DE69839217T2

DE69839217T2 - Verfahren zum schnellen herstellen von prototypen von fest modellen

Info

Publication number: DE69839217T2
Application number: DE69839217T
Authority: DE
Inventors: John Samuel Somers BATCHELDER; Steven Scott Wayzata CRUMP
Original assignee: Stratasys Inc
Current assignee: Stratasys Inc
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: JP2002500584A; WO1998053974A1; DE69839217D1; US5866058A; AU7602298A; EP1015215B1; EP1015215A1; JP4107686B2; EP1015215A4

Description

Diese Erfindung betrifft den schnellen Prototypenbau von festen Modellen aus thermoplastischen Materialien und insbesondere ein Verfahren für den schnellen Prototypenbau von Modellen, wobei eine Wölbungsneigung bzw. Verwölbung und andere Modi einer Verformung vermindert sind.
Der schnelle Prototypenbau von Modellen schleißt die Herstellung von dreidimensionalen festen Objekten entsprechend einem speziellen Design ein, wobei das Design gewöhnlich mathematische Daten von einem dreidimensionalen festen computergestützten Designsystem umfasst. Die schnellen Prototypenbausysteme erzeugen feste Objekte durch:

– Sequenzielle Photopolymerisation von Monomerschichten, – Fräsen von Material,
– Laserverschmelzung von Partikeln,
– Sequentielle(s) Extrusion bzw. Strangpressen eines Thermoplasten,
– Laminieren von geritzten bzw. geschnittenen Schichten von Papier,
– Ausgeben bzw. Spritzen von thermisch verfestigbarem Wachs oder Metall,
– Laserverstärkte chemische Aufdampfung,
– Miteinander Verlöten von vorgearbeiteten Platten,
– Ausgeben bzw. Spritzen eines Bindemittels auf keramisches Pulver,
– andere Techniken.

Ein bevorzugtes schnelles Prototypenbausystem erzeugt feste Modelle durch Anlagern bzw. Aufbringen thermisch verfestigbarer Materialien. Bei diesen Prozessen wird ein fließfähiges Material sequentiell auf einen Keim, ein Substrat oder auf ein vorher aufgebrachtes thermoplastisches Material aufgebracht. Das Material verfestigt sich nachdem es aufgebracht wurde und kann folglich schrittweise eine wünschenswerte Form ausbilden. Beispiele von thermisch verfestigbaren Systemen umfassen Schmelz-Aufbringungsmodellierung, Wachsausgabe bzw. -spritzen, Metallspritzen, verbrauchbare Stablichtbogenschweißung und Plasmazerstäubung.
Da die meisten Aufbringungsmaterialien mit der Temperatur die Dichte ändern, insbesondere wenn sie von einem fluiden bzw. flüssigen zu einem festen, thermisch verfestigbaren Material übergehen, teilen schnelle Prototypenbausystems die Herausforde rung einer Verrinderung geometrischer Verformungen der Produktprototypen, die durch jene Dichteänderungen erzeugt werden. Thermisch verfestigbare Systeme sind Verformungsmechanismen mit sowohl einer "Wölbungsneigung" als auch einer "plastischen Verformung" ausgesetzt. Wölbungsneigung ist durch eine gekrümmte geometrische Verformung festgelegt, die in einem Prototypen während einer Kühlperiode induziert wird. Der größte einzelne Beitragende zu einer derartigen geometrischen Verformung (bezüglich zu Prototypen, die durch die gegenwärtige Generation von schnellen Prototypenbausystemen hergestellt werden, die ein thermisch verfestigbares Material verwenden) liegt in einer Änderung der Dichte des Materials, wenn es von einem relativ heißen fließfähigen Zustand zu einem relativ kalten festen Zustand übergeht.
