DE69734408T2

DE69734408T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Prototyps

Info

Publication number: DE69734408T2
Application number: DE69734408T
Authority: DE
Inventors: David B. Rusell; Timothy Anderson; James F. Bredt; Michael J. Vogel; Martin Seymour; Walter J. Bornhorst; Marina Hatsopoulos
Original assignee: Z Corp
Current assignee: Z Corp
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2017-12-20
Also published as: WO1998028124A2; US20100151136A1; WO1998028124A3; ES2248457T3; JP2001507295A; ES2327424T3; ATE307020T1; EP1847370A3; ATE227208T1; EP0949993A2; EP1621311B1; ATE431774T1; EP0949993B1; DE69716946T3; DE69716946D1; US20090011066A1; DE69716946T2; US7686995B2; EP1264679A2; EP0949993B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Anfertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einer Darstellung des in einem Speicher gespeicherten Objekts und umfasst eine Schichtbildungsvorrichtung zum Bilden von Schichten von Pulvermaterial. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Anfertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einer Darstellung des in einem Speicher gespeicherten Objekts einschließlich des Bildens von Schichten von Pulvermaterial.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die schnelle Prototypenbildung (rapid prototyping) beschreibt verschiedene Techniken zum Anfertigen eines dreidimensionalen Prototyps eines Objekts aus einem Computermodell des Objekts. Eine Technik ist das dreidimensionale Drucken, wodurch ein spezieller Printer verwendet wird, um dem Prototyp aus einer Mehrzahl von zweidimensionalen Schichten anzufertigen. Insbesondere wird eine digitale Darstellung eines 3D-Objekts in einem Computerspeicher gespeichert. Computersoftware teilt die Darstellung des Objekts in eine Mehrzahl von getrennten 2D-Schichten auf. Ein dreidimensionaler Drucker fertigt dann eine Schicht des Materials für jede durch die Software getrennte Schicht an. Zusammen bilden die verschiedenen angefertigten Schichten den gewünschten Prototyp.
Bei einem Verfahren das dreidimensionalen Druckens werden Schichten eines Pulvermaterials in einem begrenzten Bereich aufgebracht. Eine Bindemittellösung wird selektiv auf jede Schicht aufgebracht, um Regionen von gebundenem Pulver zu erzeugen. Das ungebundene Pulver wird dann entfernt, um ein dreidimensionales Teil zu ergeben.
Die US-A-5 059 266, US-A-5 387 380, die US-A-5 015 312, die WO 94/19112A, die US-A-5 260 009 und die EP-A-0 426 363 sind Stand der Technik für die vorliegende Anmeldung. Die EP-A-0 431 924 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Anfertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einer Darstellung des in einem Speicher gespeicherten Objekts.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, selektiv gefärbte und farblose Bindemittelflüssigkeit an vorbestimmten Positionen aufzubringen, während die Teilefestigkeit optimiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung und das Verfahren erreicht, wie in Ansprüchen 1 bzw. 9 definiert ist.
Optionale Merkmale werden in den anhängigen Ansprüchen dargelegt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der Erfindung fertigt ein dreidimensionaler Drucker ein dreidimensionale Objekt aus einer in einem Speicher gespeicherten digitalen Darstellung an. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird die digitale Darstellung aus dem Speicher durch einen Computer bereitgestellt.
Ein Arbeitsbereich des Druckers kann ein Zufuhrreservoir, einen Aufbautisch, eine Überlaushohlraum und eine Fertigungsanordnung beinhalten. Aufbaumaterial wird in dem Zufuhrreservoir in einer pulverisierten Form gespeichert und nach Bedarf entnommen, um das dreidimensionale Objekt aufzubauen. Der Aufbautisch umfängt eine inkrementelle Ablagerung von Aufbaupulver, das von den Zufuhrreservoir transferiert wird. Das Aufbaupulver reagiert vorzugsweise mit einem anwendbaren Bindemittel, um eine volle Region zu bilden. Übermäßiges Aufbaupulver, das nicht auf dem Aufbautisch abgelagert wird, wird in einem Überlaufhohlraum aufgenommen. Während der Fertigung wird auch in der Luft befindliches Aufbaumaterial in dem Arbeitsbereich erzeugt.
Ein Filtrationssystem mit einer Unterdruckpumpe und einem Filter ist vorzugsweise mit dem Überlaushohlraum gekoppelt und entfernt das übermäßige Aufbaupulver aus dem Überlaufhohlraum. Das Filtrationssystem umfasst auch ein Entfeuchtungselement, um übermäßige Feuchtigkeit aus der Luft zu entfernen. Das Filtrationssystem zieht Luft aus dem Überlaufhohlraum während des Betriebs des Druckers. Der Benutzer kann auswählen, das Saugen zu einem Einlass umzuleiten, um als ein bewegbarer Miniaturstaubsauger zu wirken.
Das Filtrationssystem rezirkuliert vorzugsweise die gefilterte entfeuchtete Luft von dem Arbeitsbereich zu einem reinen Bereich des Druckers. Der reine Bereich kann Elektronik und anderes Gerät umfassen, das durch das Schweben der Aufbaumaterial beschädigt werden kann. Eine partielle Dichtung trennt den Arbeitsbereich von dem reinen Bereich, und eine mechanische Kopplung erstreckt sich durch die partielle Dichtung, um die Fertigungsanordnung zu betreiben. Eine positive Druckdifferenz hilft, das in der Luft befindliche Pulver aus dem reinen Bereich zu halten.
Die Bindemittelflüssigkeit wird vorzugsweise durch ein bewegbares Portal aufgebracht, das über dem Zufuhrreservoir, dem Aufbautisch und dem Überlaufhohlraum aufgehängt ist. Das Portal kann auch einen Verteiler zum Transferieren von Aufbaumaterial von dem Zufuhrreservoir zu dem Aufbautisch umfassen, um inkrementelle Schichten zu erzeugen. Das Portal umfasst Bindemitteldüsen in mindestens einer Bindemittelpatrone, wobei jede Bindemitteldüse mit einem Bindemittelvorrat gekoppelt ist, um Bindemittel auf die Schichten des Aufbaumaterials selektiv aufzubringen.
Verschiedene Mengen von Bindemittel können auf ausgewählte Positionen in den Schichten des Aufbaumaterials angebracht werden. Durch Anbringen dieser veränderlichen Bindemittelmengen kann die Teilefestigkeit gesteuert werden. Insbesondere wird ein größeres Volumen des Bindemittels an dem Umfang des Querschnitts aufgebracht, um eine harte Außenschale zu erzeugen. Veränderliche Volumina können durch Verändern der Strömungsrate des Bindemittels von den Düsen oder durch Aufbringen des Bindemittels mit einer veränderlichen Anzahl von Malen an einer ausgewählten Position aufgebracht werden.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein Vorrat von gefärbten und farblosen Bindemittel bereitgestellt. Tropfen von Bindemittel und Farbstoffen werden selektiv auf eine Schicht von Aufbaumaterial aufgebracht, um ein mehrfarbiges Objekt zu erzeugen. Insbesondere werden die Farbstoffe selektiv aufgebracht, um die äußere Oberfläche des Objekts zu färben. Das Bindemittel selbst kann ungefärbt oder mit den Farbstoffen kombiniert sein.
Während des Betriebs können die Bindemitteldüsen durch Ablagerungen einschließlich eines Gemisch des Bindemittels und des Aufbaumaterials verstopft werden. Eine Reinigungsanordnung auf dem Portal kann eine Wischmembrane umfassen, um Aufbaumaterial und andere Ablagerungen von den Bindemitteldüsen zu entfernen. Insbesondere wird ein Wischelement in einem Pfad von den Bindemitteldüsen bereitgestellt. Die Bindemitteldüsen werden periodisch angewiesen, über das Wischerelement zu laufen, sodass das Wischerelement Rückstände von den Düsen entfernen kann. Das Wischelement kann gereinigt werden, indem Bindemittelmaterial von den Düsen über das Wischelement geströmt wird, um das Wischelement zu reinigen. Die resultierende Abfallflüssigkeit kann zur Entsorgung in einem Abfallbehälter gesammelt werden.
