DE19625425A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Teilen durch schichtweise subtraktive Werkzeugmaschinentechniken - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Teilen durch schichtweise subtraktive WerkzeugmaschinentechnikenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von
dreidimensionalen physischen Strukturen in Antwort auf eine Computerausgabe
unter Benutzung von subtraktiven Werkzeugmaschinentechniken in einer
Schichtweise. Diese Erfindung betrifft zusätzlich eine Computer-unterstützte
Vorrichtung, welche sequentiell eine Vielzahl von Schichten bzw. Lagen von
zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien gestaltet bzw. bearbeitet bzw.
fräst, um eine gewünschte physische Struktur in eine Schicht-nach-Schicht-Weise
herzustellen.
Herkömmlich wurden dreidimensionale Teile durch subtraktive Bearbeitungs-
bzw. Fräsverfahren hergestellt. In solchen subtraktiven Verfahren wird
Material
von einem Ausgangsblock von Material weggeschnitten bzw. gefräst bzw.
gestanzt, um die gewünschte physische Struktur herzustellen. Beispiele von
subtraktiven Werkzeugmaschinenverfahren umfassen Fräsen bzw. Mahlen bzw.
Rändeln, Bohren bzw. Vorbohren, Schleifen, Dreh- bzw. Drechsel- bzw. Drück
schneiden, Brennschneiden bzw. autogenes Schneiden bzw. Sauerstoff-Brenn
schneiden und Elektroerosion bzw. elektroerosive Bearbeitung. Während diese
konventionelle Werkzeugmaschinenverfahren normalerweise in der Herstellung
des gewünschten Teiles effektiv sind, sind sie nicht ausreichend, um einige
komplexe Geometrien herzustellen. Solche Verfahren sind normalerweise am
besten geeignet zur Herstellung von symmetrischen Teilen und von Teilen, bei
welchen nur die Außenseite bearbeitet wird. Wenn ein gewünschtes Teil eine
unübliche Form oder interne Merkmale aufweist, wird die Bearbeitung jedoch
schwieriger, und oft muß das Teil in Segmente bzw. Bereiche aufgeteilt werden,
welche eine nachfolgende Zusammensetzung benötigen. In vielen Fällen ist eine
besondere Teilkonfiguration wegen der Begrenzungen in der Anordnung des
Werkzeuges an dem Teil nicht möglich. Somit erlauben die Größe und Konfigura
tion des Schneidwerkzeugs nicht den Zugang des Werkzeugs, um die gewünsch
te Konfiguration herzustellen. Zusätzlich ist normalerweise eine größere Menge
an menschlicher Beurteilung und Sachkenntnis notwendig, um die konventionel
len Bearbeitungsvorgänge durchzuführen, wodurch solche Vorgänge relativ
langsam und teuer werden. Verschiedene Systeme für das dreidimensionale
Modulieren bzw. Konstruieren bzw. Ausführen wurden vorgeschlagen und/oder
entwickelt, um die in den konventionellen subtraktiven Bearbeitungsverfahren
inhärenten Begrenzungen zu lösen. Zum Beispiel US-Patent Nr. 3 932 923 an
DiMatteo betrifft die Herstellung einer Vielzahl von individuellen planaren Ele
menten, welche dünnen Schnitten des herzustellenden Gegenstandes entspre
chen, und zwar in Antwort auf Signale, welche von einem Umriß- bzw. Kon
turfolger erzeugt werden. Die planaren Elemente werden dann durch verschiede
ne Mittel bzw. Einrichtungen geschichtet bzw. gestapelt und physisch zusam
men verbunden, um den gewünschten dreidimensionalen Gegenstand zu bilden.
Diese Technik ist jedoch bekannterweise schwierig anzuwenden, da eine sehr
große Anzahl von planaren Elementen von der hohen Auflösung zwischen den
Schichten bzw. Lagen resultieren könnte, welche für nicht gleichmäßige dreidi
mensionale Gegenstände notwendig sein könnte. Die Handhabung dieser vielzah
ligen Elemente und die Notwendigkeit, daß diese Elemente präzise geschichtet
werden, um innerhalb der Toleranzen zu liegen, verlängert die Herstellungszeit
sehr stark.
Ein weiteres Verfahren zum dreidimensionalen Modulieren ist das selektive Laser-Sintern,
wobei repräsentative Lehren dafür gefunden werden können in
US-Patent Nr. 4 863 538 an Deckard und in US-Patent Nr. 4 938 816 an Beaman
et al. Das Verfahren betrifft die Deposition eines Pulvers, z. B. eines pulver
förmigen Plastiks in einem begrenzten Berdich, um eine pulverförmige Schicht zu
bilden. Diese Schicht oder ein ausgewählter Bereich davon wird dann gesintert
durch eine solche Einrichtung bzw. solch ein Mittel, wie ein Laser, um die
betroffenen Pulverteilchen dieser Schicht zusammen zu verbinden, wodurch eine
diskrete Schicht eines dreidimensionalen Gegenstandes gebildet wird. Sukzessi
ve alternierende Schritte von Pulverablagerung bzw. Deposition und Sintern
finden statt, bis der dreidimensionale Gegenstand gebildet ist. Die mit den
selektivem Schichtsintern verbundenen Nachteile umfassen die Tatsache, daß
nur ein begrenzter Bereich von Materialien benutzt werden kann, und die inhä
renten Gefahren, welche durch die Herstellung von toxischen Gasen dargestellt
werden, welche aus den Reaktionen mit dem Pulver hervorgerufen werden, und
zwar gekoppelt mit einem Explosionsrisiko. Alternativ können Pulverteilchen
bzw. -partikel in eine Schicht zusammenverbunden bzw. -gebunden werden
mittels eines Bindemittels bzw. -agens, z. B. eine Keramik. Dieses Verfahren,
bekannt als dreidimensionales Drucken und entwickelt im Massachusetts In
stitute of Technology durch Dr. Emanuel Sachs, ist dem selektiven Laser Sintern
ähnlich, mit der Ausnahme, daß es die Benutzung eines Druckertintenstrahlme
chanismus betrifft, um das Bindemittel in einem vorbestimmten Bereich einer
Pulverschicht zu deponieren anstelle des Nutzens eines Lasers, um die Teilchen
zusammen zu sintern. Beide pulverbezogene Techniken weisen einen Nachteil
auf, welcher gemeinsam ist für alle anderen Stand der Technik-dreidimensionale-Bildungs
techniken, mit der Ausnahme der vorhergehenden konventionellen
Bearbeitung. Solche Prozesse sind nämlich planarer Natur, da die zu konstruie
renden Teile aus diskreten Schichten bzw. Lagen von Material gebildet sind.
Demzufolge ist eine große Anzahl von dünnen Schichten notwendig, um einen
Gegenstand innerhalb der gegebenen Toleranzen zu bilden.
Ein dreidimensionaler Gegenstand kann auch gebildet werden durch eine ballisti
sche Teilchenherstellung, eine Technik, die in US-Patent Nr. 4 665 492 an
Masters offenbart ist. Dort wird ein erstes Teilchen, welches als Anfangskeim
bezeichnet wird und aus einem Material, wie Stahl oder einer Keramik, kon
struiert bzw. gebildet ist, bei dem Anfang bzw. Anfangspunkt bzw. Nullpunkt
eines dreidimensionalen Koordinatensystems angeordnet. Bearbeitungs- bzw.
Arbeitsköpfe imitieren kleine Teilchen oder Tröpfchen von z. B. einem Keramik
material, und zwar gemäß den vorbestimmten Koordinaten, welche von dem
Keim aus starten bzw. ausgehen. Diese Teilchen verbinden sich mit dem Keim
und miteinander, wodurch die kontinuierliche Emission von Tröpfchen in der
vorbestimmten Weise den dreidimensionalen Gegenstand bzw. das Objekt
herstellt. Während eine größere Anzahl von Materialien in dieser Technik benutzt
werden kann im Vergleich zu anderen Verfahren, weist jedoch die ballistische
Teilchenherstellung inhärente Toleranzprobleme auf, da die Toleranz eine Funk
tion der Tröpfchengröße und der Tröpfchenanordnungsgenauigkeit ist, welche
schwierig ist, zu beherrschen bzw. einzustellen. Weiterhin bedingt die kleine
Tröpfchengröße (ein Tröpfchen kann auch nur einige Mikron Querschnitt bzw.
Durchmesser aufweisen) einer länglichen bzw. langen Herstellungszeit.
Das am weitesten angenommene kommerzielle Verfahren zum Herstellen eines
dreidimensionalen Gegenstandes ist bekannt als Stereolithographie, welches in
US-Patent Nr. 4 575 330 an Hull und in US-Patent Nr. 4 961 154 an Pomerantz
et al. offenbart ist. In diesem Verfahren ist ein Bad einer Photopolymerflüssigkeit
in einem Behälter enthalten. Generell wird eine Schicht-nach-Schicht-Verfesti
gung der vorbestimmten Bereiche der flüssigen Photopolymeroberfläche bzw.
-fläche durch sequentielles Belichten bzw. Aussetzen einer Lichtquelle, wie ein
Laser durchgeführt. Diskrete Schichten, wobei jede neu geformte Schicht mit
einer sofort vorangehenden Schicht verbunden wird, werden gebildet, bis der
gewünschte dreidimensionale Gegenstand hergestellt ist. Wenn jedoch jede neue
Schicht sich verfestigt, findet eine Abnahme bzw. ein Schrumpfen in ihrem
Volumen statt, wodurch ein Verwerfen bzw. Wellen verursacht wird, welches zu
Stress bzw. Spannungen in dem gebildeten Teil führen. Dieser Streß kann
Distortionen in dem Teil verursachen und somit zu großen bzw. übermäßigen
Toleranzen führen. Während Pomerantz et al. offenbaren zum Kompensieren von
den Schrumpfeffekten, verhindern solche Verfahren nicht das Schrumpfen
insgesamt. Zusätzlich ist die Stereolithographie begrenzt auf die Benutzung eines
Photopolymers als das Material, aus welchem der dreidimensionale Gegenstand
zuletzt gebildet ist. Ein weiterer Nachteil der Stereolithographie besteht in der
Tatsache, daß Reaktionen mit Photopolymeren oft gefährliche toxische Gase
herstellen.
