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Dokumentenidentifikation DE69111140T2 28.03.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0459635
Titel Lichthärtungsformungsaparatur.
Anmelder Mitsubishi Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Saito, Naoichiro, c/o Mitsubishi Corporation, Tokyo-to, JP;
Hayano, Seiji, c/o Mitsubishi Corporation, Tokyo-to, JP
Vertreter Wilhelms und Kollegen, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69111140
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 01.05.1991
EP-Aktenzeichen 913039566
EP-Offenlegungsdatum 04.12.1991
EP date of grant 12.07.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.03.1996
IPC-Hauptklasse B29C 39/42

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtverfestigungsformgebungsvorrichtung zum Bilden eines verfestigten Abbildes durch Belichten einer Flüssigkeit, die auf den Empfang van Licht verfestigt werden kann, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In den vergangenen Jahren wurde bereits in weitem Umfang das dreidimensionale rechnergestützte Konstruieren zum Entwerfen einer dreidimensionalen Form unter Benutzung eines Rechners und eines dreidimensionalen Meßinstrumentes wie beispielsweise eines fortlaufenden topographischen Systems verwandt. Es besteht ein steigender Bedarf, die dreidimensionale Form auf der Grundlage von Daten bezüglich der dreidimensionalen Form, die durch diese Systeme erzeugt oder gemessen wurden, direkt sichtbar zu bestätigen. Es besteht gleichfalls ein zunehmender Bedarf, in einfacher Weise ein Modell mit der dreidimensionalen Form in kurzer Zeit auf der Grundlage der obigen Daten zu fertigen.

Einige bemerkenswerte technische Verfahren, die diese Anforderungen erfüllen, sind im US Patent Nr. 2795758 und in der JP-OS 56-144474 beschrieben.

Bei den bekannten technischen Verfahren ist eine Lichtverfestigungsformgebungsvorrichtung zum Bilden eines verfestigten Bildes mit einer gewünschten Modellform durch Belichten einer Flüssigkeit vorgesehen, die auf den Empfang von Licht in einem Bereich verfestigt werden kann, der der gewünschten Modellform entspricht.

Bei jedem technischen Verfahren wird das verfestigte Abbild in der folgenden Weise geformt:

1. Eine Oberfläche der Flüssigkeit wird in einem Bereich belichtet, der einem Teilbereich der gewünschten Modellform entspricht, um dadurch ein verfestigtes Teilbereichsabbild zu formen, das diesem einen Teilbereich entspricht.

2. Die Flüssigkeit, die einem weiteren Teilbereich entspricht, wird auf das vorher verfestigte Abbild geleitet.

3. Eine neue Oberfläche der Flüssigkeit wird in einem Bereich belichtet, der diesem weiteren einen Teilbereich entspricht, um dadurch ein neues verfestigtes Teilbereichsabbild auf dem vorher verfestigten Abbild zu erzeugen.

4. Die obigen Verfahrensschritte werden für alle anderen Teilbereiche wiederholt, um dadurch ein dreidimensionales verfestigtes Abbild in Form eines aus Teilbereichsschichten gebildeten verfestigten Abbildes zu erzeugen.

Als ein weiteres technisches Verfahren ist in der JP-OS 60-247515 ein Verfahren beschrieben, bei dem die Spitze einer optischen Faser in die Flüssigkeit eingetaucht und die Spitze in der Flüssigkeit in die Richtungen XYZ bewegt wird, um dadurch einen Bereich zu belichten, der der gewünschten Modellform entspricht.

Bei diesem technischen Verfahren tritt jedoch eine volumetrische Änderungen bei der Verfestigung der Flüssigkeit durch die Belichtung auf, was eine Verzerrung der gewünschten Modellform zur Folge hat.

Um dieses Problem zu meistern, hat der vorliegende Anmelder in der japanischen Patentanmeldung Nr. 63-252795 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Verzerrung der gewünschten Modellform dadurch verhindert wird, daß eine Stützrippe gleichzeitig mit der Herstellung des Modelles geformt wird.

Bei diesem technischen Verfahren kann eine Verzerrung der gewünschten Modellform während der Formgebung in erheblichem Maße vermieden werden. Die Bedienungsperson muß jedoch über die Position der Ausbildung der Stützrippe entscheiden und dann einen Belichtungsbereich festlegen, der dieser Position entspricht, was den Arbeitsvorgang aufwendig macht.

