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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
gegenwärtige
Erfindung ist darauf gerichtet, mit einem Bildprojektionssystem
Querschnittsschichten unter Benutzung eines verfestigbaren Baumaterials
in einem Gerät
zum Formen von dreidimensionalen Objekten Schicht für Schicht
zu bilden. Spezifischer ist sie auf ein Gerät und ein Verfahren zum Bilden
eines Querschnitts gerichtet durch Liefern eines verfestigbaren
Mediums, so dass sich Luftblasen nicht in dem dreidimensionalen
Objekt, welches gebaut wird, bilden und die Schichten, die mit einem
flüssigen
Medium gebildet werden, welches in Reaktion auf die Bestrahlung
durch UV- oder sichtbare Strahlung verfestigbar ist, sich trennen
ohne aufzuspalten von einem für
Strahlung transparenten Baumaterialträger.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
den letzten Jahren sind viele verschiedene Techniken zur schnellen
Herstellung von dreidimensionalen Modellen für den industriellen Gebrauch
entwickelt worden. Diese Feststoffbilden-Techniken werden manchmal
als Rapid Prototyping and Manufacturing(„RP&M")-Techniken
bezeichnet. Allgemein bauen Rapid Prototyping and Manufacturing
Techniken dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht aus einem Arbeitsmedium
auf unter Gebrauch von Schnittendaten-Mengen, die Querschnitte des
Objekts, das gebildet werden soll, repräsentieren. Typischerweise wird
am Anfang eine Objektdarstellung durch ein Computer Aided-Design (CAD) – System
geliefert.
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Stereolithographie,
gegenwärtig
die am meisten gebräuchliche
RP&M-Technik,
war die erste kommerziell erfolgreiche Feststoffbilden (solid imaging)-Technik,
um dreidimensionale Objekt aus CAD-Daten zu erzeugen. Stereolithographie
kann definiert werden als eine Technik zur automatisierten Herstellung
von dreidimensionalen Objekten aus einem flüssigkeitsähnlichen Material unter Benutzung
einer selektiven Bestrahlung von Schichten des Materials auf einer
Arbeitsoberfläche,
um nachfolgende Schichten des Objekts (d.h. Lagen) zu verfestigen
und zusammenzufügen.
Bei der Stereolithographie werden Daten, die das dreidimensionale Objekt
repräsentieren,
eingegeben als oder konvertiert in zweidimensionale Schichtdaten,
die Querschnitte des Objekts darstellen. Schichten des Materials
werden nacheinander gebildet und selektiv umgeformt oder verfestigt
(d.h. ausgehärtet)
meistens unter Benutzung eines computergesteuerten Laserstrahls
von Ultraviolett(UV)-Strahlung in aufeinanderfolgende Lagen gemäß den zweidimensionalen
Schichtdaten. Während
der Umformung werden die aufeinanderfolgenden Lagen mit vorher gebildeten
Lagen verbunden, um die integrale Bildung des dreidimensionalen
Objekts zur erlauben. Dies ist ein additiver Prozess. Neuere Auslegungen
haben den Gebrauch von sichtbarem Licht verwendet, um die Polymerisationsreaktion
zu beginnen, um das Photopolymer-Baumaterial auszuhärten, das
gewöhnlich
als Harz bezeichnet wird.
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Die
Stereolithographie stellt eine beispiellose Art dar, um schnell
komplexe oder einfache Teile ohne Werkzeuge herzustellen. Da diese
Technologie von dem Gebrauch eines Computers abhängt, um ihre Querschnittsmuster
herzustellen, gibt es eine natürliche
Datenverbindung zu CAD/CAM. Solche Systeme haben Schwierigkeiten
angetroffen und mussten sie überwinden,
die sich auf Schrumpfung, Wirbel und andere Störungen beziehen, wie auch auf
Auflösung,
Genauigkeit und Schwierigkeiten beim Herstellen von bestimmten Objektformen.
Während
die Stereolithographie von sich gezeigt hat, dass es eine effektive
Technik zum Bilden von dreidimensionalen Objekten ist, sind über die
Zeit andere Feststoffbilden-Technologien entwickelt worden, um die
Schwierigkeiten, die der Stereolithographie inhärent sind, anzugehen und andere
RP&M-Vorteile
zu liefern.
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Diese
alternativen Technologien sind zusammen mit der Stereolithographie
feste Freiform-Herstellung (solid freeform fabrication) oder Festbilden-Techniken
genannt worden. Sie enthalten lagenweise Objektherstellung (laminated
object manufacturing) (LOM), Lasersintern, zusammengeschmolzene
Ablagerungsmodellierung (fused deposition modelling) (FDM) und verschiedene
tntenstrahlbasierte Systeme, um entweder ein flüssiges Bindemittel für ein Pulvermaterial
oder ein Baumaterial zu liefern, das sich durch Temperaturänderung
oder Lichtaushärten
verfestigt. Kürzlich
hat eine Technologie, die eine digitale Lichtprozess-Technologie anwendet,
sichtbares Licht verwendet, um die Photopolymerisationsreaktion
zu beginnen, um ein Photopolymer-Baumaterial auszuhärten, das
gemeinhin als Harz bezeichnet wird. Jede dieser additiven Technologien hat
verschiedene Verbesserungen in einer oder mehr Hinsichten von Genauigkeit,
Baugeschwindigkeit, Materialeigenschaften, reduzierten Kosten und
Aussehen des gebauten Objekts.
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Alle
der Festformen- oder Freiformherstellungstechniken müssen, um
erfolgreich zu sein, Objekte bilden, die nahezu volle Dichte haben
oder frei von unbeabsichtigten Hohlräumen oder Luftlöchern sind.