Ein verändertes stereolithographisches Verfahren ist in US-Patent Nr. 5 031 120
an Pomerantz et al. offenbart. Dort wird eine Photopolymerflüssigkeit nur in
diskreten Schichten zugeführt, und eine zugeführte flüssige Schicht oder ausge
wählte Abschnitte davon wird bzw. werden über die ganze Dicke der Schicht
verfestigt bzw. solidifiziert, und zwar unterschiedlich von dem Verfestigen bei
der Oberfläche eines Flüssigkeitsbades, wie in den vorangehend genannten
standard-stereolithographischen Verfahren gelehrt. Diese nicht verfestigte
Flüssigkeit wird von der Schicht entfernt, z. B. durch Vakuum bzw. Saugen, und
entstehende bzw. entsprechende Hohlräume in der verfestigten Schicht werden
mit einem Trägermaterial, z. B. Wachs, gefüllt. Das Trägermaterial wird dann
verfestigt gelassen, wonach die gesamte neu-verfestigte Schicht zu einer fla
chen, gleichmäßigen Dicke getrimmt bzw. geschnitten wird, und zwar durch
solche Einrichtungen, wie eine Bearbeitungs- bzw. Fräseinheit. Nach solch einem
Trimmen werden nachfolgende Schichten in einer gleichen Weise gebildet, bis
der dreidimensionale Gegenstand hergestellt ist. Dieses veränderte Verfahren
weist eine größere Wahrscheinlichkeit auf, daß ein dadurch hergestellter Gegen
stand den Toleranzen genügen wird, da kein zeitweiliger Träger bzw. Tragenetz
notwendig ist, und zwar im Unterschied zu Standardverfahren, bei welchen
solch ein Netz konstruiert werden muß für jeden Überhang bzw. Vorsprung des
Teiles und dann per Hand entfernt werden muß. Jedoch weist es die gleichen
Nachteile auf, welche mit dem Standardverfahren verbunden sind. Darüber
hinaus ist die Vorrichtung, welche notwendig ist, um das modifizierte stereoli
thographische Verfahren zu implementieren relativ komplex und teuer, und die
Rate von Gegenstandskonstruktionen bzw. -herstellungen ist durch die zusätzli
chen in diesem Verfahren benötigten Schritte gehindert.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für
ein dreidimensionales Teil und eine Vorrichtung dafür bereitzustellen, welche
nicht abhängig sind von der Auflösung der Gegenstandsabschnittsdicke, um eine
gegebene Toleranz für den Gegenstand zu erreichen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsver
fahren für einen dreidimensionalen Gegenstand und einer Vorrichtung dafür
bereitzustellen, welche Gußtechniken und Fräs- bzw. Bearbeitungstechniken
kombinieren, um inkrementell den dreidimensionalen Gegenstand herzustellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensio
nalen Gegenstands gemäß Anspruch 1, 8 oder 11 und durch eine Vorrichtung
gemäß Anspruch 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen
Gegenstandes bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfaßt: Ablagern
bzw. Deponieren einer ersten Schicht von Gußmaterial auf einer Trägerfläche,
Bearbeiten eines ersten Hohlraums in der ersten bzw. die erste Gußmaterial
schicht, Ablagern einer ersten Baumaterialschicht auf bzw. an der ersten Guß
materialschicht, so daß ein überlappender Abschnitt der ersten Baumaterial
schicht den ersten Hohlraum füllt, um einen ersten dreidimensionalen Abschnitt
des Gegenstandes zu bilden, und zwar derart, daß ein überlagernder Abschnitt
der Baumaterialschicht die erste Gußmaterialschicht abdeckt, und Bearbeiten
bzw. Fräsen des überlagerten bzw. überlagernden Abschnitts der ersten Bauma
terialschicht, um einen zweiten dreidimensionalen Abschnitt des Gegenstandes
zu bilden.
Wenn zusätzliche dreidimensionale Abschnitte bzw. Schnitte notwendig sind,
um einen dreidimensionalen Gegenstand zu vervollkommnen, umfaßt das Ver
fahren der vorliegenden Erfindung das sequentielle Wiederholen der folgenden
Schritte, bis der Gegenstand vollständig gebildet ist: (1) Deponieren bzw. Abla
gern einer sukzessiven Gußmaterialschicht auf einem unmittelbar vorangehenden
dreidimensionalen Abschnitt des Gegenstandes, (2) Bearbeiten einer entspre
chenden Kavität bzw. Hohlraums in der sukzessiven Gußmaterialschicht, (3)
Deponieren einer sukzessiven Baumaterialschicht auf der sukzessiven Schicht
von Gußmaterial, so daß ein überlappender Abschnitt der sukzessiven Baumate
rialschicht den entsprechenden Hohlraum füllt, um einen anderen dreidimensio
nalen Abschnitt des Gegenstandes zu bilden, und zwar derart, daß ein über
lagernder Abschnitt der sukzessiven Baumaterialschicht die sukzessive Gußmate
rialschicht abdeckt, und (4) Bearbeiten des überlagernden Abschnitts der sukzes
siven Baumaterialschicht, um noch einen anderen dreidimensionalen Abschnitt
des Gegenstandes zu bilden.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimen
sionalen Gegenstands bereit, welche umfaßt: eine Gestaltungs- bzw. Bearbei
tungseinrichtung, einen Richtungsgeber bzw. Anordner zum Anordnen der
Gestaltungseinrichtung in einem vorbestimmten Bereich, einen Gußmaterial
spender bzw. -zuführer bzw. -auslaß, welcher operativ verbunden ist mit dem
Richtungsgeber, ein Baumaterialspender, welcher operativ verbunden ist mit dem
Richtungsgeber und ein Steuerer bzw. Regler, welcher operativ verbunden ist
mit dem Richtungsgeber, wobei der Steuerer den Betrieb der Gestaltungsein
richtung steuert bzw. regelt, um das Gußmaterial und/oder Baumaterial selektiv
zu gestalten bzw. zu bearbeiten.
Generell betrifft das schichtweise bzw. geschichtete subtraktive Werkzeug
maschinenverfahren ein neues und verbessertes System zum Bilden bzw. Her
stellen von festen Gegenständen durch sukzessives Bearbeiten von dünnen
Schichten oder Laminate bzw. Feinblechen bzw. Dünnschichten bzw. Blättchen
aus Guß- und Konstruktions- bzw. Baumaterial. Die sukzessiven Dünnschichten
werden automatisch integriert bzw. eingebaut, wenn sie gebildet werden, um
den gewünschten dreidimensionalen Gegenstand zu definieren. Das Gußmaterial
stellt oft eine gestaltete Aufnahme bzw. einen Behälter dar, in welchen das
Baumaterial abgelagert bzw. eingeführt wird, wodurch seine negative Form den
Bereichen eines Gegenstandes zugefügt bzw. gegeben wird, welche ansonsten
schwierig oder unmöglich durch konventionelle Mittel bearbeitet werden könnte.
Zusätzlich werden positive Formen von Abschnitten des Gegenstandes durch
Bearbeiten bzw. Fräsen von Schichten des Baumaterials gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform verbindet die vorliegende Erfindung die
Prinzipien von Computer-unterstütztem Design ("computer aided design", CAD)
in Kombination mit schichtweisem Bearbeiten bzw. Fräsen, d. h. die Benutzung
von subtraktiven Bearbeitungsverfahren auf einer Schicht-nach-Schicht-Basis
zum Bilden der dreidimensionalen Gegenstände, um gleichzeitig CAD durch
zuführen, und Computer-unterstützte Herstellung ("computer aided manufactu
ring", CAM), und zwar im Herstellen der dreidimensionalen Gegenstände direkter
von einem Computerbefehl. Die beabsichtigten Anwendungen der Erfindung
umfassen das Gestalten bzw. skulptieren von Modellen und Prototypen in einem
Herstellungssystem und in einer Design- bzw. Gestaltungsphase der Produkt
entwicklung.
Die Möglichkeit, dreidimensionale Merkmale in jede Schicht zu formen bzw. zu
gestalten, ermöglicht es, mit wesentlich dickeren Scheiben bzw. Abschnitten zu
arbeiten, wodurch die computationelle bzw. rechnerische Komplexität und
Konstruktionszeit verringert wird, während die Teiltoleranz erhöht wird. Somit
sind die Toleranzen nicht eine Funktion der Schichtdicke, sondern sie sind
anstelle breit bzw. stark abhängig von der Genauigkeit der subtraktiven Maschi
nenwerkzeugverfahren. Zusätzlich stellt das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung eine große Flexibilität in den benutzbaren Materialien bereit; z. B.
können Metalle, Plastiken bzw. Kunststoffe, Wachse, Hölzer, Polymere und
komposite Materialien benutzt werden als Konstruktion- bzw. Bau- und/oder
Guß- bzw. Formmaterialien. Der Ausdruck "Kompositmaterial" umfaßt generell
jedes Material, welches aus zwei diskreten Substanzen gebildet ist und wird
insbesondere benutzt, um nicht natürliche Kompositen zu bezeichnen, insbeson
dere faserverstärkte Plastiken bzw. Kunststoffe. Komposite Materialien erlauben
ein Zusammenführen von Eigenschaften von getrennten Komponenten. Ins
besondere mit Bezug auf faserverstärkte Kunststoffe, kombinieren solche Kom
positen die hohe Stärke bzw. Festigkeit und Steifheit des Fasermaterials mit dem
niedrigen Gewicht und Bruchwiderstand der polymerischen Matrix bzw. Poly
mermatrix.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der
Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben
werden.
Fig. 1 ist eine perspektivische, zum Teil schematische Ansicht einer Vor
richtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegen
den Erfindung zum Herstellen von dreidimensionalen Gegenständen;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Kugel;
Fig. 2A-2F stellen nachfolgende Stufen in der Herstellung der in der Fig. 2
dargestellten Kugel dar, und zwar gemäß einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen dreidimensionalen
Gegenstands;
Fig. 3A ist eine Schnitt-Aufrißansicht entlang der Linie 3A-3A von Fig. 3;
Fig. 3B-3H stellen nachfolgende Stufen in der Herstellung des in den Fig. 3
und 3A dargestellten Gegenstandes dar, und zwar gemäß einer
Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfin
dung;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines dreidimensionalen Gegen
stands, welcher leicht unterschiedlich von jenen in den Fig. 3 und
3A gezeigten ist;
Fig. 4A ist eine Schnitt-Aufrißansicht entlang der Linie 4A-4A in Fig. 4;
Fig. 4B-4E stellen nachfolgende Stufen in der Herstellung des in den Fig. 4
und 4A gezeigten Gegenstandes dar, und zwar gemäß einer Aus
führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Stu
fen zusätzlich zu den in den Fig. 3B-3H dargestellten Stufen vor
gesehen sind;
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Hohlkugel;
Fig. 5A ist eine Schnitt-Aufrißansicht entlang der Linie 5A-5A in Fig. 5;
Fig. 5B-5I stellen nachfolgende Stufen in der Herstellung des in den Fig. 5
und 5A gezeigten Gegenstandes dar, und zwar gemäß einer Aus
führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5J und 5K stellen alternative Verfahren zum Entfernen eines Hohlraum
negativs dar;
Fig. 6 ist eine Schnitt-Aufrißansicht eines dreidimensionalen Gegenstan
des mit einer rückspringenden Fläche; und
Fig. 6B-6E stellen nachfolgende Stufen in der Herstellung des in der Fig. 6
gezeigten Gegenstandes dar, und zwar gemäß einer Ausführungs
form des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt den Kontext bzw. die Umgebung, in welchen das Verfahren der
vorliegenden Erfindung durchgeführt wird und stellt ausführlich eine Vorrichtung
10 dar zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten bzw. Gegenständen,
welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ausgestaltet ist. Generell umfaßt der Apparat 10 eine Modellier- bzw. Gestal
tungseinrichtung 12, welche in den durch die Pfeile 2 dargestellten Richtungen
beweglich und in der durch Pfeil 4 gezeigten Richtung drehbar ist, ein Form
bzw. Gußmaterialspender bzw. -ausgeber bzw. -verteiler 14, welcher beweglich
ist in die durch Pfeile 6 gezeigten Richtungen, ein Konstruktions- bzw. Baumate
rialspender 16, welcher in die durch Pfeile 8 gezeigten Richtungen beweglich ist,
und einen Abfallentferner 18. Wie nachfolgend in Bezug auf Fig. 3E und 3G
beschrieben werden wird, sind die Spender 14 und 16 bevorzugt betätigbar, um
eine Vielzahl von Gußmaterialien bzw. Baumaterialien auszugeben bzw. zu
verteilen bzw. zu spenden.
Der Gußmaterialspender 14 ist beim Ausgeben von Gußmaterial 22′ aus seinem
Auslaß bzw. Ausguß 14a dargestellt. Das Gußmaterial, wie das Baumaterial,
können alternativ durch andere Einrichtungen abgelagert bzw. aufgetragen
werden, z. B. einen Teilchen- bzw. Partikelstrahl, oder durch Versprühen von
Teilchen, Gießen oder Versprühen von Flüssigkeiten oder Abscheiden bzw.