Für den einfachen Fall, bei dem ein Ausdehnungskoeffizient unabhängig von der Temperatur vorliegt, kann die Beschaffenheit und Größe einer geometrischen Verformung von sequentiell aufgebrachten Planaren Schichten veranschlagt werden. Es wird angenommen, dass ein linearer thermischer Gradient dT/dz in einem Material vorliegt, wenn es in eine Platte mit einer Dicke h in der Richtung z geformt wird, und dass das Material einen konstanten thermischen Ausdehnungskoeffizient I aufweist. Die z-Richtung liegt gewöhnlich orthogonal zu einer Trägeroberfläche an/auf der die Platte konstruiert wird. Falls der Platte anschließend gestattet wird eine bestimmte Einheitstemperatur anzunehmen, wird sie sich ohne aufgebrachte Belastung bzw. Spannung verformen, um eine zylindrische Schale mit dem Radius r zubilden, worin: r = (I·dT/dz)–1 (1) ist.
Die Wölbungsneigung C ist als der inverse Krümmungsradius: C = 1/r festgelegt. Ein Beispiel einer positiven Wölbungsneigung ist in 1 gezeigt. Sequentielle Schichten eines thermoplastischen Materials 104 werden unter Verwendung eines Extruders 106 auf eine Basis 102 angelagert bzw. aufgebracht. Wie es bei thermisch verfestigten schnellen Prototypen normal ist, wird eine Serie von Schichten sequentiell in der z-Richtung (das heißt die Richtung orthogonal zu der Basis 102) aufgebrachte, wobei die letzte aufgebrachte Schicht immer die höchste Temperatur aufweist. Ein derartiger additiver Prozess führt gewöhnlich zu einem geometrisch genauen Teil, das einen thermischen Gradienten beinhaltet. Da der Teil anschließend abkühlt und isotherm wird, verformt sich das Teil als Folge einer Wölbungsneigung der Enden langer Merkmale.
Falls erwünscht wird Prototypen mit einer maximalen horizontalen Länge L und einer maximal zulässigen geometrischen Verformung L herzustellen, dann ist der maximal zulässige Temperaturgradient während der Teil gebildet wird, wie folgt: (dT/dz)max = 8L/L2I (2).
Um beispielsweise 30,5 cm (12 Zoll) lange Teile mit einer Toleranz von 0,76 mm (0,030 Zoll) aus einem Thermoplasten mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 90 × 10^–6 pro Grad Celsius herzustellen, ist der maximal zulässige thermische Gradient in dem Teil während der Bildung 18°C pro 25,4 mm (Zoll). Leider sind thermische Gradienten gewöhnlich größer als 18°C pro 25,4 mm (Zoll) in der Umgebung eines Teils, bei dem fluides Material verfestigt wird.
Es gibt Techniken, die die Wirkung einer Wölbungsneigung verringern. Eine Technik bezieht das Erhitzen der umgebenden Aufbauumgebung ein, um die möglichen Temperaturunterschiede zu verringern. Eine andere Technik besteht darin Baumaterialien sorgfältig auszuwählen, die möglichst niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten zeigen. Noch eine andere Technik besteht darin das Baumaterial bei der möglichst niedrigsten Temperatur aufzubringen.
Die plastische Verformung, die ebenfalls in einem thermisch verfestigbaren Prototypen eine Verformung erzeugen kann, stellt ein zweites Phänomen dar, das keine Beziehung zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Baumaterials aufweist. Es wird die in 2A und 2B gezeigte Schmelz-Aufbringungsmodellierungsvorrichtung betrachtet. In beiden Fällen fließt ein fließfähiges Material aus einer erhitzten Düse 106 und verfestigt sich an vorher angelagertem bzw. aufgebrachtem verfestigtem Material 104. In 2A wird eine Düse 106 nach oben bewegt, wenn sie Material 104 aufbringt, während in 2B die Düse 106 nach unten bewegt wird. In 2A erfährt das aus der Düse 106 hervortretende Material eine Biegung von weniger als 90° wenn es angelagert wird, während in 2B es eine Biegung von mehr als 90° erfährt. Experimentell ergibt sich aus der Konfiguration von 2B mehr Verformung als aus 2A. Weiterhin ist die Wirkung für geringere Auf bringungstemperaturen ausgeprägter. Dies wird auf die nicht elastische Verformung der elastischen Komponente des Materials zurückgeführt. Die Verformung ist ähnlich der Wölbungsneigung, die in einem Stückpapier erzeugt wird, indem das Papier über eine scharfe rechtwinklige Biegung bzw. Krümmung gezogen wird.