Hohlräume,
die durch Luftlöcher
verursacht sind, erzeugen Unstetigkeiten und Schwächen in
den Objekten, die gebaut werden, wie sie auch nicht akkurat den
dreidimensionalen Aspekt des Objekts repräsentieren, das aus der CAD-Darstellung
hergestellt wird. Dieses Problem ist besonders akut bei Technologien,
die ein verfestigbares flüssiges
Harz verwenden, das Schicht für
Schicht unter Verwendung eines dazwischenliegenden Transportprozesses
ablegt wird. Obwohl der Gebrauch einer dazwischenliegenden Übertragungsoberfläche, von der
das verfestigbare flüssige
Harz auf eine Unterstützungsplattform
oder eine darunter liegende Materialschicht übertragen wird, die Menge von Überschussharz,
das aus dem fertig gestellten Teilen entfernt werden muss, reduziert
und die Notwendigkeit eliminiert, in einer Wanne oder einem großen Behälter von
Harz zu bauen, wodurch es die Kosten von zusätzlichen Harz jenseits von
dem, was notwendig ist, um die benötigten Teile zu bauen, eliminiert,
erhöht
er das Potenzial von Blasenbildung in dem übertragenen Flüssigkeitsharz,
wenn Querschnitte des Materials gebildet werden.
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Außerdem müssen die
früheren
Ansätze
zur festen Freiform-Herstellung, obwohl sie substanzielle Verbesserungen
machen, noch ein wirkliches Niedrigkostensystem erreichen, das hochgenaue
und visuell ansprechende dreidimensionale Objekte in einer kurzen
Bauzeit herstellt.
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Diese
Probleme werden gelöst
durch die Konstruktion der gegenwärtigen Erfindung durch Anwenden einer
Materialübertragungstechnik
und eines Geräts,
das in einer Feststoffbilden-Technik anwendbar ist mit dem Gebrauch
einer digitalen Bildprojektion oder Laserabtastens in einer Weise,
die ein dreidimensionales Objekt herstellt, das genau die CAD-Darstellung
wiedergibt, ohne die Bildung von Luftlöchern in dem verfestigbaren
flüssigen
Harz.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Aspekt der gegenwärtigen
Erfindung, dass ein Feststoffbilden-Gerät geliefert wird, das ein Transportmittel
für Baumaterial
benutzt, das die Bildung von Luftlöchern in der transportierten
Schicht von verfestigbarem flüssigen
Baumaterial vermeidet, um ein Bilden mit hoher Auflösung von
dreidimensionalen Objekte zu erreichen, die unter Verwendung von
UV-Strahlung oder
sichtbarem Licht und eines Photopolymer-Baumaterials gebaut werden.
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Es
ist ein anderer Aspekt der gegenwärtigen Erfindung, dass ein
Feststoffbilden-Gerät geliefert
wird, das ein Transportmittel von Baumaterial verwendet, das es
dem Objekt, das gebildet wird, erlaubt, sich von einem für Strahlung
transparenten Baumaterialträger
zu trennen ohne aufzuspalten und verbunden zu bleiben mit einem
empfangenden Substrat, wenn das Objekt Schicht für Schicht gebaut wird.
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Es
ist ein Merkmal der gegenwärtigen
Erfindung, dass ein Transportmittel für ein Baumaterial unter Benutzung
einer dehnbaren Membran und eines für Strahlung transparenten Baumaterialträgers angewendet wird,
um zu verursachen, dass der Träger
des verfestigbaren flüssigen
Baumaterials das Baumaterial auf ein empfangendes Substrat überträgt und ein
verfestigtes Baumaterial hat, das sich sauber und ohne Aufspaltung von
dem Träger
für das
verfestigbare flüssige
Baumaterial trennt.
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Es
ist ein anderer Aspekt der gegenwärtigen Erfindung, dass die
dehnbare Membran ein abnutzungsresistentes für Strahlung transparentes Material
ist, das in einem Rahmen des Feststoffbilden-Geräts aufbewahrt wird.
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Es
ist noch ein anderes Merkmal der gegenwärtigen Erfindung, dass die
dehnbare Membran pneumatisch dehnbar und einziehbar ist.
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Es
ist noch ein anderes Merkmal der gegenwärtigen Erfindung, dass die
dehnbare Membran die Form einer bogenförmigen Wölbung bildet, wenn sie pneumatisch
gedehnt wird, so dass sie den für
Strahlung transparenten Träger
des Baumaterials am höchsten
Punkt der Wölbung
berührt
und nachfolgend an niedrigeren Punkten auf ihrer Oberfläche, wenn
sie in Kontakt mit dem für
Strahlung transparenten Träger
des Baumaterials gebracht wird.
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Es
ist ein weiteres Merkmal der gegenwärtigen Erfindung, dass das
verfestigbare flüssige
Baumaterial sequenziell von einem flexiblen, für Strahlung transparenten Baumaterialträger zu einem
empfangenden Substrat übertragen
wird, so dass es keine Relativbewegung zwischen dem Baumaterialträger und
dem Substrat gibt und keine Luftblasen in dem transportierten Baumaterial
eingeschlossen werden.
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Es
ist noch ein anderes Merkmal der gegenwärtigen Erfindung, dass die
dehnbare Membran eine Form einer bogenförmigen Wölbung bildet, wenn sie pneumatisch
gedehnt wird, um zu verursachen, dass der gegenüber Strahlung transparente
Baumaterialträger
nach der Bestrahlung sich von dem verfestigten Baumaterial trennt
anfänglich
bei den niedrigsten Punkten der Wölbung und dann nachfolgend
bei den höheren
Punkten auf ihrer Oberfläche,
wenn sie nach der Bestrahlung gedehnt wird, um den Kontakt von dem
für Strahlung transparenten
Baumaterialträger
mit dem verfestigten Baumaterial zu brechen.