Aus einer Anzahl von Gründen, einschließlich Verstopfung und Fehlausrichtung, kann eine bestimmte Bindemitteldüse in einer Druckerpatrone fehlerhaft sein. Die fehlerhafte Düse kann eine unerwünschte Linie von Delaminierung in jeder Schicht des Aufbaumaterials erzeugen. Die Bindemitteldüsen können um einen festen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Schichten versetzt sein. Dieses Versetzen erzeugt eine Diskontinuität zwischen den Linien der Delaminierung. Dieser Schindeleffekt wird durch seitliches Versetzen der Bindemitteldüsen bezogen auf die Richtung einer Druckabtastung erzeugt.
Das Zufuhrreservoir und die Aufbaukammer können Kolbenboxen sein, die aus einem einheitlichen Material angefertigt sind. Die Kolbenboxen umfassen Seiten, die jede benachbarte Seite an einer gekrümmten inneren Ecke verbinden. Ein Kolben wird gewählt, um eine Form aufzuweisen, die die innere Form der Box ergänzt. Eine Dichtung wird zwischen den äußeren Rändern des Kolbens und der inneren Oberfläche der Box bereitgestellt, um das Aufbaumaterial über den Kolben zu halten. Vorzugsweise wird die Box durch Formen eines biegsamen Metallbands gebildet, um eine glatte innere Oberfläche zu bilden. Die gekrümmten inneren Ecken werden durch Wickeln des Bands um eine Mehrzahl von Stäben gebildet, um die Ecken zu definieren. Das Band wird dann an Ort und Stelle durch eine Menge ausgehärtetem Urethan angebracht, und die Stäbe werden entfernt, um eine Kolbenbox mit einer glatten inneren Oberfläche zu ergeben.
Die oberen und weiteren Merkmale der Ausführungsform der Erfindung, einschließlich verschiedener neuartiger Einzelheiten des Aufbaus und der Kombination von Teilen, werden ausführlicher mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es ist ersichtlich, dass das bestimmte Verfahren und die bestimmte Vorrichtung für die Prototypenbildung ein dreidimensionalen Objekt, das die Erfindung verkörpert, lediglich durch Darstellung und nicht als eine Begrenzung der Erfindung gezeigt werden. Das Prinzip und die Merkmale dieser Erfindung können in verschiedenartigen und zahlreichen Ausführungsformen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung verkörpert sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur schnellen Prototypbildung (rapid prototyping) in Übereinstimmung mit der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht der Grundelemente zum Regeln der Luftströmung durch den dreidimensionalen Drucker.
3 ist eine obere Draufsicht des dreidimensionalen Druckers in Übereinstimmung mit der Erfindung.
4 ist eine detaillierte obere Seitenansicht eines Druckportals mit der Erfindung.
5A bis 5D sind schematische Diagramme eines Prozesses zum Steuern des Druckmediums mit der Erfindung.
6 ist ein schematisches Diagramm der bevorzugten Vorrichtung, die mehrere Bindemittelpatronen benutzt.
7 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren bevorzugten Vorrichtung, die mehrere Bindemittelpatronen benutzt.
8 ist ein schematisches Diagramm noch einer weiteren bevorzugten Vorrichtung, die mehrere Bindemittelpatronen benutzt.
9 ist ein schematisches Diagramm einer Bindemittelpatrone mit einer fehlerhaften Bindemitteldüse.
10 ist ein schematisches Diagramm eines bevorzugten Verfahrens zum Drucken von zwei Schichten mit einer fehlerhaften Bindemitteldüse.
11 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Technik, um das Zufuhrreservoir 24 und die Aufbaukammer 26 anzufertigen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
1 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur schnellen Prototypenbildung in Übereinstimmung mit der Erfindung. Wie dargestellt ist, gibt es einen Computer 1, einen dreidimensionalen Drucker 3, ein gebildetes 3D-Druckerobjekt 5, ein Nachverarbeitungssystem 7 und ein nachverarbeitetes 3D-Prototypobjekt.
Der Computer 1 ist ein vorzugsweise ein Personal-Computer, entweder ein Arbeitsplatz-Computer oder ein tragbarer Computer. Der Computer 1 kann ein Einzelplatz-Computer oder Teil eines Lokalbereichsnetzwerk (LAN = Local Area Network) oder eines Weitbereichsnetzwerk (WAN = Wide Area Network) sein. In Übereinstimmung mit der Erfindung umfasst der Computer 1 eine Softwareanwendung 12, wie beispielsweise ein Computer-Aided-Design/Computer-Aided-Manufacturing-Programm (CAD/CAM-Programm). Das CAD/CAM Programm 12 manipuliert digitale Darstellungen von dreidimensionalen Objekten 17, die in einem Datenspeicherbereich 15 gespeichert sind. Das CAD/CAM-Programm 12 kann die gespeicherten Darstellungen 17 erzeugen, modifizieren und wiederauffinden. Wenn ein Benutzer wünscht, ein Prototypobjekt 9 der gespeicherten Objektdarstellung 17 anzufertigen, exportiert der Benutzer die gespeicherte Darstellung zu einem Softwareprogramm höherer Ebene 18. Von dem Programm höherer Ebene 18 weist der Benutzer dann das Programm 18 an, zu drucken. Das Programm 18 teilt die digitale Darstellung 17 in eine Mehrzahl von diskreten zweidimensionalen Schichten jeweils mit einer vorbestimmten Dicke auf.
Das Programm 18 druckt jede Schicht durch Senden von Anweisungen höherer Ebene, um die Elektronik 52 in dem Drucker 3 zu steuern, die den dreidimensionalen Drucker 3 betreibt. Alternativ kann die digitale Darstellung des Objekts 17 direkt aus einem computerlesbaren Medium (z.B. magnetische oder optische Platte) durch Drucker-Hardware gelesen werden. Der dreidimensionale Drucker 3 umfasst einen unreinen Bereich 20, bei dem das Drucken durchgeführt wird, und einen reinen Bereich 50, bei dem die Steuerelektronik 52 untergebracht ist.
Der dreidimensionale Drucker 3 verwendet eine Druckerpatrone von Tintenstrahltyp, um Bindemittellösung von den Tintenstrahlen auf sukzessive Schichten eines pulverisierten Aufbaumaterials aufzubringen, wie beispielsweise in der US Patentanmeldung Seriennummer 08/707 693, eingereicht am 4. September 1996, offenbart ist, deren Lehren hier durch Bezug in ihrer Vollständigkeit aufgenommen sind. Bevor sich das Bindemittel mit dem Aufbaupulver vereinigt, reagiert das Pulver und härtet in eine massive Struktur aus. Durch Steuern der Platzierung von Bindemitteltröpfchen von diesen Bindemitteldüsen kann die massive Struktur des 2D-Querschnitts physikalisch reproduziert werden. Der dreidimensionale Drucker 3 fertigt eine physikalische Schicht für jede durch das Programm 18 bereitgestellten geteilten Schicht an. Wenn die Datei vollständig gedruckt wurde, wird ein unfertiges dreidimensionales Teil 5 gebildet. Weitere Einzelheiten des Bindens eines Pulvers, um ein Objekt zu bilden, werden in den US-Patenten Nr. 5 340 656, das Sachs u.a. erteilt wurde, und 5 387 380, das an Cima u.a. erteilt wurde, offenbart, deren Lehren hierin durch Bezug in ihrer Vollständigkeit aufgenommen sind.
Das Nachverarbeitungssystem 7 ist typischerweise erforderlich, um das Prototypobjekt 9 aus dem gedruckten Teil 5 fertig zu stellen. Verschiedene Endbearbeitungsoptionen sind abhängig von den zu erreichenden Ergebnis verfügbar. Bevorzugte Optionen werden ausführlicher nachstehend beschrieben.