Der Stand der Technik weist zahlreiche verschiedene Lehren eines festen Modellierens auf. Beispielsweise beschreibt US-P-5,121,329 von Crump und übertragen auf den gleichen Rechtsnachfolger dieser Anmeldung, ein Schmelz-Aufbringungsmodellierungssystem. Da das System von Crump eine erhitzte Aufbauumgebung einschließt, ist es erforderlich, dass sich das aufgebrachte Material unter dessen Verfestigungstemperatur befindet, da darauf folgende Materialschichten hinzugefügt werden. US-P-4,749,347 von Vilavaara und 5,141,680 von Almquist et al., beschreiben schnelle Prototypenbausysteme, die fließfähiges, thermisch verfestigbares Material einschließen. Beide Patente lehren eine Aufbauumgebung, die bei und unter der Verfestigungstemperatur des Extrusionsmaterials gehalten wird.
Demgemäß besteht eine Aufgabe der Erfindung darin ein verbessertes Verfahren für einen schnellen Prototypenbau bereitzustellen, wobei bei dem Verfahren ein thermisch verfestigbares Material verwendet wird, die geometrische Genauigkeit und Wiedergabetreue der sich ergebenden Teile verbessert wird, und thermisch verfestigbares Material verwendet wird, was zu Verringerungen von in Prototypen erzeugten inneren Spannungen führt.
Die vorstehende Aufgabe wird durch das, wie in Anspruch 1 definierte Verfahren und durch das in Anspruch 9 definierte Verfahren erfindungsgemäß gelöst. Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden abhängigen Ansprüche.
Daten, die einer erwünschten Form eines Prototypen entsprechen, werden einem schnellen Prototypenbausystem übertragen. Das System berechnet eine Sequenz, um fließfähiges Material zu extrudieren, das thermisch verfestigt wird, um so die erwünschte geometrische Form zu erzeugen. Dann wird folgend fließfähiges modellierendes Material mit dessen Aufbringungstemperatur in eine Aufbauumgebung extrudiert, die das Volumen in der Umgebung des neu aufgebrachten Materials in einem Aufbringungstemperaturfenster, zwischen der Verfestigungstemperatur des Materials und dessen Kriechtemperatur, behält. Anschließend wird das neu extrudierte Material schrittweise unter dessen Verfestigungstemperatur gekühlt, während Temperaturgradienten in der geometrischen Form unter einem maximalen Wert gehalten werden, der durch die geometrische Genauigkeit des erwünschten Teils bestimmt wird.
1 zeigt eine gewöhnliche Prototypverformung aufgrund einer thermischen Schrumpfung eines verfestigbaren Materials.
2A und 2B zeigen die Verformungswirkung, die von einer nicht elastischen Verformung einer elastischen Komponente eines verfestigbaren Materials ausgeht.
3A, 3B und 3C erläutern graphische Darstellungen von Änderungen in der Dichte, des Spannungsrelaxationsmoduls und der Viskosität gegenüber der Temperatur für einen ABS (Acrylonitril-Butadien-Styrol) Thermoplasten.
4 stellt ein Fließdiagramm eines Verfahrens für ein schnelles Prototypenbausystem dar, das das Verfahren der Erfindung einschließt.