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Es
ist ein Vorteil der gegenwärtigen
Erfindung, dass ein Feststoffbilden-Gerät mit niedrigen Kosten erhalten
wird, das eine hohe Auflösung
und blasenfreie dreidimensionale Objekte liefert.
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Es
ist ein anderer Vorteil der gegenwärtigen Erfindung, dass die
Auslegung der dehnbaren Membran einfach und effektiv ist beim Erzeugen
von blasenfreien dreidimensionalen Objekten Schicht für Schicht.
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Diese
und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden von der gegenwärtigen Erfindung
durch den Gebrauch eines Feststoffbilden-Geräts und -verfahrens erhalten,
welche Transportmittel für
Baumaterial verwenden, um verfestigbares flüssiges Baumaterial von einem
für Strahlung
transparenten Baumaterialträger zu
einem empfangenden Substrat in einer blasenfreien Weise zu übertragen
und das verfestigte Baumaterial sauber von dem für Strahlung transparenten Baumaterialträger zu trennen,
wenn jede Schicht in einem Objekt gebildet wird, welches Schicht
für Schicht
gebaut wird. In einer Ausführungsform
wird eine dehnbare, für
Strahlung transparente Membran verwendet, die am Anfang den für Strahlung
transparenten Baumaterialträger
an einem hohen Punkt berührt,
dann nachfolgend an niedrigeren Punkten, um die Übertragung des Baumaterials zu
einem empfangenden Substrat zu bewirken ohne das Einschließen von
Luftblasen in den Schichten des übertragenen
Baumaterials, wenn das dreidimensionale Objekt Schicht für Schicht
gebildet wird. Nach Bestrahlung und Verfestigung des Baumaterials
wird die dehnbare für
Strahlung transparente Membran gedehnt, um nachfolgend das verfestigte
Baumaterial von dem für
Strahlung transparenten Baumaterialträger an den niedrigsten Punkten
zu trennen und dann an höheren
Punkten den Kontakt des für
Strahlung transparenten Baumaterialträgers mit dem verfestigten Baumaterial
zu unterbrechen. In einer zweiten Ausführungsform wird ein flexibler
für Strahlung
transparenter Baumaterialträger
sequenziell in Kontakt mit empfangenden Substrat gebracht, so dass
es keine relative Bewegung zwischen dem empfangenden Substrat und
dem Baumaterialträger
gibt, um einen blasenfreien Transport des verfestigbaren flüssigen Baumaterials
zu bewirken, wenn ein dreidimensionales Objekt Schicht für Schicht
gebildet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich
werden nach der Betrachtung der folgenden detaillierten Offenbarung
der Erfindung, besonders wenn sie in Verbindung mit den folgenden
Zeichnungen genommen wird, wobei:
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1 ist
eine diagrammartige Darstellung eines Feststoffbilden-Systems mit
flexiblem Transport, welches ein Transportmittel für Baumaterial
benutzt, das eine dehnbare Membran in einer völlig ausgebreiteten oder nicht
gedehnten Lage zeigt;
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2 ist
eine diagrammartige Darstellung einer vollständig gedehnten Membran in Kontakt
mit dem Baumaterialträger
an dem höchsten
Punkt der gedehnten bogenförmigen
Wölbung;
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3 ist
eine diagrammartige Darstellung einer dehnbaren Membran in einem
teilweise gedehnten oder abgeflachten Zustand im Kontakt mit dem
Baumaterialträger
in einer erhöhten
Lage der Unterstützungsbühne, die
das dreidimensionale Objekt hält;
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4 ist
eine diagrammartige Darstellung einer alternativen Ausführungsform
eines Transportmittels für
Baumaterial, das ein hin und her bewegbares Modul verwendet und
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5 ist
eine teilweise vergrößerte diagrammartige
Darstellung der Ausführungsform
aus 4, welche Baumaterial auf der Unterstützungsbühne zum
Zeitpunkt des Transports zu einem dreidimensionalen Objekt zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Feststoffbilden
(solid imaging) mit flexiblem Transport vom hier offenbarten Typ
beinhaltet den Schicht-für-Schicht-Aufbau
von Artikeln aus einem mit sichtbarer oder UV-Strahlung aushärtbaren
flüssigen Photopolymermaterial,
das durch ein Endlosband mit flexiblem Transport oder ein hin und
her bewegbares Folienblatt geliefert wird. Flüssiges Photopolymermaterial
wird aus einer Kassette an das Endlosband oder das hin und her bewegbare
Folienblatt geliefert, die ein geeignetes Beschichtungsgerät wie ein
Tiefdruckwalze verwendet, die das Photopolymer aufnimmt und es zu
dem flexiblen Transportgerät
transportiert, um frisches Material zu liefern, um neue Schichten
zu erzeugen, wenn das dreidimensionale Objekt gebaut wird. Das Photopolymer-Baumaterial
wird über
Transportmittel zu einem empfangenden Substrat geliefert, ohne Luftlöcher in den
transportierten Schichten einzuschließen. Das Photopolymer-Baumaterial
wird abgebildet durch Strahlung, die entweder aus einem digitalen
UV-Projektor oder einem digitalen Projektor für sichtbares Licht projiziert
wird und Schicht für
Schicht verfestigt. Der Projektor enthält einen räumlichen Lichtmodulator wie
zum Beispiel ein digitales Mikrospiegelgerät (Micro-mirror device) („DMD"), das selektiv Pixels
zum Abbilden beleuchtet. Projektion mit sichtbarem Licht ist ein
bevorzugter Zugang.