LUFTSTRÖMUNG
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann Luft überall durch die Maschine zirkuliert werden, um eine Feuchtigkeits-gesteuerte Umgebung aufrecht zu erhalten und eine Vielfalt von Problemen zu lösen. Eines der Hauptprobleme, das durch die Erfindung angesprochen wird, ist das von in der Luft befindlichem Pulver, das Zuverlässigkeitsprobleme verursachen kann. In der Luft befindliches Pulver kann in die Bindemitteldüsen kommen und dadurch veranlassen, dass sie verstopfen und das Drucken behindern. Das Pulver kann auch Schäden an der Druckerelektronik und anderer empfindlicher Hardware verursachen. Schließlich kann loses Pulver in die Umgebung freigesetzt werden, wenn eine obere Umschließung, die den Drucker abdeckt, geöffnet wird, wodurch dem Benutzer eine Unannehmlichkeit verursacht wird.
2 ist eine perspektivische Ansicht des bevorzugten Luftströmungssystems für den dreidimensionalen Drucker 3. Wie dargestellt ist, umfasst der dreidimensionale Drucker eine obere Abdeckung 22 mit einer Mehrzahl von ausgenommenen Hohlräumen. Entlang der x-Achse werden ein rechteckiges Zufuhrreservoir 24 mit einem unteren Zufuhrkolben 25, eine rechteckige Aufbaukammer 26 mit einem unteren Aufbaukolben, der einen Aufbautisch 27 definiert, und ein trichterförmiger Überlaufhohlraum 28 dargestellt. Obwohl von der Zeichnung zwecks Klarheit weggelassen, ist eine Dichtung an dem Kolben 25, 27 befestigt und gegen die Innenwände der Kolbenboxen 24, 26 verschiebbar. Obwohl es nicht dargestellt ist, isoliert ein oberer Deckel den Druckbereich von der äußeren Umgebung.
Der Überlaufhohlraum 28 ist mit einem Luftfiltrations- und Konditionierungssystem 30 verbunden. Eine Unterdruckpumpe 34 zieht Luft von den Über laufhohlraum 28 durch einen Zuflusskanal 31 in eine Filterkammer 32. Fremdmaterial wird aus der Luft durch die Filterkammer 32 entnommen, wie beispielsweise durch eine Sammelbeutel- und Filteranordnung. Die gefilterte Luft von der Unterdruckpumpe 34 wird durch einen Filterkanal 35 einer Trockenmittelpatrone 36 zugeführt, um die Feuchtigkeit der gefilterten Luft zu steuern. Die entfeuchtete Luft wird durch einen Abflusskanal 37 einer Öffnung zugeführt, die zu dem Reinraum 50 führt.
Zusätzlich zum Erfassen von übermäßigem Pulver verringert die Luftströmung durch den Überlaufhohlraum 28 die Menge von in der Luft befindlichem Pulver, um Maschinenzuverlässigkeit und Benutzerzufriedenheit zu ermöglichen Die Luftströmung durch den Überlaufhohlraum 28 kann durch den Benutzer abgeschaltet werden, der eine Taste drückt oder einen Schalter (nicht gezeigt) betätigt, was ein Ventil 39 schließt. Das Saugen wird zu einem alternativen Zuflussrohr 31' umgeleitet, das an einem Einlass 38 endet, der verlängert und von dem Benutzer als einen Miniaturstaubsauger gehandhabt werden kann, um übermäßiges ungebundenes Pulver von in und der Aufbaukammer 26 herum abzusaugen, sobald das Aufbauen des Teils 5 abgeschlossen ist. Um diesen Reinigungsprozess zu ermöglichen, ist das alternative Zuflussrohr 31' von einem kleineren Durchmesser als der Zuflusskanal 31, sodass die Luftströmung automatisch zu einer viel höheren Geschwindigkeit springt, wenn dieser Miniaturunterdruck 38 verwendet wird. Die Luftströmung kehrt zu ihrem niedrigeren Niveau zurück, wenn der Benutzer das Ventil 39 zurückschaltet, um Strömung von dem Überlaufhohlraum 28 zu erzeugen. Vorzugsweise schaltet das Ventil 39 automatisch auf den Überlaushohlraum 28 um, wenn das Aufbauen erneut beginnt.
3 ist eine obere Draufsicht des dreidimensionalen Druckers 3 von 1. Ausführlicher werden der unreine Bereich 20 und der hintere reine Bereich 50 gezeigt, wobei beide Oberteile entfernt sind. Die obere Abdeckung 22 zusätzlich zu den drei Boxen 24, 26 und 28 umfasst einen nachstehend erläuterten Schleifabschnitt 29. Ein Druckportal 40 ist über der oberen Abdeckung 22 durch eine mit einer Schiene 57 und einer Trägerstange 23 verbundenen Armanordnung 55 aufgehängt. Während des Betriebs bewegt sich der Arm entlang der x-Achse auf der Schiene 57 und dem Trägerstab 23, um das Portal 40 zu bewegen.
Der unreine Bereich 90 ist von dem reinen Bereich 50 durch einen Schiebedichtung 29 getrennt, durch die sich die Armanordnung 55 erstreckt. Die Schie bedichtung kann ein in einer Kunststofffolie gebildeter Schlitz sein. Die Betriebselektronik 52 ist in dem reinen Bereich 50 angeordnet. Aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem unreinen Bereich 90 und dem reinen Bereich 50 strömt Luft von dem reinen Bereich 50 durch die Schiebedichtung 29 in den unreinen Bereich 90. Diese positive Druckdifferenz wird beibehalten, um Pulverpartikel und Staub aus dem reinen Bereich 50 zu halten. Diese Luftströmung in den reinen Bereich 50 von dem Luftströmungssystem 30 hilft auch, die Elektronik 52 zu kühlen.
Wie dargestellt ist, umfasst das Portal 40 einen Druckschlitz 42, der einen druckbaren Bereich definiert, und eine Bindemittelpatrone 45. Die Bindemittelpatrone 45 bewegt sich in der y-Achse entlang einer Druckspur 46 hin und her. Während des Druckens ist die y-Achse eine schnellere Druckachse als die x-Achse der Portalbewegung. Das Portal 40 umfasst vorzugsweise mindestens eine Tintenstrahldruckpatrone 45, die jeweils eine Mehrzahl von Bindemitteldüsen zum Aufbringen einer Bindemittelflüssigkeit aufweisen. Die Bindemitteldüsen empfangen Bindemittellösung von einem Bindemittelreservat 75 (2) durch mindestens einen Bindemittelkanal 77. Ebenfalls dargestellt ist eine Auftragswalze 48 zum Dispergieren von Aufbaupulver von dem Zufuhrreservoir 24 zu der Aufbaukammer 26.
4 ist ein vergrößertes schematisches Diagramm des Druckportals 40 von 3. Dargestellt sind eine Reihe von Bindemitteldüsen 47 in der Patrone 45. Enthalten ist ein Strahlenwischer 43, beispielsweise eine biegsame Gummirakel, die Reste von den Bindemitteldüsen 47 während jedes Hin- und Herbewegungszyklus entfernt. Ebenfalls gezeigt ist eine Umschließung 44 über dem Abtastbereich der Druckerpatrone 45. Die Walze 48 wird von zwei Pflugelemente 49 umgeben, die zusammen arbeiten, um eine Ansammlung von übermäßigen Druckmedium in den Rändern der Zufuhrspirale 24 und dem Aufbauhohlraum 26 zu verbinden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist.
Luft strömt auch von dem reinen Bereich 15 zu der Patronenumschließung 44 durch ein Luftrohr 58. Eine positive Luftströmung kann durch die Druckdifferenz zwischen dem reinen Bereich 50 und dem unreinen Bereich 20 ausgeglichen werden, obwohl ein Ventilator 59, der auf dem reinen Bereich 50 platziert ist, verwendet werden kann, um zu helfen, dass die Luft aus der Patronenumschließung 44 strömt, um einen positiven Druck bereitzustellen und dadurch Pulver am Eintreten in die Umschließung 44 zu hindern. Dies hindert in der Luft befindli ches Pulver, das sich durch das Auftreffen des Pulvers auf das flüssige Bindemittel ergibt, auf die Bindemitteldüsen zu laufen und sie dadurch zu verstopfen.