Ablagern von Pulvern bzw. durch Pulverauftrag zum Verschmelzen nach der
Ablagerung. Das Gußmaterial 22′ wird auf eine Tragefläche bzw. Oberfläche
oder Plattform 20 abgelagert, bis eine Anfangsschicht des Gußmaterials 22
gebildet ist. Ein Beispiel eines Gußmaterials ist ein wasserlösliches Wachs, z. B.
jenes durch Yates Investment Casing Wax aus Chicago, Illinois, unter dem
Namen 550-GOLD SLAB, B4041, verkaufte. Weitere Beispiele werden nachfol
gend detailliert beschrieben werden. Ein erster Richtungsgeber bzw. Steuerer
bzw. Regler bzw. Direktor 24 ist operativ gekoppelt mit der Gestaltungsein
richtung 12 zum Positionieren der Gestaltungseinrichtung in einem vorbestimm
ten Bereich bzw. einer Fläche bzw. einer Oberfläche, wie der Bereich 26 an der
oberen Fläche bzw. Oberfläche 28 der Anfangsgußmaterialschicht 22. Natürlich
kann der Bereich 26 dreidimensional sein, wodurch eine Kavität bzw. ein Hohl
raum innerhalb der Gußmaterialschicht 22 gebildet ist.
Ähnlich zu der Gestaltungseinrichtung 12 können der Gußmaterialspender 14
und der Baumaterialspender 16 auch operativ gekoppelt sein mit dem ersten
Richtungsgeber 24. Verbindungen zwischen den Spendern 14, 16 und dem
ersten Richtungsgeber 24 sind unter 15 und 17 gezeigt. Alternativ können die
Spender 14, 16 nicht behindernd an dem Fräskopf der Gestaltungseinrichtung
12 befestigt sein, um mit der Einrichtung 12 konstant bewegt zu werden.
Weiterhin können die Spender 14, 16 durch einen getrennten bzw. weiteren
Richtungsgeber angeordnet werden, wie der zweite Richtungsgeber 25, welcher
seinerseits operativ mit einem zweiten Steuerer bzw. Regler verbunden sein
könnte, so daß die Ablagerung bzw. die Position von Materialien und die Be
arbeitung von vorangehend abgelagerten Materialschichten gleichzeitig statt
finden können.
Ein zweiter Richtungsgeber 25, welcher operativ mit dem Abfallentferner 18
gekoppelt ist, könnte auch vorgesehen werden zum Anordnen bzw. Steuern
bzw. Regeln des Abfallentferners 18 in bzw. entlang einem vorbestimmten Pfad,
z. B. 27, und zwar zum Entfernen von Abfallmaterial in einer Weise, welche
nachfolgend beschrieben werden wird. Ein Steuerer bzw. Regler 30, welcher in
der schematischen Zeichnung mit dem ersten Richtungsgeber 24 operativ
gekoppelt dargestellt ist, steuert bzw. regelt den Betrieb der Gestaltungseinrich
tung 12, um selektiv die abgelagerten Schichten zu gestalten bzw. zu bilden
bzw. zu bearbeiten, und zwar von sowohl dem Gußmaterial als auch dem
Baumaterial.
Die Gestaltungseinrichtung 12 umfaßt bevorzugt eine Dreiachsen-Computer
numerisch gesteuerte ("CNC") Fräsmaschine mit einer Werkzeugwechselfähig
keit bzw. -austauschfähigkeit, und zwar hergestellt durch Bridgeport Machines,
Inc. aus Bridgeport, Connecticut, als Modell Nr. 760/22 DX. Die Gestaltungsein
richtung 12 umfaßt bevorzugt eine Aufspann- bzw. Werkstückaufspann- bzw.
Befestigungseinrichtung bzw. Spannzeug bzw. Werkzeugspanne (nicht gezeigt)
zum Halten einer Vielzahl von auswechselbaren Schneidwerkzeugen z. B. bei 32,
eine Schneidwerkzeug-Wechseleinrichtung (nicht gezeigt) und einen Schneidmo
tor (nicht gezeigt) für das Drehwerkzeug bzw. zum Drehen des Werkzeugs 32.
Um eine schnelle und effiziente Herstellung eines Objektes innerhalb der Toleran
zen bereitzustellen, kann das Schneidwerkzeug 32 automatisch während des
Betriebes gewechselt werden, so daß die für die herzustellende Geometrie
geeignete Werkzeuggröße bzw. -abmessung und -form benutzt wird. Zum
Beispiel kann ein kleines sphärisches Werkzeug geeignet sein für kleine geboge
ne bzw. bogenförmige Details, ein kleines zylindrisches Werkzeug für kleine
Details mit vertikalen Wänden geeignet sein, und ein größeres Werkzeug einer
geeigneten Geometrie kann benutzt werden zum Vorschlichten bzw. Vorwalzen
bzw. Vorformen bzw. Vorfräsen der Form oder für Bereiche, welche ein geringe
res Detail verlangen. Diese Fähigkeit erlaubt die Herstellung von Teilen mit
bereichspezifischen Toleranzen.
Der erste Richtungsgeber 24 umfaßt bevorzugt ein System von Schrittmotoren,
Schrauben- bzw. Schneckengetrieben und linearen Gleitern (nicht gezeigt) zum
Anordnen der Gestaltungseinrichtung 12 in bzw. entlang drei Dimensionen. Die
Art bzw. der Typ und die Leistung der Gestaltungseinrichtung 12, der Schritt
motoren und des Schneidmotors hängen von vielen Faktoren ab, insbesondere
von der Art des Materials, welches ausgegeben wird und der gewünschten
Toleranz des Teils, welches hergestellt wird. Der zweite Richtungsgeber 25
umfaßt in ähnlicher Weise ein System von Schrittmotoren, Schraubengetrieben
und linearen Gleitern, um den Abfallbeweger bzw. -entferner 18 in bzw. entlang
einem vorbestimmten Pfad zu bewegen.
Der Steuerer bzw. Regler 30 umfaßt bevorzugt einen Computer, welcher opera
tiv nicht nur mit dem vorangehend beschriebenen ersten Richtungsgeber 24
sondern auch mit dem zweiten Richtungsgeber 25 zum Steuern bzw. Regeln des
Abfallentferners 18 verbunden ist. Zusätzlich steuert bzw. regelt der Steuerer
bzw. Regler 30 mittels der Verbindungen 15 und 17 mit dem ersten Richtungs
geber 24 die Ablagerung von sowohl dem Gußmaterial als auch dem Baumateri
al. Der den Computer umfassende Steuerer 30 umfaßt bevorzugt einen Mikro
prozessor 34 zum Steuern bzw. Regeln von allen den vorangenannten Funktio
nen und ein CAD/CAM-System 36 zum Erzeugen von Abmessungsdaten bzw.
dimensionalen Daten für das zu erzeugende Objekt. Der Computer/Steuerer 30
ist bevorzugt fähig, eine Position der Gestaltungseinrichtung 12 zu überwachen
bzw. monitoren, und zwar während ihrer Entfernung von Fremdmaterial bzw.
während der Entfernung von Fremdmaterial, und ist mit Informationen program
miert, welche vorbestimmte Grenzen bzw. Begrenzungen einer Vielzahl von
dreidimensionalen Sektionen bzw. Schnitten bzw. Abschnitten des herzustellen
den Objektes bezeichnend sind.
Die Herstellung von verschiedenen Beispielen von dreidimensionalen Objekten
wird jetzt beschrieben werden mit Bezugnahme auf die verbleibenden Figuren.
Fig. 2 stellt ein erstes Beispielteil, eine Kugel 38 dar, dessen Konstruktion die
niedrigste Menge an Schritten in einem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist. Die Kugel 38 umfaßt einen ersten und einen zweiten dreidi
mensionalen Abschnitt 38a bzw. 38b, wobei diese Abschnitte durch einen
imaginären Äquator 39 getrennt sind, einstückig bzw. integral miteinander ver
bunden und gebildet sind, wie nachfolgend beschrieben.
In Fig. 2A wurde eine erste Schicht von Gußmaterial 40, entsprechend der
Schicht 22 in Fig. 1, auf bzw. an der Plattform 20 durch den Gußmaterialspen
der 14 abgelagert bzw. ausgegeben. Die Schicht 40 wird an der Plattform 20
entweder in einer festen Form oder als eine Flüssigkeit abgelagert, welche
veranlaßt wird, sich bei oder kurz nach der Ablagerung zu verfestigen. Die
Verfestigung dieser Schicht kann durch ein thermisches Verfahren, Strahlenver
fahren oder ein chemisches Verfahren verursacht werden, jedoch ist dies nicht
darauf beschränkt. Eine glatte bzw. gleichmäßige obere Fläche bzw. Oberfläche
41 kann falls erwünscht durch Bearbeiten bzw. Fräsen erhalten werden. Ver
tikale Wände bzw. Wandungen 21 können an einer beliebigen Seite der Schicht
40 vorgesehen werden, um als ein Gußmaterialbehälter in Zusammenhang bzw.
Zusammenwirkung mit der Plattform 20 zu dienen. Diese Wandungen können
Sektionen bzw. Abschnitte einer zylindrischen Wandung sein oder können
Wandungen einer rechteckigen Begrenzung bzw. Einfassung sein. Solch eine
Anordnung ist insbesondere erwünscht, wenn die Viskosität des Gußmaterials
oder des Baumaterials in seiner Flüssigphase relativ niedrig ist, oder wenn die
Verfestigungs- bzw. Aushärtungszeiten relativ lang sind.
Nachfolgend zu der Ablagerung bzw. Deposition und die Verfestigung der
Schicht 40 werden subtraktive Werkzeugmaschinenverfahren bzw. abtragende
Werkzeugmaschinen benutzt, um das Gußmaterial in eine durch das Computer
steuersystem spezifizierte Geometrie zu gestalten bzw. zu bearbeiten. Fig. 2B
stellt die Schicht 40 dar, wie sie gefräst bzw. bearbeitet oder gestaltet wurde,
so daß ein Hohlraum bzw. Kavität 42 darin gebildet wurde. Die Tiefe d der
Kavität 42 ist gleich dem Radius der Kugel 38. Abfallteilchen bzw. -späne 44,
welche aus der Bearbeitung des Hohlraums 42 erfolgen, sind in dem unteren
Abschnitt davon liegend dargestellt.
In den verbleibenden zu beschreibenden Figuren ist davon auszugehen, obwohl
die Plattform 20 und die vertikalen Wandungen 21 nicht darin gezeigt werden,
daß eine beliebige Anfangsschicht von Gußmaterial auf der Plattform 20 in
nerhalb von vertikalen Wandungen 21 abgelagert wurden, wo erwünscht.
Fig. 2C stellt die Entfernung von den Abfallteilchen 44 aus dem bearbeiteten
Hohlraum 42 durch den Abfallentferner 18 dar. Bevorzugt umfaßt der Abfall
entferner 18 einen Vakuumkopf 46, welcher mit einer geeigneten Leitung 48
verbunden ist zum Führen bzw. Leiten der Teilchen 44 in einer Richtung, welche
durch den Pfeil 50 dargestellt ist. Ein zweiter Richtungsgeber 25 (Fig. 1) ist
derart konstruiert, um den Entferner 18 nicht nur zu dem Bereich des Hohlraums
42 zu führen bzw. leiten, jedoch auch zu jeder beliebigen oberen Fläche bzw.