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Festbilden-Teile
werden bevorzugt auf eine Hebebühne
gebaut, die das Bauobjekt oder einen Teil davon nach oben in Kontakt
mit dem flüssigen
Photopolymerbaumaterial bewegt und nach der Belichtung nach unten
und außerhalb
des Kontakts mit dem flüssigen
Photopolymer-Baumaterial, da nachfolgende Schichten oder Lagen während des
Bauprozesses gebildet werden. Das Bauobjekt kann auf Strukturen
gebaut werden, die als Unterstützungen
bekannt sind, statt direkt auf der Hebebühne. Unterstützungen
werden benutzt für komplexere
dreidimensionale Objekte, die gebaut werden, die nicht unterstützte oder
teilweise nicht unterstützte
Oberflächen
haben.
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Kommerziell
erhältliche
digitale Lichtprojektoren, optional modifiziert, um eine kürzere Brennweite
zu haben, können
verwendet werden, wie jene erhältlich
von InFocus Coporation aus Wilsonville, Oregon und BenQ America
Corporation aus Irvine, CA.
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In
einer Anwendung der gegenwärtigen
Erfindung wird das Photopolymer-Baumaterial
zu einer Bildfläche
durch eine für
Strahlung transparente flexible Baumaterialträger-Folie, wie ein Polypropylen
oder Polycarbonat. Das Photopolymer-Baumaterial wird in der in 1 gezeigten
Ausführungsform
in einer dünnen Schicht
auf die flexible Transportfolie aufgetragen.
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Wie
in 1 gesehen, hat ein flexibles Transportbildsystem,
welches gemeinhin durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet
wird, einen für
Strahlung transparenten Baumaterialträger in der Form eines Endlosbandes 11,
das über
einer Antriebswalze 12 und einer Folgewalze 14 positioniert
ist. Ein digitaler Lichtprojektor ist die Strahlungsquelle 15,
die ein Bild mit ausgewählten
Pixels für
die Beleuchtung auf einen Spiegel (nicht gezeigt) unterhalb des
oberen Laufes des Endlosbandes 11 projiziert bei der Belichtung
eines Querschnitts des dreidimensionalen Objekts 25, welches
auf einer Unterstützungsbühne 16 gebildet
wird. Die Unterstützungsbühne 16 wird
gehoben und gesenkt, um die Querschnittschichten, die gebildet werden,
in Kontakt mit der Schicht von Harz oder verfestigbarem flüssigem Baumaterial 24 zu
bringen, das auf dem Endlosband 11 aus der Kassette für Harz oder
verfestigbares flüssiges
Medium, die im allgemeinen durch das Bezugszeichen 18 bezeichnet
ist, abgelagert wird. Kassette 18 enthält einen Vorrat an Harz oder
verfestigbarem flüssigem
Medium 20 und eine Tiefdruckwalze 19, die das
verfestigbare flüssige
Medium auf das Band 11 aufträgt. Ein Subpixel-Bildplatzierungsgerät (sub pixel
image placement device), das im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 21 bezeichnet
ist, wird zwischen der Strahlungsquelle 15 und der Zielfläche auf
dem Band 11 platziert, der mit dem verfestigbaren flüssigen Baumaterial 24 beschichtet
ist. Die Bestrahlung des Bildquerschnitts durch Beleuchten von ausgewählten Pixeln
erzeugt einen verfestigten Teil des Querschnitts des dreidimensionalen
Objekts, welches gebildet wird. Das Gerät 21 kann alternativ
ein Spiegel mit dem Pixelverschiebegerät, welches sich außerhalb
des Laufs des Endlosbandes 21 befindet, oder es könnte sowohl
den Spiegel wie auch das Pixel-Verschiebegerät in einem einzelnen Bauteil
kombinieren. Eine dehnbare Membran 26, am besten sichtbar
in 2 und 3, die an einem Membranrahmen 28 angebracht
ist, befindet sich gerade oberhalb des Endlosbandes 11,
um das für
Strahlung transparente Endlosband 11, das auf einer ersten
Seite mit dem verfestigbaren flüssigen
Baumaterial beschichtet ist, in Kontakt mit dem empfangenden Substrat,
wie zum Beispiel den dreidimensionalen Objekten 25, zu
bringen. Membran 26 ist ebenfalls für Strahlung transparent und aus
einem geeigneten Material wie Polyethylen oder Polypropylen hergestellt.
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Nun 2 betrachtend,
ist dort eine diagrammartige Darstellung der dehnbaren Membran 26 in
ihrer aufgeblasenen oder gedehnten Konfiguration mit gebogener Wölbung gezeigt. 2 ist
mit einer übertriebenen
Vergrößerung gezeigt,
um die Dehnung, die auftritt, darzustellen. Die wirkliche Verschiebung,
die abhängig
von der Entfernung zwischen Antriebswalze 12 und Folgelwalze 14 ist,
kann so klein wie ungefähr
0,025 Inch sein gegenüber
dem normalen Weg des Bandes 11, wenn die Membran nicht
gedehnt ist. Membran 26 wird in einem Rahmen 28 aufbewahrt,
welcher fixierbar an dem Gerät
befestigt ist, welches zum Bilden von dreidimensionalen Objekten
verwendet wird (nicht gezeigt). Der Rahmen 28 ist aus irgendeinem
für Strahlung transparenten,
geeigneten Material gemacht, wie zum Beispiel Kunststoff. Bevorzugt
ist der Rahmen 26 eine maschinell hergestellte Platte aus
Plexiglas, die in dem Gebiet für
Strahlung transparent ist, welches oberhalb der Bildebene und des
empfangenden Substrats ist. Alternativ kann eine Glasplatte, die
dicht an einer maschinell bearbeitbaren oder anderweitig gebildeten
Randvorrichtung befestigt ist, verwendet werden. Die Membran 26 wird
in einer Vertiefung 29 aufbewahrt, in welcher der Befestigungsring,
wie zum Beispiel ein Dichtungsring, platziert wird. Die Vertiefung 29 erstreckt
sich über
den Rand des Rahmens 28. Der Rahmen 28 kann irgendeine
geeignete geometrische Form haben wie zum Beispiel rechteckig, quadratisch,
fünfeckig,
oval oder kreisförmig,
mit einer geschlossenen Seite gegenüber der Membran 26,
um einen Raum dazwischen zu erzeugen, den Luft füllen kann. Eine kreisförmige Form
ist bevorzugt. Luftwege werden im Rahmen 28 bereitgestellt,
die mit einer Quelle für
Luft (ebenfalls nicht gezeigt) verbunden sind. Luft wird in den
Raum zwischen dem Rahmen 28 und der Membran 26 hineingedrückt, um
pneumatisch die Membran aufzublasen oder zu dehnen, um die Konfiguration
einer bogenförmigen
Wölbung
zu bilden. Es sollte bemerkt werden, dass alternativ irgendein geeignetes
Gas verwendet werden kann wie zum Beispiel Kohlendioxid oder Stickstoff.