DRUCKEN
5A bis 5D sind schematische Diagramme, die einen bevorzugten Prozess zur Handhabung des Aufbaupulvers darstellen. Dargestellt sind das Zufuhrreservoir 24, die Aufbaukammer 26 und der in der oberen Abdeckung 22 ausgenommene Überlaufhohlraum 28. Ein Vorrat von Aufbaupulver 60 wird in dem Zufuhrreservoir 24 durch den bewegbaren Zufuhrkolben 25 getragen, und der Aufbautisch 27 wird innerhalb der Aufbaukammer 26 gezeigt. Wie in der Technik bekannt ist, bewegt sich der Zufuhrkolben 25 inkrementell nach oben in der z-Achse während des Betriebs, während sich der Aufbautisch 27 inkrementell nach unten in der z-Achse bewegt. Eine konstante Luftströmung den Überlaushohlraum 28 hinunter wird durch die Unterdruckpumpe 34 erzeugt (2).
Mit Bezug auf 5A wurde der Boden 25 des Zufuhrreservoirs 24 positioniert, sodass eine ausreichende Menge 62 von Aufbaumaterial 60 für eine Schicht über dem Zufuhrreservoir 24 herausragt. Der Aufbautisch 27 wurde auf in eine spezifischen Tiefe positioniert, um eine erste Schicht von Aufbaumaterial aufzunehmen. Vorzugsweise wird der Aufbautisch 27 inkrementell abgesenkt, um eine Mehrzahl von sukzessiven Aufbauschichten zu erzeugen, die jeweils etwa 5 bis 9 mil oder weniger dick sind.
Mit Bezug auf 5B wird die Walze entgegen ihrer Vorwärtsbewegung gedreht, um die Menge von Aufbaumaterial 62 nach vorne zu der Aufbaukammer 26 hin zu drücken. Wie in 5C dargestellt ist, fährt die Walze 48 über die Aufbaukammer 26 fort, um eine endliche Schicht von Aufbaumaterial 64 auf dem Aufbautisch 27 aufzubringen. Um sicherzustellen, dass eine volle Aufbauschicht auf den Aufbautisch 27 aufgebracht wird, wird eine übermäßige Menge von Aufbaumaterial 60 von dem Zufuhrreservoir 24 bereitgestellt und entfernt. Dieses überschüssige Aufbaumaterial 66 wird durch die Walze 48 in den Überlaufhohlraum 28 entladen, wo die Luftströmung die Partikel zu dem Filtrationssystem 30 befördert (2).
Mindestens ein Teil des Portals 40 läuft auch über den Überlaushohlraum 28, um den Boden des Portals 40 von Ablagerungen zu reinigen. Eine verkrustete Schicht wird typischerweise auf dem vorderen Boden des Portals als Ergebnis dessen erzeugt, dass sich das in der Luft befindliche Pulver mit dem Bindematerial vermischt. Diese Schicht neigt dazu, mit der Zeit dick zu werden, und schleift auf dem Pulverbett, wobei Vertiefungen auf der oberen Schicht des Pulverbetts verursacht werden, die zu Defekten in dem endgültigen Teil führen. Kleine Bürsten, Schleifenmaterial (z.B. Velcro^® Befestigungsmaterial) oder ein weiteres Schleifmittel 29 werden oben auf die obere Abdeckung 22 platziert, um übermäßige Ablagerungen von dem Boden des Portals zu schaben. Diese Ablagerungen werden dann den Überlaufhohlraum 28 hinunter gesaugt, wenn die voreilende Kante des Portals 40 darüber läuft.
Nachdem mit der Bewegung des Portals in der X-Richtung eine aktuelle Schicht gelegt wurde, wird der 2D-Querschnitt dieser Schicht gedruckt. Insbesondere findet das Drucken während aufeinanderfolgenden Läufe der Druckpatrone in der Y-Richtung während der umgekehrten Laufs des Portals in der negativen X-Richtung statt. Andere Druckverfahren können stattdessen verwendet werden, wie nachstehend ausführlich beschrieben ist.
Wie bemerkt, nimmt die Auftragswalze 48, die an dem Portal befestigt ist, Pulver 62 von dem Oberteil des Zufuhrkolbens 25 auf und verteilt es oben auf dem Aufbautisch 27 in der Aufbaukammer 26. Durch Bewegen des Pulvers 62 über derartige Entfernungen, ist dieser Prozess potenziell derjenige, der das meiste des in der Luft befindlichen Pulvers verursacht.
Wenn das Aufbaumaterial verteilt wird, resultiert eine Welle von Pulver 65 und neigt dazu, sich seitlich bezogen auf die Bewegungsrichtung der Walze zu bewegen. Die Pflüge 49 (4) neigen dazu, die Pulverwelle 65 einzudämmen. Dies hindert das Aufbaumaterial am Überlaufen auf die obere Abdeckung 22 und am Bilden eines Haufens, was vom Standpunkt der Maschinenzuverlässigkeit und Benutzerzufriedenheit unerwünscht ist. Die Pflüge 49 bilden eine Dichtung gegen die Enden der sich drehenden und translierenden Auftragswalze 48 und gegen das Oberteil der oberen Abdeckung 22. Federn werden vorzugsweise benutzt, um eine nach innen gerichtete Kraft auf die Pflüge zueinander zu erzeugen, was die Pflüge 49 veranlasst, eine enge Dichtung mit der Auftragswalze 48 zu bilden. Die Federn erzeugen auch eine nach unten gerichtete Kraft auf die Pflüge 49, um eine Dichtung mit dem Oberteil der oberen Abdeckung 22 zu bilden.
Die Pflüge 49 sind vorzugsweise aus einem Öl gefüllten Kunststoffmaterial angefertigt, um die Reibung zwischen dem Boden der Pflüge 49 und dem Ober teil der oberen Abdeckung 22 während der Pulververteilung zu verringern. Das Öl gefüllte Material bildet auch eine Absperrung, die verhindert, dass Pulver an dem Boden der Pflüge 49 haftet. Außerdem kann das Öl gefüllte Material auch eine selbst nachfüllende Freisetzungsschicht bereitstellen.
Wenn die Auftragswalze 48 die Welle von Pulver 65 drückt, gibt es eine Ansammlung von Pulver unter der voreilenden Kante, die seitwärts auf den Bereich vor den Pflügen 49 gedrückt wird. Dieses Pulver wird durch die Pflüge 49 weitergezogen, bis es schließlich durch den Überlaufhohlraum 28 abgesaugt oder aus dem Weg gedrängt wird. Der Überlaufhohlraum 28 ist vorzugsweise breiter als das die Öffnungen des Zufuhrreservoirs 24 und der Aufbaukammer 26, um dieses Pulver zu erfassen.
Das Auftreffen des Bindemittels, das die Pulverschicht während des Bindens trifft, veranlasst, dass Pulver hochfliegt und den Boden der Bindemittelpatrone trifft. Da die Patrone mit dem Bindemittel nass ist, kann dann das Pulver hart werden und eine Kruste an dem Boden der Patrone bilden, oder es könnte möglicherweise schließlich in die Düsen gelangen, wodurch der Auslass der Düsen verstopft wird. Außerdem bildet übermäßiges Bindemittel gelegentlich ein Tröpfchen, das auf dem Boden der Patrone ruht und dort als ein Ergebnis von Oberflächenspannung bleibt. Dies kann ebenfalls eine Verstopfung des Auslasses der Düsen oder eine Ablenkung der Düsen verursachen. Wenn Düsen verstopft sind, wird das Bindemittel nicht dort, wo gewünscht, aufgebracht, wodurch Fehler in dem endgültigen Teil verursacht werden. Daher ist ein Verfahren erwünscht, um den Boden der Patrone von dem Pulver oder dem Bindemittel nach dem Legen jeder Schicht von Pulver zu reinigen, um die Düsenauslässe offen zu halten.
In 4 ist eine dünne Membran 43, wie beispielsweise ein Abzieher (squeegee), auf dem Portal außerhalb des Druckschlitzes 42 und den Kolbenboxen 24, 26 angeordnet. Die Patrone läuft über den Abzieher, um zu veranlassen, dass jegliches Pulver und Bindemittel von den Düsenauslässen abgeschabt wird. Das Problem bleibt dann bestehen, wie der Abzieher 43 zu reinigen und das Pulver und das Bindemittel in diesem Bereich zu entfernen ist.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Reinigen des Abzieherbereichs besteht darin, eine Reinigungslösung von einer in der Nähe angeordneten Reinigungsdüse auf den Abzieher 43 zu spritzen. Diese Lösung läuft dann mit den Ablagerungen ein Abfallrohr hinunter und in einen Abfallbehälter. Ein weiteres bevorzugtes Verfahren besteht darin, die Düsen zu schießen, sodass das Bindematerial als eine Reinigungslösung wirkt, um die Ablagerungen von dem Abzieher 43 und das Abfallrohr hinunter in den Abfallbehälter zu spülen.
