DE19528215A1

DE19528215A1 - Three=dimensional model or tool mfr. employing rapid prototyping methods - involves building up layers of different materials according to use and processing each layer by a variety of chemical, physical or mechanical methods

Info

Publication number: DE19528215A1
Application number: DE1995128215
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Himmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 1997-02-06

Abstract

A process for mfg. 3-D models or moulds uses rapid prototyping principles for building up a structure in layers.The individual layers are processed by mechanical, chemical or physical methods in the X-Y plane as the layers are built up and the methods and order of layer application and processing can be varied to permit use of a wide variety of different materials.

Description

Das beschriebene Verfahren betrifft die Herstellung von dreidimensionalen Formen und Modellen und gehört zu den Prozessen des Rapid Prototyping (Schnelle Prototypenfertigung) die auch als Solid Freeform Manufacturing, Layer Manufacturing (Schichtentechnologien), Desktop Manufacturing oder Solid Freeform Fabrication bekannt sind.The method described relates to the production of three-dimensional shapes and Models and belongs to the processes of rapid prototyping also as Solid Freeform Manufacturing, Layer Manufacturing (Layer Technologies), Desktop Manufacturing or Solid Freeform Fabrication are known.

Gegenwärtig sind zahlreiche Rapid Prototyping Verfahren im Einsatz. Die unter dem Namen "Stereolithografie" bekannte Technologie ist der Hauptvertreter dieser Klasse von Verfahren. Bei diesem Verfahren wird ein CAD-Computer-Modell in Schichten zerlegt. Die entstandenen Querschnitte werden nun mit Hilfe eines Laserstrahls auf einer Photopolymeroberfläche ausgehärtet. Ist der erste Querschnitt verfestigt wird die nächste Schicht auf der Vorhergehenden aufgebaut. Auf diese Weise entsteht schichtweise ein festes dreidimensionales Modell. Die anderen bekannten Verfahren unterscheiden sich in der Ausführung der Bautechnologie.Numerous rapid prototyping processes are currently in use. The one under the name Technology known as "stereolithography" is the main representative of this class of processes. At In this process, a CAD computer model is broken down into layers. The resulting Cross sections are now made using a laser beam on a photopolymer surface hardened. If the first cross-section is solidified, the next layer is on top of the previous one built up. In this way, a solid three-dimensional model is created in layers. The other known methods differ in the execution of the construction technology.

Das Solider-Verfahren (Solid Ground Curing) verfestigt die entsprechenden Querschnittsbereiche mit Hilfe einer Maske und einer UV-Lampe.The solid ground curing method solidifies the corresponding ones Cross-sectional areas using a mask and a UV lamp.

Beim LOM-Verfahren (Laminated Object Manufacturing) werden Papierschichten übereinander geklebt und die jeweils oberste Schicht mit einem Laserstrahl entsprechend ausgeschnitten. Das nichtbenötigte Material wird nachfolgend entformt.In the LOM process (Laminated Object Manufacturing), paper layers are stacked glued and cut out the top layer with a laser beam. The Material that is not required is subsequently removed from the mold.

Das Direct Shell Casting härtet Pulverschichten selektiv aus. Dabei wird zuerst eine Schicht Pulver ausgelegt. Ein Plotter trägt dann auf die auszuhärtenden Stellen Binder auf, der sich mit dem Pulver verbindet. Es erfolgt keine Bearbeitung der Schichten während des Prozesses. Das zurückbleibende unverfestigte Pulver wird nach Prozeßende entfernt. Somit können direkt Formen für Gießprozesse hergestellt werden.Direct Shell Casting selectively cures powder layers. First there is a shift Powder designed. A plotter then applies a binder to the areas to be cured, which can also be used connects to the powder. The layers are not processed during the process. The Any remaining unconsolidated powder is removed after the end of the process. So you can directly Molds for casting processes are made.

Die bekannten Verfahren weisen jeweils spezifische Nachteile auf. Allerdings sind einige gemeinsame Mängel zu erwähnen.The known methods each have specific disadvantages. However, some are to mention common shortcomings.