Die WO-A-89/10254 bildet die Grundlage für den Oberbegriff des zugehörigen Anspruchs 1 und beschreibt ein Lichtverfestigungssystem, das einen großen Behälter eines unter Licht härtbaren Harzes, einen Laser, der auf die Oberfläche des Harzes fokussiert ist, um selektiv das Harz zu härten, eine Hebeeinrichtung, die vertikal im Harz zum Stützen des verfestigten Harzes bewegbar ist, und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Lasers und der Hebeeinrichtung umfaßt.

Bei der Benutzung entwirft ein rechnergestützt arbeitender Konstrukteur eine dreidimensionale Modellform. Die dadurch festgelegten Daten der dreidimensionalen Form, die durch den Konstrukteur entworfen wird, werden in einer Teiledatei gespeichert.

Als nächstes entwirft der rechnergestützt arbeitende Konstrukteur eine Stütze. Die Daten, die die entworfene Stütze bestimmen, werden in einer Stützendatei gespeichert.

Die Daten der Teiledatei und der Stützendatei werden auf das Lichtverfestigungssystem übertragen.

Die Daten in der Teiledatei und in der Stützendatei werden in dem Lichtverfestigungssystem gemischt und auf der Grundlage der gemischten Daten wird ein Umriß einer Schnittfläche berechnet.

Die WO-A-89/10256 beschreibt ein Lichtverfestigungs- System, wie es in der WO-A-89/10254 dargestellt ist sowie Verfahren zu seiner Benutzung, die dazu bestimmt sind, die Endbearbeitung eines durch dieses System hergestellten Gegenstandes zu verbessern. Algorithmen zum Glätten der Oberfläche und zum Kompensieren von Ausdehnungen während des Härtungsvorganges werden gegeben.

Die FR-A-2583334 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung, welche Vorrichtung einen Injektor, der eine erste unter Licht härtbare Flüssigkeit in einen großen Behälter spritzen kann, der eine zweite Flüssigkeit enthält, eine Einrichtung zum Verschieben des Injektors, eine Einrichtung zum Beleuchten des großen Behälters, um die erste Flüssigkeit beim Einspritzen auszuhärten und eine Einrichtung zum Steuern jedes der oben beschriebenen Bauteile umfaßt.

Die US-A-4801477 beschreibt eine Vorrichtung, die einen großen Behälter, der eine unter Licht aushärtbare Flüssigkeit enthält, und eine bewegliche Strahlungsleitung, beispielsweise ein faseroptisches Kabel oder ein Bündel daraus umfaßt, durch die eine Strahlung in die Flüssigkeit übertragen wird, so daß durch eine Bewegung der Spitze der Strahlungsleitung ein Aushärten der Flüssigkeit in gewählten Bereichen erzielt werden kann.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Lichtverfestigungsformgebungsvorrichtung zu liefern, die die Bildung von Verzerrungen eines Modelles während des Formgebungsprozesses dadurch verhindert, daß eine Stützkonstruktion in verbesserter Weise vorgesehen wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Lichtverfestigungsformgebungsvorrichtung zum Bilden eines verfestigten Abbildes durch Belichten einer Flüssigkeit geschaffen, die auf den Empfang von Licht verfestigbar ist, wobei das verfestigte Abbild eine Modellform hat, die durch dreidimensionale Daten bestimmt ist, die von einem äußeren System der Vorrichtung geliefert werden, welche Vorrichtung Einrichtungen zum Berechnen von Umrißdaten aufweist, die den Umriß eines Scheibenquerschnitts der Modellform auf der Grundlage der dreidimensionalen Daten bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Berechnen von Daten vorgesehen sind, die regelmäßig beabstandete Stützen und entsprechende zu belichtende Bereiche bestimmen, Einrichtungen vorgesehen sind, die die Daten, die den Umriß bestimmen, und die Daten mischen, die die Stützen bestimmen, und Einrichtungen zum Steuern der Position des Lichtes aufgrund der Daten, die durch die Mischeinrichtungen gemischt sind, vorgesehen sind.

Besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Bei einem derartigen Aufbau wird eine verfestigte Konstruktion, d.h. eine Stützkonstruktion in regelmäßigen Intervallen in einem gegebenen Raum angeordnet und wird ein Modell in dem gegebenen Raum gebildet, wodurch die Verzerrung des Modells während des Formgebungsvorganges aufgrund der Stützkonstruktion vermieden wird. Es kann weiterhin ohne Probleme eine Form wie beispielsweise eine überstehende Form modelliert werden, die bei dem herkömmlichen Verfahren schwierig zu modellieren ist.

Es ist bevorzugt, daß das regelmäßige Belichtungsmuster zum Bilden der Stützkonstruktion aus mehreren Arten bestimmter Muster wählbar ist. In diesem Fall können verschiedene Muster der Anordnung der Stützkonstruktion vorgegeben sein, um dadurch verschiedene Formen des Modells zu erhalten.

Es ist gleichfalls bevorzugt, daß ein Raum festgelegt werden kann, in dem die Stützkonstruktion zu bilden ist. In diesem Fall wird die Bildung einer übermäßigen Stützkonstruktion verhindert.

Es ist insbesondere bevorzugt, den oben erwähnten Raum in Bezug auf das Modell festzulegen. Das heißt, daß es bevorzugt ist, daß der räumliche Bereich aus einem Gesamtbereich an der Außenseite der gewünschten Modellform, einem Gesamtbereich unter der gewünschten Modellform und einem Gesamtbereich innen und außen von der gewünschten Modellform gewählt werden kann. In diesem Fall kann die Stützkonstruktion nach Abschluß der Formgebung leicht entfernt werden.

Die Erfindung wird sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und den zugehörigen Zeichnungen ergeben, in denen

Fig. 1A bis 1C in Blockdiagrammen das System gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen,

Fig. 2A und 2B die Flußdiagramme des wesentlichen Arbeitsvorganges des Systems zeigen,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer dreieckigen Teilflächenform der dreidimensionalen Formdaten zeigt,

Fig. 4 die Datenstruktur der dreieckigen Teilflächen- Datendarstellung zeigt,

Fig. 5A eine perspektivische Ansicht einer extrahierten horizontalen Ebene zeigt,

Fig. 5B eine schematische Darstellung der Extraktion einer horizontalen Ebene zeigt,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Extraktion eines Umrisses zeigt,

Fig. 7 eine Draufsicht auf den extrahierten Umriß zeigt,

Fig. 8A in einer Draufsicht ein herkömmliches Versetzungsverfahren zeigt,

Fig. 8B eine dreidimensionale Ansicht von Fig. 8A zeigt,

Fig. 8C eine perspektivische Ansicht eines verfestigten Bereiches zeigt, der durch Belichtung mit einem Lichtstrahl gebildet ist,

Fig. 9A in einer dreidimensionalen Ansicht ein Versetzungswertberechnungsverfahren zeigt,

Fig. 9B eine vertikale Schnittansicht von Fig. 9A zeigt,

Fig. 9C und 9D vertikale Schnittansichten eines verfestigten Bereiches zeigen, der unter Berücksichtigung des Versetzungswertes für den Fall gebildet wurde, daß ein Lichtstrahl nach dem Stand der Technik und nach der vorliegenden Erfindung jeweils verwandt wurde,

Fig. 9E und 9F in Fig. 9C und 9D ähnlichen Ansichten den Fall der Verwendung eines Maskenfilms zeigen,

Fig. 10a eine perspektivische Ansicht eines Umrisses einer gewünschten Modellform zeigt,

Fig. 10b bis 10F horizontale Schnittansichten zeigen, die die verschiedenen Belichtungsarten zum Belichten eines Innenbereiches wiedergeben, der von dem in Fig. 10A dargestellten Umriß umgeben ist,

Fig. 10G in einer Draufsicht ein Versetzungsverfahren für den Belichtungsbereich zeigt, der im Inneren des Umrisses zu bilden ist,

Fig. 10H eine Querschnittsansicht längs der Linie H-H in Fig. 10G zeigt,

Fig. 11H eine perspektivische Ansicht von Schenkein zeigt,

Fig. 11B bis 11E Draufsichten auf die verschiedenen Muster der Schenkel zeigen,

Fig. 12A eine perspektivische Ansicht eines Rahmens zeigt,

Fig. 12B eine perspektivische Ansicht einer Stützkonstruktion zeigt, die durch den Rahmen und eine Stütze gebildet ist,