Oberfläche der Schicht 40, z. B. zur Fläche 41. Alternativ kann die Abfallentfer
nung durch die Benutzung eines ausgerichteten Luftstromes erleichtert werden,
welcher dazu dienen würde, jeglichen Abfall von der Fläche 40 wegzuschieben
bzw. drücken. Als eine weitere alternative Einrichtung zum Entfernen von
Abfallteilchen können die Flächen der Schicht 40 durch eine automatisierte
Bürste gereinigt werden. Zusätzlich, falls die Teilchen 44 ein metallisches Materi
al umfassen, kann die Abfallentfernung durch magnetische oder elektrostatische
Anziehung erleichtert werden. Jede beliebige Kombination der obigen Verfahren
kann benutzt werden, um die Abfallentfernung durchzuführen.
Fig. 2D zeigt eine Baumaterialschicht 52, welche auf der Gußmaterialschicht 40
abgelagert wurde. Ein überlappender Abschnitt 52a der Schicht 52 ist darge
stellt, wie er den Hohlraum 42 geführt hat, wodurch er den ersten dreidimensio
nalen Abschnitt 38a der Kugel 38 (Fig. 2) bildet. Wie hier benutzt, bedeutet der
Ausdruck "überlappen" und die Variationen davon, im Gegensatz zu der Termi
nologie des Standes der Technik "diskrete Niveaus", daß die Ablagerung oder
Bearbeitung der Guß- oder Baumaterialien unterhalb von Erhöhungen der oberen
Flächen bzw. Oberflächen von vorangehend abgelagerten Schichten stattfinden
kann. Zum Beispiel wurden im Anschluß auf die Ablagerung der Schicht 40
nachfolgende Verfahrensschritte nicht einfach auf Bereiche bei oder oberhalb der
Erhöhung "e" der Fläche 41 der Schicht 40 angewendet bzw. gerichtet: die
Bearbeitung des Hohlraums 42 zu der Tiefe "d" (Fig. 2B) hat unterhalb der Erhö
hung "e", stattgefunden, und ein Abschnitt der nachfolgend zugefügten Bauma
terialschicht 52 ist unterhalb der Erhöhung "e" in den Hohlraum 42 geflossen.
Zusätzlich in Fig. 2D gezeigt ist ein überlagern der Abschnitt 52b der Schicht 52,
welcher die Schicht 40 abdeckt bzw. umhüllt bzw. bedeckt. Wie hierin benutzt,
bedeutet der Ausdruck "Abdecken" und Variationen davon, daß eine überlagerte
Schicht nur angrenzt bzw. angepaßt ist bzw. anschließt an bzw. eine Grenz
fläche bildet mit einem Abschnitt der oberen Fläche einer anderen Schicht. Zum
Beispiel, obwohl in Fig. 2D die Breite w′ der Schicht 52 sich zur Einfachheit der
Darstellung über die gesamte Breite w der Schicht 40 erstreckt, wodurch eine
Grenzfläche zwischen der Schicht 52 und der vollen Länge der Fläche 41
dargestellt ist, ist eine solche Breitengröße nicht immer notwendig. In Abhängig
keit der Größe des nächsten herzustellenden dreidimensionalen Abschnitts kann
die Breite w′ geringer sein als die Breite w. Damit die Schicht 42 die Schicht 40
"abdeckt", ist es notwendig, daß eine Grenzfläche zwischen der Schicht 42 und
einem Abschnitt bzw. Teil der oberen Fläche 41 der Schicht 40 besteht.
Eine imaginäre Linie 51 ist in Fig. 2D zum Zwecke der Darstellung gezeigt, um
die Baumaterialschicht 52 in Abschnitte 52a, 52b zu teilen. Die Baumaterial
schicht 52 kann einen bearbeitbaren bzw. fräsbaren Wachs umfassen, z. B. jener
von Yates Investment Casing Wax aus Chicago, Illinois, unter der Produktnum
mer B-3096, verkaufter. Es wird jedoch betrachtet, daß andere Zusammen
setzungen als ein Baumaterial benutzt werden, solange solche Zusammensetzun
gen geeigneten physikalische Stärke, Steifigkeit, Flexibilität und Widerstand
gegen thermische Degradation besitzen.
Fig. 2E zeigt die Bearbeitung des überlagerten bzw. überlagernder Abschnitt 52b
der Baumaterialschicht 52 durch die Gestaltungseinrichtung 12, wodurch der
zweite dreidimensionale Abschnitt 38b der Kugel 38 gebildet wird. Bei Beendi
gung dieses Bearbeitungsschrittes und nach jeder notwendigen Entfernung von
Abfallteilchen in einer Weise entsprechend jener bezüglich Fig. 2C beschriebe
nen, springt die vervollkommnete Kugel 38 vor, und zwar teilweise eingekapselt
bzw. eingeschlossen in der Gußmaterialschicht 40, wie in Fig. 2F gezeigt.
Die Entfernung des Gußmaterials wird im Anschluß an die Vervollständigung des
letzten dreidimensionalen Abschnitts eines Objekts durchgeführt. Das Gußmate
rial 40 kann entfernt werden oder getrennt werden von der Kugel 38 durch
physikalische bzw. physische Mittel, Strahlung (elektrische, ultraviolette, thermi
sche usw.), Ultraschall, Vibration, elektrische Induktion oder andere Mittel oder
Verfahren, und zwar derart, daß das Baumaterial nicht umfaßt wird. Fig. 2F
stellt ein frühes Stadium der Entfernung des Gußmaterials dar, wobei eine
Heizeinrichtung 54 anfängt, die Schicht 40 zu einer flüssigen Masse 40a zu
reduzieren bzw. zu verflüssigen. Die vollständige Entfernung der Schicht 40
endet in einer isoliert vervollständigten Kugel 38 (Fig. 2). Obwohl die Entfernung
der Gußmaterialschicht 40 zum Zwecke der Darstellung in der Fig. 2F durch eine
Heizeinrichtung 44 durchgeführt wird, muß berücksichtigt werden, daß eine
solche Einrichtung nicht benutzt werden würde, wo die Schicht 40 ein wasser
lösliches Wachs ist und wo die Baumaterialschicht 52 ein bearbeitbares Wachs
ist, da diese Materialien ähnliche Schmelzpunkte aufweisen. Anstelle würde die
Entfernung von solchem Gußmaterial nur durch Lösen des Gußmaterials in
Wasser durchgeführt werden.
Es ist zu berücksichtigen, daß alle Bearbeitungsschritte, welche nachfolgend hier
beschrieben werden, in der gleichen Weise zu den bezüglich Fig. 2B und 2E
beschriebenen Bearbeitungsschritten durchgeführt wurden. Es ist weiterhin zu
berücksichtigen, daß jeder nachfolgend beschriebene Schritt der Gußmaterial
entfernung die bezüglich Fig. 2F diskutierte Einrichtung umfaßt. Weiterhin,
obwohl die Abfallteilchenentfernung nicht bezüglich der verbleibenden Figuren
diskutiert werden wird, wird vorausgesetzt, daß Abfallentfernung gemäß der
bezüglich Fig. 2C diskutierten Einrichtungen nachfolgend zur Bearbeitung jeder
Schicht von Guß- oder Baumaterial stattfinden kann, und zwar vor der Ablage
rung bzw. Deposition einer nachfolgenden Guß- oder Baumaterialschicht.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann benutzt werden, um dreidimen
sionale Objekte herzustellen, welche eine komplexere Form als jene der Kugel 38
von Fig. 2 aufweisen. Zum Beispiel stellt Fig. 3 einen abgerundeten hantelförmi
gen dreidimensionalen Gegenstand 56 dar, welcher einen Halsabschnitt 58
aufweist, welcher in Endglieder 60, 62 an beiden Enden davon endet.
Wie in Fig. 3A ersichtlich, kann der Gegenstand 56 in verschiedene vorbestimm
te bzw. vorbestimmbare dreidimensionale Abschnitte 56a, 56b, 56c und 56d
unterteilt werden. Die Dicke und Anordnung dieser Abschnitte sind Parameter,
welche in das CAD/CAM-System 36 des Computers 30 (Fig. 1) programmiert
werden, und diese Parameter können sich verändern gemäß der gewünschten
Gegenstandcharakteristiken, und zwar gemäß den Materialien, Toleranzen und
der Konstruktionsgeschwindigkeit. Wie in Fig. 3A ersichtlich, unterscheidet sich
die Komposition bzw. Zusammenstellung bzw. Zusammensetzung der Abschnit
te 56c und 56d von jener der Abschnitte 56a, 56b. Es ist auch ersichtlich, falls
der Gegenstand 56 vollständig mittels konventioneller Bearbeitungstechniken
hergestellt werden sollte, daß eine Bedienungsperson Schwierigkeiten haben
würde bei dem Positionieren eines Werkzeuges unterhalb der vorspringenden
bzw. überhängenden Form, welche durch das Endglied 62 gebildet ist. Somit
könnte nur der Abschnitt 56d in solch einer Weise hergestellt werden, ohne eine
wesentliche Schwierigkeit vorzufinden.
In Fig. 3B wurde eine erste Gußmaterialschicht bzw. -lage 64 auf bzw. an einer
Trägerfläche bzw. -oberfläche in einer gleichen Weise wie jene bezüglich Fig. 2A
beschriebenen abgelagert. Zusätzlich wurde ein erster Hohlraum bzw. Rück
sprung 66 in die Schicht 64 eingefräst bzw. eingearbeitet.
In der Fig. 3C wurde eine erste Konstruktions- bzw. Baumaterialschicht 68 auf
der ersten Gußmaterialschicht 64 abgelagert. Ein überlappender Abschnitt 68a
der Schicht 68 wurde in den ersten Hohlraum 66 eingefüllt bzw. eingeführt, wo
durch der erste dreidimensionale Abschnitt 56a des Gegenstandes 56 (Fig. 3A)
gebildet wird. Zusätzlich wird ein überlagernder Abschnitt 68b der Schicht 68
gezeigt, welcher die Gußmaterialschicht 64 abdeckt. Eine imaginäre Linie 61 ist
zum Zwecke der Darstellung dargestellt und trennt die erste Baumaterialschicht
68 in die Abschnitte 68a, 68b.
Fig. 3D stellt die Gestaltungseinrichtung 12 dar, wie sie den überlagernden Ab
schnitt 68b der ersten Baumaterialschicht 68 bearbeitet bzw. fräst bzw. abträgt,
wodurch der zweite dreidimensionale Abschnitt 56b des Gegenstandes 56
gebildet wird. Der Umriß bzw. die Außenlinie des Teils des Abschnitts 56b,
welcher in Fig. 3D gebildet werden soll, ist in strichpunktierter Linie dargestellt.
Die Höhe des Abschnittes 56b zeigt, daß ein durch das erfindungsgemäße
Verfahren hergestellter Gegenstand nicht in einer Vielzahl von gleichmäßig
dünnen planaren Abschnitten gebildet sein muß wie durch die bekannten Ver
fahren benötigt, wodurch die Herstellungsgeschwindigkeit stark erhöht wird. Um
eine glatte Fläche bzw. Oberfläche bereitzustellen, um die weitere Konstruktion
zu erleichtern, kann ein oberes Ende 69 des Abschnitts 56b weiterhin bearbeitet
werden, und zwar unter Benutzung eines beliebigen Werkzeuges, welches die
Oberfläche des Endes 69 glättet bzw. ebnet bzw. egalisiert.
