität beinhalten, die abhängig sind von Objektgeometrieparametern, Temperaturdifferenzialen und Abkühltechniken. Daher wird die tatsächliche gesamte maximale Ausbautemperatur wahrscheinlich geringer sein, als der oben abgeschätzte Wert.
Andererseits können, wie oben bemerkt, Welligkeit und andere Verzerrungen durch das Ausbauen bei erhöhten Temperaturen wesentlich reduziert werden, wobei die Verzerrung um so geringer ist, je höher die Temperatur ist. Es wird postuliert, dass die Reduktion in der Verzerrung von einer Kombination der materialei genen gesteigerten Fähigkeit, bei erhöhten Temperaturen zu fließen, und von seiner geringeren Fähigkeit, Scherbelastungen zu unterstützen, resultiert, die dass Stattfinden einer gewissen Materialneuverteilung gestattet, wodurch Spannungen reduziert werden, die Störungen bewirken. Es wird weiterhin postuliert, dass das Arbeiten nahe bei oder bevorzugt oberhalb einer Festkörperphasenänderungstemperatur (z.B. Kristallisationstemperatur oder Glasübergangstemperatur) in den schnellsten und potentiell signifikantesten Reduktionen der Spannungen und Verzerrungen resultiert. Da diese Phasenänderungen typischerweise über einen breiten Bereich stattfinden, werden verschiedene Niveaus von Vorteilen postuliert, die in Abhängigkeit davon auftreten, wo sich die Arbeitstemperatur innerhalb dieser Bereiche befindet und was die Prozesszeit gestattet. Schmelztemperaturen und/oder Verfestigungstemperaturen und Festkörperübergangstemperaturen können unter Verwendung der Differenzialkalorimetrietechnik (Differential Scanning Calorimetry = DSC) bestimmt werden, die umgekehrt beim Bestimmen geeigneter Temperaturbereiche zum Aufbauen verwendet werden können. Zusätzlich können geeignete Temperaturbereiche zum Aufbauen empirisch bestimmt werden. Es ist festgestellt worden, dass einiger Nutzen durch das Arbeiten bei jeder Temperatur oberhalb der Raumtemperatur gewonnen werden kann, und es wird erwartet, dass der Nutzen um so größer ist, je näher man sich an die Schmelztemperatur und/oder Verfestigungstemperatur heranbewegt. Der Arbeitstemperaturbereich kann daher als ein Prozentsatz der Entfernung entlang des Temperaturdifferenzials zwischen der Raumtemperatur und der Schmelz- oder Verfestigungstemperatur oder zwischen der Raumtemperatur und der Temperatur der abgeschätzten minimalen Scherspannung gesetzt werden. Alternativ kann die Arbeitstemperatur ausgewählt werden, eine Temperatur zu sein, für die das Material einen bestimmten Prozentsatz ihrer Scherspannung bei Raumtemperatur aufweist. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, die Arbeitstemperatur (Aufbautemperatur) derart zu setzen, dass die Scherfestigkeit 75%, 50%, 25% oder sogar 10% ihres maximalen Raumtemperaturwertes annimmt.
Steigerung der Oberflächengüte
Zusätzliche Ausführungsformen des Aufbauens, die nützlich sind zur Steigerung der Oberflächengüte des Objektes, beinhalten die Nutzung des Vorteils der ästhetisch ansprechenden aufwärtszeigenden Oberflächen, die aus der Praxis der bevorzugten SDM-Techniken resultieren. In diesen Ausführungsformen wird die Anzahl der effektiven aufwärtszeigenden Oberflächen (z.B. das Gesamtgebiet) gesteigert, während die Anzahl der effektiv aufwärtszeigenden Oberflächen reduziert wird von dem Wert, der durch die Originalkonstruktion des Objektes festgelegt wird. Dies beinhaltet das Teilen des Objektes in zwei oder mehrere Teile und das Ändern der Orientierung der getrennten Teile, so dass so viele kritische Oberflächen wie möglich zu aufwärtszeigenden Oberflächen, vertikalen Oberflächen oder kombinierten aufwärtszeigenden/vertikalen Oberflächen werden, wobei nicht wirklich äußere Oberflächen oder nur weniger kritische Oberflächen als abwärtszeigende Oberflächen verbleiben. Diese getrennten Objektkomponenten werden dann unabhängig voneinander mit einer geeigneten Orientierung aufgebaut. Dann werden die Unterstützungen entfernt und die resultierenden Komponenten durch Kleben oder dergleichen derart kombiniert, dass ein vollständiges Objekt primär aus aufwärtszeigenden und vertikalen Oberflächenregionen gebildet wird. Wenn rauhe Oberflächen anstelle von glatten Oberflächen gewünscht sind, kann die obige Technik verwendet werden, um sicherzustellen, dass kritische Oberflächen als abwärtszeigende Oberflächen gebildet werden. Als eine Alternative können die aufwärtszeigenden Oberflächen, die aufgerauht werden sollen, einfach mit sich davon erstreckenden Unterstützungen gebildet werden.
Ein Beispiel dieser Aufbautechnik ist in den 25a bis 25e dargestellt. 25a illustriert die Konfiguration eines unter der Verwendung von SDM zu bildenden Objektes 60 (d.h. die gewünschte Objektkonstruktion). Wenn das Objekt direkt aus dieser Konstruktion gebildet wird, wird das Objekt sowohl mit aufwärtszeigenden Merkmalen oder Oberflächen (50, 52 und 54) und abwärtszeigenden Merkmalen oder Oberflächen (56 und 58) gebildet. Wie zuvor diskutiert, erfordert die Bildung von abwärtszeigenden Merkmalen die vorhergehende Bildung einer Unterstützungsstruktur, die als eine Arbeitsoberfläche agiert, auf der das Material zum Bilden der abwärtszeigenden Merkmale abgelagert wird. Es wurde herausgefunden, dass nach der Objektbildung und dem Entfernen der Unterstützungen die abwärtszeigenden Oberflächen mit einer rauben und irregulären Oberflächengüte zurückbleiben. Wenn es gewünscht ist, dass die abwärtszeigenden Oberflächen glatt sind, muss das Objekt zusätzliche Nacharbeitungen erfahren, was ein eingehendes Schleifen oder Füllen erfordern kann.
25b illustriert den ersten Schritt in der Praxis der obigen Technik. Dieser erste Schritt beinhaltet das Teilen der originalen oder gewünschten Objektkonstruktion in zwei oder mehrere Komponenten. Das Teilen wird durchgeführt, so dass alle kritischen Merkmale des Objektes als entweder vertikale Oberflächen oder aufwärtszeigende Oberflächen gebildet werden können (bevorzugt als aufwärtszeigende Oberflächen und mehr bevorzugt als aufwärtszeigende Oberflächen, die keine abwärtszeigenden Oberflächen über ihnen aufweisen, so dass keine Unterstützungen gebildet werden, die von den aufwärtszeigenden Oberflächen ausgehen und diese beschädigen). Zusätzliche Details über die Bildung von Unterstützungen und Möglichkeiten in Verbindung damit werden hiernach weiter beschrieben. In dem vorliegenden Beispiel werden alle Oberflächen 50, 52, 54, 56 und 58 als kritisch angesehen und sollten als aufwärtszeigende Oberflächen gebildet werden.
25b illustriert das in zwei Teilbereiche 62 und 64 aufgespaltene Objekt 60. Die Teilbereiche 62 umfassen ursprünglich auswärtszeigende Merkmale 50, 52 und 54 und neue oder temporär auswärtszeigende Merkmale 72 und 74. Der Teilbereich 64 umfasst original oder gewünscht auswärtszeigende Merkmale 56 und 58 und neue oder temporär auswärtszeigende Merkmale 72' und 74'.
25c illustriert die bevorzugte Orientierung (rechtsseitig aufwärts) des Teilbereiches 62 während des Aufbauens, so dass die Oberfläche 50, 52 und 54 als aufwärtszeigende Merkmale gebildet werden. Die 25d illustriert die bevorzugte Orientierung (auf dem Kopf stehend) des Teilbereichs 64 während des Auf bauens, so dass die Oberflächen 56 und 58 als aufwärtszeigende Merkmale gebildet werden. Nach dem Bauen jedes Teilbereichs 62 und 64 werden die Unterstützungen entfernt und temporäre Paare von Oberflächen 72 und 72' und 74 und 74' werden zum Zusammenfügen vorbereitet. Die 25e illustriert das Verbinden der Teilbereiche 62 und 64, um das Objekt 60 zu bilden, wobei alle kritischen auswärtszeigenden Teilbereiche (d.h. die ursprünglichen Oberflächen 50, 52, 54, 56 und 58) eine gute Oberflächengüte aufweisen.
