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 konventionellen 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. Das U.S.-Patent 3 932 923 A 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 4 863 538 A und in US-Patent 4 938 816 A.

Das Verfahren betrifft die Deposition eines Pulvers, z. B. eines pulver­ förmigen Plastiks in einem begrenzten Bereich, 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- Bildungstechniken, 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 irr US-Patent 4 665 492 A 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 Keramikmaterial, 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 4 575 330 B1 und in US-Patent 4 961 154 A 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 nach US 4 961 154 A ein Kompensieren von Schrumpfeffekten offenbart ist, 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 5 031 120 A 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 Gegenstandabschnittdicke, 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 dreidimensionalen 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 Computerunterstütztem 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 Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben.

Im Einzelnen:

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 Ausführungsform 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 Beispielsteil, 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 gefüllt 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 überlagernder 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 Gußmaterialentfernung 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. Rücksprung 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 70 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, welche unterschiedlich ist von jener der ersten Gußmaterialschicht 64. Unterschiedliche Zusammensetzungen zwischen Gußmaterialschichten 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 überlagernder 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 Abschnitten 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. 5I 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. Entlüftungsöffnug 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

14

A 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

38

a

1

. dreidimensionaler Abschnitt

38

b

2

. dreidimensionaler Abschnitt

38

d Tiefe

39

imaginärer Äquator

40

1

. Gußmaterialschicht

40

a flüssige Masse

41

glatte obere Oberfläche

42

Hohlraum

44

Abfallteilchen

46

Vakuumkopf

48

Leitung

50

Pfeil

51

imaginäre Linie

52

Baumaterialschicht

52

a überlappender Abschnitt

52

b überlagernder Abschnitt

54

Heizeinrichtung

56

hantelförmiger dreidimensionaler Gegenstand

56

a

1

. dreidimensionaler Abschnitt

56

b

2

. dreidimensionaler Abschnitt

56

c

3

. dreidimensionaler Abschnitt

58

Halsabschnitt

60

Endglied

61

imaginäre Linie

62

Endglied

64

1

. Gußmaterialschicht

66

1

. Hohlraum

68

1

. Baumaterialschicht

68

a überlappender Abschnitt

68

b überlagernder Abschnitt

69

oberes Ende

70

2

. Gußmaterialschicht

71

imaginäre Linie

72

2

. Hohlraum

74

2

. Baumaterialschicht

74

a überlappender Abschnitt

74

b überlagernder Abschnitt

75

obere Fläche

76

dreidimensionaler Gegenstand

76

e

5

. dreidimensionaler Abschnitt

76

f

6

. dreidimensionaler Abschnitt

78

erhöhtes umgekehrt konisches Glied

80

3

. Gußmaterialschicht

82

Hohlraum

84

3

. Baumaterialschicht

84

a überlappender Abschnitt

84

b überlagernder Abschnitt

86

Hohlkugel

86

a

1

. dreidimensionaler hohler Abschnitt

86

b

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

100

a überlappender Abschnitt

100

b überlagernder Abschnitt

102

Hohlraumnegativ

102

' Hohlraumnegativmaterial

102

" Hohlraumnegativmaterial

102

a

1

. Teilabschnitt

102

b

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

124

a umgebende obere planare Fläche

124

a' umgebende obere planare Fläche

126

Vorsprung

128

Baumaterialschicht

129

gestrichelte Linie

130

Lösungsmittel

132

Behälterwandungen