In Bezugnahme auf Fig. 3E wurde eine zweite Schicht bzw. Lage von Gußmateri
al 70 an bzw. auf der ersten Gußmaterialschicht 64 abgelagert, so daß die
zweite Gußmaterialschicht 74 den zweiten dreidimensionalen Abschnitt 56b
vollständig abdeckt. Wie aus der Querschattierung in dem Bereich, welcher die
zweite Gußmaterialschicht 70 darstellt, ersichtlich, ist diese Schicht aus einer
Zusammensetzung gebildet, welchem unterschiedlich ist von jener der ersten
Gußmaterialschicht 64. Unterschiedliche Zusammensetzungen zwischen Gußma
terialschichten müssen nicht immer notwendig sein; jedoch können Zustände
verschiedene Zusammensetzungen manchmal benötigen, und das Verfahren und
die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung stellt die Flexibilität bereit, die Abla
gerung von unterschiedlichen Zusammensetzungen durchzuführen. Zum Beispiel
kann die Zusammensetzung der ersten Gußmaterialschicht 64 jene eines wasser
löslichen Wachses sein, während jene der zweiten Gußmaterialschicht 70 eine
Keramik sein kann. Um ein weiteres Beispiel bereitzustellen, kann die erste
Gußmaterialschicht 64 eine erste Rezeptur bzw. Zubereitung bzw. Formulierung
einer Keramik aufweisen, während die zweite Gußmaterialschicht 70 eine
weitere Rezeptur einer Keramik aufweist. Jede beliebige Komposition bzw.
Zusammensetzung kann benutzt werden für eine Gußmaterialschicht, solange
diese Zusammensetzung die erwünschten Eigenschaften, welche vorangehend
beschrieben wurden, aufweist, und solange die Zusammensetzung kompatibel
ist mit dem Baumaterial, welches damit eine Grenzfläche haben wird. Der
Ausdruck "kompatibel", wie hierin benutzt, um den Zusammenhang zwischen
den Guß- und Baumaterialien zu beschreiben, bedeutet generell, daß die Entfer
nung des Gußmaterials, welches mit einem gegebenen Abschnitt des Baumateri
als eine Grenzfläche aufweist, nicht den Baumaterialabschnitt beschädigen oder
beeinträchtigen wird.
Fig. 3F stellt einen zweiten Hohlraum 72 dar, welcher in der zweiten Gußmateri
alschicht 70 eingearbeitet wurde.
In Fig. 3G wurde eine zweite Konstruktions- bzw. Baumaterialschicht 74 auf der
zweiten Gußmaterialschicht 70 derart abgelagert, daß ein überlappender Ab
schnitt 74a einer zweiten Baumaterialschicht 74 den zweiten Hohlraum 72 füllt
bzw. ausfüllt, um den dritten dreidimensionalen Abschnitt 56c des Gegenstands
56 (Fig. 3A) zu bilden, und zwar derart, daß ein überlagern der Abschnitt 74b der
Schicht 74 die zweite Gußmaterialschicht 70 abdeckt. Eine imaginäre Linie 71
ist zum Zwecke der Darstellung gezeigt, wie sie die zweite Baumaterialschicht
74 in die Abschnitte 74a, 74b unterteilt. Wie durch die Schattierung in dem
Bereich, welcher die zweite Baumaterialschicht 74 darstellt, gezeigt, weist diese
Schicht eine Zusammensetzung auf, welche unterschiedlich ist von jener der
ersten Baumaterialschicht 68 (Fig. 3C), aus welcher der erste und der zweite
dreidimensionale Abschnitt 56a bzw. 56b gebildet wurden. Zum Beispiel kann
die erste Baumaterialschicht 68 ein bearbeitbares Wachs sein, wie vorangehend
angedeutet, während die zweite Baumaterialschicht 74 ein Epoxy oder ein
Photopolymer sein kann. Demzufolge kann der abgeschlossene Gegenstand 56
aus einem nicht homogenen Material gebildet sein. Verschiedene Zusammen
setzungen können als Baumaterialien benutzt werden, und zwar solange solche
Zusammensetzungen ausreichend bearbeitbar in fester Form sind, und solange
sie kompatibel mit dem umgebenden Gußmaterial sind.
Fig. 3H zeigt eine Gestaltungseinrichtung 12, welche den überlagernden Ab
schnitt 74b der zweiten Baumaterialschicht 74 bearbeitet bzw. fräst, wodurch
der vierte dreidimensionale Abschnitt 56d des Gegenstandes 56 gebildet wird.
Der Umriß bzw. die Außenlinie des Teils des Abschnitts 56d, welcher noch zu
bilden ist, ist in Fig. 3H gestrichelt dargestellt. Eine weitere Bearbeitung kann
durchgeführt werden, falls notwendig, um die obere Fläche bzw. Oberfläche 75
des Abschnitts 56d zu ebnen. Im Anschluß an den in der Fig. 3H gezeigten
Schritt oder jeder solchen endgültigen Bearbeitung können die Gußmaterial
schichten 64, 70 durch eine beliebige der bezüglich Fig. 2F besprochenen
Techniken entfernt werden, welche geeignet sind für die benutzten Gußmaterial
zusammensetzungen. Die Entfernung der Gußmaterialschichten setzt den voll
endeten Gegenstand 56 (Fig. 3) frei.
Die bezüglich Fig. 3B-3H beschriebenen Schritte können sequentiell wiederholt
werden, um zusätzliche dreidimensionale Abschnitte herzustellen, bis ein größe
rer Gegenstand vollständig gebildet ist. Zum Beispiel stellen Fig. 4, 4A einen
anderen dreidimensionalen Gegenstand 76 dar, welcher den Gegenstand 56 (Fig.
3) und ein erhöhtes umgekehrt konisches Glied 78, welches an einer oberen
Fläche 75 angeordnet ist, umfaßt. Das Glied 78 ist in zwei dreidimensionale
Abschnitte unterteilt, welche den fünften und den sechsten dreidimensionalen
Abschnitt des Gegenstandes 76 bilden, da der Gegenstand 56 mit vier Ab
schnitten gezeigt wurde, und zwar der fünfte dreidimensionale Abschnitt 76e
und der sechste dreidimensionale Abschnitt 76f. Wie bei dem Gegenstand 56
sind die Dicke und Anordnung dieser Abschnitte Parameter, welche in das
CAD/CAM-System 36 des Computers 30 (Fig. 1) einprogrammiert werden,
wobei die Parameter, wie vorangehend beschrieben, variabel sind.
In Fig. 4B wird eine nachfolgende Schicht von Gußmaterial auf einem unmittel
bar vorangehenden dreidimensionalen Abschnitt abgelagert. Insbesondere wird
eine dritte Gußmaterialschicht 80 auf der zweiten Gußmaterialschicht 70 depo
niert, und die Schicht 80 deckt den unmittelbar vorangehend abgeschlossenen
dreidimensionalen Abschnitt 76d (entsprechend dem Abschnitt 56d in Fig. 3A)
vollständig ab.
Fig. 4C stellt einen entsprechenden Hohlraum 82 dar, welcher in der dritten
Gußmaterialschicht 80 eingearbeitet wurde.
In Fig. 4D ist eine nachfolgende bzw. sukzessive Schicht von Konstruktions
material dargestellt, welche auf der nachfolgenden Schicht von Gußmaterial
deponiert wurde. Insbesondere wurde eine dritte Baumaterialschicht 84 auf der
dritten Gußmaterialschicht 80 derart abgelagert, daß ein überlappender Ab
schnitt 84a der Schicht 84 den entsprechenden Hohlraum 82 ausfüllt, um den
fünften dreidimensionalen Abschnitt 76d zu bilden, und zwar derart, daß ein
überlagernder Abschnitt 84b der Schicht 84 die dritte Gußmaterialschicht 80
abdeckt. Fig. 4E zeigt eine Gestaltungseinrichtung 12, welche den überlagern
den Abschnitt 84b der dritten Baumaterialschicht 84 bearbeitet, wodurch der
sechste dreidimensionale Abschnitt 76f gebildet wird. Der Umriß des Teils des
Abschnitts 76f, welcher noch zu bilden ist, ist in der Fig. 4E durch eine gestri
chelte Linie dargestellt. Im Anschluß an jede notwendige Endbearbeitung der
Fläche bzw. Oberfläche und Entfernung von Gußmaterialschichten 64, 70 und
80 springt der vervollkommnete Gegenstand 76 (Fig. 4 und 4A) hervor.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch benutzt werden, um hohle
dreidimensionale Gegenstände herzustellen, wobei der Ausdruck "hohl" jenen
endbearbeiteten dreidimensionalen Gegenstand umfaßt, welcher zumindest einen
Hohlraum umfaßt, und zwar bei einem beliebigen Punkt innerhalb seines Volu
mens.
Fig. 5 und 5A stellen eine hohle Kugel 86 dar, welche einen ersten und einen
zweiten dreidimensionalen hohlen Abschnitt 86a, 86b aufweist, welche durch
eine imaginäre Linie 91 abgegrenzt sind. Die inneren Wandungen bzw. Wände
der Abschnitte 86a, 86b bilden ein Gehäuse bzw. eine Einfassung bzw. einen
Rand 88, um einen Hohlraum 90 zu definieren.
In den Fig. 5B und 5C wurde eine Schicht von Gußmaterial 92 deponiert, und
ein erster Hohlraum 94 wurde in der Schicht 92 gebildet.
Darüber hinaus wurde übriges bzw. überschüssiges Gußmaterial wegbearbeitet,
so daß die Gußmaterialschicht 92 ebene bzw. ausgerichtete obere Flächen bzw.
Oberflächen, wie z. B. bei 95 aufweist.
Fig. 5D stellt eine Baumaterialschicht 96 dar, welche auf der Gußmaterialschicht
92 abgelagert wurde, so daß die Schicht 96 den ersten Hohlraum 94 füllt.
In Fig. 5E wurde das Baumaterial von Schicht 96, welches oberhalb der Erhö
hung der Fläche 95 war, entfernt. Weiterhin wurde ein zweiter Hohlraum 98 in
der verbleibenden Baumaterialschicht 96 eingearbeitet bzw. gefräst, um den
ersten hohlen dreidimensionalen Abschnitt 86a der hohlen Kugel 86 zu bilden.
Fig. 5F stellt eine weitere Schicht von Gußmaterial 100 dar, welche auf der
einen Gußmaterialschicht 92 abgelagert wurde, so daß ein überlappender Ab
schnitt 100a der Schicht 100 den zweiten Hohlraum 98 ausfüllt, um einen
ersten Teilabschnitt bzw. Teil 102a eines Hohlraumnegativs zu bilden, und zwar
so, daß ein überlagernder Abschnitt 100b der Schicht 100 die Schicht 92 und
den ersten dreidimensionalen hohlen Abschnitt 86a abdeckt. Eine imaginäre Linie
91 unterteilt die Gußmaterialschicht in die zwei Abschnitte 100a, 100b.
Fig. 5G zeigt eine Gestaltungseinrichtung 12, welche den überlagernden Ab
schnitt 100b der Gußmaterialschicht 100 bearbeitet, wodurch ein zweiter
Teilabschnitt 102b des Hohlraumnegativs 102 gebildet wird. Der Umriß des
noch zu bildenden Teilabschnitts des Hohlraumnegativs 102 ist in Fig. 4E durch
eine gestrichelte Linie dargestellt.
In Fig. 5H wurde eine andere Baumaterialschicht 104 auf der einen Gußmaterial
schicht 92 derart abgelagert, daß die Baumaterialschicht 104 den zweiten
Teilabschnitt 102b des Hohlraumnegativs 102 vollständig abdeckt.
In Bezugnahme auf Fig. 5I wird eine Baumaterialschicht 104 durch eine Gestal
tungseinrichtung 12 bearbeitet, um den zweiten dreidimensionalen hohlen
Abschnitt 86b der hohlen Kugel bzw. Hohlkugel 86 zu bilden. Der Umriß des
noch zu bildenden Teilabschnitts des Abschnitts 86b ist in Fig. 51 durch eine
gestrichelte Linie dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die hohlen Abschnitte 86a,
86b das Gehäuse 88 bilden, welches das Hohlraumnegativ 102 einkapseln bzw.
umgeben.