Fig. 13A bis 13C in verschiedenen Schnittansichten die verschiedenen Arten der Festlegung eines eine Stütze bildenden Bereiches zeigen,

Fig. 14A in einer perspektivischen Ansicht das Problem bei der Bildung eines hohlen Modells mit einer leichten Schrägfläche zeigt,

Fig. 14B eine Horizontalschnittansicht von Fig. 14A zeigt,

Fig. 15A eine perspektivische Ansicht einer Bürste zeigt, und

Fig. 15B eine vergrößerte Seitenansicht der Bürste zeigt.

Die Fig. 1A bis 1C zeigen ein Beispiel des Systemaufbaus der Lichtverfestigungsformgebungsvorrichtung, die dadurch verbessert wurde, daß die vorliegende Erfindung verwandt wird. Fig. 2A und 2B zeigen den wesentlichen Arbeitsablauf des Systems, das in Fig. 1A bis 1C dargestellt ist.

Gemäß Fig. 1C bezeichnet 1-46 einen geschlossenen Behälter zum Aufnehmen einer Flüssigkeit, die die Eigenschaft der Verfestigung bei einer Belichtung hat. Der Behälter 1-46 weist eine transparente obere Außenfläche auf. Die Flüssigkeit ist vorzugsweise ein lichtempfindliches Harz. Es ist besonders bevorzugt, daß die Flüssigkeit aus einem Gemisch aus einem, zwei oder mehr Bestandteilen deformierten Polyurethanmethacrylats, Oligoesteracrylats, Urethanacrylats Epoxiacrylats, lichtempfindlichem Polyamids und Aminoalkyds besteht.

Weiterhin können ein Sensibilisator, ein Trübungsstoff usw. der Flüssigkeit zugemischt sein, um die Lichtabsorptionseigenschaften oder ähnliches einzustellen. Darüber hinaus können ein Pigment, Keramikpulver, Füllstoffe, Metallpulver usw. der Flüssigkeit zugemischt sein, um die Farbe, Festigkeit, Verzerrung, Formgebungsgenauigkeit usw. eines Modells einzustellen.

Ein Unterbau 1-45 ist vertikal (Richtung Z) bewegbar unter einer Flüssigkeitsoberfläche 1-43 im Behälter 1-46 vorgesehen.

Eine Lichtquelle (vorzugsweise ein Laser) 1-38 ist über dem Behälter 1-46 vorgesehen. Das Licht von der Lichtquelle 1-38 wird in eine optische Faser 1-40 über ein Filter 1-39 eingeführt, das sowohl eine Lichtverschlußfunktion als auch eine Funktion der Einstellung der Stärke der Belichtung hat. Eine Spitze 1-40a der optischen Faser 1-40 ist durch einen XY-Antriebsmechanismus 1-41 in zwei orthogonale Richtungen (Richtungen XY) bewegbar.

Eine Bürste 1-42, die die Flüssigkeitsoberfläche 1-43 überstreichen kann, ist in der dargestellten Y-Richtung bewegbar.

Ein Verfestigungsformgebungsteil der vorliegenden Erfindung ist durch die obige Konstruktion gebildet und wird in der folgenden Weise durch ein System gesteuert, das im folgenden beschrieben wird.

Zunächst wird der Unterbau 1-45 von der Flüssigkeitsoberfläche 1-43 um eine Stärkeneinheit ΔZ eines Modells abgesenkt. Unter diesen Umständen tastet die Spitze 1-40a der optischen Faser 1-40 in XY-Richtung einen Bereich ab, der dem untersten Teilbereich einer gewünschten Modellform entspricht. Das hat zur Folge, daß die Flüssigkeit in dem belichteten Bereich verfestigt wird, so daß ein verfestigtes Teilabbild 1-44a, das dem untersten Teilbereich der gewünschten Modellform entspricht, auf dem Unterbau 1-45 gebildet wird.

Anschließend wird der Unterbau 1-45 erneut um ΔZ abgesenkt. Das hat zur Folge, daß auch das unterste verfestigte Teilabbild 1-44a zusammen mit dem Unterbau 1-45 abgesenkt wird und gleichzeitig die Flüssigkeit am Außenumfang auf das unterste verfestigte Teilbereichsabbild 1-44a fließen kann.