DRUCKGESCHWINDIGKEIT UND TEILEQUALITÄT
Das Maximieren der Aufbaugeschwindigkeit ist von großem Interesse für den Benutzer. Die Aufbauzeit umfasst zwei primäre Komponenten: das Verteilen des Pulvers und das Aufbringen der Bindemittelflüssigkeit. Die Rate des Verteilens des Pulvers wird durch mehrer Faktoren begrenzt, einschließlich der Notwendigkeit, eine glatte obere Schicht zu erhalten und in der Luft befindliches Pulver zu minimieren. Daher besteht das bevorzugte Verfahren zum Erhöhen der Aufbaurate darin, die Rate der Bindemittelaufbringung zu erhöhen. Ein bevorzugtes Verfahren, um die Geschwindigkeit des Aufbringens des Bindemittels zu erhöhen, besteht darin, mehrere Bindemittelpatronen zu verwenden.
6 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Vorrichtung, die mehrere Bindemittelpatronen benutzt. Wenn mehrere Patronen benutzt werden, werden die Patronen 90° bezogen auf die oben beschriebene Einzelpatronenausführungsform platziert. D.h., das Drucken findet nun entlang der x-Achse statt, wenn das Portal 40 bewegt wird. Da jede Patrone 45'a, ..., 45'n breiter als der durch die Bindemitteldüsen 47'a, ..., 47'n belegte Bereich ist, müssen die Patronen 45'a, ..., 45'n auf eine besondere Art und Weise angeordnet werden, um imstande zu sein, die Bindemittelflüssigkeit über den gesamten Oberflächenbereich der oberen Pulverschicht in der Aufbaukammer 26 aufzubringen. Wenn die Patronen 45'a, ..., 45'n einfach nebeneinander platziert werden, gibt es Bereiche, in denen die Patronen 45'a, ..., 45'n kein Bindemittel aufbringen können.
Wie dargestellt ist, besteht ein Verfahren zum Anordnen der Patronen 45'a, ..., 45'n, um eine Bindefähigkeit über einen vollen Druckbereich 72 bereitzustellen, darin, die Patronen 45'a, ..., 45'n in mehreren Reihen in der x-Achse anzuordnen, sodass die Patronen 45'a, ..., 45'n überlappen, um eine kontinuierliche Folge von Bindemitteldüsen 47'a, ..., 47'n entlang der y-Achse zu bilden. Es gibt daher im Gegensatz zu dem Einzelpatronensystem keine Bewegung oder Hin- und Herbewegung irgendeiner Patrone in der y-Achsenrichtung während der Bindemittelaufbringung. Das Bindemittel wird vorzugsweise an jede der Düsen in jeder Patrone durch einen Verteiler 70 von einem gemeinsamen Reservoir 75 geliefert.
7 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren bevorzugten Vorrichtung, die mehrere Bindemittelpatronen benutzt. Wie dargestellt ist, ist eine Mehrzahl von Bindemittelpatronen 45''a, ..., 45''g nebeneinander angeordnet, und dann wird das Bindemittel in zwei Richtungen aufgebracht. D.h., Abschnitte des Aufbaubereichs 74a, ..., 74g können mit Bindemittel abgedeckt werden, wenn sich die Patronen 45''a, ..., 45''g in der negativen x-Richtung bewegen, wodurch eine Reihe von Streifen gebunden wird. Die Patronen 45''a, ..., 45''g werden dann in der y-Richtung des Düsenarrays 47''a, ..., 47''g indiziert. Ein weiterer Abschnitt des druckbaren Bereichs 76 kann dann mit Bindemittel bei der Rückkehr der Patronen 45''a, ..., 45''g in der positiven x-Richtung abgedeckt werden. Dies kann so oft, wie es nötig ist, wiederholt werden, um den gesamten Druckbereich abzudecken. Wenn der letzte Hub in der positiven x-Richtung ist, dann findet das Drucken gerade vor dem Verteilen statt.
Ein Vorteil dieser Technik besteht darin, dass es keine zusätzlichen Hübe und daher keinen Nachteil hinsichtlich der Bindemittelgeschwindigkeit beim Verwenden dieses Verfahrens gibt. Ein möglicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Pulver, das als ein Ergebnis des Auftragens in die Luft kommt, in die Düsen kommen und Zuverlässigkeitsprobleme mit der Aufbringung des Bindemittels verursachen kann.
Wenn der letzte Hub in der positiven x-Richtung ist, dann kehrt das Portal 40 zu dem Zufuhrreservoir 24 vor dem Verteilen des Pulvers zurück. Ein weiteres Verfahren, um Bindemittel in zwei Richtungen aufzubringen, besteht darin, dass das Portal in zwei Hüben bindet, zu dem Zufuhrreservoir 24 zurückkehrt und dann das Pulver verteilt wird. Dies weist einen möglichen Nachteil des Erforderns einer zusätzlichen Anzahl von Hüben auf. Dieses Verfahren bietet jedoch einen Vorteil darin, dass Pulver, das als Ergebnis des Verteilens in die Luft kommt, nicht das Aufbringen des Bindemittels stört. Alternativ kann das Drucken in einer Richtung lediglich für alle oder nur für die letzten zwei Druckhübe durchgeführt werden.
8 ist ein schematisches Diagramm noch einer weiteren bevorzugten Vorrichtung, die mehrere Bindemittelpatronen benutzt. Wie dargestellt ist, sind Bindemittelpatronen 45'''a, ..., 45'''m nebeneinander mit Winkeln von beispielsweise 45° bezogen auf die x-Achse angeordnet. Als solche sind die Bindemitteldüsen 47'''a, ..., 47'''m in einer kontinuierlichen Linie entlang der y-Achse angeordnet, um einen kontinuierlichen Druckbereich 78 zu drucken. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Drucken in einem Hub oder einer minimalen Anzahl von Hüben abhängig von der Kopfgeometrie durchgeführt werden kann.
Ein Fachmann würde viele Variationen zu den oben beschriebenen Verfahren erkennen, um verschiedene Parameter zu optimieren. Beispielsweise könnten die Köpfe an einem Winkel sein und in zwei Richtungen, einen Streifen in jeder Richtung, drucken.
Es ist erwünscht, eine andauernd hohe Teilefestigkeit trotz verschiedener Probleme mit dem Drucken bestimmter Düsen zu erreichen. Beispielsweise können gelegentlich bestimmte Düsen in der Bindemittelpatrone nicht feuern oder das Feuern kann als Ergebnis eines Kopfes, der mangelhaft hergestellt ist, oder eines, der durch Pulver verschmutzt wurde, geflackert sein.
9 ist ein schematisches Diagramm einer Bindemittelpatrone mit einer fehlerhaften Bindemitteldüse. Wie dargestellt ist, ist die Patrone 45 eine einer Mehrzahl von Patronen, die entlang der x-Achse drucken, wenn sich das Portal 40 (3) bewegt. Wenn eine bestimmte Düse 47-6 einer Patrone 45 nicht feuert, dann kann ein Streifen 96 in der x-Richtung auf der besonderen Schicht des Bindemittels erscheinen, die gedruckt wird 64. Dies erzeugt eine unerwünschte Diskontinuität in dem gedruckten Bereich 95. Das Problem besteht darin, dass dieser vertikale Streifen von ungebundenem Pulver 96 an der gleichen y-Position y_f auf jeder Schicht ist, wodurch eine Delaminierungsebene verursacht wird, sobald das Teil fertiggestellt ist.