Diese Erfindung basiert auf der Feststellung, dass ein Übergangsbereich zwischen dem fluiden bzw. flüssigen Zustand eines Materials und dessen festen Zustand vorkommt. Wie weit ein Temperaturbereich ist, der den Übergangsbereich einschließt, variiert mit dem extrudierten Materialtypus. Kristalline Materialien werden dazu tendieren schärfere Übergangsbereiche aufzuweisen, während glasige Materialien weitere Übergangsbereiche zeigen werden. Kristalline Materialien weisen jedoch in der festen Phase von der Temperatur abhängige Kriechraten auf, die sobald der Schmelzpunkt des Materials erreicht ist merklich ansteigen. Die Beschreibung wird nachfolgend hauptsächlich die Eigenschaften von glasigen Thermoplasten betrachten, wobei jedoch die Erfindung ebenfalls auf Mischphase und kristalline Materialien angewendet werden kann.
3A–3C zeigen drei Temperatur-Graphen gegenüber Materialeigenschaften eines ABS-Thermoplasten. 3A zeigt die Änderung der Dichte von ABS mit der Temperatur bei einer Atmosphäre. Die graphische Darstellung ist nahezu stückweise linear, wobei die Stelle, an der die zwei Linien aufeinander treffen (das heißt, Punkt X) die Glasübergangstemperatur für das Material darstellt. Dieser Punkt ist zu dem Schmelzpunkt eines kristallinen Feststoffs nahezu äquivalent.
3B erläutert die Änderung des Spannungsrelaxationsmoduls eines ABS Thermoplasten 300 Sekunden nachdem Belastung bzw. Spannung angelegt bzw. angewendet wurde. Diese Daten werden auf einem im Handel erhältlichen Rheometer erzeugt, indem eine festgelegte Belastung bzw. Beanspruchung auf ein Testteil angewendet wird, wobei die Zeitentwicklung der Belastung erfasst wird. Praktisch gesagt, stellt dies ein wirksames Verfahren dar, um zu bestimmen bei welcher Temperatur das Material ein Feststoff wird. Es wurden 300 Sekunden nach der anfänglichen Belastung als ein sinnvolles Intervall gewählt, da es typisch für eine Anlagerungszeit einer Schicht ist. Falls ein schnelles Prototypenbauverfahren eine Aufbringungsrate aufweist, die wesentlich verschieden ist, dann sollte die Zeit zum Erlangen der Spannungsrelaxationsdaten dementsprechend geändert werden.
3B zeigt, dass ABS über 300 Sekunden für Temperaturen bis zu ungefähr 70°C äußerst wenig Kriechdehnung aufweist. Diese Temperatur ist folglich als die Verfestigungstemperatur festgelegt. Die Kriechdehnungsrate steigt zuerst schrittweise und dann abrupt an, wenn die Glasübergangstemperatur erreicht ist. Zu dem Zeitpunkt, zu dem sich das Material an der Glasübergangstemperatur befindet, wird es eine angelegte Belastung über eine erweiterte Zeitdauer (während über eine Zeitdauer in der Ordnung von einer Sekunde es immer noch ein wenig steif erscheint) nicht standhalten bzw. aushalten.
Die Kriechrelaxationstemperatur wird als der Punkt bezeichnet, an dem das Spannungsrelaxationsmodul von dessen niedriger Temperaturgrenze um den Faktor 10 gefallen ist. An diesem Punkt liegt das Material gerade ausreichend fest vor, dass ein Modellieren stattfinden kann, wobei jedoch das Material eine ausreichend hohe Kriechdehnungsrate aufweist, dass innere Spannungen ohne eine Teilgeometrie zu beeinträchtigen, entspannen können.
3C zeigt die Änderung einer Viskosität von ABS mit der Temperatur. Die graphische Darstellung zeigt, dass die Aufbringungstemperatur in der Umgebung von 270°C für das Material liegen muss, um ausreichend fließfähig zu sein, um einen Teil aufzubauen, der folgend aufgebracht wird. Weiterhin macht das Material eine wesentliche Dichteänderung durch, wenn es sich verfestigt, was zu den vorstehend ausgeführten mechanischen Verformungen führt. Schließlich macht 3C klar, dass die Viskosität kein ausreichendes Maß für die Fließfähigkeit ist, um zu bestimmen, ab welcher Temperatur das Material als ein Feststoff vorliegt.