1. The processes are in terms of manufacturing accuracy and thus associated accuracy of the models is not satisfactory. The area of application is therefore very limited.
2. The materials currently available have unfavorable mechanical Characteristics. The variety of materials is also limited. For example the processing of metals is not yet mastered.
3. Due to the layering technology, the models show one on the surface so-called "stair formation". That means the surface quality is for many Insufficient use cases.
4. Many models show signs of distortion as a result of shrinking processes.

Aus den genannten Nachteilen der existierenden Verfahren ergibt sich als Aufgabe der Erfindung, daß die Verfahren hinsichtlich Fertigungsgenauigkeit, Materialeigenschaften und Oberflächengüte verbessert werden müssen. Um dies zu erreichen sollen die Prozeßabläufe verändert und die Materialpalette erweitert werden.From the disadvantages of the existing processes mentioned, the task of Invention that the process in terms of manufacturing accuracy, material properties and Surface quality must be improved. In order to achieve this, the process flows should changed and the range of materials expanded.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. An inventive solution to this problem is specified in claim 1. Developments of the invention are characterized in the subclaims.

Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Veränderung der Bautechnologie gegenüber bekannten Schichtentechnologien. Das Verfahren ist dadurch geprägt, daß eine mechanische, physikalische oder chemische Bearbeitung der einzelnen Schichten in der X/Y-Ebene während des Bauprozesses erfolgt, die Technologie und Reihenfolge der Schichtauftragung wird verändert, so daß viele Materialien eingesetzt werden können. Alle bekannten Verfahren beruhen nur auf einer Verfestigung der einzelnen Schichten in der X/Y- Ebene, bei der Annahme das die Z-Koordinate die Baurichtung ist.The process is characterized by the change in building technology versus known layer technologies. The process is characterized in that a mechanical, physical or chemical processing of the individual layers in the X / Y level takes place during the construction process, the technology and order of Layer application is changed so that many materials can be used. All known methods are based only on solidification of the individual layers in the X / Y Level, assuming that the Z coordinate is the direction of construction.

Für die Verfahrensbeschreibung soll die gesamte Datenaufbereitung der Teile, wie CAD- Modellierung, Erzeugen eines Schichtfiles (Slicefile) analog den bekannten Vorgehensweisen erfolgen.For the process description, the entire data preparation of the parts, such as CAD Modeling, generation of a layer file (slicefile) analogous to the known procedures respectively.

1. Lay out the starting layer

Das Material soll ein sogenannter Füllstoff sein, der durch chemische, thermische (Wärme, Kühlung), physikalische (Strahlung) oder mechanische Verfahren verfestigt werden kann, oder es verfestigt sich von selbst (Abbinden). Als Materialien kommen nahezu alle Materialien in Frage, die sich gut "Auslegen" lassen (z. B.: durch Walzen, Rollen, Gießen, Spritzen, Auftragsverfahren wie Auftragsschweißen, Beschichtungsverfahren, Wischen, Aufstreichen, Drucken), sich nach dem Auslegen schnell verfestigen, mechanisch bearbeitbar sind und für das ausgewählte Verfahren günstig erscheinen (Hitzebeständigkeit). Beispiele: Auswalzen, Gießen oder Spritzen eines Sand-Binder-Gemisches, eines Keramikmaterials, eines Keramik-Binder-Gemisches, eines Metalls, einer Metallegierung oder eines Gießharzes mit Metall- bzw. Metallegierungsfüllung; Metallbeschichtungen; Auftragen von flüssigem Wachs; Auftrag von flüssigen oder plastischen Kunststoffmaterialien. Anschließend muß diese Schicht wie oben erläutert verfestigt werden. Die Auftragshöhe sollte höher sein als die gewünschte Schichthöhe um beim Abtragen eine exakte, ebene Fläche zu erzielen.The material is said to be a so-called filler chemical, thermal (heat, cooling), physical (radiation) or mechanical Process can be solidified, or it solidifies by itself (setting). As materials Almost all materials that can be "laid out" are suitable (e.g. by rolling, Rolling, casting, spraying, application processes such as build-up welding, coating processes, Wiping, spreading, printing), solidify quickly after laying out, mechanically are editable and appear cheap for the selected process (heat resistance). Examples: rolling, pouring or spraying a sand-binder mixture, one Ceramic material, a ceramic binder mixture, a metal, a metal alloy or a casting resin with metal or metal alloy filling; Metal coatings; Instruct of liquid wax; Application of liquid or plastic plastic materials. This layer must then be solidified as explained above. The order amount should be higher than the desired layer height in order to create an exact, flat surface during removal achieve.