In Beziehung zu dem unmittelbar vorhergehenden Gegenstand kann eine Vorrichtung zum Rapid Prototyping ein Ausgabegerät zum gesteuerten Ausgeben eines fließfähigen Materials aufweisen, das über das Ausgeben verfestigbar ist; eine Plattform zum Unterstützen eines Querschnitts eines dreidimensionalen Objekts und zum Bereitstellen einer Arbeitsoberfläche zum Aufbauen eines nächsten Objektquerschnitts; zumindest einen Indizierer gekoppelt mit dem Ausgabegerät und der Plattform zum relativen Versetzen des Ausgabegerätes und der Arbeitsoberfläche in zumindest zwei Dimensionen umfassend eine Abtastrichtung und eine Indexrichtung; und eine Steuerung verbunden mit dem Indizierer und dem Ausgabegerät, um zu bewirken, dass das Material über der Arbeitsoberfläche in Übereinstimmung mit einem ausgewählten Stil ausgegeben wird. Die Steuerung ist konfiguriert, um den ausgewählten Stil bereitzustellen, der ein Aufbaustil ist, der das getrennte Bilden verschiedener Komponenten des Objektes spezifiziert, um zu ermöglichen, dass Objektoberflächen als aufwärtszeigende Oberflächen während des Aufbauens des Teils neu orientiert werden, und um dann die getrennt gebildeten Komponenten zu kombinieren.
Zusätzliche Aufbaustile
Andere Aufbaustile können eine oder mehrere der folgenden Möglichkeiten umfassen: 1) die Verwendung höherer Auflösung beim Ausgeben in den Abtastrichtungen; 2) die Verwendung einer höheren Tropfendichte pro Flächeneinheit beim Bilden abwärtszeigender Außenschichtoberflächen als beim Bilden innerer Regionen des Objektes; 3) die Verwendung von abwärtszeigenden Außenschichtre gionen, die sich zumindest N-Schichten (z.B. 5 bis 10) oberhalb der aufwärtszeigenden Oberflächen erstrecken; 4) die Verwendung einer höheren Tropfendichte pro Flächeneinheit, wenn aufwärtszeigende Außenschichtoberflächen gebildet werden, als beim Bilden innerer Regionen des Objektes; 5) die Verwendung von aufwärtszeigenden Außenschichtregionen, die sich für zumindest N-Schichten (z.B. 5 bis 10) unterhalb einer aufwärtszeigender Oberfläche erstrecken; 6) die Verwendung einer höheren Tropfendichte pro Flächeneinheit, wenn Grenzregionen eines Objektes gebildet werden, als wenn innere Regionen gebildet werden, die Verwendung von Grenzregionen, die sich zumindest N-Tropfbreiten (z.B. 2 bis 4) in das Innere eines Objektes erstrecken; und 7) Bilden innerer Regionen des Objektes durch Rasterabtasten und Grenzregionen durch Vektorabtasten.
Unterstützungsstile
Der nächste Abschnitt der Anmeldung ist primär auf die Bildung von Unterstützungen gerichtet. Man sollte erkennen, dass, weil die Unterstützungen aus abgelagertem Material gebildet werden, jedoch alle der zuvor erwähnten Aufbautechniken auf den Aufbauprozess für Unterstützungen anwendbar sind. Außerdem sind alle Aspekte des Aufbauprozesses für Unterstützungen genauso gut anwendbar auf das Aufbauen des Objektes, wie man erkennen wird.
Unterstützungsstrukturen müssen verschiedene Anforderungen erfüllen, die gegensätzlich sein können: 1) Sie bilden bevorzugt eine gute Arbeitsoberfläche, auf der Objektlagen und sogar aufeinanderfolgende Unterstützungslagen aufzubauen sind; 2) sie sind bevorzugt leicht zu entfernen von den abwärtszeigenden Oberflächen, die sie unterstützen; 3) wenn sie von einer aufwärtszeigenden Oberfläche des Objektes ausgehen, sind sie bevorzugt leicht davon zu entfernen; 4) wenn sie entfernt werden, bewirken die Unterstützungen bevorzugt nur minimale Schädigungen der abwärtszeigenden und aufwärtszeigenden Oberflächen und es liegt bevorzugt eine zumindest tolerierbare bis gute Oberflächengüte auf diesen Oberflächen vor; 5) sie werden bevorzugt mit einer vernünftigen Rate pro Querschnitt in der vertikalen Richtung (z.B. der Z-Richtung) aufgebaut; 6) sie werden bevor zugt unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Durchläufen pro Schicht gebildet; und 7) ihre Bildung ist bevorzugt verlässlich. Eine Anzahl von unterschiedlichen Unterstützungsstilen ist entwickelt oder vorgeschlagen worden, die unterschiedliche Ausgewogenheiten zwischen diesen Anforderungen erzielt.
Um die Aufbaugeschwindigkeit zu optimieren, ist die vertikale Akkumulation wichtig und daher ist es wünschenswert, einen Unterstützungsaufbau bei ungefähr der gleichen Rate wie der des Objektes zu haben. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die vertikale Akkumulation der Unterstützungen (z.B. von einem einzelnen Durchlauf pro Schicht) zumindest genauso groß ist wie eine gewünschte Schichtdicke, die durch die Verwendung eines Glätters bzw. Ebners gesetzt wird. Je näher die Akkumulation der Unterstützungen der Akkumulation des Objektes ist, umso dicker sind die nutzbaren Schichten und umso weniger Material wird während des Ebnens entfernt werden, was dadurch die Effizienz des Autbauprozesses steigert. Für ein gegebenes Material und eine gegebene Vorrichtung kann das vertikale Aufbauen des Materials durch unterschiedliche Unterstützungs- und Aufbaustile empirisch bestimmt werden, wie es zuvor beschrieben wurde, indem Testteile für jeden Ablagerungsstil oder jedes Ablagerungsmuster unter Verwendung unterschiedlicher Schichtdicken (Glättungsniveaus) aufgebaut werden und danach die Teile gemessen werden, um zu bestimmen, wann das Aufbauen des Materials hinter der angenommenen Dicke zurückbleibt, wie sie durch die Anzahl der abgelagerten Schichten und der erwarteten Schichtdicke vorgegeben ist. Aus diesen Informationen kann man entweder die Schichtdicke (das Glättungsniveau) auf einen geeigneten Wert für eine gewünschte Kombination des Aufbau- und Unterstützungsstils setzen oder man kann den erforderlichen Unterstützungs- und Aufbaustil, der zum Erzielen der gewünschten Schichtdicke notwendig ist, festlegen.
Einige Ausführungsformen von bevorzugten Unterstützungsstilen betonen die Geschwindigkeit des Bildens, erhalten das leichte Entfernen aufrecht, aber hinterlassen rauhe Oberflächenguten in Regionen, in denen Unterstützungen entfernt worden sind. Diese Unterstützungsstile berücksichtigen die Bildung von festen Säulen, die durch kleine Lücken getrennt sind. In einem bevorzugten System werden im Speziellen Daten mit 300 Pixel/Inch in X- und Y-Richtung geliefert und das Objekt und die Unterstützungen werden unter Verwendung viermaligen ID-Überdruckens in der X-Richtung gebildet (Hauptabtastrichtung). Jede Schicht der Unterstützungen umfasst 3 mal 3-Pixelzonen, wo Unterstützungsmaterial mit den Säulen abgelagert werden soll, wobei die Säulen durch zwei Pixelzonen getrennt sind, in denen die Pixel keine Ablagerung entlang der Hauptabtastrichtung (X-Richtung) definieren, und wobei die Säulen durch eine Pixelzone getrennt sind, in der der Pixel keine Ablagerung in der zweiten Abtastrichtung (Y-Richtung) definiert. Die Datensituation, die diese Pixelzonen definiert, ist in 15a dargestellt. Die "X'e" in der Figur illustrieren die Pixel, die Tropfdaten enthalten, während die "O'en" in der Figur die Pixel illustrieren, die "keine Tropfdaten" enthalten. Die Quadrate 50 sind um die "X"-Zonen gezeichnet worden, um die Form der Ablagerungszonen hervorzuheben. Aufgrund des ID-Überdruckens in der X-Richtung werden jedoch die Zwei-Pixel-Lücken tatsächlich beachtlich verschmälert (um ungefähr eine Pixelbreite), wenn die tatsächliche Ablagerung stattfindet. Daher ist das tatsächliche Muster der Ablagerung näher an ungefähr 4 mal 3 Pixel breite Säulen (12 – 14 mils mal 9 – 10 mils), aber mit abgerundeten Ecken, die durch eine Lücke einer Pixelbreite in X und Y (3,3 mils) getrennt sind. Diese Situation ist in 18 dargestellt.