Fig. 5J und 5K offenbaren alternative Verfahren zum Entfernen des Hohlraumne
gativs 102 von dem Gehäuse 88, um den Hohlraum 90 (Fig. 5A) herzustellen.
In der Fig. 5J wurde eine Öffnung bzw. Entlüftungsöffnung 106 durch den
zweiten dreidimensionalen hohlen Abschnitt 86b eingesetzt. Eine Leitung 108 ist
in Verbindung mit dem Auslaß der Entlüftungsöffnung 106 an einem Ende und
mit einer Vakuumquelle bzw. -pumpe 110 bei dem anderen Ende. Die Betätigung
der Quelle 110 verursacht, daß das Hohlraumnegativmaterial 102′, welches in
einem flüssigen oder gasförmigen Zustand sein muß, von dem Gehäuse 88 in
der durch den Pfeil 112 dargestellten Richtung entweicht. Falls notwendig, muß
das Hohlraumnegativ 102 teilweise gelöst werden vor der Evakuation.
Solche Lösung kann durch ein Lösungsmittel durchgeführt werden, welches in
Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Hohlraumnegativs 102 solche
Flüssigkeiten sein kann, wie Wasser oder Kerosin.
In Fig. 5K, welche ein thermisches Verfahren zur Entfernung des Hohlraumnega
tivs darstellt, ist ein unterschiedliches Hohlraumnegativmaterial 102′′ gezeigt, da
für solch ein Verfahren das Material 102′′ einen niedrigeren Schmelzpunkt haben
muß als das Material, welches die Gußmaterialschicht 92 bildet. Darüber hinaus
stellt Fig. 5K den zweiten dreidimensionalen hohlen Abschnitt 86b aus einem
porösen Material gebildet dar, z. B. einer porösen Keramik, und zwar dargestellt
durch eine Vielzahl von Poren 114, deren relative Durchmesser zum Zwecke der
Darstellung übertrieben dargestellt sind.
Die Hohlkugelabschnitte 86a und 86b, die Gußmaterialschicht 92 und das
Material 102′′ sind einer erhitzten bzw. geheizten Umgebung ausgesetzt, so wie
jene durch das Gehäuse 116 definierte. Die Erhitzung wird fortgeführt, wodurch
das Material 102′′ den Siedepunkt erreicht und in einen gasförmigen bzw.
dampfförmigen Zustand übergeht, wonach der Dampf durch die Vielzahl von
Poren 114 und in die Umgebung 117 in der durch die Pfeile 118 dargestellten
Weise entweicht.
Das Hohlraumnegativ 102 kann auch entfernt werden durch ein verändertes
Verfahren, welches die Schritte umfaßt, welche bezüglich sowohl Fig. 5J als
auch 5K dargestellt wurden. Insbesondere kann eine erhitzte Umgebung das
Hohlraumnegativ 102 verflüssigen, wonach das Material durch eine Entlüftungs
öffnung durch einen dreidimensionalen Abschnitt entfernt wird.
Zu anderen Zwecken als jene in der Fig. 5K gezeigten, muß die Umgebung 117
nicht eine erhitzte Umgebung sein. Als Illustrationsbeispiele könnte es vorteilhaft
sein, diese Umgebung zu kühlen, um eine schnelle Verfestigung von Wachsen
zu verursachen, oder um die Umgebung mit einem inerten Gas zu durchfluten
bzw. fluten, um unerwünschte Nebenprodukte von Verfahrensschritten, welche
bei dem Guß- oder Baumaterial durchgeführt wurden, zu verhindern.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch benutzt werden, um
einen dreidimensionalen Gegenstand mit einer rückspringenden Fläche bzw.
Oberfläche herzustellen, wie der im Schnitt in Fig. 6 gezeigte Gegenstand, bei
welcher ein dreidimensionaler Gegenstand 120 mit einer rückspringenden Fläche
bzw. Oberfläche 122 gezeigt ist. Die Fläche 122 bildet eine bogenförmige
Einkerbung bzw. Vertiefung bzw. Zahnung bezüglich der Ebene, welche eine
oder beide unteren planaren Flächen 121 und 123 beinhaltet. Die sequentiellen
Schritte, welche durchgeführt werden, um den Gegenstand 120 herzustellen,
werden nachfolgend beschrieben.
Fig. 6A stellt eine Schicht von Gußmaterial 124 dar, welche abgelagert wurde.
Fig. 6B stellt eine Gestaltungseinrichtung 12 dar, welche die Gußmaterialschicht
124 bearbeitet, um einen Vorsprung 126 zu bilden, welcher, obwohl er darge
stellt ist mit einer abgerundeten oder hemisphärischen Form, eine beliebige Form
annehmen kann, und zwar in Abhängigkeit der Form der entsprechenden rück
springenden Fläche in dem herzustellenden Gegenstand. In Fig. 6B scheint der
Vorsprung 126 nach außen bezüglich der umgebenden oberen planaren Flächen
124a, 124a′, welche durch Bearbeiten der Schicht 124 gebildet sind. Der Umriß
des Abschnitts des Vorsprungs 126, welcher noch gebildet werden muß, ist in
der Fig. 6B durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
In Fig. 6C wurde eine Baumaterialschicht 128 auf der Gußmaterialschicht 126
abgelagert, so daß die Schicht 128 vollständig den Vorsprung 126 abdeckt.
Wie in Fig. 6D ersichtlich, wird dann die Bearbeitung bzw. Fräsung der Baumate
rialschicht 128 durch die Gestaltungseinrichtung 12 derart durchgeführt, daß der
Gegenstand 120 anfängt, hervorzuspringen, wobei der unvollendete Teilab
schnitt davon durch eine gestrichelte Linie 129 dargestellt ist.
Fig. 6E zeigt die Entfernung der bearbeiteten Gußmaterialschicht 124. Die
Gußmaterialschicht 124 ist in einem Lösungsmittel 130 eingetaucht, welches in
Behälterwandungen 132 enthalten ist, und welches Wasser sein kann, falls das
Gußmaterial ein wasserlösliches Wachs ist. Wie in Fig. 6E ersichtlich, ist die
frühere Schicht 124 teilweise gelöst in eine Materialmasse 124′ dargestellt. Ein
weiteres Eintauchen bezweckt eine komplette Entfernung des Gußmaterials. Es
ist zu verstehen, daß die Gußmaterialentfernung durch jene der bezüglich Fig. 2F
beschriebenen Techniken durchgeführt werden kann, und zwar in geeigneter
Weise für die besondere benutzte Gußmaterialzusammensetzung.
Wegen der Form des Gegenstands 120, in welcher keine Überhänge bzw. Vor
sprünge vorhanden sind, ist nur eine Anwendung und Bearbeitung einer Bauma
terialschicht notwendig, so daß der einzige hergestellte dreidimensionale Ab
schnitt der gesamte Gegenstand 120 an sich ist. Es wird verstanden werden,
daß jedoch Gegenstände mit unterschiedlichen Konfigurationen, wie jene mit
sowohl Vorsprüngen als auch rückspringenden Flächen, erzeugt werden können
durch eine Kombination von den bezüglich Fig. 6A-6E und den vorangehenden
Figuren beschriebenen Schritten, so daß eine Vielzahl von dreidimensionalen Ab
schnitten geformt werden können.
Da die vorangehende Beschreibung lediglich beispielhafter Natur ist, um lediglich
beispielhafterweise die Erfindung darzustellen, sind viele Veränderungen für den
Fachmann offensichtlich. Es sollte inbesondere verstanden werden, daß die
Verfahrensschritte, welche jeweils in den Fig. 2A-2F, 3B-3H, 4B-4E, 5B-5K und
6A-6E beschrieben wurden, in jeder beliebigen Sequenz kombiniert werden
können, um dreidimensionale Gegenstände herzustellen, welche breit bzw. stark
unterschiedliche externe und interne Konfigurationen aufweisen. Solche Ver
änderungen sind durch den Bereich dieser Erfindung, wie durch die folgenden
Ansprüche definiert, enthalten.
Bezugszeichenliste
2 Pfeil
4 Pfeil
6 Pfeil
8 Pfeil
10 Vorrichtung
12 Gestaltungseinrichtung
14 Gußmaterialspender
14A Auslaß bzw. Ausguß
15 Verbindung (14-24)
16 Baumaterialspender
17 Verbindung (16-24)
18 Abfallentferner
20 Plattform
21 vertikale Wandungen
22 Ausgangsmaterialschicht
22′ Gußmaterial
24 1. Richtungsgeber
25 2. Richtungsgeber
26 Bereich
27 Pfad
28 obere Fläche
30 Steuerer bzw. Regler
32 Schneidwerkzeug
34 Mikroprozessor
36 CAD/CAM-System
38 Kugel
38a 1. dreidimensionaler Abschnitt
38b 2. dreidimensionaler Abschnitt
38d Tiefe
39 imaginärer Äquator
40 1. Gußmaterialschicht
40a flüssige Masse
41 glatte obere Oberfläche
42 Hohlraum
44 Abfallteilchen
46 Vakuumkopf
48 Leitung
50 Pfeil
51 imaginäre Linie
52 Baumaterialschicht
52a überlappender Abschnitt
52b überlagernder Abschnitt
54 Heizeinrichtung
56 hantelförmiger dreidimensionaler Gegenstand
56a 1. dreidimensionaler Abschnitt
56b 2. dreidimensionaler Abschnitt
56c 3. dreidimensionaler Abschnitt
58 Halsabschnitt
60 Endglied
61 imaginäre Linie
62 Endglied
64 1. Gußmaterialschicht
66 1. Hohlraum
68 1. Baumaterialschicht
68a überlappender Abschnitt
68b überlagernder Abschnitt
69 oberes Ende
70 2. Gußmaterialschicht
71 imaginäre Linie
72 2. Hohlraum
74 2. Baumaterialschicht
74a überlappender Abschnitt
74b überlagernder Abschnitt
75 obere Fläche
76 dreidimensionaler Gegenstand
76e 5. dreidimensionaler Abschnitt
76f 6. dreidimensionaler Abschnitt
78 erhöhtes umgekehrt-konisches Glied
80 3. Gußmaterialschicht
82 Hohlraum
84 3. Baumaterialschicht
84a überlappender Abschnitt
84b überlagernder Abschnitt
86 Hohlkugel
86a 1. dreidimensionaler hohler Abschnitt
86b 2. dreidimensionaler hohler Abschnitt
88 Gehäuse
90 Hohlraum
91 imaginäre Linie
92 Gußmaterialschicht
94 1. Hohlraum
95 obere Fläche
96 Baumaterialschicht
98 2. Hohlraum
100 Gußmaterialschicht
100a überlappender Abschnitt
100b überlagernder Abschnitt
102 Hohlraumnegativ
102′ Hohlraumnegativmaterial
102′′ Hohlraumnegativmaterial
102a 1. Teilabschnitt
102b 2. Teilabschnitt
104 Baumaterialschicht
106 Öffnung bzw. Entlüftungsöffnung
108 Leitung
110 Vakuumquelle
112 Pfeil
114 Poren
116 Gehäuse
118 Pfeile
120 dreidimensionaler Gegenstand
121 untere planare Fläche
122 rückspringende Fläche
123 untere planare Fläche
124 Gußmaterialschicht
124′ Materialmasse
124a umgebende obere planare Fläche