2. Remove the layer

Als nächster Verfahrensschritt erfolgt ein Abtragen der verfestigten Schicht auf eine genau definierte Schichthöhe (Z-Höhe). Diese wird durch das Slicefile vorgegeben. Dadurch wird stets eine genau definierter Schichtabschluß und somit eine hohe Z- Genauigkeit erreicht. Als Abtragmethoden kämen beispielsweise mechanische Verfahren wie Fräsen, Schleifen, Hobeln, physikalische oder chemische Verfahren (Ätzen) in Frage. Durch das Abtragen werden Verzugserscheinungen beseitigt und Spannungen im Material verringert.As the next step in the process, the solidified material is removed Layer to a precisely defined layer height (Z height). This is through the slicefile given. This always ensures a precisely defined layer termination and thus a high Z Accuracy achieved. Mechanical methods such as Milling, grinding, planing, physical or chemical processes (etching) in question. By the Removal causes distortions and tensions in the material are reduced.

3. Build the starting layers

Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis eine ausreichende Anzahl von Startschichten gebaut ist. Eine gute Haftung der Schichten muß in jedem Fall gewährleistet sein.This process is repeated until a sufficient Number of starting layers is built. In any case, the layers must adhere well to be guaranteed.

4. Laying out the building material layer

Das Auslegen und Aushärten der Baustoffschicht erfolgt durch geeignete Verfahren wie unter Punkt 1 beschrieben. Ist der Baustoff z. B. Wachs erscheint eine Kühlung zur schnelleren Aushärtung sinnvoll. Die Baustoffschichten müssen zu sich selbst und zu den Füllschichten gut haften.The construction material layer is laid out and hardened by suitable procedures as described under point 1. Is the building material z. B. Wax appears Cooling makes sense for faster curing. The layers of building material must be to themselves and adhere well to the filling layers.

5. Processing the building material layer

Als nächstes wird diese Schicht in der X/Y-Ebene bearbeitet. Dazu sind geeignete Verfahren hinsichtlich Genauigkeit, Materialeigenschaften und Wirtschaftlichkeit zu wählen. Die Bearbeitung kann durch mechanische Verfahren (Fräsen, Schleifen, Gravieren, Einritzen, Einkerben, Hobeln, Schaben) physikalische oder chemische Verfahren (Ätzen) erfolgen. Bei den mechanischen Bearbeitungsvarianten ist die Werkzeuggröße von besonderer Bedeutung. Bei sehr kleinen Fräswerkzeugen (ähnlich Bohrern und Fräsern der Zahnmedizin) ist z. B. die Bearbeitung von komplizierten geometrischen Details wie Ecken besser möglich. Next, this layer is processed in the X / Y plane. Suitable procedures for this include accuracy, material properties and Economy to choose. Machining can be carried out using mechanical methods (milling, Grinding, engraving, scoring, notching, planing, scraping) physical or chemical Process (etching) take place. In the case of mechanical processing variants, that is Tool size of particular importance. For very small milling tools (similar to drills and milling of dentistry) z. B. the processing of complicated geometric details like corners better possible.

Im Sinne der Bearbeitungsmöglichkeiten und der Wirtschaftlichkeit sollte ein Werkzeugwechsel im Prozeß (Werkzeugwechselvorrichtung) vorgesehen werden. Weiterhin ist bei Fräs- und Schleifwerkzeugen der Winkel der Werkzeugachse und die Werkzeugform entscheidend. Zur Verringerung oder Beseitigung der durch die Bautechnologie entstandenen Treppenstruktur kann das Werkzeug eine der Modellkontur angepaßte Form besitzen.In terms of processing options and economy, a tool change should be carried out be provided in the process (tool changing device). Furthermore, milling and Grinding tools the angle of the tool axis and the tool shape are crucial. For Reduction or elimination of the stair structure created by construction technology can the tool has a shape adapted to the model contour.