In der Praxis des Aufbauens von Objekten wurde herausgefunden, dass Unterstützungen der obigen Konfiguration ungefähr bei der gleichen Rate wie die Objekte akkumulieren und daher ein einzelner Durchlauf des Kopfes über jeden Tropfplatz verwendet werden kann, um sowohl die Unterstützungen und die Objekte auf jeder Schicht zu bilden. Es wurde ebenfalls herausgefunden, dass die obige Unterstützungsstruktur leicht von dem Objekt getrennt werden kann, aber dass daraus eine schlechte abwärtszeigende Oberflächengüte resultiert. Daher wird in Begriffen der Aufbaugeschwindigkeit der obige Stil bevorzugt, wobei jedoch in Begriffen der Oberflächengüte signifikanter Raum für Verbesserungen bleibt.
Eine Variante beinhaltet das Verwenden mehrerer Durchläufe des ausgebenden Kopfes, um einen Unterstützungsteilbereich eines Querschnitts zu bilden. Eine andere Alternative beinhaltet das periodische Ausgeben eines Extraunterstützungsquerschnitts, um die vertikale Materialakkumulation zwischen Unterstützungen und dem Objekt auszugleichen.
Eine andere Variante beinhaltet, dass der Unterstützungsbildung gestattet wird, hinter der Objektbildung um eine oder mehrere Schichten zurückzubleiben, um die Glättungs- bzw. Ebnungsprobleme zu eliminieren oder zu minimieren, die in dem Falle auftreten können, wo zerbrechliche Unterstützungen aufgebaut werden. Das Problem besteht darin, dass der Ebener das Verformen der Unterstützungen bewirken kann, wenn Unterstützungsteilbereiche eines Querschnitts während des gleichen Durchlaufes oder während der gleichen Durchläufe wie der entsprechende Objektteilbereich des Objektquerschnittes ausgegeben werden. Durch das Gestatten eines Zurückbleibens um eine oder mehrere Schichten kann das Stattfinden eines übermäßigen Kontaktes zwischen den Unterstützungen und dem Ebener verhindert werden, und es wird angenommen, dass die resultierende Verzerrung der Unterstützungen minimiert werden wird.
Andere säulenähnliche Unterstützungsstrukturen sind möglich, umfassend Säulen unterschiedlicher Dimensionen oder Formen. Beispielsweise können Datenformatierungs- und Überdruckungstechniken kombiniert werden, um physikalische Säulen von ungefähr einer 3 mal 3-Pixelgröße zu produzieren (9–10 mils mal 9–10 mils), 2 mal 3- oder 3 mal 2-Pixelgrößen (diese können in einer geringeren vertikalen Akkumulation resultieren), 2 mal 2- (6–7 mils mal 6–7 mils) Pixelgrößen (wahrscheinlicher Verlust in vertikaler Akkumulationsrate), 4 mal 4- (12–14 mils mal 12–14 mils) Pixelgröße (kann schwieriger zu entfernen sein und bewirkt weitere Schädigung der Objektoberflächen) oder sogar größere Größen. Andere querschnittsgeformte Säulen können ebenfalls verwendet werden. Diese können runder geformte Strukturen (z.B. oktogonal oder hexagonal), kreuzähnlich ge formte Strukturen, Strukturen mit unterschiedlichen Längen-zu-Seiten-Verhältnissen oder Kombinationen von Strukturen, die miteinander vermischt werden können, sein. Andere Alternativen können das Versetzen wechselnder Unterstützungssäulen in einer Richtung oder in der Haupt- und Subabtastrichtung umfassen. Zum Beispiel könnte jede andere Unterstützungssäule in der zweiten Abtastrichtung um die Hälfte der Trennung zwischen den Säulen versetzt sein. Dies ist in 19 dargestellt. Ausgedehntere Beabstandung der Unterstützungssäulen ist möglich insbesondere, wenn eine Technik, wie beispielsweise Bögen oder verzweigte Unterstützungen verwendet werden, um die Lücke zwischen den Unterstützungssäulen zu verkleinern, bevor eine abwärtszeigende Oberfläche des Objektes auftrifft. Zwei Beispiele von bogenähnlichen Unterstützungen sind in den 21a und 21b dargestellt, wobei unterschiedliche Beträge von Pixelversätzen verwendet werden (oder zumindest von der Steuerung der Tropfenplatzierung).
Verzweigende Unterstützungen
Wie an verschiedenen Stellen oben hierin beschrieben wurde, nutzen einige bevorzugte Ausführungsformen Unterstützungen, die als verzweigende Unterstützungen beschrieben werden können. Die oben diskutierten Unterstützungen eines Bogentyps sind ein Beispiel für einen Typ einer Verzweigungsunterstützung. Die verzweigenden Unterstützungen oder Unterstützungen vom Verzweigungstyp sind Unterstützungsstrukturen, die derart aufgebaut sind, dass sich einige Abschnitte der Schichten auswärts in der Art eines Auslegers von den verfestigten Regionen auf der unmittelbar vorhergehenden Schicht erstrecken. Diese Auswärtsstreckungen können auf identischen (festen) Pixelpositionen von Schicht zu Schicht basieren. Alternativ können diese Auswärtserstreckungen auf Verschiebungen um Bruchteile der Pixelbreite in den Pixelpositionen zwischen einigen oder allen Schichten basieren. Weitere Alternativen können auf dem Verändern der Pixelmuster zwischen einigen oder allen Schichten basieren. Einige Ausführungsformen der verzweigenden Unterstützungen produzieren individuellere Unterstützungsstrukturen an einer zu unterstützenden Oberfläche als die Anzahl der Unter stützungsstrukturen, von denen die verzweigenden Unterstützungen an einer unteren Schicht ausgehen.
In Ergänzung zu den verschiedenen Ausführungsformen, die zuvor offenbart wurden (die im wesentlichen als verzweigende Unterstützungen betrachtet werden können), stellen die 28a, die 28b, die 29a - 29e, 30a – 30m, 31a – 31c, 32a – 32d zusätzliche Beispiele von bevorzugten verzweigenden Unterstützungsstrukturen dar. 28a illustriert eine Seitenansicht von Säulenunterstützungen 504, 506 und 508, die an der Oberfläche 500 beginnen und sich bis zur Oberfläche 502 erstrecken. Diese Säulenunterstützungen sind einer mit dem anderen durch verzweigende Elemente 510, 512, 514 und 518 verbunden. 28b illustriert eine Seitenansicht einer Ausführungsform von Unterstützungen eines verzweigenden Typs, der sich aufwärts erstreckt von der Oberfläche 502. Die Unterstützungen sind derart gezeigt, dass sie sich alle zwei Schichten verzweigen. In diesen zwei dimensionsgerechten Ansichten scheinen einige Verzweigungen in einem Zwei-Weg, gabelähnlichen Muster aufzutreten, während andere Verzweigungen sich einfach auswärts verzweigen entlang eines einzelnen Weges. Die gleiche Unterstützungsstruktur, die in 28b dargestellt ist, wird in den 31a – 31c und 32a – 32d von einer anderen Ansicht betrachtet.
Andere bevorzugte verzweigende Muster sind in dem Beispiel der 29a – 29e illustriert. Die 29a-29e stellen Draufsichten von aufeinanderfolgenden verzweigenden Querschnitten für einen einzelnen Unterstützungsbaum dar, der nur X- und nur Y-Verzweigungen verwendet und der in einer Gesamtheit von 4 Unterstützungsverzweigungen von einem einzelnen Unterstützungsstock resultiert. 29a illustriert eine einzelne Unterstützungsstruktur, die in eine Vielzahl von Strukturen verzweigt wird. Diese einzelne Unterstützungsstruktur kann als "Stock" des Unterstützungsbaumes oder der Unterstützungsstruktur bezeichnet werden. Wie unten klargemacht werden wird, kann zur Erleichterung der Datenverarbeitung der Stock betrachtet werden, als würde er aus vier getrennten aber identischen Komponenten bestehen, die ihre getrennte Identität aufrecht erhalten, die jedoch boolesch bzw. logisch zusammen kombiniert werden können, um das Abtastmuster für jede gegebene Schicht zu erzeugen. Natürlich kann in der Praxis eine reale, zu unterstützende Region eine Mehrzahl dieser Stockelemente erfordern, die geeignet voneinander beabstandet sind.