124a′ umgebende obere planare Fläche
126 Vorsprung
128 Baumaterialschicht
129 gestrichelte Linie
130 Lösungsmittel
132 Behälterwandungen
4 Pfeil
6 Pfeil
8 Pfeil
10 Vorrichtung
12 Gestaltungseinrichtung
14 Gußmaterialspender
14A Auslaß bzw. Ausguß
15 Verbindung (14-24)
16 Baumaterialspender
17 Verbindung (16-24)
18 Abfallentferner
20 Plattform
21 vertikale Wandungen
22 Ausgangsmaterialschicht
22′ Gußmaterial
24 1. Richtungsgeber
25 2. Richtungsgeber
26 Bereich
27 Pfad
28 obere Fläche
30 Steuerer bzw. Regler
32 Schneidwerkzeug
34 Mikroprozessor
36 CAD/CAM-System
38 Kugel
38a 1. dreidimensionaler Abschnitt
38b 2. dreidimensionaler Abschnitt
38d Tiefe
39 imaginärer Äquator
40 1. Gußmaterialschicht
40a flüssige Masse
41 glatte obere Oberfläche
42 Hohlraum
44 Abfallteilchen
46 Vakuumkopf
48 Leitung
50 Pfeil
51 imaginäre Linie
52 Baumaterialschicht
52a überlappender Abschnitt
52b überlagernder Abschnitt
54 Heizeinrichtung
56 hantelförmiger dreidimensionaler Gegenstand
56a 1. dreidimensionaler Abschnitt
56b 2. dreidimensionaler Abschnitt
56c 3. dreidimensionaler Abschnitt
58 Halsabschnitt
60 Endglied
61 imaginäre Linie
62 Endglied
64 1. Gußmaterialschicht
66 1. Hohlraum
68 1. Baumaterialschicht
68a überlappender Abschnitt
68b überlagernder Abschnitt
69 oberes Ende
70 2. Gußmaterialschicht
71 imaginäre Linie
72 2. Hohlraum
74 2. Baumaterialschicht
74a überlappender Abschnitt
74b überlagernder Abschnitt
75 obere Fläche
76 dreidimensionaler Gegenstand
76e 5. dreidimensionaler Abschnitt
76f 6. dreidimensionaler Abschnitt
78 erhöhtes umgekehrt-konisches Glied
80 3. Gußmaterialschicht
82 Hohlraum
84 3. Baumaterialschicht
84a überlappender Abschnitt
84b überlagernder Abschnitt
86 Hohlkugel
86a 1. dreidimensionaler hohler Abschnitt
86b 2. dreidimensionaler hohler Abschnitt
88 Gehäuse
90 Hohlraum
91 imaginäre Linie
92 Gußmaterialschicht
94 1. Hohlraum
95 obere Fläche
96 Baumaterialschicht
98 2. Hohlraum
100 Gußmaterialschicht
100a überlappender Abschnitt
100b überlagernder Abschnitt
102 Hohlraumnegativ
102′ Hohlraumnegativmaterial
102′′ Hohlraumnegativmaterial
102a 1. Teilabschnitt
102b 2. Teilabschnitt
104 Baumaterialschicht
106 Öffnung bzw. Entlüftungsöffnung
108 Leitung
110 Vakuumquelle
112 Pfeil
114 Poren
116 Gehäuse
118 Pfeile
120 dreidimensionaler Gegenstand
121 untere planare Fläche
122 rückspringende Fläche
123 untere planare Fläche
124 Gußmaterialschicht
124′ Materialmasse
124a umgebende obere planare Fläche
124a′ umgebende obere planare Fläche
126 Vorsprung
128 Baumaterialschicht
129 gestrichelte Linie
130 Lösungsmittel
132 Behälterwandungen
Claims (15)
1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes (38; 56;
76; 86; 120), welches folgende Schritte umfaßt:
Ablagern einer ersten Gußmaterialschicht (40; 64; 92; 100; 124) auf bzw. an einer Trägerfläche (20);
Bearbeiten eines ersten Hohlraums (42; 66; 94; 102) in die erste Gußma terialschicht (40; 64; 92; 100; 124);
Ablagern einer ersten Baumaterialschicht (52; 68; 96; 104; 128) an bzw. auf der ersten Gußmaterialschicht (40; 64; 92; 100; 124), so daß ein überlappender Abschnitt (52a; 68a; 100a) der ersten Baumaterialschicht (52; 68; 96; 104; 128) den ersten Hohlraum (42; 66; 94; 102) im we sentlichen füllt, um einen ersten dreidimensionalen Abschnitt (38a; 56a; 86a; 102a) des Gegenstandes (38; 56; 76; 86; 120) zu bilden, und so daß ein überlagernder Abschnitt (52b; 68b; 100b) der ersten Baumaterial schicht (52; 68; 96; 104; 128) die erste Gußmaterialschicht (40; 64; 92; 100; 124) abdeckt; und
Bearbeiten des überlagernden Abschnitts (52b; 68b; 100b) der ersten Baumaterialschicht (52; 68; 96; 104; 128), um einen zweiten dreidimen sionalen Abschnitt (38b; 56b; 86b; 102b) des Gegenstandes (38; 56; 76; 86; 120) zu bilden.
Ablagern einer ersten Gußmaterialschicht (40; 64; 92; 100; 124) auf bzw. an einer Trägerfläche (20);
Bearbeiten eines ersten Hohlraums (42; 66; 94; 102) in die erste Gußma terialschicht (40; 64; 92; 100; 124);
Ablagern einer ersten Baumaterialschicht (52; 68; 96; 104; 128) an bzw. auf der ersten Gußmaterialschicht (40; 64; 92; 100; 124), so daß ein überlappender Abschnitt (52a; 68a; 100a) der ersten Baumaterialschicht (52; 68; 96; 104; 128) den ersten Hohlraum (42; 66; 94; 102) im we sentlichen füllt, um einen ersten dreidimensionalen Abschnitt (38a; 56a; 86a; 102a) des Gegenstandes (38; 56; 76; 86; 120) zu bilden, und so daß ein überlagernder Abschnitt (52b; 68b; 100b) der ersten Baumaterial schicht (52; 68; 96; 104; 128) die erste Gußmaterialschicht (40; 64; 92; 100; 124) abdeckt; und
Bearbeiten des überlagernden Abschnitts (52b; 68b; 100b) der ersten Baumaterialschicht (52; 68; 96; 104; 128), um einen zweiten dreidimen sionalen Abschnitt (38b; 56b; 86b; 102b) des Gegenstandes (38; 56; 76; 86; 120) zu bilden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, welches weiterhin folgende Schritte um
faßt:
Ablagern einer zweiten Gußmaterialschicht (70; 80), wobei die zweite Gußmaterialschicht (70; 80) den zweiten dreidimensionalen Abschnitt (38b; 56b; 86b; 102b) des Gegenstandes (38; 56; 76; 86; 120) im wesentlichen abdeckt; und
Bearbeiten eines zweiten Hohlraums (72; 82) in der zweiten Gußmaterial schicht (70; 80).
Ablagern einer zweiten Gußmaterialschicht (70; 80), wobei die zweite Gußmaterialschicht (70; 80) den zweiten dreidimensionalen Abschnitt (38b; 56b; 86b; 102b) des Gegenstandes (38; 56; 76; 86; 120) im wesentlichen abdeckt; und
Bearbeiten eines zweiten Hohlraums (72; 82) in der zweiten Gußmaterial schicht (70; 80).
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, welches weiterhin folgenden Schritt um
faßt: Füllen des zweiten Hohlraums (72; 82) mit Baumaterial, um einen
dritten dreidimensionalen Abschnitt (56c) des Gegenstandes (38; 56; 76;
86; 120) zu bilden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, welches weiterhin folgende Schritte
umfaßt:
Ablagern einer zweiten Baumaterialschicht (74; 84) an bzw. auf der zweiten Gußmaterialschicht (70; 80), so daß ein überlappender Abschnitt (74a; 84a) der zweiten Baumaterialschicht (74; 84) den zweiten Hohl raum (72; 82) im wesentlichen füllt, um einen dritten dreidimensionalen Abschnitt (56c) des Gegenstandes (38; 56; 76; 86; 120) zu bilden, und so daß ein überlagernder Abschnitt (74b; 84b) der zweiten Baumaterial schicht (74; 84) die zweite Gußmaterialschicht (70; 80) im wesentlichen abdeckt; und
Bearbeiten des überlagernden Abschnitts (74b; 84b) der zweiten Bauma terialschicht (74; 84), um einen vierten dreidimensionalen Abschnitt (56d) des Gegenstandes (38; 56; 76; 86; 120) zu bilden.
Ablagern einer zweiten Baumaterialschicht (74; 84) an bzw. auf der zweiten Gußmaterialschicht (70; 80), so daß ein überlappender Abschnitt (74a; 84a) der zweiten Baumaterialschicht (74; 84) den zweiten Hohl raum (72; 82) im wesentlichen füllt, um einen dritten dreidimensionalen Abschnitt (56c) des Gegenstandes (38; 56; 76; 86; 120) zu bilden, und so daß ein überlagernder Abschnitt (74b; 84b) der zweiten Baumaterial schicht (74; 84) die zweite Gußmaterialschicht (70; 80) im wesentlichen abdeckt; und
Bearbeiten des überlagernden Abschnitts (74b; 84b) der zweiten Bauma terialschicht (74; 84), um einen vierten dreidimensionalen Abschnitt (56d) des Gegenstandes (38; 56; 76; 86; 120) zu bilden.
5. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei
eine Zusammensetzung einer Gußmaterialschicht (40; 64; 70; 80; 92;
100; 124) sich von einer Zusammensetzung einer anderen Gußmaterial
schicht (40; 64; 70; 80; 92; 100; 124) unterscheidet.
6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Zu
sammensetzung einer Baumaterialschicht (52; 68; 74; 84; 96; 104; 128)
sich von einer Zusammensetzung einer anderen Baumaterialschicht (52;
68; 74; 84; 96; 104; 128) unterscheidet.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches folgende
Schritte umfaßt:
Ablagern einer sukzessiven Gußmaterialschicht auf einem unmittelbar vorangehenden dreidimensionalen Abschnitt des Gegenstandes;
Bearbeiten eines entsprechenden Hohlraums in der nachfolgenden Gußma terialschicht;
Ablagern einer sukzessiven Baumaterialschicht auf der sukzessiven Guß materialschicht, so daß ein überlappender Abschnitt der sukzessiven Baumaterialschicht den entsprechenden Hohlraum im wesentlichen füllt, um einen weiteren dreidimensionalen Abschnitt des Gegenstandes zu bilden, und so daß ein überlagernder Abschnitt der sukzessiven Baumate rialschicht die sukzessive Gußmaterialschicht im wesentlichen abdeckt;
Bearbeiten des überlagernden Abschnittes der sukzessiven Baumaterial schicht, um noch einen weiteren dreidimensionalen Abschnitt des Gegen standes zu bilden; und
Wiederholen der Schritte des Ablagerns einer sukzessiven Gußmaterial schicht auf einen unmittelbar vorangehenden dreidimensionalen Abschnitt des Gegenstandes,
Bearbeiten eines entsprechenden Hohlraums in der sukzessiven Gußmate rialschicht, Ablagern einer sukzessiven Baumaterialschicht und/oder Bearbeiten des überlagernden Abschnitts, und zwar bis der Gegenstand vollständig gebildet ist.