Möglich ist auch ein Kippen der Werkzeugachse. Zusätzlich können in diesen Bearbeitungsschritten Bohrungen in Z-Richtung gefertigt werden. Um den Bearbeitungsaufwand zu verringern sollte die Bohrung erst nach Erreichen der entsprechenden Z-Höhe eingebracht werden. Montagearbeiten sind so weit wie möglich in den Prozeß einzugliedern.It is also possible to tilt the tool axis. In addition, in these Machining steps bores in the Z direction are made. To the processing effort The hole should only be reduced after the corresponding Z height has been reached will. Assembly work should be integrated into the process as much as possible.

Durch die genannten Bearbeitungsvarianten ist eine höhere Fertigungsgenauigkeit im Vergleich zu gegenwärtig üblichen Verfahren und eine Verringerung oder Beseitigung der Treppenstruktur zu erreichen.Due to the processing variants mentioned, a higher manufacturing accuracy is compared current practices and a reduction or elimination of the stair structure to reach.

6. Apply the filler layer

In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt das Auftragen des Füllstoffes wie in Punkt 1 beschrieben. Der Füllstoff dient zum Auffüllen der durch die Bearbeitung entstandenen Lücken.In a further process step, the filler is applied as described in point 1 . The filler serves to fill in the gaps caused by the processing.

7. Remove the layer

Diese Schicht wird wie unter Punkt 2 erläutert abgetragen.This layer is removed as explained in point 2.

8. Repeat steps 4, 5, 6, 7 until all layers are built.

Die Steuerung des Verfahrensablaufs sollte die Möglichkeit einer "variablen Schichtstärke" einschließen. Das heißt, sind im Verlauf des Prozesses nur vertikale Konturen/Flächen zu fertigen, so kann die Schichtstärke erhöht werden, da die ,,Treppenstufen" nicht auftreten. Dies erhöht die Baugeschwindigkeit und somit die Produktivität und Wirtschaftlichkeit.The control of the process flow should be the possibility of a "variable layer thickness" lock in. That means, only vertical contours / surfaces are closed during the process manufacture, the layer thickness can be increased since the "steps" do not occur increases construction speed and thus productivity and economy.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen demonstriert.The invention is demonstrated below using exemplary embodiments.

An der zugehörigen Zeichnung zeigen:Show on the accompanying drawing:

Fig. 1 Auslegen der Baustoffschicht, Fig. 1 designing the building layer,

Fig. 2 Bearbeiten der Baustoffschicht, FIG. 2 Edit the building layer,

Fig. 3 Auftragen der Füllschicht, Fig. 3 applying the filling layer,

Fig. 4 Abtragen der Schicht und Fig. 4 removal of the layer and

Fig. 5 Bauen der Schichten, dargestellt in der Seitenansicht. Fig. 5 building the layers, shown in side view.

Mit dem dargestellten Verfahren lassen sich Formen zur Verwendung in verschiedenen Gießverfahren herstellen. Als Füllstoff (2) könnte beispielsweise ein Sand-Binder Gemisch, ein Gießharz, ein Metall oder eine Metallegierung benützt werden. Als Baustoff (3) käme Wachs, wie es in Wachsausschmelzverfahren Anwendung findet, zur Verwendung. Das Wachs kann in flüssiger Form durch Rollen, Walzen, Wischen, Gießen oder Spritzen ausgelegt werden. Nach Beendigung des Bauprozesses wird das Wachs ausgeschmolzen oder ausgewaschen. Die entstandene Form kann nun als Gießform für verschiedene Verfahren, z. B. Sandguß, eingesetzt werden. Die Formen eignen sich auch zur Mehrfachverwendung. Weiterhin besteht die Möglichkeit die Form direkt ohne vorheriges Ausschmelzen des Wachses im Wachsausschmelzverfahren einzusetzen.The process shown can be used to produce molds for use in various casting processes. For example, a sand-binder mixture, a casting resin, a metal or a metal alloy could be used as filler ( 2 ). Wax as used in lost wax casting would be used as building material ( 3 ). The wax can be laid out in liquid form by rolling, rolling, wiping, pouring or spraying. After the construction process has ended, the wax is melted out or washed out. The resulting shape can now be used as a casting mold for various processes, e.g. B. sand casting can be used. The shapes are also suitable for multiple use. It is also possible to use the mold directly without the wax melting out using the lost wax process.