29b illustriert eine erste Verzweigung in der X-Richtung. Wie in den anderen folgenden Figuren repräsentieren die schraffierten festen Regionen, wie sie dargestellt sind, die Ablagerungsregionen für den augenblicklichen Querschnitt, wobei die mit gestrichelten Linien dargestellte Region (Regionen) die unmittelbar nachfolgende Verzweigung repräsentiert. Diese Art des Darstellens der Ablagerungsregionen wird genutzt, um die Passgenauigkeit zwischen den Verzweigungen klarzumachen. Dieses erste Verzweigen kann stattfinden, nachdem ein oder mehrere Stockschichten gebildet wurden. Wie bei anderen Verzweigungen, die hierin näher in Verbindung mit dieser Figur und anderen folgenden Figuren beschrieben werden sollen, kann das Verzweigen das ausgegebene Material auswärts von den unterstützten Regionen um einen Bruchteil eines Pixels, einen vollständigen Pixel oder um mehrfache Pixel erstrecken in Abhängigkeit von der verwendeten Zeichenordnung, der Pixelbreite im Vergleich mit der Tropfenbreite, der Anzahl der zu bildenden identischen Schichten über der vorliegenden Schicht (die für Ungenauigkeiten in der vorliegenden Schicht kompensiert werden können), in Abhängigkeit von der Fähigkeit des Materials, teilweise nicht unterstützt zu sein, und dergleichen. Wie mit einigen der anderen Unterstützungen, die hiernach diskutiert werden sollen, kann dieses Verzweigen als ein Zwei-Wege-Verzweigen betrachtet werden (d.h. ein Weg in die positive X-Richtung und der andere Weg in die negative X-Richtung) oder als ein Ein-Weg-Verzweigen von zwei oder mehreren anfänglich überlappenden Komponenten. Wie man von der folgenden Beschreibung erkennen wird, kann diese erste Verzweigung als eine Ein-Weg-Verzweigung von vier anfänglichen Komponenten betrachtet werden, wobei zwei Komponenten jeder Verzweigungsrichtung folgen. Die tatsächliche Ablagerung des Materials von diesen Komponenten kann auf einer logischen Ver einigung der Komponenten basieren, so dass mehrere Ablagerungen über den überlappenden Regionen verhindert werden.
29c illustriert die nächste Verzweigung des Baumes, wobei diese Verzweigung anfänglich eine oder mehrere Schichten nach der Verzweigung auftreten kann, die in 29b dargestellt ist. Diese Verzweigung der Objektkomponenten findet in den gleichen Richtungen statt, wie man sie in 29b sehen kann.
29d illustriert zwei Verzweigungen der Y-Richtung von jedem der zwei Verzweigungen, die in 29c dargestellt sind. Konzeptionell kann dies wieder als eine einzelne Verzweigung in der Y-Richtung der einzelnen Komponenten betrachtet werden. Das Verzweigen, das in der 29b dargestellt ist, ist die erste Verzweigung, die den Trennungsprozess aller vier Komponenten beginnt.
29e illustriert eine abschließende Verzweigung für diese beispielhafte Ausführungsform, wobei eine zusätzliche Verzweigung in Y-Richtung für jede Komponente durchgeführt wird. Diese abschließenden Verzweigungen können verwendet werden um eine Objektoberfläche zu unterstützen, wie es geeignet ist. Wenn eine Objektoberfläche verschiedene Schichten über diesen abschließenden Verzweigungen angeordnet ist, können die Strukturen (z.B. Säulen) der 29e erstreckt werden, bis sie auf die Objektoberfläche treffen. Wenn die Objektoberfläche nicht auf dem gleichen Niveau für alle vier Verzweigungen ist, können die einzelnen Säulen oder Abschnitte der Säulen erstreckt werden, wie es notwendig ist. Diese Erstreckung der Unterstützungshöhe ist ähnlich zu anderen bevorzugten Säulenunterstützungsausführungsformen, die hierin diskutiert werden, und sie kann die Verwendung von Brückenschichten und dergleichen umfassen. Wenn natürlich unterschiedliche Konfigurationen (z.B. Formen, Positionen und dergleichen) der vier säulenartigen, verzweigten Unterstützungen gewünscht sind, können Modifikationen (z.B. Modifikationen der Verzweigungsordnung, der Verzweigungsrichtungen, der Ausdehnungsbeträge, der Anzahl der Schichten zwischen den Verzweigungen und dergleichen) zu der dargestellten Ausführungsform durchgeführt werden und sie werden dem Fachmann im Hinblick auf die Lehren hierin offensichtlich sein. Der Unterstützungsstock, der in 29a dargestellt ist, kann anfänglich auf einem vorhergehenden Objektquerschnitt oder auf einem Anfangssubstrat gebildet werden. Alternativ kann der Stock auf der Oberseite einer anderen Unterstützungsstruktur beginnen, wie jene, die in 28a dargestellt ist. Wenn weiterhin mehrere Bäume genutzt werden sollen, kann nicht oder kann das Verzweigen der Bäume auf der gleichen Schicht beginnen und es kann oder kann nicht in jede Verzweigung resultieren, die nach der gleichen Anzahl von Schichten gebildet wurde. Die Auswahl, wo mit dem Verzweigen zu beginnen ist und wann danach aufeinanderfolgende Verzweigungen herzustellen sind, kann auf der Geometrie des zu bildenden Objektes basieren. Es kann wünschenswert sein, das abschließende Verzweigungsmuster für einen einzelnen Baum einige Schichten zuvor erzielt zu haben, bevor es das erste Mal auf eine zu unterstützende Oberfläche auftrifft (z.B. abwärtszeigende Objektoberfläche).
Die Verzweigungsroutine bzw. der Verzweigungsprogrammteil, der in Verbindung mit der Beispielausführungsform dargestellt in den 29a – 29e geleistet wird, ist in der folgenden Tabelle skizziert:
Wie gewünscht, können die verschiedenen Parameter, die in der obigen Tabelle dargestellt wurden, modifiziert werden. Zum Beispiel wurden die Verzweigungsbeträge als ein Betrag "A" angenommen. Wenn dies geeignet ist, kann dieser Betrag mit den verschiedenen Verzweigungsniveaus variieren oder er kann sogar für verschiedene Komponenten während des gleichen Verzweigungsniveaus variieren.
30a – 30m illustriert eine analoge Ausführungsform einer verzweigten Unterstützung zu der der 29a – 29e mit der Ausnahme, dass der einzelne Stock, der in 30a dargestellt ist, 16 Verzweigungen bewirken wird, wie es in der 30m angegeben ist. Zur Erleichterung des Verständnisses und einer möglichen Implementierung kann der Stock, der in 30a gezeigt ist, als aus 16 einzelnen aber identischen Komponenten bestehend betrachtet werden. Der Versatz wird wieder nur entlang entweder der X- oder Y-Richtung während einer gegebenen Verzweigungsoperation für eine gegebene Komponente geleistet. All die oben erwähnten Betrachtungen beim Beschreiben der 29a – 29e können auf die Beispielausführungsform angewandt werden, die in diesen Figuren beschrieben ist, sowie auf die folgenden Beispielausführungsformen.
Die 31a – 31c stellen eine zusätzliche Beispielausführungsform dar, wobei ein einzelner Stock, wie er in 31a dargestellt ist, in vier Elemente verzweigt ist, wie es in 31c dargestellt ist. Diese Ausführungsform weicht von der in den 29a – 29c darin ab, dass das Verzweigen gleichzeitig in sowohl der X- als auch in der Y-Richtung stattfindet. Wie dargestellt, ist die Ausdehnung der Verzweigung in der X- und der Y-Richtung die gleiche, wobei jedoch diese Ausdehnung der Verzweigung zwischen diesen Richtungen variiert werden könnte.
32a – 32d setzt die in den 31a – 31c dargestellte Ausführungsform fort, um 16 getrennte verzweigte Unterstützungen zu erzeugen. Diese Figuren stellen weiterhin die Struktur dar, die in 28b gezeigt ist, wobei zwei Schichten für jede Verzweigung dargestellt sind.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen sind andere Verzweigungsmuster möglich. Zum Beispiel an Stelle des Erzeugens rechteckiger Anordnungen von verzweigten Unterstützungen ausgehend von einzelnen Stöcken, wie es in den oben beschriebenen Beispielen dargestellt ist, können hexagonale Anordnungen, dreieckige Anordnungen, halbkreisförmige Anordnungen oder dergleichen gebildet werden. Wenn die erzielten Muster nicht geeignet zusammenpassen, kann es wünschenswert sein, eine Mischung der Muster zu verwenden, die in einer geeigneten Weise gewechselt werden, um ein gutes Passen oder Eingreifen der abschließenden Unterstützungsstrukturen zu ergeben, so dass eine abwärtszeigende Oberfläche adäquat unterstützt werden kann. Andere bevorzugte Ausführungs formen können mehrere Stöcke zum Unterstützen einzelner Gruppen von verzweigenden Unterstützungen verwenden.
Man wird erkennen, dass diese verzweigenden Unterstützungsausführungsformen bessere abwärtszeigende Oberflächen erzeugen können, als mit einigen der anderen bevorzugten Ausführungsformen erzielt worden sind, weil angenommen wird, dass die abschließenden Unterstützungsstrukturen, die das Objekt berühren, gleichmäßig beabstandet werden. Wie oben bemerkt, können die verzweigten Unterstützungsausführungsformen, die hierin beschrieben wurden, ein Teil einer größeren Unterstützungsstruktur oder ein Teil einer Misch-Unterstützungsstruktur sein. Andere Modifikationen zu den obiger Ausführungsformen werden dem Fachmann beim studieren der Lehren hierin offensichtlich sein.