Ablagern einer sukzessiven Gußmaterialschicht auf einem unmittelbar vorangehenden dreidimensionalen Abschnitt des Gegenstandes;
Bearbeiten eines entsprechenden Hohlraums in der nachfolgenden Gußma terialschicht;
Ablagern einer sukzessiven Baumaterialschicht auf der sukzessiven Guß materialschicht, so daß ein überlappender Abschnitt der sukzessiven Baumaterialschicht den entsprechenden Hohlraum im wesentlichen füllt, um einen weiteren dreidimensionalen Abschnitt des Gegenstandes zu bilden, und so daß ein überlagernder Abschnitt der sukzessiven Baumate rialschicht die sukzessive Gußmaterialschicht im wesentlichen abdeckt;
Bearbeiten des überlagernden Abschnittes der sukzessiven Baumaterial schicht, um noch einen weiteren dreidimensionalen Abschnitt des Gegen standes zu bilden; und
Wiederholen der Schritte des Ablagerns einer sukzessiven Gußmaterial schicht auf einen unmittelbar vorangehenden dreidimensionalen Abschnitt des Gegenstandes,
Bearbeiten eines entsprechenden Hohlraums in der sukzessiven Gußmate rialschicht, Ablagern einer sukzessiven Baumaterialschicht und/oder Bearbeiten des überlagernden Abschnitts, und zwar bis der Gegenstand vollständig gebildet ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines hohlen dreidimensionalen Gegenstandes
(86), insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches
folgende Schritte umfaßt:
Ablagern einer ersten Gußmaterialschicht (92);
Bearbeiten eines ersten Hohlraumes (94) in die erste Gußmaterialschicht (92);
im wesentlichen Füllen des ersten Hohlraums (92) mit einer ersten Bau materialschicht (96);
Bearbeiten eines zweiten Hohlraumes (98) in die eine Baumaterialschicht (96), um einen ersten dreidimensionalen hohlen Abschnitt (86a) des Gegenstandes (86) zu bilden;
Ablagern einer zweiten Gußmaterialschicht (100) an bzw. auf der ersten Gußmaterialschicht (92), so daß ein überlappender Abschnitt (100a) der zweiten Gußmaterialschicht (100) den zweiten Hohlraum (98) im wesent lichen füllt, um einen ersten Abschnitt (102a) eines Hohlraumnegativs (102) zu bilden, und so daß ein überlagern der Abschnitt (100b) der zwei ten Gußmaterialschicht (100) den ersten dreidimensionalen hohlen Ab schnitt (86a) im wesentlichen abdeckt;
Bearbeiten des überlagernden Abschnitts (100b) der zweiten Gußmaterial schicht (100), um einen zweiten Abschnitt (102b) des Hohlraumnegativs (102) zu bilden;
Ablagern einer zweiten Baumaterialschicht (104), wobei die zweite Bau materialschicht (104) den zweiten Abschnitt (102b) des Hohlraumnega tivs (102) im wesentlichen abdeckt;
Bearbeiten der zweiten Baumaterialschicht (104), um einen zweiten dreidimensionalen hohlen Abschnitt (86b) des Gegenstandes (86) zu bilden, wobei der erste und der zweite dreidimensionale hohle Abschnitt (86a, 86b) ein Gehäuse bzw. einem im wesentlichen geschlossenen Raum (88) um das Hohlraumnegativ (102b) bilden; und
Entfernen des Hohlraumnegativs (102) von dem Gehäuse (88).
Ablagern einer ersten Gußmaterialschicht (92);
Bearbeiten eines ersten Hohlraumes (94) in die erste Gußmaterialschicht (92);
im wesentlichen Füllen des ersten Hohlraums (92) mit einer ersten Bau materialschicht (96);
Bearbeiten eines zweiten Hohlraumes (98) in die eine Baumaterialschicht (96), um einen ersten dreidimensionalen hohlen Abschnitt (86a) des Gegenstandes (86) zu bilden;
Ablagern einer zweiten Gußmaterialschicht (100) an bzw. auf der ersten Gußmaterialschicht (92), so daß ein überlappender Abschnitt (100a) der zweiten Gußmaterialschicht (100) den zweiten Hohlraum (98) im wesent lichen füllt, um einen ersten Abschnitt (102a) eines Hohlraumnegativs (102) zu bilden, und so daß ein überlagern der Abschnitt (100b) der zwei ten Gußmaterialschicht (100) den ersten dreidimensionalen hohlen Ab schnitt (86a) im wesentlichen abdeckt;
Bearbeiten des überlagernden Abschnitts (100b) der zweiten Gußmaterial schicht (100), um einen zweiten Abschnitt (102b) des Hohlraumnegativs (102) zu bilden;
Ablagern einer zweiten Baumaterialschicht (104), wobei die zweite Bau materialschicht (104) den zweiten Abschnitt (102b) des Hohlraumnega tivs (102) im wesentlichen abdeckt;
Bearbeiten der zweiten Baumaterialschicht (104), um einen zweiten dreidimensionalen hohlen Abschnitt (86b) des Gegenstandes (86) zu bilden, wobei der erste und der zweite dreidimensionale hohle Abschnitt (86a, 86b) ein Gehäuse bzw. einem im wesentlichen geschlossenen Raum (88) um das Hohlraumnegativ (102b) bilden; und
Entfernen des Hohlraumnegativs (102) von dem Gehäuse (88).
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Schritt des Entfernens von dem
Hohlraumnegativ (102) von dem Gehäuse (88) den Schritt umfaßt:
Vorsehen einer Entlüftungsöffnung (106) durch zumindest einen der dreidimensionalen hohlen Abschnitte (86a, 86b) und/oder Verursachen, daß das Gußmaterial, welches das Hohlraumnegativ (102) bildet, durch eine Entlüftungsöffnung (106) entweicht.
Vorsehen einer Entlüftungsöffnung (106) durch zumindest einen der dreidimensionalen hohlen Abschnitte (86a, 86b) und/oder Verursachen, daß das Gußmaterial, welches das Hohlraumnegativ (102) bildet, durch eine Entlüftungsöffnung (106) entweicht.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Schritt des Entfernens von dem
Hohlraumnegativ (102) von dem Gehäuse (88) folgende Schritte umfaßt:
Konstruieren von zumindest einem der dreidimensionalen hohlen Abschnit te (86a, 86b) aus einer Zusammensetzung, bei welcher eine Vielzahl von Poren (114) bei Aushärten der Zusammensetzung gebildet werden; und
Verursachen, daß das Gußmaterial, welches das Hohlraumnegativ (102) bildet, durch die Vielzahl von Poren (114) entweicht.
Konstruieren von zumindest einem der dreidimensionalen hohlen Abschnit te (86a, 86b) aus einer Zusammensetzung, bei welcher eine Vielzahl von Poren (114) bei Aushärten der Zusammensetzung gebildet werden; und
Verursachen, daß das Gußmaterial, welches das Hohlraumnegativ (102) bildet, durch die Vielzahl von Poren (114) entweicht.
11. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes (120) mit
einer rückspringenden Fläche (122), insbesondere nach einem der vor
angehenden Ansprüche, welches folgende Schritte umfaßt:
Ablagern einer Gußmaterialschicht (124);
Bearbeiten der Gußmaterialschicht (124), um einen Vorsprung (126) zu bilden;
Ablagern einer Baumaterialschicht (128) auf bzw. an der zweiten Gußma terialschicht (124); und
Bearbeiten der Baumaterialschicht (128), um einen dreidimensionalen Abschnitt des Gegenstandes (120) zu bilden.
Ablagern einer Gußmaterialschicht (124);
Bearbeiten der Gußmaterialschicht (124), um einen Vorsprung (126) zu bilden;
Ablagern einer Baumaterialschicht (128) auf bzw. an der zweiten Gußma terialschicht (124); und
Bearbeiten der Baumaterialschicht (128), um einen dreidimensionalen Abschnitt des Gegenstandes (120) zu bilden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, welches weiterhin den Schritt umfaßt von
Entfernen der Gußmaterialschicht (124) nachfolgend zu dem Bearbeiten
der Baumaterialschicht (128).
13. Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes (38;
56; 76; 86; 120), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens ge
mäß einem der vorangehenden Ansprüche, welche umfaßt:
eine Bearbeitungs- bzw. Gestaltungseinrichtung (12);
einen Richtungsgeber (24; 25), welcher operativ mit der Gestaltungsein richtung (12) verbunden ist, zum Anordnen der Gestaltungseinrichtung (12) in einem vorbestimmten Bereich;
einen Gußmaterialspender bzw. -auslaß (14), welcher operativ verbunden ist mit dem Richtungsgeber (24; 25);
einen Baumaterialspender bzw. -auslaß (16), welcher operativ verbunden ist mit dem Richtungsgeber (24; 25); und
ein Steuerer bzw. Regler (30), welcher operativ verbunden ist mit dem Richtungsgeber (24; 25), wobei der Steuerer den Betrieb der Gestaltungs einrichtung (12) steuert bzw. regelt, um das Gußmaterial und/oder Bau material zu gestalten bzw. bearbeiten.
eine Bearbeitungs- bzw. Gestaltungseinrichtung (12);
einen Richtungsgeber (24; 25), welcher operativ mit der Gestaltungsein richtung (12) verbunden ist, zum Anordnen der Gestaltungseinrichtung (12) in einem vorbestimmten Bereich;
einen Gußmaterialspender bzw. -auslaß (14), welcher operativ verbunden ist mit dem Richtungsgeber (24; 25);
einen Baumaterialspender bzw. -auslaß (16), welcher operativ verbunden ist mit dem Richtungsgeber (24; 25); und
ein Steuerer bzw. Regler (30), welcher operativ verbunden ist mit dem Richtungsgeber (24; 25), wobei der Steuerer den Betrieb der Gestaltungs einrichtung (12) steuert bzw. regelt, um das Gußmaterial und/oder Bau material zu gestalten bzw. bearbeiten.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei der Steuerer (30) einen Compu
ter umfaßt, welcher operativ mit dem Richtungsgeber (24; 25) gekoppelt
ist, um eine Position der Gestaltungseinrichtung (12) zu überwachen, und
zwar während der Entfernung von Fremdmaterial, wobei der Computer
mit Informationen programmiert bzw. programmierbar ist, welche den
vorbestimmten Grenzlinien einer Vielzahl von dreidimensionalen Abschnit
ten des Gegenstandes (38; 46; 76; 86; 120) entsprechen.
15. Vorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der Gußmaterialspender
(14) und der Baumaterialspender (16) betätigbar sind, um eine Vielzahl
von Materialien auszugeben, so daß verschiedene Materialien das Gußma
terial und das Baumaterial bilden, wobei eine Zusammensetzung eines
abgeschlossenen Gegenstandes insbesondere nicht homogen ist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/361,123 US5590454A (en) | 1994-12-21 | 1994-12-21 | Method and apparatus for producing parts by layered subtractive machine tool techniques |
GB9613171A GB2314796B (en) | 1994-12-21 | 1996-06-24 | Method for producing parts by layered subtractive machine tool te chniques |
FR9607807A FR2750064B1 (fr) | 1994-12-21 | 1996-06-24 | Procede et dispositif de production de pieces par depot et fraisage de couches successives |
DE19625425A DE19625425C2 (de) | 1994-12-21 | 1996-06-25 | Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Gegenstände in Form von Schichtkörpern |
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/361,123 US5590454A (en) | 1994-12-21 | 1994-12-21 | Method and apparatus for producing parts by layered subtractive machine tool techniques |
GB9613171A GB2314796B (en) | 1994-12-21 | 1996-06-24 | Method for producing parts by layered subtractive machine tool te chniques |
FR9607807A FR2750064B1 (fr) | 1994-12-21 | 1996-06-24 | Procede et dispositif de production de pieces par depot et fraisage de couches successives |
DE19625425A DE19625425C2 (de) | 1994-12-21 | 1996-06-25 | Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Gegenstände in Form von Schichtkörpern |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19625425A1 true DE19625425A1 (de) | 1998-01-02 |
DE19625425C2 DE19625425C2 (de) | 2003-06-26 |
Family
ID=27438393
Family Applications (1)
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