Die Materialwahl des Füllstoffes (2) und des Baustoffes (3) bestimmen dabei die Verwendungsmöglichkeiten. Erfolgt der Einsatz von Metall oder Metallegierungen als Füllstoff (2) ist eine Verwendung als Spritzgießform möglich. Allerdings ist dann eine sinnvolle Teilung der Formen (Bauen in mehreren Teilen) zur Entformung der Gießteile notwendig. Der Baustoff (3) müßte dann den Erfordernissen des Bauprozesse (Festigkeit) angepaßt werden. Weiterhin können die für das Gießen notwendigen Kühlvorrichtungen (Kühlrohre) im Bauprozeß mit gebaut werden. The choice of material for the filler ( 2 ) and the building material ( 3 ) determine the possible uses. If metal or metal alloys are used as filler ( 2 ), use as an injection mold is possible. However, a sensible division of the molds (building in several parts) is then necessary to demold the cast parts. The building material ( 3 ) would then have to be adapted to the requirements of the building process (strength). Furthermore, the cooling devices (cooling pipes) necessary for casting can be built in the construction process.

Ist ein Modell zur Verwendung als Design-, Funktions-, Fertigungsmodell, Prototyp oder als Modell für einen Folgeprozeß vorgesehen, so kann der Baustoff (3) dem gewünschten Material entsprechen. Auf diese Art lassen sich Modelle aus Metall, Metallegierungen oder Kunststoff fertigen. Der Füllstoff (2) müßte den Bedingungen des Bauprozesses entsprechen. Grundsätzlich sollte der Füllstoff (2) nach dem Bauen durch Abschmelzen, Auflösen etc. leicht zu entfernen sein. Beispielsweise könnte der Füllstoff (2) Wachs und der Baustoff (3) eine niedrigschmelzende Metallegierung sein. Das Wachs kann dann durch Auflösen beseitigt werden.If a model is intended for use as a design, functional, manufacturing model, prototype or as a model for a subsequent process, the building material ( 3 ) can correspond to the desired material. In this way, models can be made from metal, metal alloys or plastic. The filler ( 2 ) would have to meet the conditions of the construction process. Basically, the filler ( 2 ) should be easy to remove after construction by melting, dissolving, etc. For example, the filler ( 2 ) wax and the building material ( 3 ) could be a low-melting metal alloy. The wax can then be removed by dissolving.

Claims

1. Process for the production of three-dimensional models and shapes according to the principle of rapid prototyping using a controlled layer structure, characterized in that mechanical, physical or chemical processing of the individual layers in the X / Y plane takes place during the building process, the technology and order of layer application and layer processing is changeable so that many materials can be used.

2. The method according to claim 1, characterized by the following method steps, the entire data preparation, such as CAD modeling, generating a layer file (slicefile) taking place analogously to the known procedures:

a) Laying out the starting layer ( 1 ): the material is a so-called filler ( 2 ), which can be solidified by chemical, thermal (heat, cooling), physical (radiation) or mechanical processes or it solidifies by itself (setting) ;
b) removing the layer: the solidified layer is removed to a precisely defined layer height (Z height) by mechanical, physical or chemical methods, the layer height being predetermined by the slicefile;
c) Building the starting layers ( 1 ): this process according to steps a) and b) is repeated until a sufficient number of starting layers has been built;
d) Laying out the building material layer ( 3 ): the laying out and curing of the building material layer is carried out by suitable methods analogous to point a);
e) processing of the building material layer ( 3 ) in the X / X plane by means of suitable processes (mechanical, chemical or physical processes), depending on the required accuracy, the material properties and the economy;
f) applying the filler layer ( 2 ) as described under point a) to fill in the gaps resulting from the processing;
g) removal of the layer analogous to point b);
h) repetition of steps d) to g) until all layers have been built, ie the model, the shape.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that materials are used, who u. a. by rolling, rolling, pouring, spraying, Application processes such as build-up welding, coating ver drive, wipe, spread, print well "lay out" let, solidify quickly after laying out, mecha are editable and for the selected one Procedures appear cheap.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that when using milling and Grinding tools as part of mechanical processing process the angle of the tool axis and / or the work tool shape of the model contour is selected.