Wenn die Geometrie und die richtungsempfindlichen Verschachtelungstechniken, die oben beschrieben wurden, verwendet werden, kann es möglich sein, kleinere Durchmesser und/oder näher beabstandete Strukturen aufzubauen, um eine bessere Arbeitsoberfläche bereitzustellen, während gleichzeitig vernünftige vertikale Akkumulationsraten geliefert werden.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der abgelagerte Tropfendurchmesser ungefähr der gleiche wie der bevorzugte Pixeldurchmesser (2,9 bis 3,4 mils). Im Allgemeinen ist jedoch die Pixeltrennung zwischen den Unterstützungen (z.B. die Trennung zwischen den Unterstützungssäulen) weniger kritisch als die Trennung relativ zu den fallenden Tropfendurchmessern (2 mils) und dem auftreffenden (oder abgelagerten) Tropfendurchmesser. Die horizontale Beabstandung zwischen Unterstützungen (z.B. Unterstützungssäulen) ist bevorzugt geringer als sechs Tropfendurchmesser auf der Schicht unmittelbar vor der Schicht, die die unterstützende abwärtszeigende Oberfläche enthält. Noch mehr bevorzugt ist die Beabstandung geringer als drei fallende Tropfendurchmesser und am meisten bevorzugt ist die Beabstandung geringer als 1 – 2 fallende Tropfendurchmesser.
Es wurde als nützlich herausgefunden, periodische Brückenelemente zwischen den Unterstützungssäulen einzufügen, um ihre Fähigkeit zu begrenzen, sich von ihren gewünschten X-/Y-Positionen zu versetzen, wenn sie in der Höhe wachsen. Je kleiner der Durchmesser der Unterstützungssäulen ist, um so häufiger werden typischerweise Überbrückungselemente oder Schichten benötigt. Diese Überbrückungselemente können sich über eine oder mehrere Schichten in der Höhe erstrecken. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde herausgefunden, dass eine einzelne Schicht (1 – 2 mils) der Überbrückungselemente nicht vollständig effektiv ist und dass mehr als 5 Schichten (5 – 10 mils) eine gesamte Unterstützungsstruktur zu fest erzeugen. Wenn man daher die bevorzugten 3 mal 3 Pixel-Unterstützungen verwendet, sind die Überbrückungsschichten bevorzugt zwischen zwei Schichten (2 – 4 mils) und fünf Schichten (5 – 10 mils) in der Höhe und am meisten bevorzugt sind sie drei Schichten (3 – 6 mils) in der Höhe. Es wurde weiterhin herausgefunden, dass die Überbrückungsschichten bevorzugt alle 75 mils – 2 Inch wiederholt werden, mehr bevorzugt alle 100 – 300 mils, und am meisten bevorzugt alle 100 – 200 mils. Bei der Verwendung von anderen Materialien, anderen Aufbauparametern oder Aufbaubedingungen können Bildung und Analyse von Testteilen verwendet werden, um die effektive Überbrückungsdicke und die Trennungsdicken zu bestimmen.
Wenn Überbrückungsschichten periodisch verwendet werden, können sie alle Unterstützungssäulen miteinander verbinden oder sie können nur einen Bereich von ihnen miteinander verbinden, wobei die anderen Säulen bei einer vorhergehenden Nutzung des Überbrückens verbunden wurden oder bei einer nachfolgenden Nutzung des Überbrückens verbunden werden. Mit anderen Worten können die Überbrückungselemente eine feste Ebene des abgelagerten Materials bilden oder sie können alternativ nur eine teilweise feste Ebene bilden (z.B. ein Schachbrettmuster), die einige der Säulen verbindet. Die Unterstützungssäulen können oder können nicht von ihren vorhergehenden X-Y-Positionen verschoben sein, wenn sie nach der Bildung von Überbrückungsschichten wieder gestartet werden.
Eine andere bevorzugte Unterstützungsstruktur, die ein leichtes Entfernen und eine gute Güte abwärtszeigender Oberflächen über die Geschwindigkeit der Objektherstellung hervorhebt, ist als eine Schachbrettunterstützung bekannt. Die Querschnittskonfiguration dieser Unterstützungsstruktur ist in 14 dargestellt. Entlang jeder Abtastlinie findet Ablagerung unter Verwendung jedes anderen Pixels statt (300 Pixels/Inch) und in angrenzenden Abtastlinien werden die Ablagerungspixel entlang der Linie um eine Pixelbreite versetzt. Eine bevorzugte Version dieser Unterstützung verwendet nicht ID-Überdrucken, aber es kann das DD-Überdrucken oder mehrfache Ablagerungen verwenden, um die Ablagerung pro Schicht zu steigern. Ohne DD-Überdrucken oder mehrfache Ablagerungen ist die Schichtdicke bei der Verwendung dieses Typs der Unterstützung in der bevorzugten Ausführungsform auf unterhalb von 0,4 – 0,5 mils begrenzt anstelle der ungefähr 1,3 mils, die mit einigen bevorzugten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen erreichbar sind. Anstelle der Verwendung des DD-Überdruckens oder mehrfacher Ablagerungen im Zusammenhang mit diesen Unterstützungen ist es möglich, nicht das bevorzugte ID-Überdrucken des Objektes zu verwenden und einfach das Material in dünneren Schichten (z.B. 0,3 – 0,5 mils pro Schicht) abzulagern. Überdrucken des Objektes muss nicht verwendet werden, weil das Extramaterial einfach während der Glättung bzw. Ebnung entfernt werden müsste. Da Rasterabtastung verwendet wird und weil die Geschwindigkeit der Bildung einer Schicht die gleiche ist mit oder ohne Überdrucken, sind Aufbaustile gemäß dieser Techniken ungefähr 3 – 4 mal langsamer als äquivalente Aufbaustile, wo viermaliges Überdrucken verwendet wird. Daher besteht hier eine signifikante Steigerung in der Aufbauzeit, wobei die Verbesserung in der Oberflächengüte seine Verwendung unter bestimmten Umständen rechtfertigen kann.
Wenn man Schachbrettunterstützungen ausbaut, ist die regelmäßige Verwendung von Überbrückungsschichten bevorzugt (z.B. alle 30 – 100 mils der Z-Höhe), um die Säulenintigrität zu sichern. Die Überbrückungsschichten sollten eine ausreichende Anzahl von Schichten aufweisen, um ihre Effektivität zu sichern (z.B. ungefähr die gleiche Dicke der Überbrückungsschichten, die oben diskutiert wur den). Ein Auftropf/Durchtropf-Schachbrettmuster (in Begriffen der Tropfenbreite) befindet sich dort, wo die verfestigten Elemente einen Tropfen breit sind (die Ablagerungsbreite) und wo die Beabstandung zwischen den Mittelpunkten der aufeinanderfolgenden Elemente größer ist als eine Tropfenbreite jedoch geringer als zwei Tropfenbreiten.
Linienunterstützungen (in Begriffen der Tropfenbreite) umfassen Linienelemente, die ungefähr eine Breite eines aufgetroffenen Tropfendurchmessers aufweisen, wobei die Beabstandung zwischen Elementen tangential zu der Orientierung der Linien geringer ist als eine Tropfenbreite (d.h. überlappend), während die Beabstandung zwischen den Elementen rechtwinklig zu den Linienorientierungen größer ist als eine Tropfenbreite. Die Beabstandung zwischen den Elementen rechtwinklig zu der Linienorientierung ist bevorzugt ebenfalls geringer als zwei Tropfenbreiten.
N mal N-Säulenunterstützungen (in Begriffen von Pixeln) sind N-ein (N-on), bevorzugt ein oder zwei weniger in der Hauptabtastrichtung, und N-ein (N-on), und bevorzugt eins weniger in der Indenzierungsrichtung. Die Breite der Säulen und der Beabstandungen dazwischen kann basierend auf der Kenntnis der Pixelbeabstandung, des Tropfendurchmessers und jedes verwendeten Überdruckens berechnet werden. Die bevorzugte Beabstandung zwischen abgelagertem Material in angrenzenden Säulen ist unter ein bis zwei Tropfendurchmessern.
Andere mögliche Unterstützungsstile beinhalten die Verwendung von festen oder periodisch unterbrochenen Linien, die bevorzugt weniger breit sind als drei Pixel (weniger als 10 mils) und die mehr bevorzugt ein bis zwei Pixel oder weniger breit sind (weniger als 3,3 – 6,6 mils) und die um ein bis zwei Pixel oder weniger von nicht abgelagertem Material beabstandet sind (weniger als 3,3 – 6,6 mils). Die Unterstützungen können entlang der Hauptabtastrichtungen, der zweiten Abtastrichtungen oder entlang anderer Richtungen verlaufen. Ein anderer Typ einer Unterstützung ist eine gekrümmte Linienunterstützung, die der Grenze eines Objektes folgt. Alternativ kann das Unterstützungsmuster in unterschiedlichen Gebieten des Querschnitts verschieden sein. Es kann ebenfalls von der Grenze des Objektes um N-Pixel (oder Tropfenbreiten) in der Abtastrichtung versetzt werden oder um M-Pixel (oder Tropfenbreiten) in der Indizierungsrichtung.