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In
der gedehnten Konfiguration, die in 2 zu sehen
ist, hat die Membran einen hohen Punkt 31 mit niedrigeren
Punkten über
ihrer gewölbten
Oberfläche,
die sich nach unten zu der Vertiefung 29 erstrecken. Wie in 2 zu
sehen, berührt
der hohe Punkt oder Kontaktpunkt 31 der gedehnten Membran 26 die
gegenüberliegende
zweite Seite des Endlosbandes 11 und drückt das Band 11 am
hohen Punkt 31 in Kontakt mit dem empfangenden Substrat,
welches die Unterstützungsbühne 16 ist
oder durch die Unterstützungsbühne 16 unterstützt wird.
Das verfestigtbare flüssige
Baumaterial 24, das auf die erste Seite des Endlosbandes
aufgetragen worden ist, wird zu einem empfangenden Substrat übertragen,
das entweder die Unterstützungsbühne 16 oder
das dreidimensionale Objekt 25 ist, wie es Schicht für Schicht
gebaut wird. Die erste Schicht des verfestigbaren flüssigen Baumaterials 24,
die aufgetragen wird, wird direkt auf die Oberfläche der Unterstützungsbühne 16 aufgetragen
und alle nachfolgende Schichten des verfestigbaren flüssigen Baumaterials 24 werden auf
die verfestigten Querschnitte des dreidimensionalen Objekts 25 aufgetragen,
die durch die Belichtung mit der Strahlungsquelle 15 geformt
werden. Die Unterstützungsbühne 16 ist
beweglich zwischen einer abgesenkten Position und einer angehobenen
Position, bei der sie auf der ersten Seite des Endlosbandes 11 in
Kontakt mit dem verfestigbaren flüssigen Baumaterial 24 gebracht
wird. Wie in 2 zu sehen, erzeugt der Kontakt des
hohen Punktes 31 der bogenförmig gewölbten Membran mit der gegenüberliegenden
zweiten Seite des Endlosbandes 31 Luftlöcher, die im allgemeinen durch
das Bezugszeichen 32 bezeichnet sind, aus denen Luft herausgedrückt werden
kann und entfliehen kann, wenn die Unterstützungsbühne 16 angehoben wird
und die Gestalt einer bogenförmigen
Wölbung
der Membran 26 abgeflacht wird.
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3 zeigt
die Unterstützungsbühne 16 in
einer angehobenen Position mit dem dreidimensionalen Objekt 25 in
Kontakt mit dem verfestigbaren flüssigen Baumaterial 24 auf
der ersten Seite des Endlosbandes 11. Luft ist aus dem
Raum oder den Lücken 32 zwischen
dem Bauobjekt und der Schicht des verfestigbaren flüssigen Baumaterials 24 auf
dem Endlosband 11 in einer Art herausgedrückt worden,
um das Einschließen von
Luftlöchern
zu verhindern. In dieser Position ist Luft durch die Luftwege 30 aus
dem Raum zwischen der Membran 26 und dem Rahmen 28 herausgedrückt worden,
als die dehnbare und einziehbare Membran 26 komprimiert
und abgeflacht worden ist. Wenn die Membran 26 durch die
Aufwärtsbewegung
der Unterstützungsbühne 16 komprimiert
wird, wird die erste Seite des für
Strahlung transparenten Baumaterialträgers, in dieser Ausführungsform
das Band 11, mit dem verfestigbaren Baumaterial 24 darauf
sequenziell in Kontakt mit und das Baumaterial 24 wird übertragen
auf das empfangende Substrat, das der Querschnitt des dreidimensionalen
Objekts 25 ist, welches gebildet wird. Nachdem der hohe
Punkt 31 der Membran 26 bewirkt, dass das verfestigbare
flüssige
Baumaterial 24 anfänglich
auf der ersten Seite des Teils des Bandes 11 unmittelbar
gegenüber
dem hohen Punkt 31 das empfangende Substrat berührt, bewirken
niedrigere Punkte der bogenförmig
gewölbten
Oberfläche
der gedehnten Membran 26, dass das verfestigbare flüssige Baumaterial 24 auf
den entsprechenden gegenüberliegenden
Positionen des Bandes 11 ebenfalls das empfangende Substrat,
d.h. den Querschnitt des dreidimensionalen Objekts 25,
welches gebildet wird, berührt
und darauf übertragen
wird. Wenn die Membran 26 in ihrer vollständig komprimierten
Lage ist, ist sie flach gegenüber
dem Rahmen 28 und die ebene Oberfläche der geschlossenen Seite
des Rahmen 28 hilft, die Schicht des verfestigbaren flüssigen Baumaterials 24 zu
ihrer richtigen Dicke zu komprimieren. Wenn das Endlosband 11 in
einer Halteposition und die Membran 26 vollständig komprimiert
ist, wird die Strahlungsquelle 15 aus 1 eingeschaltet,
um selektiv bildweise das Baumaterial 24 zu bestrahlen
und zu verfestigen. Nach der Verfestigung wird die Unterstützungsbühne 16 abgesenkt,
um den Prozess zu wiederholen und zu erlauben, dass eine frische
Schicht von verfestigbarem flüssigem
Baumaterial 24 auf dem empfangenden Substrat abgelagert
wird, welches nun das gerade bestrahlte und verfestigte Baumaterial
ist, welches die oberste Schicht oder Querschnitt des dreidimensionalen
Objekts 25 bildet, welches gebaut wird.