Es wurde bestimmt, dass durch Beibehalten eines vorher aufgebrachten Materials (bei einem schnellen Prototypenbausystem, das thermische Verfestigung verwendet) innerhalb eines spezifischen Temperaturfensters, die in dem aufgebrachten Material vorhandenen Spannungen entlastet und geometrische Verformungen verringert werden. Zumindest in der Umgebung, in der neu aufgebrachtes Material aufgebracht wurde, muss das vorher aufgebrachte Material bei einer Temperatur gehalten werden, die vorzugsweise in einem Bereich zwischen der Verfestigungstemperatur des Materials und dessen Kriechrelaxationstemperatur liegt. Am meisten bevorzugt sollte die Temperatur näher an der Kriechrelaxationstemperatur gehalten werden. In dem Fall von ABS fällt das Temperaturfenster zwischen ungefähr 70°C und ungefähr 90°C. Im Allgemeinen sollte eine gesamte Aufbauschicht (Außenseite des unmittelbaren Bereichs der Extrusionsdüse) über der Verfestigungstemperatur des Materials und unter der Kriechrelaxationstemperatur gehalten werden.
Die vorstehend erwähnten Temperaturen werden von Spannungsrelaxationserfassungen an Probenblöcken des Materials identifiziert. Durch Beibehalten der Temperatur des Modells innerhalb des vorstehend erwähnten Bereichs wird ein Mittelweg zwischen dem Modell, das so schwach ist, dass es durchhängt und dem Modell gefunden, das so steif ist, dass Wölbungsneigungsspannungen (wie vorstehend beschrieben) geometrische Verformungen bewirken. Weiterhin wird inhärenten Spannungen gestattet zu entspannen, was zu mehr maßgenauen Modellen führt.
Während es für das vorher aufgebrachte Material notwendig ist in der Umgebung von neu aufgebrachtem Material sich bei einer Temperatur zu befinden, die innerhalb des vorstehend erwähnten Aufbringtemperaturfensters liegt, ist dies nicht für den gesamten aufgebrachten Teil innerhalb dieses Fensters erforderlich. Wie vorstehend in der Gleichung (2) beschrieben, können sich Bereiche des vorher aufgebrachten Materials unter der definierten Verfestigungstemperatur befinden, solange der thermische Gradient innerhalb solcher Bereiche geringer als der ausfällt, der eine definierte Genauigkeitsspezifikation erfüllt.
Sobald das gesamte Prototypmodell fertig gestellt wurde, muss es so gekühlt werden, dass es überall unter der Verfestigungstemperatur des Materials liegt, bevor es gehandhabt oder wesentlich belastet wird. Die Kühlungsrate sollte langsam genug sein, so dass die thermische Gradientengrenze, die durch Gleichung 2 gesetzt wird, nicht verletzt wird.
4 zeigt einen bevorzugten erfindungsgemäßen Prozess eines Erstellens von Prototypen. Daten, die der erwünschten Form des Prototypen entsprechen, werden zu dem schnellen Prototypenbausystem übermittelt. Das System berechnet eine Sequenz zum Extrudieren von fließfähigem Material, das thermisch verfestigt, um so die erwünschte geometrische Form (Kasten 10) zu erzeugen. Ein erhitztes fließfähiges Modellbaumaterial wird anschließend bei dessen Aufbringungstemperatur in einer Aufbauumgebung sequentiell extrudiert, die das Aufbauvolumen in der Umgebung des neu aufgebrachten Materials in einem Aufbringungstemperaturfenster hält, das durch die Verfestigungstemperatur des Materials und dessen Kriechtemperatur (Kasten 112) definiert wird. Der Berechnungsschritt 110 braucht nicht beendet zu sein bevor der Aufbringungsschritt 112 beginnt.
Das neu extrudierte Material wird danach schrittweise unter die Verfestigungstemperatur gekühlt, während Temperaturgradienten unter einem maximalen Wert gehalten werden, der durch die erwünschte geometrische Genauigkeit (Kasten 114) bestimmt wird.