Einige andere Alternativen beinhalten das Aufbauen von Unterstützungen aus unterschiedlichen Materialien, als zum Bilden der Oberfläche oder der Grenzregionen des Objekts verwendet werden. Andere Alternativen können ein anderes Unterstützungsmaterial nur auf einer oder mehreren der Schichten angrenzend an das Objekt verwenden.
Mischunterstützungen
Weitere Typen von Unterstützungsstrukturen, die für die selektive Ablagerungsbildung nützlich sind, sind Mischunterstützungen. In ihrem einfachsten Sinn ist eine Mischunterstützung eine Unterstruktur, die zumindest zwei unterschiedliche Typen von Unterstützungsstrukturen umfasst. Die Strukturen, die in einer Mischunterstützung verwendet werden, variieren bevorzugt in Abhängigkeit von der Höhe der Unterstützung und die Struktur kann insbesondere an jedem gegebenen Punkt von der Entfernung dieses Punktes zu einer aufwärtszeigenden und/oder abwärtszeigenden Oberfläche des Objektes abhängen. Mit anderen Worten sind die Unterstützungsstrukturen an die am meisten geeigneten Strukturen basierend auf der Entfernung des Objektes angepasst. In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Unterstützungsmuster gewechselt, wenn der Punkt eine vorbestimmte Anzahl von Schichten (z.B. 4 – 9) unterhalb einer abwärtszeigenden Oberfläche angeordnet ist. In einer anderen Ausführungsform wird die Tropfendichte pro Einheitsfläche oder das Tropfendichteverhältnis der Unterstützungen (definiert als das Verhältnis der Tropfen zu den nicht-Tropfen pro Einheitsfläche) verringert, wenn sich eine abwärtszeigenden Oberfläche annähert. In einer Variante dieser Ausführungsformen werden eine oder mehrere Schichten der geneigten (oder zwischengeordneten) Schichten verwendet, wenn man überwech selt von einer Unterstützungsstruktur mit einem höheren Tropfendichtenverhältnis zu einer Unterstützungsstruktur mit einem niedrigeren Tropfendichtenverhältnis.
In noch einer anderen exemplarischen Ausführungsform wird das Tropfendichtenverhältnis gesteigert, wenn eine aufwärtszeigende Oberfläche verlassen wird (z.B. 4 oder mehr Schichten entfernt von einer aufwärtszeigenden Oberfläche). In einer optionalen Variante dieser Ausführungsform werden ein oder mehrere Schichten der geneigten (zwischengeordneten) Schichten verwendet, wenn man von einer Unterstützungsstruktur mit einem niedrigeren Tropfendichtenverhältnis zu einer Unterstützungsstruktur mit einem höheren Tropfendichtenverhältnis übergeht. Es ist ebenfalls denkbar, dass Unterstützungsstrukturen nicht gerade basierend auf der vertikalen Entfernung von dem Objekt variieren könnten, sondern ebenso gut basierend auf der horizontalen Entfernung. Beispielsweise kann beim horizontalen Begrenzen des Objektes ein anderer Typ einer Unterstützung nützlich sein als in einiger Entfernung von dem Objekt.
Eine beispielhafte Mischunterstützung ist in 20 von der Seite dargestellt. Wie gezeigt, erstreckt sich die Struktur von der Oberfläche 23, die die Aufbauplattform sein kann oder die eine aufwärtszeigende Oberfläche des aufzubauenden Objektes sein kann, um die abwärtszeigende Oberfläche 24 zu unterstützen. Wie illustriert, besteht die Unterstützungsstruktur aus fünf Komponenten: (1) dünne, faserähnliche Säulen 25, die die Oberfläche 23 berühren (wenn die Oberfläche 23 nicht eine aufwärtszeigende Oberfläche des Objektes ist, kann diese Komponente der Unterstützungsstruktur entfernt werden); (2) massivere Säulen 26, die auf den faserähnlichen Säulen 25 angeordnet sind; (3) zwischengeordnete Schichten 27 (d.h. eine abschließende Überbrückungsschicht); (4) dünne faserähnliche Säulen 28, die auf der zwischengeordneten Schicht angeordnet sind und die direkt die abwärtszeigende Oberfläche 24 berühren; (5) Überbrückungsschichten 29, die verwendet werden, um zwei oder mehrere der massiven Säulen zusammen zu schmelzen und die an verschiedenen Plätzen zwischen den Säulen 26 verteilt sind.
Die dünnen Säulen 25 und 28 sind beide ein Pixel im Querschnitt (83,8 mal 83,8 um (3,3 mal 3,3 mils)) und sie bilden ein "Schachbrett"-Muster, wie es in 14a gezeigt ist. Das Ergebnis ist eine Reihe von dünnen faserähnlichen Säulen, die von angrenzenden Säulen um einen Pixel beabstandet sind und die leicht von den Oberflächen 23 und 24 getrennt werden können. Diese sind äquivalent zu den Schachbrettunterstützungen, die oben diskutiert wurden. Basierend auf dem Ein-Pixel-Kein-Pixel-Ablagerungsmuster dieser Unterstützungen ist das Tropfendichtenverhältnis ungefähr eins. Wenn die Unterstützung nicht auf einer aufwärtszeigenden Oberfläche des Objektes beginnt, kann die Säule 25 ausgelassen werden.
Die Säulen 25 und 28 sollten zwischen 3 mils und 15 mils in der Höhe sein und bevorzugt ungefähr 4 – 6 mils in der Höhe. Die Höhe sollte auf einem Minimum gehalten werden, da es gewünscht ist, dass diese Unterstützungen in Kombination mit einem Objekt verwendet werden, dass mit viermaligem ID-Überdrucken gebildet wird, und weil, wenn ein einzelner Durchlauf auf diesen Unterstützungsstrukturen ohne Überdrucken verwendet wird, sie mit einer viel langsameren Rate als das Objekt akkumulieren. Andererseits ist es wünschenswert, dass diese Unterstützungen eine gewisse Höhe aufweisen, da die nadelähnlichen Elemente dazu neigen, abzuschmelzen, wenn die abwärtszeigende Oberfläche des Objektes auf sie ausgegeben wird.
Die Säulen 26 sind 3 mal 3 Pixel im Querschnitt (9,9 mal 9,9 mils) und sie sind um zwei Pixel von angrenzenden Säulen in der Abtastrichtung beabstandet und um einen Pixel von angrenzenden Säulen in der Indizierungsrichtung. Diese Säulenunterstützungen sind den am meisten bevorzugten Unterstützungen äquivalent, die oben diskutiert wurden. Wie oben diskutiert wurde, ist der primäre Grund für den Extraraum in der Hauptabtastrichtung der Umstand, dass diese Unterstützungen viermaliges Überdrucken empfangen werden. Das Querschnittsmuster, dass durch diese Säulen gebildet wird, ist in 15 und 18 gezeigt. Das Ergebnis ist eine Reihe von Säulen, die massiver sind als die faserähnlichen Säulen 25 und 28.
Die Säulen, die den anderen unähnlich sind, können beliebig groß sein. Der Grund besteht darin, dass die größeren Querschnitte dieser Säulen gestatten, dass die Säulen bei ungefähr der gleichen Rate wie das Teil selbst wachsen (ungefähr 1,3 mils/Schicht). Wie zuvor diskutiert, ist es bevorzugt, dass Brücken 29 verwendet werden, um angrenzende Säulen 26 periodisch miteinander zu verschmelzen, um ein "Wandern" der Säulen zu verhindern, dass nach dem Ausbauen einer gewissen Distanz auftreten kann. Die Beabstandung der Brücken ist bevorzugt in dem zuvor diskutierten Bereich.
Die zwischengeordneten Schichten 27 repräsentieren eine optionale abschließende Schicht des Überbrückens, die als ein Übergang zwischen den Säulen 26 und den Säulen 28 wirken kann. Der Grund, dass eine Übergangsschicht nützlich ist, besteht darin, dass die Säulen 28 ungefähr von der gleichen Größe oder kleiner sind als die Abstände zwischen den Säulen 26 mit dem Ergebnis, dass ohne die Übergangsschichten die Säulen 28 in diese Räume fallen können. In einer bevorzugten Herangehensweise würden die Zwischenschichten als ein Ganzes nicht verwendet werden und stattdessen würde das genau Platzieren der Säulen 28 auf den Säulen 26 stattfinden oder nur notwendige Abschnitte der zwischengeordneten Schichten 27 würden verwendet werden.