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Die
dehnbare Membran 26 kann auch aufgeblasen werden, wenn
die Unterstützungsbühne 16 abgesenkt
wird, um die Trennung oder das Abschälen des verfestigbaren flüssigen Baumaterials
in dem bestrahlten Querschnitt und weg von Band 11 und
dem unbestrahlten flüssigen
Baumaterial 24. Die dehnbare Membran 26 wird wieder
aufgeblasen, um zu bewirken, dass die bestrahlte und nun verfestigte
Schicht von Baumaterial sich sauber von dem für Strahlung transparenten Endlosband 11 trennt
ohne Aufspaltung der schon verfestigten Schichten oder teilweiser
Trennung der gegenwärtig
bestrahlten und verfestigten Schicht vom Endlosband 11.
Dies wird bewirkt durch die Membran 26, die anfänglich verursacht,
dass das verfestigte Baumaterial sich von dem Endlosband 11 an
den niedrigsten Punkten der bogenförmigen Wölbung trennt und dann nachfolgend an
höheren
Punkten, wenn die Membran 26 aufgeblasen wird, bis nur
der höchste
Punkt der bogenförmigem Wölbung übrig bleibt,
um das Baumaterial vom Endlosband 11 zu trennen, wenn die
Unterstützungsbühne 16 abgesenkt
wird. Das Absenken der Unterstützungsbühne 16 erlaubt
es dann dem Band 11, seine Bewegung wieder aufzunehmen
und eine frische Schicht von Harz oder verfestigbarem flüssigen Baumaterial 24 zu
liefern, die auf dem Endlosband aus der Kassette für das Harz
oder verfestigbares flüssiges
Medium abgelagert wird, so dass der schichtweise Bauprozess sich
fortsetzen kann, bis ein dreidimensionales Objekt 25 fertig
gestellt ist.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform,
die eine flexible Folie verwendet, die hin- und her beweglich an
einer hin und her beweglichen Kassette angebracht ist, welche allgemein
mit dem Bezugszeichen 33 unterhalb der Strahlungsquelle 15 aus 1 bezeichnet
wird. Die Kassette 33 hat einen für Strahlung transparenten Baumaterialträger 34,
welcher die flexible Folie ist, welche über den beiden Seiten eines
Dreiecks zwischen der Antriebswalze 35 und den Führungswalzen 36 angeordnet
ist. Die flexible Folie ist an der dritten Seite an gegenüberliegenden
Enden verbunden durch eine angemessene Verdrahtung, um die Einschließung oder
Bildung des dreieckigen Musters zu vervollständigen. Die Unterstützungsbühne 16 ist
nach unten beweglich, so dass, wenn das dreidimensionale Objekt 25 gebildet
wird, die Bühne
um eine Schicht oder Querschnittsdicke nach unten abgesenkt wird,
bevor sie mit verfestigbarem flüssigem
Baumaterial 24 wiederbeschichtet wird. Die am weitesten
rechts liegende Führungswalze 36 hilft,
die Schicht des verfestigbaren flüssigen Baumaterials 24 zu
ihrer richtigen Dicke zu komprimieren. Die Kassette 18,
welche das verfestigbare flüssige
Baumaterial 24 enthält,
welches über
eine Tiefdruckwalze 19 aufgetragen wird, wird in ihrer
relativen Lage gezeigt zwischen der Wiederbeschichtungsposition,
welcher in gestrichelten Linien dargestellt ist und der Position
für Transport
des verfestigbaren flüssigen
Baumaterials, welche in durchgezogenen Linien dargestellt ist. Der
hin und her bewegliche Wagen bewegt sich von links nach rechts von
einer Beschichtungsposition zu einer Auftrageposition, und der für Strahlung
transparente Baumaterialträger 34 wird
durch die Antriebswalze 35 um die Führungswalzen 36 herum
in einer solchen Weise hin und herbewegt, dass es keine Relativbewegung
zwischen dem für
Strahlung transparenten Baumaterialträger und dem empfangenden Substrat
gibt, welches entweder die Unterstützungsbühne 16 für die erste
Schicht ist oder das dreidimensionale Objekt 25 für nachfolgende
Schichten. Es gibt keine horizontale Bewegung des für Strahlung
transparenten Baumaterialsträgers 34 mit
dem verfestigbaren flüssigen
Baumaterial 24 und dem dreidimensionalen Objekts 25,
weil das Baumaterial mit keiner horizontalen Kraft auf das dreidimensionale
Objekt 25 aufgetragen wird. Dies wird erreicht durch Anpassen
der Geschwindigkeit und der Beschleunigung von sowohl dem hin und
her beweglichen Wagen 33 als auch von dem für Strahlung
transparenten Baumaterialträger 34.
In dieser Art werden keine Luftblasen in dem transportierten verfestigbaren
flüssigen
Baumaterial eingeschlossen. Außerdem
können
feine Merkmale und empfindliche Details in dem Objekt 25 hergestellt
werden. Weiterhin schält
sich der für
Strahlung transparente Baumaterialträger 34 weg von der
bestrahlten und verfestigten Schicht des Baumaterials 24,
welche den Querschnitt des dreidimensionalen Objekts 25 bildet,
welches mit keiner horizontalen Bewegung zwischen ihnen gebildet
wird.