Es sollte klar sein, dass die vorstehende Beschreibung die Erfindung lediglich erläutert. Es können verschiedene Alternativen und Modifikationen durch den Fachmann ausgedacht werden ohne von der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung alle derartigen Alternativen, Modifikationen und Variationen umfasst, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen physikalischen Objekts von vorbestimmter Form unter Steuerung eines Steuersystems, wobei das Verfahren ein thermisch verfestigbares Material mit einer Verfestigungstemperatur und einer Kriechrelaxationstemperatur anwendet, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a. Ausgeben des thermisch verfestigbaren Materials in einem flüssigen Zustand von einem Extruder in einen Aufbaubereich mit mindestens einer lokalen Bereichstemperatur, die die Verfestigungstemperatur des thermisch verfestigbaren Materials übersteigt; b. gleichzeitig mit dem Ausgeben des thermisch verfestigbaren Materials und in Reaktion auf das Steuersystem, Erzeugen einer relativen Bewegung zwischen dem Extruder und einem Träger in dem Aufbaubereich, sodass sich das thermisch verfestigbare Material auf dem Träger anlagert, um ein dreidimensionales physikalisches Objekt zu bilden; und c. Verfestigen des thermisch verfestigbaren Materials durch Kühlen der lokalen Bereichstemperatur und des Materials unter die Verfestigungstemperatur des Materials.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermisch verfestigbare Material ein Thermoplast ist, welches eine Glassübergangstemperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die lokale Bereichstemperatur der Aufbauumgebung, zumindest während Schritt b) unter der Glassübergangstemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kriechtemperatur ein Punkt ist, an dem das Spannungsrelaxationsmodul des thermisch verfestigbaren Materials um einen Faktor 10 von seiner unteren Temperaturgrenze gefallen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der lokale Bereich sich zumindest über eine zuletzt angelagerte Schicht des thermisch verfestigbaren Materials erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die lokale Bereichstemperatur der Aufbauumgebung, zumindest während Schritt b), unter der Kriechrelaxationstemperatur des thermisch verfestigbaren Materials gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei parallel zu dem Kühlen der lokalen Bereichstemperatur und des Materials unter die Verfestigungtemperatur des Materials während Schritt c), ein Verhältnis von Temperaturänderung zu Position in dem physikalischen Objekt unter einem Schwellwert gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermisch verfestigbare Material Acrylnitril-Butadien-Styrol ist.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen physikalischen Objekts von vorbestimmter Form umfassend die Schritte: a. Berechnen einer Befehlssequenz, welche benötigt wird, um die vorbestimmte Form des dreidimensionalen physikalischen Objekts herzustellen; b. Ausgeben eines thermisch verfestigbaren Materials in einem flüssigen Zustand von einem Extruder in eine Aufbauumgebung, wie durch die Befehlssequenz vorgegeben; d. Halten der Aufbauumgebung während Schritt b), zumindest in der Umgebung des Extruders, innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs, wobei der Temperaturbereich über einer Verfestigungstemperatur des thermisch verfestigbaren Materials liegt; e. gleichzeitig mit dem Ausgebeschritt b) und in Reaktion auf die Befehlssequenz, mechanisches Erzeugen einer relativen Bewegung zwischen dem Extruder und der Aufbauumgebung, sodass sich das Material anlagert, um das dreidimensionale physikalische Objekt zu bilden; f. parallel zu Schritt d), differentielles Heizen der Aufbauumgebung, sodass das verfestigbare Material, auf dem sich zusätzliches verfestigbares Material angelagert hat, unter eine Verfestigungstemperatur davon gekühlt wird; und g. weiteres Verfestigen des Objekts durch Kühlen des Objekts unter die Verfestigungstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das thermisch verfestigbare Material ein Thermoplast ist, welcher eine Glassübergangstemperatur aufweist und Schritt c) die Temperatur der Aufbauumgebung unter der Glassübergangstemperatur hält.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das thermisch verfestigbare Material Acrylnitril-Butadien-Styrol ist.