10 ist ein schematisches Diagramm eines bevorzugten Verfahrens zum Drucken von zwei Schichten mit einer fehlerhaften Bindemitteldüse. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine Schindeltechnik verwendet, um zu veranlassen, dass die ungebundenen vertikalen Streifen 96-1, 96-2 in unterschiedlichen y-Positionen auf jeder Schicht 64-1, 64-2 platziert werden, wodurch die Bereiche von Schwäche überall in dem gesamten Teil verteilt werden, anstatt sie in einer Ebene zu konzentrieren. Daher wird die fehlerhafte Düse 47-6 an einer unterschiedlichen y-Position bei jedem Lauf bezogen auf jede benachbarter Schicht angeordnet. Schindelbildung mit einem Mehrfachpatronensystem kann durch einen geringfügigen Versatz y_o der Patrone 45 entlang der y-Achse vor dem Legen jeder neuen Schicht von Bindemittel erzielt werden.
Es ist ebenfalls wünschenswert, die Teilefestigkeit zu optimieren, während eine hohe Aufbaurate beibehalten wird. Durch Aufbringen von mehr Bindemittel pro Einheitsfläche kann die Teilefestigkeit auf Kosten des Verringerns der Aufbaurate verbessert werden. Außerdem führt ein hohes Bindemittelvolumen innerhalb eines großen Volumens zu Teileverformung. Ein bevorzugtes Verfahren, um die Teilefestigkeit ohne einen großen Anstieg in der Aufbaurate zu verbessern, besteht darin, dass Volumen des Bindemittels zu erhöhen, wenn es auf dem Umfang jeder Schicht aufgebracht wird, wodurch eine harte Schale um das Teil gebildet wird. Dies kann durch Erhöhen der Strömungsrate, wenn das Bindemittel auf dem Umfang aufgebracht wird, oder durch Aufbringen des Bindemittels zweimal an dem Umfang des Teils erreicht werden. Dieses Verfahren weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass es die Teileverformung des Innenraums der Teile steuert.
FARBDRUCKEN
In Übereinstimmung mit der Erfindung werden Farbtintenstrahldruckköpfe in der Bindemittelpatrone aufgenommen, wodurch die Fähigkeit des Druckens eines weiten Bereichs von Farben oder Tinte bereitgestellt wird. Da ein bevorzugtes System diese Köpfe verwendet, um flüssiges Bindemittel aufzubringen, können sie verwendet werden, um ein Farbbindemittel als das Material aufzubinden, das bewirkt, dass sich das poröse Material bindet. Vorzugsweise ist das Pulvermaterial weiß oder farblos und kann die Tinte absorbieren, um das Pulver zu färben. Als Ergebnis kann eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dreidimensionale Teile aufbauen, die farbig sind, wobei die Farbe überall in dem Teil variiert.
In Übereinstimmung mit der Erfindung kann ein Produktentwickler Modelle von Produkten erzeugen, wobei verschiedene Farbschemata und Dekorationen bereits auf der Oberfläche aufgebracht sind. Eine derartige Farbgebung wird gegenwärtig mühsam manuell durchgeführt. Außerdem kann sich ein Chirurg auf eine Operation durch Zergliedern eines 3D-Farbdruckmodells eines Körperteils eines Patienten vorbereiten, um sich mit der dreidimensionalen Anordnung von Organen, Tumoren, Blutgefäße etc. vertraut zu machen. Daten für das Modell können von einer Computertomografie- oder Magnetresonanztomografie-Abtastung (CT- oder MRI-Abtastung) erhalten werden.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt Software die Farbtinte ein, um sie nur an den äußeren Rändern jeder Schicht zu verwenden, die das einzige Teil ist, das schließlich für den Benutzer sichtbar ist, nachdem der Aufbau abgeschlossen ist. In einem derartigen Fall wird ein einfarbiges Bindemittel (z.B. schwarz) auf der Innenseite des Teils verwendet, das für den Benutzer nicht sichtbar ist. Dies spart Farbbindemittel, wobei es für den Benutzer kostspieliger und mühsamer sein, dieses für eine Nachfüllung zu erhalten. Außerdem kann ein einfarbiges Bindemittel hervorragende Eigenschaften aufweisen und somit für einen stärkeren Kern in den Teilen sorgen.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine gewisse Menge von flüssigem Bindemittel in ein gegebenes Pulvervolumen eingebracht, um ein gut ausgebildetes Teil zu erzeugen. Zuviel Bindemittel führt dazu, dass das Bindemittel über den beabsichtigten Bereich des Teils hinaus wandert. Diese Wirkung wird gewöhnlicherweise „Ausbluten" genannt. Mengen von Bindemittel unter diesem bestimmten Bereich erzeugen jedoch zunehmend schwächere Teile. Es ist wünschenswert, eine optimale Menge von Bindemittel unabhängig von der Farbmenge zu verwenden. Ein Verfahren zum Erzeugen von Teilen mit gesteuerten Variationen in der Farbe ist wie folgt.
Der Drucker druckt auf weißem Papier und umfasst zwei Sätze von Düsen. Ein Satz von Düsen bringt schwarzes Bindemittel auf, der andere Satz von Düsen bringt weißes Bindemittel auf, das als farbloses oder klares Bindemittel verstanden werden sollte. Bei jeder Position in dem Teil, das gebaut wird, werden die beiden Arten von Bindemittel in einem Verhältnis aufgebracht, um die Schattierung von Grau, Weiß oder Schwarz zu erzeugen, die in dieser Region des Teils erwünscht ist. Alle Regionen des Teils empfangen somit die optimale Gesamtmenge von Bindemittel, die benötigt wird, um ein starkes Teil zu erzeugen. Eine derartige Technik erfordert jedoch Bindemitteldüsenköpfe, die Tröpfchen gesteuerter Größe erzeugen können.
Obwohl ein Tintenstrahldruckkopf gewählt werden könnte, um Tröpfchen eines gesteuerten Bereichs von Größen zu erzeugen, arbeiten die meisten Köpfe am besten, wenn sie verwendet werden, um lediglich Tröpfchen einer Größe zu erzeugen. Wenn somit die Tröpfchen gleichmäßig über die Schicht verteilt werden, wird jede Position des Querschnitts der Teile entweder von einem schwarzen Tröpfchen oder einem klaren Tröpfchen getroffen. Diese Tröpfchen können auf eine solche Art und Weise verteilt werden, dass, wenn sie von einem ausreichenden aus Abstand betrachtet werden, ein Grau wahrgenommen wird, wobei sie jedoch, wenn sie vergrößert werden, als ein Muster von Punkten gesehen werden.
Schemata, um dies durchzuführen, sind als Dithering und Halftoning bekannt. Herkömmliche Verfahren des Dithering und der Halftoning können auf jeder Schicht verwendet werden, um zu bestimmen, wo die Tröpfchen jedes Bindemittels zu platzieren sind. Algorithmen können auch für Dithering- und Halftoning-Techniken existieren, um die optimale Platzierung von Tröpfchen zu bestimmen, die auf das Fallen, was die Oberfläche des fertiggestellten Teils sein wird.
Durch Hinzufügen zusätzlicher Düsen, die weitere Farben von Bindemittel aufbringen, können die obigen Schemata erweitert werden, um vierfarbige Teile zu erzeugen.
Ein Problem entsteht, wenn die Menge von gefärbten Bindemittel, die benötigt wird, um ein gut gefärbtes Teil zu erzeugen, größer als die ist, die benötigt wird, um ein gut gebildetes Teil zu erzeugen. In diesem Fall muss ein Kompromiss entweder in der Farbgebung oder dem Ausbluten getroffen werden. Wenn die pigmentierte Flüssigkeiten nicht als ein Bindemittel arbeiten, ist es möglich, viel größere Mengen aufzubringen, ohne die mechanischen Eigenschaften des Teils zu beeinflussen.
In einer idealen Welt gibt es Tinten von drei primären additiven Farben: Cyan, Magenta und Gelb. Das Mischen der drei Primärfarben in gleichen Mengen erzeugt schwarz. Ein Mischen von beliebigen zwei gleichen Mengen erzeugt die drei Sekundärfarben Lila, Grün und Orange. Durch Mischen unterschiedlicher Verhältnisse dieser Tinten und Verdünnung auf weiß, können alle möglichen Farben erzeugt werden. Tatsächliche Tinten sind jedoch im Farbton geringfügig anders und unterscheiden sich in der Helligkeit. Sie können typischerweise nicht kombiniert werden, um ein reines Schwarz zu erzeugen.