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Die
Antriebswalze 35 wird bevorzugt durch ein Getriebe angetrieben
und die Verdrahtung ist ein zusammengesetzter Getriebegürtel mit
Zähnen,
so dass die beiden Bänder
die flexible Folie aus Polypropylen oder Polykarbonat verbinden,
die den für
Strahlung transparenten Baumaterialträger 34 entlang der äußeren Ränder des
Baumaterialträgers
bildet. Demnach ist das Gebiet zwischen den Getriebebändern offen,
um es der Strahlungsquelle zu erlauben, die Bildebene und das verfestigbare
flüssige
Baumaterial 24 auf dem für Strahlung transparenten Baumaterialträger 34 ungehindert
zu beleuchten, während
der Wagen 33 in einer stationären Position ist, nachdem das
verfestigbare flüssige
Baumaterial 24 zu dem empfangenden Substrat transportiert
worden ist.
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Der
Transport wird am besten diagrammatisch in vergrößerter Weise in 5 gezeigt,
wobei die Führungswalze 36 gezeigt
wird, wie sie den für
Strahlung transparenten Baumaterialträger 34 um sich gewickelt hat
mit dem verfestigbaren flüssigen
Baumaterial 24 an der ersten Seite, welche sequenziell
in Kontakt mit dem empfangenden Substrat platziert wird, d. h. der
vorher bestrahlten Schicht des dreidimensionalen Objekts 25. Wie
in dieser Ansicht gezeigt, existiert die Luftlücke 32, um es den
Luftblasen zu erlauben, aus dem Raum zwischen dem empfangenden Substrat
und der Schicht von verfestigbarem flüssigem Baumaterial 24,
welches auf das empfangende Substrat übertragen wird, zu entweichen.
In dieser Ausführungsform
tritt der sequenzielle Transport des verfestigbaren flüssigen Baummaterials 24 auf,
wenn aufeinanderfolgende Punkte des für Strahlung transparenten Baumaterialträgers 34 das
untere Ende der Walze 36 passieren, bewirkend, dass das Baumaterial 24 das
empfangende Substrat berührt
und darauf übergeht,
welches der Querschnitt des dreidimensionalen Objekts 25 ist,
welches gebildet wird. Nach der Bestrahlung geht der Wagen 33 zu
der äußersten Position
links zurück,
welche mit gestrichelten Linien in 4 gezeigt
ist und der für
Strahlung transparente Baumaterialträger 34 kehrt seine
Richtung um, um eine Linie pro Zeit von dem nicht bestrahlten flüssigen Baumaterial 24 und
dem Träger 34 quer
zu der Breite des Trägers 34 zu
trennen, um es von dem bestrahlten und verfestigten Baumaterial
um die Führungswalze
36 herum abzuschälen.
Die Flexibilität
des für
Strahlung transparenten Baumaterialträgers 34 ermöglicht es,
dass die Trennung in einer Aktion ähnlich einer Schälung auftritt,
da die Trennungskraft proportional zu der Breite der bestrahlten
Fläche
des Baumaterials 24 ist, im Gegensatz zur Gesamtfläche des
bestrahlten Baumaterials, wie es im Falle einer unflexiblen glatten
Oberfläche auftritt.
Der Gebrauch einer Walze, die der für Strahlung transparente Baumaterialträger 34 passiert,
macht das Auslösen
der Schäleffekte
vorhersehbar wegen der konstanten horizontalen und vertikalen Kräfte, die
aus der Verwendung einer Walze mit festem Radius resultieren. Zusätzlich wird
in dieser Ausführungsform
und der Ausführungsform,
die in den 1–3 dargestellt ist,
die Kraft eliminiert, um das Vakuum zwischen dem für Strahlung
transparenten Baumaterialträger 34 und
dem verfestigten Baumaterial 24 zu brechen, da der Schälvorgang
es der Luft erlaubt, zwischen die beiden Oberflächen einzutreten, in deutlichem
Kontrast zu dem, was bei einer unflexiblen ebenen Oberfläche passiert.
Beide Ausführungsformen
erlauben die Trennung des unbestrahlten Baumaterials und des für Strahlung
transparenten Baumaterialträgers 34 von
dem verfestigten Baumaterial, ohne das Objekt, das gebildet wird,
zu beschädigen
oder den Verlust von empfindlichen Merkmalen zu verursachen.
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Daten,
um ein dreidimensionales Objekt zu bauen, werden zum Festbilden-System von einer CAD-Station
(nicht gezeigt) gesendet, die die CAD-Daten in ein geeignetes Datenformat
einer digitalen Schicht umwandelt und sie in ein Computersteuersystem
(ebenfalls nicht gezeigt) eingibt, in dem die Objektdaten manipuliert
werden, um die Daten mittels eines Algorithmus zu optimieren, um
Ein/Aus-Befehle für
den digitalen Lichtprojektor zu liefern. Die Schichtdaten für Festbilden
werden aus den CAD-Daten erzeugt, die mit einem Schnittprogramm
verarbeitet werden, um Querschnittsdaten zu erzeugen. Ein Algorithmus
wird dann auf die Querschnittsdaten von einem geeigneten Steuergerät angewendet,
wie einem Mikroprozessor oder Computer, um die Befehle für den digitalen
Lichtprojektor zu erzeugen, um ausgewählte Pixel in dem Bild zu beleuchten innerhalb
der Grenze des dreidimensionalen Objekts im Querschnitt, der erzeugt
wird. Der Algorithmus kann Pixel zur Beleuchtung auswählen, die
nur volle Pixel sind innerhalb der Grenze des Bildes in dem Querschnitt, welcher
bestrahlt wird. Die Bestrahlung kann in vielen Bestrahlungen einer
Querschnittsschicht durchgeführt werden,
so dass z.B. eine zweite Bestrahlung derselben Querschnittsschicht
gemacht wird mit in X- und Y-Richtung verschobenen Pixeln. Die resultierende
Bestrahlung auf derselben Querschnittsschicht der beiden Bestrahlungen
erzeugt eine höhere
Auflösung
und einen Objektquerschnitt mit weicheren Rändern. Alternativ können, wenn
gewünscht,
verschiedene Algorithmen verwendet werden, um als Pixel zur Beleuchtung
nur jene Pixel auszuwählen,
die einen gewünschten
Prozentsatz, der von ungefähr
1 % bis zu ungefähr
100 % reicht, des vollen Pixels haben innerhalb der Grenze des Bildes
im Querschnitt, welcher bestrahlt wird, abhängig von der Zahl der Belichtungen
und Pixelverschiebungen, die innerhalb der Querschnittsfläche durchgeführt werden
sollen. Zusätzlich
kann der verwendete Algorithmus die Fläche des Pixels innerhalb der
Grenze des Bildes im Querschnitt separat oder in Kombination mit
einem ausgewählten
Winkel berücksichtigen,
mit dem die Bildgrenze durch die Pixel innerhalb des Bildes im Querschnitt,
welcher bestrahlt wird, hindurchgeht. Wenn ein bestimmter gewünschter
Prozentsatz von Pixeln innerhalb der Grenze des Querschnitts bestrahlt
wird, wird das Bild größer als
erwünscht.