Wenn sie verwendet werden, sind diese zwischengeordneten Schichten bevorzugt von ähnlicher Dicke zu der der zuvor diskutierten Überbrückungsschichten.
Man sollte erkennen, dass die zwischengeordneten Schichten nicht zwischen den Säulen 25 und den Säulen 26 benötigt werden, weil die Säulen 26 im Querschnitt größer sind als die Beabstandungen zwischen den Säulen 25. Demgemäß können diese größeren Säulen ohne die Notwendigkeit von zwischengeordneten Schichten direkt auf den kleineren Säulen aufgebaut werden.
Andere Misch-Unterstützungen sind möglich, die andere Kombinationen mit den zuvor beschriebenen Unterstützungselementen herstellen. Die Misch- und anderen Unterstützungsstrukturen können ebenfalls verwendet werden, um innere Bereiche des Objektes zu bilden.
Zusätzliche Alternativen existieren zum Aufbauen von Unterstützungen. Zum Beispiel ist es ebenfalls möglich, die Unterstützung aus einem Material aufzubauen, das anders ist als jenes, das zum Aufbauen des Teils verwendet wird. Eine andere Möglichkeit besteht im Hinzufügen einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, zwischen die Zwischenräume der oben beschriebenen Unterstützungsstrukturen, um eine zusätzliche Unterstützung bereitzustellen und um ebenfalls bei der Wärmedissipation zu helfen. Bei einer derartigen Herangehensweise ist es vorteilhaft, eine Flüssigkeit zu verwenden, die eine größere Dichte als das Aufbaumaterial aufweist. Dies wird den Tropfen des Aufbaumaterials Auftrieb geben, die zwischen die Zwischenräume der Säulen fallen. Das Material sollte ebenfalls derart ausgewählt sein, dass seine Oberflächenenergie angepasst ist an die des Aufbaumaterials, um das Bilden eines Meniskus zwischen der Flüssigkeit und den Säulen zu verhindern. Ein Beispiel eines solchen Materials ist ein grenzflächenaktiver Stoff bzw. Tensid.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, Luftdüsen aufwärts zwischen die Zwischenräume der Säulen zu richten. Bei dieser Herangehensweise ist ein Wärmedissipationseffekt und ein Auftrieb möglich. Eine andere Möglichkeit besteht im Füllen der Zwischenräume einer reduzierten Anzahl von Säulenunterstützungen (z.B. Säulen, die 0,1 -1 Inch oder weiter voneinander beabstandet sind) mit Partikeln. Weiterhin könnten derartige Partikel aus dem Ausbaumaterial gebildet sein, indem gestattet oder bewirkt wird, dass die Tropfen verfestigen, bevor sie die Arbeitsoberfläche erreichen (beispielsweise durch Erhöhen der Entfernung zwischen dem Ausgabekopf und der Arbeitsoberfläche) oder durch Beschichten der Tropfen, bevor sie landen, mit einem sublimierenden Material, d.h. dass direkt von einem Festkörper in ein Gas übergeht.
Unterstützungen beabstanden bevorzugt das Objekt ungefähr 50 – 300 mils von der Oberfläche der Aufbauplattform. Alternativ kann das Objekt direkt auf der Plattform aufgebaut werden. In dieser Alternative kann die Plattform mit einer flexiblen Materialschicht abgedeckt sein, die eine leichte Trennung des Objektes von der festen Plattform und dann von dem Schichtmaterial gestatten wird. Ein elektrisches Messer kann verwendet werden, um die Unterstützungen von der Plattform zu trennen, wobei es in diesem Fall bevorzugt ist, dass das Objekt 150 – 300 mils oberhalb der Oberfläche der Plattform positioniert ist. Es ist herausgefunden worden, dass ein dünnes kammähnliches Gerät mit langen Zähnen effektiv ist, um die Unterstützungen von der Plattform zu entfernen. In diesem Fall gibt die Dicke des Gerätes die erforderliche Beabstandung zwischen dem Objekt und der Plattform vor, die typischerweise zwischen 50 und 200 mils ist. Die Unterstützungen können von dem Objekt durch leichtes Rubbeln, Bürsten oder durch die Verwendung eines kleinen Tastgerätes, beispielsweise eines Zahnarztwerkzeuges, entfernt werden.
Eine andere Variante beinhaltet das Einarbeiten der behandelten Ausführungsformen in ein integriertes System, dass eine Fähigkeit für die automatische Teilentfernung umfasst und eine Kühlstation. Andere Alternativen beinhalten das Verwenden eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt als ein Aufbaumaterial, einen Materialfüller oder verschiedene Materialien auf verschiedenen Abtastlinien oder Tropforten.
Weitere Alternativen beinhalten das Verwenden größerer Tropfen für das Aufbauen von Unterstützungen als für das Ausbauen des Teils. Eine andere Alternative beinhaltet die Verwendung von pulverisierten Unterstützungen, die gebildet werden können, indem gestattet oder bewirkt wird, dass sich die Tropfen verfestigen, bevor sie die Arbeitsoberfläche erreichen, wie es oben beschrieben wurde.
Andere Ausführungsformen können Objekte basierend auf verschiedenen Orientierungen der Hauptabtastrichtung (z.B. Y oder Z), anderen Orientierungen der zweiten Abtastrichtung (z.B. X oder Z) und anderen Orientierungen der Stapelung (z.B. X oder Y) aufbauen. Andere Ausführungsformen können andere absolute Bewegungsmethoden verwenden, um die gewünschten relativen Bewegungen zwischen dem Objekt und dem Druckkopf zu erzielen. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen die absolute Bewegung des Druckkopfes in allen drei Richtungen stattfinden, während in anderen Ausführungsformen die absolute Objektbewegung in allen drei Richtungen stattfinden kann. In noch anderen Ausführungsformen können nicht-kartesische Bewegungen des Druckkopfes oder des Objektes verwendet werden und die Ausspritzrichtungen können von Schicht-zu-Schicht oder von Abschnitt der Schicht zu Abschnitt der Schicht variieren.
Obwohl einige Ausführungsformen unter in der Anmeldung angeführten Überschriften beschrieben worden sind, sollten diese Ausführungsformen nicht als nur zugehörig zu den durch die Titel angegebenen Themen angesehen werden. Obwohl weiterhin Titel verwendet wurden, um die Lesbarkeit dieser Beschreibung zu verbessern, sollte die gesamte Offenbarung, die für dieses spezielle Thema relevant ist, das durch den Titel erwähnt wird, nicht Betracht werden, als würde sie nur in diese einzelnen Abschnitte fallen. Alle hierin offenbarten Ausführungsformen sind einzeln oder in Kombination mit anderen Ausführungsformen, die hierin offenbart wurden, nützlich.

Claims

Ein Verfahren zum Erzeugen von Daten, die beschreibend sind für eine Unterstützungsstruktur in einem System für schnellen Musterbau bzw. für ein Rapid-Prototyping-System, wobei Objektdaten auf einer Schicht-für-Schicht-Basis für das Aufbauen eines dreidimensionalen Objektes erzeugt werden; Unterstützungsdaten auf einer Schicht-für-Schicht-Basis für das Ausbauen einer Unterstützungsstruktur für das Objekt erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektdaten manipuliert werden, um die Erzeugung der Unterstützungsdaten für eine gegebene Schicht durch die Schritte zu bestimmen: a) Bestimmen der Objektdaten (A), die sich auf einer Region des dreidimensionalen Objektes zumindest auf eine Schicht oberhalb einer gegebenen Schicht beziehen; b) Bestimmen der Objektdaten (B), die sich auf eine entsprechende Region der gegebenen Schicht beziehen; c) Bestimmen der logischen bzw. booleschen Differenz (A-B) zwischen den Objektdaten (A), die im Schritt a) bestimmt worden sind, und den Objektdaten (B), die im Schritt b) bestimmt worden sind, und d) Erzeugen von Unterstützungsdaten für die gegebene Schicht in Übereinstimmung mit der logischen bzw. booleschen Differenz, die im Schritt c) bestimmt worden sind.
Ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, wobei die Objektdaten (A), die im Schritt a) bestimmt worden sind, die Gesamtdaten darstellen, die man erhält, in dem man die logische bzw. boolesche Vereinigung der entsprechenden Regionen aller Schichten oberhalb der gegebenen Schicht verwendet.
Ein Verfahren, wie es in Anspruch 2 beansprucht ist, wobei die Schritt a) und b) für eine Aufeinanderfolge von Schichten in einer Ordnung von oben nach unten (top-down) wiederholt werden und wobei die Objektdaten (A), die im Schritt a) bestimmt worden sind und die Objektdaten (B), die im Schritt b) bestimmt worden sind, für jede Schicht in einem Speicher gespeichert werden.