Farbdrucken wird mit reellen Tinten durchgeführt, indem Farbpunkte nebenein under platziert werden, sodass sie sich nicht tatsächlich vermischen. Das reflektierte Licht von den benachbarten Punkten vermischt sich im Auge und erzeugt die Illusion einer Zwischenfarbe, wenn sie von einem ausreichenden Abstand aus betrachtet werden. Wenn diese gleichen Tinten zusammen gemischt würden, würden sie eine schmutzige Farbe ergeben. Schemata zum Anordnen von gefärbten Punkten werden Farbhalftoning oder Farbdithering genannt.
Es ist wünschenswert, dass die Pigmente nicht von einem Bereich wandern, in dem sie platziert sind, oder mit benachbarten Tröpfchen einer unterschiedlichen Farbe vermischt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, indem die Pigmente dazu gebracht werden, abzubinden, zu koagulieren oder aus der Lösung oder Suspension durch Erwärmung des aufgebrachten Pulvers heraus zu kommen. Alternativ können die Tintenflüssigkeiten mit dem Bindemittel und mit den anderen Farben der Tinte unvermischbar gemacht werden. Somit können Pigmente von dem gegebenen Tröpfchen nur in ein anderes Tröpfchen der gleichen Farbe diffundieren.
NACHVERARBEITUNG
Es ist wünschenswert, starke Teile aufzuweisen, die nicht abblättern, wenn sie gehandhabt werden, und die das Potential aufweisen, für ein gutes endgültiges Erscheinungsbild fertig verarbeitet (z.B. geschliffen, gestrichen oder gebohrt) zu werden. Die Ausgabe von der Aufbaukammer 26 kann jedoch poröse Teile aufweisen, die schwach sein können. Außerdem kann die Teileoberfläche rau und blättrig sein. Die Nachverarbeitungstechniken 7 (1) werden vorzugsweise benutzt, um den 3D-Objektprototyp 9 fertig zu stellen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung können die Teile getaucht oder mit einer Lösung gestrichen werden, die durch Kapillarwirkung in die Poren des Teils eindringt. Die Lösung umfasst vorzugsweise ein Zusatzmaterial, wie beispielsweise ein Epoxid, ein Lösungsmittel basiertes Material, Wachs, Kunststoff, Urethan oder Monomere. Sobald die Lösung Bindungen zwischen den Pulverpartikeln bildet, trocknet und sich verfestigt, weist das resultierende Teil eine verbesserte Festigkeit auf. Dieser Prozess verfestigt außerdem die äußere Schale, was es dem Teil ermöglicht, geschliffen, gestrichen und gebohrt zu werden. Dies ermöglicht ebenfalls, das Teil zu handhaben, ohne das Pulver abgerieben wird, was für den Benutzer ein Ärgernis sein und zu einem allmählichen Verfall des Teils führen kann.
Der oben beschriebene Tauchprozess kann in einem Bad stattfinden. Die Teile können in einem Korb mit einem Sieb an dem Boden platziert werden, und dann kann der Korb in das Bad getaucht werden. Wenn der Korb entfernt wird, wird er über das Bad gehangen, sodass die übermäßige Lösung aus dem Korb und zurück in das Bad tropft. Dieses Eintauchen kann in einer Charge oder in einem kontinuierlichen Prozess stattfinden.
Eine bevorzugte Lösung für Teileinfiltration kann ein Epoxid- oder Lösungsmittel-basiertes System sein. Das Epoxid kann entweder ein zweiteiliges Epoxid oder ein UV-aushärtbares Epoxid sein. Alternativ kann die Lösung ein geschmolzenes Material sein, das bei einer niedrigeren Temperatur als der schmilzt, bei der die Teile weich werden. Beispiele eines derartigen geschmolzenen Materials umfassen: Wachs, Kunststoff, Gummi oder Metall. Zum Tauchen in ein geschmolzenes Material kann ein Teil in ein Bad platziert werden, das sich innerhalb einer Einschließung befindet, wobei die Lufttemperatur gesteuert wird. Teile werden in einem Korb gebracht, in der Luft erwärmt und dann getaucht. Sie können dann entfernt und in der warmen Luft warm bleiben.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Teil in der warmen Luft vorgewärmt werden. Die Vorerwärmung des Teils vor dem Tauchen in ein geschmolzenes Material erreicht drei Ziele. Zuerst entfernt es Feuchtigkeit aus dem Teil und verfestigt dadurch das Teil, was den Umfang des Durchbiegens nach der Behandlung verringern kann. Zweitens entfernt es Feuchtigkeit aus dem Teil, was zusätzliches Volumen freisetzt, das dann mit dem Material infiltriert werden kann. Dies führt zu einer Erhöhung der endgültigen Infiltrationsdichte in dem Teil und dadurch zur Verbesserung der Teilefestigkeit. Drittens hindert die Vorerwärmung des gesamten Teils das Infiltrationsmaterials daran, auf der äußeren Schale des Teils zu schmelzen, wenn das Teil getaucht wird. Wenn das Teil erwärmt wird, kann das Material viel tiefer in das Teil eindringen, was die endgültige Teilefestigkeit verbessert.
In Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Teil gefriergetrocknet werden, um Feuchtigkeit ohne Ändern der Struktur des Teils zu entfernen. Infrarotlichter über der Aufbaukammer können ebenfalls verwendet werden, um die Entnahmerate des Bindemittels zu erhöhen. Dies kann ebenfalls die Gesamtaufbaurate verbessern. Außerdem kann eine erwärmte Luftströmung durch die Aufbaukammer verwendet werden, um das Anlassen des Bindemittels zu beschleunigen und möglicherweise die Feuchtigkeit zu steuern.
Eine Nacherwärmung des Teils kann ebenfalls angewendet werden und erreicht zwei Ziele. Zuerst ermöglicht sie das Ablassen von eingeschlossen Inhalt, wenn das Material in der Fangstelle zusammen und durch den Boden der Fangstelle schmilzt. Zweitens verbessert sie die Serviceendbearbeitung durch Umschmelzen und Verteilen jeglichen überschüssigen Materials, das auf der Oberfläche des Teils geschmolzen ist.
Ein doppeltes Eintauchen des Teils kann erreicht werden, indem es vorgewärmt, getaucht und nachgewärmt wird, und ihm dann ermöglicht wird, abzukühlen. Das Teil wird dann erneut vorgewärmt, erneut eingetaucht und erneut nachgewärmt. Dies stellt eine härtere äußere Schale an dem Teil bereit, was sein Erscheinungsbild und seine Handhabungseigenschaften verbessert. Das zweite Tauchen kann von der gleichen Temperatur, höheren Temperatur oder niedrigeren Temperatur als das ursprüngliche Tauchen sein. Man erwartet, dass jede dieser Alternativen unterschiedliche Ergebnisse auf die endgültigen Teileeigenschaften aufweist.
Ein weiteres Verfahren, um Teilefestigkeit zu verbessern und die äußere Schale zu verfestigen, besteht darin, ein mehrteiliges Härtemittel zu verwenden. Beispielsweise kann eine reaktive Komponente eines binären oder anderen mehrteiligen Systems mit dem Pulver gemischt und dadurch mit dem Pulver jeder Schicht verteilt werden. Die zweite Komponente (und jegliche nachfolgenden Komponenten) kann später durch Nachprozessinfiltration hinzugefügt werden, wie oben beschrieben ist, um die Schale zu verfestigen. Alternativ kann eine reaktive Komponente eines mehrteiligen Systems mit dem Bindemittel gemischt werden und dadurch gelegt werden, wo immer das Bindemittel aufgebracht wird.
In Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird das Teil in eine Lösung in einer Unterdruckkammer eingetaucht. Wenn der Unterdruck freigesetzt wird, wird die Lösung in das Teil gesaugt.