In diesem Fall wird eine „Linienbreiten-Korrektur" der Grenzlinie des
Querschnitts benötigt
werden. Wo Unterstützungen
im Bauprozess benutzt werden, entweder mit zwei verschiedenen Materialien
oder einem Material, das dasselbe ist für das Bauobjekt und die Unterstützung, wird
weder Pixelverschieben noch zweite Bestrahlung in jedem Unterstützungsquerschnitt
in einem eine zweite Unterstützung
erzeugenden Algorithmus verwendet. Jeder Pixel wird beleuchtet,
der irgendeinen Teil einer Unterstützung innerhalb der Grenze
des Bildes hat.
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Wie
oben gesagt, kann entweder ein Ultraviolett(„UV")-Digitaler-Strahlungsprojektor oder ein digitaler Projektorsystem
mit sichtbarem Licht verwendet werden, um das unter Licht aushärtbare verfestigbare
flüssige Baumaterial
auszuhärten.
Mit beiden Arten des digitalen Lichtprojektors kann ein Algorithmus
verwendet werden, der Pixel aus einem Querschnitt auswählt, die
vorher bestrahlt worden sind, um ein übermäßiges Aushärten des Harzes in jenen Gebieten
zu verhindern. Ein solches übermäßiges Aushärten kann
Verwirbelung des Teils, Schrumpfung und Störung des Teils verursachen.
Zusätzlich
ist es möglich,
die Bildgrenzen in eine Bitmap zu konvertierten und dann nur jene
Pixel zu verschieben, die die Grenzen enthalten, um die geforderte Sub-Pixel-Platzierungsgenauigkeit
und Weichheit der Ränder
zu erreichen. Alternativ kann Laserabtasten mit UV-Strahlung oder
sichtbarem Licht benutzt werden, um das verfestigbare flüssige Baumaterial
vektorartig abzutasten und zu bestrahlen.
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Jedes
geeignete flüssige
Baumaterial, welches zur Verfestigung in Antwort auf die Anwendung
einer geeigneten Art von Energiestimulation fähig ist, kann in der Praxis
der gegenwärtigen
Erfindung verwendet werden. Viele flüssige Chemikalien sind bekannt,
die induziert werden können,
sich nach Einstrahlung von UV-Strahlung oder sichtbarem Licht in
einen Festkörper-Polymerkunststoff
zu verwandeln. Ein geeignetes, unter sichtbarem Licht aushärtbares
Photopolymer, welches in der Praxis der gegenwärtigen Erfindung verwendet
werden kann, wird in Tabelle 1 unten gezeigt. Diese Rezeptur zeigte
exzellente Auflösung
und Photogeschwindigkeit, wenn sie mit einem BenQ-PB7220-Projektor verwendet
wurde. Die erzeugten Teile zeigten eine herausragende jungfräuliche Festigkeit
mit balancierter Steilheit und Härte.
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Additive
können
in diese Rezeptur einbezogen werden, um die Ablösefähigkeit vom transparenten Transportmittel
zu befördern,
wie z. B. Silikonacrylat-Materialien.
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Während die
Erfindung oben mit Bezug auf verschiedene ihrer Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass viele Änderungen,
Modifikationen und Variationen in den Materialien, in der Anordnung
von Teilen und Schritten gemacht werden können, ohne von dem hier offenbarten
erfinderischen Konzept abzuweichen. Zum Beispiel, wo ein Laser,
Laserabtastspiegel und andere verwandte Geräte statt einer digitalen Bildprojektorausstattung
verwendet werden, wird kein Subpixel-Bildplatzierungsgerät verwendet. Außerdem versteht
es sich mit Bezug auf die in 4 und 5 gezeigte
Ausführungsform,
dass, obwohl gezeigt und beschrieben wurde, dass der für Strahlung
transparente Baumaterialträger
in einer dreieckigen Form um die Walzen angeordnet ist, jede Anzahl
von verschiedenen Führungen
verwendet werden könnte,
die eine geeignete geometrische Form wie ein Rechteck, Quadrat oder
Fünfeck
bilden. Dementsprechend wird der Geist und weite Umfang der angehängten Ansprüche angestrebt,
um alle solche Änderungen,
Modifikationen und Variationen zu umfassen, die einem Fachmann beim
Lesen der Offenbarung einfallen können. Alle Patentanmeldungen,
Patente und andere Publikationen, die hier zitiert werden, sind
in Ihrer Gänze
durch Bezug eingeschlossen.