Ein Verfahren, wie es in Anspruch 3 beansprucht ist, in dem die gespeicherten Objektdaten (A; B) für jede Schicht der Aufeinanderfolge von Schichten aus dem Speicher in einer Ordnung von unten nach oben (bottom-up) ausgegeben werden und in der die ausgegebenen Daten aus dem Speicher gelöscht werden.
Ein Verfahren, wie es in Anspruch 4 beansprucht ist, in dem die Schritte c) und d) mit den gespeicherten Objektdaten (A; B) ausgeführt werden, die aus dem Speicher für jede Schicht der Aufeinanderfolge von Schichten ausgegeben werden.
Ein Verfahren, wie es in Anspruch 2 beansprucht ist, umfassend die anfänglichen Schritte: 1) Bestimmen der Gesamtobjektdaten, die sich auf entsprechende Regionen aufeinanderfolgender Schichten des Objektes in einer Ordnung von oben nach unten (top-down) beziehen, wobei die Gesamtobjektdaten, die für jede Schicht bestimmt worden sind, die logische Vereinigung der entsprechenden Regionen der Schicht und aller Schichten darüber darstellt, und 2) Speichern der so bestimmten Gesamtobjektdaten, die sich auf einer Mehrzahl von Zwischenschichten der aufeinanderfolgenden Schichten ausgewählt aus Intervallen von N-Schichten beziehen; und wobei die Schritte a) und b) für eine Aufeinanderfolge von Schichten zwischen einer oberen Zwischenschicht und einer unteren Zwischenschicht die die nächste Schicht unterhalb der oberen Zwischenschicht ist, ausgeführt werden und wobei die Gesamtobjektdaten, die für die obere Zwischenschicht gespeichert sind, als die Objektdaten zum Durchführen des Schrittes a) für die oberste Schicht in der Aufeinanderfolge verwendet werden.
Ein Verfahren, wie es in Anspruch 6 beansprucht ist, in dem die Gesamtobjektdaten, die in dem Schritt a) bestimmt worden sind, und die Objektdaten, die in dem Schritt b) für jede Schicht der Aufeinanderfolge bestimmt worden sind, in einem Speicher gespeichert werden.
Ein Verfahren, wie es in Anspruch 7 beansprucht ist, in dem die Schritte c) und d) für die Aufeinanderfolge der Schichten in einer Ordnung von unten nach oben (bottom-up) ausgeführt werden.
Ein Verfahren, wie es in Anspruch 7 oder 8 beansprucht ist, in dem die Objektdaten (A; B) für jede Schicht, die in einem Speicher gespeichert sind, in einer Ordnung von unten nach oben (bottom-up) ausgegeben werden und in dem die ausgegebenen Daten aus dem Speicher gelöst werden.
Ein Verfahren, wie es in irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9 beansprucht ist, in dem N = 100 ist.
Ein Verfahren, wie es in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 beansprucht ist, wobei die Objektdaten für jede Schicht einen Satz von Stop- und Startübergängen für eine Mehrzahl von Abtastlinien darstellen.
Ein Verfahren, wie es in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 beansprucht ist, wobei die Objektdaten für jede Schicht einen Satz von polygonalen Daten darstellen.
Ein Verfahren, wie es in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist, in dem die erzeugten Unterstützungsdaten (wenn irgendwelche vorhanden sind) einen Satz von Stop- und Startübergängen für eine Mehrzahl von Abtastlinien umfassen, die die Unterstützungsstruktur für jede Schicht betreffen.
Ein Verfahren, wie es in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist, weiterhin aufweisend den Schritt des Modulierens der Unterstützungsdaten, die im Schritt d) erzeugt worden sind, in Übereinstimmung mit einem Aufbaustil, der für die Unterstützungsstruktur ausgewählt worden ist, die aus den Unterstützungsdaten aufgebaut werden soll.
Ein Verfahren, wie es in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist, das in einem System zur selektiven Ablagerungsmodellierung ausgeführt wird.
Ein System zum Rapid-Prototyping zum Aufbauen eines dreidimensionalen Objektes auf einer Schicht-für-Schicht-Basis, wobei das System umfasst einen Mikroprozessor zum Ausführen der Datenverarbeitung und der Datenberechnung in Bezug auf Objektdaten, die auf einer Schicht-für-Schicht-Basis für das schichtweise Aufbauen des dreidimensionalen Objektes erzeugt wurden, und in Bezug auf Unterstützungsdaten, die auf einer Schicht-für-Schicht-Basis zum schichtweisen Ausbauen einer Unterstützungsstruktur für das Objekt erzeugt worden ist, und Aufbaumittel, die geeignet sind, um die jeweiligen Bereiche des Objektes und der Unterstützungsstruktur auf jeder Schicht in Übereinstimmung mit den dorthin übermittelten Objektdaten und Unterstützungsdaten zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor gesteuert ist, um die Schritte auszuführen: a) Bestimmen der Objektdaten (A) in Bezug auf eine Region der zumindest einen Schicht oberhalb einer gegebenen Schicht; b) Bestimmen der Objektdaten (B) in Bezug auf eine entsprechende Region der gegebenen Schicht; c) Bestimmen der logischen Differenz (A-B) zwischen den Objektdaten (A), die im Schritt a) bestimmt worden sind, und jenen (B), die im Schritt b) bestimmt worden sind; d) Erzeugen von Unterstützungsdaten für die gegebene Schicht in Übereinstimmung mit der logischen Differenz, die im Schritt c) bestimmt worden ist, und e) Bereitstellen von Daten für die Aufbaumittel zum Bilden der jeweiligen Objekt- und Unterstützungsstrukturbereiche auf der gegebenen Schicht, wobei diese Daten aus den Objektdaten (B) und den Unterstützungsdaten bezüglich der gegebenen Schicht erhalten werden.
Ein System zum Rapid-Prototyping, wie es in Anspruch 16 beansprucht ist, in dem der Mikroprozessor derart gesteuert ist, dass die Objektdaten (A), die im Schritt a) bestimmt worden sind, die Gesamtdaten darstellen, die dadurch erhalten werden, dass man die logische Vereinigung der entsprechenden Regionen aller Schichten oberhalb der gegebenen Schicht verwendet.
Ein System zum Rapid-Prototyping, wie es in Anspruch 17 beansprucht ist, wobei der Mikroprozessor derart gesteuert ist, dass die Schritte a) und b) für eine Aufeinanderfolge von Schichten in einer Ordnung von oben nach unten (top-down) wiederholt werden und dass die Objektdaten (A), die im Schritt a) bestimmt worden sind, und die Objektdaten (B), die im Schritt b) bestimmt worden sind, für jede Schicht in einem Speicher gespeichert werden.
Ein System zum Rapid-Prototyping, wie es in Anspruch 18 beansprucht ist, in dem der Mikroprozessor derart gesteuert ist, dass die gespeicherten Objektdaten (A; B) für jede Schicht der Aufeinanderfolge von Schichten aus dem Speicher in einer Ordnung von unten nach oben (bottom-up) ausgegeben werden und dass die ausgegebenen Daten aus dem Speicher gelöscht werden.
Ein System zum Rapid-Prototyping, wie es in Anspruch 19 beansprucht ist, in dem der Mikroprozessor derart gesteuert ist, dass die Schritte c) und d) mit den gespeicherten Objektdaten (A; B) ausgeführt werden, die aus dem Speicher für jede Schicht der Aufeinanderfolge von Schichten ausgegeben werden.
Ein System zum Rapid-Prototyping, wie es in irgendeinem der Ansprüche 16 bis 20 beansprucht ist, wobei der Mikroprozessor gesteuert ist, um dreidimensionale Daten, die ein aufzubauendes Objekt repräsentieren, in Querschnittsdaten aufzuschneiden und um Objektdaten (B) für den jeweiligen Abschnitt des zu bildenden Objektes an jeder Schicht bereitzustellen.
Ein System zum Rapid-Prototyping, wie es in Anspruch 21 beansprucht ist, wobei die Querschnittsdaten in der Form von polygonalen Datensätzen vorliegen, die durch den Mikroprozessor verarbeitet werden, um Objektdaten in der Form von Datensätzen zu erzeugen, die Stop- und Startübergänge für eine Mehrzahl von Abtastlinien für jede Schicht definieren.
Ein System zum Rapid-Prototyping, wie es in Anspruch 22 beansprucht ist, in dem die Schritte a) und c) durch den Mikroprozessor mit Datensätzen durchgeführt werden, die Stop- und Startübergänge definieren.
Ein System zum Rapid-Prototyping, wie es in irgendeinem der Ansprüche 16 bis 23 beansprucht ist, dass von der Art der selektiven Ablagerungsmodellierung ist und in dem die Aufbaumittel einen Ausgabekopf mit einer Mehrzahl von Öffnungen zum selektiven Ausgeben von Material umfassen und in dem der Mikroprozessor geeignet ist, um die selektive Betätigung der Öffnungen zu steuern.