Es gibt mehrere Verfahren zum Entfernen fertig gestellter Teile aus der Aufbaukammer. Ein Verfahren besteht darin, die ungebundenen Partikel um das Teil herum abzusaugen und dann das Teil auszuwählen. Ein Caddie kann ebenfalls verwendet werden, um die Teile zu entfernen. Beispielsweise kann eine Box oben auf die Aufbaukammer 26 platziert, das Pulver in die Box gehoben und dann ein Metallblech zwischen dem Pulver und dem Aufbautisch 27 platziert werden. Die ganze Anordnung kann dann anderswohin zur Pulverentfernung transferiert werden.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Wände der Aufbaukammer 26 Bänder sein, die sich in den vertikalen Richtungen bewegen, um die Scherkraft gegen das Pulver zu verringern, wenn das Pulver aus der Aufbaukammer und in den Caddie gehoben wird.
KOLBENBOXEN
Das Zufuhrreservoir 24 und die Aufbaukammer 26 enthalten beide gewöhnlicherweise pulverisiertes Aufbaumaterial. Es ist wünschenswert, dieses Pulver am Fallen durch den Boden dieser Kolbenboxen 24, 26 zu hindern, weil dies Probleme mit dem darunter liegenden Kolbenmechanismus verursachen und auch zu Pulveransammlung unter den Boxen führen könnte. Außerdem kann, wie oben erwähnt ist, jegliches in der Luft befindliche Pulver eine Vielfalt von anderen Problemen verursachen.
Der Zufuhrkolben 25 und der Aufbaukolben 27 sind vorzugsweise rechteckig, um die Zufuhr- und Aufbauvolumen in den Beschränkungen der Gesamtmaschinenabmessungen zu maximieren. Obwohl es für Entwicklungszwecke wünschenswert ist, rechteckige anstatt zylindrische Kolben 25, 27 aufzuweisen, weisen der Zufuhrbehälter 24 und die Aufbaukammer 26 vorzugsweise gerundete innere Ecken auf, um es einfacher zu machen, eine Dichtung um die Kolben 25, 27 zu bilden, wodurch verhindern wird, dass irgendwelches Pulver durch den Boden der Kolbenboxen 24, 26 fällt. Diese Dichtung wird vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial angefertigt und ist an den Kolben 25, 27 befestigt.
11 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Technik, um den Zufuhrbehälter 24 und die Aufbaukammer 26 anzufertigen. Die gerundeten inneren Ecken werden vorzugsweise aus einem Abschnitt eines dünnen (z.B. 3 bis 5 mil) selbsttragenden Metallblechbands 102 mit einem Umfang gleich dem gewünschten Umfang des Boxeninnenraums geschnitten. Eine Länge des Bands 102 wird geschnitten, um gleich der endgültigen Höhe der gewünschten Box 24, 26 zu sein. Dieser Abschnitt des Bands 102 wird dann um vier Stäbe 104 gelegt, die die Ecken der Boxen 24, 26 festlegen. Das Band 102 wird in eine Behälterbox 106 mit Seiten platziert, deren Längen geringfügig größer als der Abstand zwischen den jeweiligen Stäben ist. Urethan 108 wird dann zwischen der Außenseite des Bands 102 und der Innenseite der Behälterbox 106 gegossen. Das Urethan 108 wird zurückgelassen, um auszuhärten. Nachdem das Urethan 108 ausgehärtet ist, werden die Stäbe 108 entfernt, womit eine Box mit einem Metallinnenraum, gerundeten Ecken und dünnen Wänden (etwa 0,125 bis 0,25 Zoll) gebildet wird.
ÄQUIVALENTE
Obwohl diese Erfindung insbesondere mit Bezügen auf ihre bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen in der Form und in den Einzelheiten ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Vorrichtung zum Anfertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einer in einem Speicher gespeicherten Darstellung des Objekts, umfassend: eine Schichtbildungsvorrichtung (22, 24, 25, 26, 27, 28) zum Bilden von Schichten aus Pulvermaterial (64); wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch einen Vorrat von gefärbter und farbloser Bindemittelflüssigkeit (75), die mit dem Pulvermaterial (60) reagiert, um eine massive Struktur zu bilden, wobei die gefärbten Bindemittelflüssigkeiten kombinierbar sind, um eine Mehrzahl von wahrgenommenen Farben zu erzeugen; und eine Druckvorrichtung (40), um die gefärbte und farblose Bindemittelflüssigkeit an ausgewählten Positionen auf den Schichten des Pulvermaterials (64) aufzubringen, wodurch Bereiche des Pulvermaterials zusammengebunden werden, um Querschnitte des Objektes zu bilden, wobei Mengen der gefärbten Bindemittelflüssigkeit ausgewählt werden, um die gewünschte wahrgenommene Farbe zu erzeugen, und eine Menge von farbloser Bindemittelflüssigkeit ausgewählt wird, sodass die Gesamtheit der gefärbten und farblosen Bindemittelflüssigkeiten ausreichend ist, um eine massive Struktur zu bilden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Vorrat von gefärbter Bindemittelflüssigkeit (75) einen Vorrat von drei Primärfarben umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Vorrat von gefärbter Bindemittelflüssigkeit (75) zusätzlich einen Vorrat von Schwarz aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Vorrat von farbloser Bindemittelflüssigkeit (75) einen Vorrat eines klaren Bindemittels umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Positionen, die für die Aufbringung von Bindemittelflüssigkeit ausgewählt werden, eine äußere Oberfläche des Objekts definieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die äußere Oberfläche des Objekts gefärbt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Druckvorrichtung eine Mehrzahl von Bindemitteldüsen (47) umfasst, die mit dem Vorrat von gefärbter und farbloser Bindemittelflüssigkeit (75) gekoppelt sind, um die Bindemittelflüssigkeit an den ausgewählten Positionen auf dem Pulvermaterial (64) aufzubringen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (52) zum Steuern der Aufbringung einer gesteuerten Menge der gefärbten und farblosen Bindemittelflüssigkeit an gesteuerten Stellen auf den Schichten des Pulvermaterials (64).
Verfahren zum Anfertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einer in einem Speicher gespeicherten Darstellung des Objekts, mit Bilden von Schichten von Pulvermaterial (64); wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Bereitstellen eines Vorrats von gefärbter und farbloser Bindemittelflüssigkeit (75), die mit dem Pulvermaterial reagiert, um eine massive Struktur zu bilden, wobei die farblose Bindemittelflüssigkeit kombinierbar ist, um eine Mehrzahl von wahrgenommenen Farben zu erzeugen; und Aufbringen der gefärbten und farblosen Bindemittelflüssigkeit an ausgewählten Positionen auf den Schichten des Pulvermaterials (64), wodurch Bereiche des Pulvermaterials zusammengebunden werden, um Querschnitte des Objekts zu bilden, wobei Mengen der gefärbten Bindemittelflüssigkeiten ausgewählt werden, um die gewünschte wahrgenommene Farbe zu erzeugen, und eine Menge farbloser Bindemittelflüssigkeit ausgewählt wird, sodass die Gesamtheit der gefärbten und farblosen Bindemittelflüssigkeiten ausreichend ist, um eine massive Struktur zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem der Vorrat von gefärbter Bindemittelflüssigkeit (75) einen Vorrat von drei Primärfarben aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem der Vorrat von gefärbter Bindemittelflüssigkeit (75) zusätzlich einen Vorrat von Schwarz aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem der Vorrat von farbloser Bindemittelflüssigkeit (75) einen Vorrat von klarem Bindemittel aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die Positionen, die für die Aufbringung von Bindemittelflüssigkeit ausgewählt werden, eine äußere Oberfläche des Objekts definieren.
Verfahren gemäß Anspruch 13, ferner mit einem Färben der äußeren Oberfläche des Objekts.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das Aufbringen der gefärbten und farblosen Bindemittelflüssigkeit ferner gekennzeichnet ist durch Aufbringen aus einer Mehrzahl von Bindemittelflüssigkeitsdüsen (47), die mit dem Vorrat von gefärbter und farbloser Bindemittelflüssigkeit (75) gekoppelt sind, der Bindemittelflüssigkeit an den ausgewählten Positionen auf dem Pulvermaterial (64).
Verfahren gemäß Anspruch 9, ferner gekennzeichnet durch Benutzen einer Steuereinheit (52) zum Steuern der Aufbringung einer gesteuerten Menge der gefärbten und farblosen Bindemittelflüssigkeit an gesteuerten Stellen auf den Schichten des Pulvermaterials (64).