Da die Flüssigkeit eine hohe Viskosität hat, fließt die Flüssigkeit nur schwer auf das verfestigte Abbild 1-44a, wenn der Unterbau 1-45 lediglich um ΔZ abgesenkt wird. Um diesen Nachteil zu beheben, wird die Bürste 1-42 betrieben, um die Flüssigkeitsoberfläche 1-43 zu überstreichen und dadurch sicher für das Einführen der Flüssigkeit auf das verfestigte Abbild 1-44a zu sorgen.

Anschließend tastet die Spitze 1-40a der optischen Faser 1-40 in XY-Richtungen ab, um das nächste verfestigte Teilbereichsabbild 1-44b auf dem verfestigten Abbild 1-44a zu bilden.

Der obige Arbeitsvorgang wird wiederholt, bis schließlich ein schichtweise aufgebautes verfestigtes Abbild mit der gewünschten Modellform in der Flüssigkeit gebildet ist.

Eine weiter ins einzelne gehende Beschreibung erübrigt sich, da das obige Grundkonzept im Prinzip in der JP-OS 56- 144478 beschrieben ist.

Das Bezugszeichen 1-28 in Fig. 1C bezeichnet ein äußeres System, das mit dem vorliegenden System über eine On- Line- oder eine Off-Line-Verbindung verbunden ist. Ein derartiges äußeres System kann aus einem dreidimensionalen CAD- System, einem dreidimensionalen Meßinstrument, einem fortlaufenden tomographischen System usw. gewählt sein. Dieses sind lediglich Beispiele und es reicht für das äußere System aus, daß es Daten liefert, die zu einer dreidimensionalen Form des Modells in Beziehung stehen.

Wenn die Form der Daten im äußeren System 1-28 von der Art dreieckiger Teilflächen ist, werden die Daten direkt in einer Speichereinrichtung 1-7 im vorliegenden System für die Daten der gewünschten Modellform in Form dreieckiger Teilflächen gespeichert.

Wenn die Form der Daten im äußeren System 1-28 von einem anderen Typ als dem der dreieckigen Teilflächen ist, werden die Daten durch eine Wandlereinrichtung 1-31 für die dreieckige Teilflächenform im vorliegenden System in den dreieckigen Teilflächentyp zunächst umgewandelt und dann in der Speichereinrichtung 1-7 gespeichert.

Der schematische Aufbau der dreieckigen Teilflächenform ist in Fig. 3 und 4 dargestellt.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die dreidimensionale Form in Form einer Gruppe von mehreren dreieckigen Teilflächen PI, PJ, PK usw. bei der dreieckigen Teilflächenform bestimmt ist. In Fig. 3 ist ein Teil der Gruppe dieser dreieckigen Teilflächen lediglich zum Zweck der Verständlichkeit der Darstellung gezeigt.

Jede dreieckige Teilfläche ist in ihrer Position und Form durch die XY-Koordinaten von drei Scheitelpunkten bestimmt. Die Teilfläche PI ist beispielsweise durch die XY- Koordinaten der drei Scheitelpunkte I&sub1;, I&sub2; und I&sub3; gegeben.

Dementsprechend haben die Daten der dreidimensionalen Form vom Typ der dreieckigen Teilflächen den Aufbau, der in Fig. 4 dargestellt ist. Die Daten mit dem in Fig. 4 dargestellten Aufbau, die in der Speicherrichtung 1-7 gespeichert sind, können von einer Datenaufbereitungseinrichtung 1-8 aufbereitet werden, wie es in Fig. 1B dargestellt ist (siehe Schritt 2-8 in Fig. 2A). Bei dieser Aufbereitung können die Daten der gewünschten Modellform expandiert, kontrahiert gedreht oder korrigiert werden. Insbesondere beim Korrigieren werden Stützendaten zum Stützen der gewünschten Modellform zugefügt. Weiterhin können unter Verwendung dieser Korrekturfunktion neue Daten für die dreidimensionale Form erzeugt werden.

Wenn der Benutzer dieses Systems eine Dickeneinheit und einen Strahldurchmesser unter Verwendung einer Dickeneinheitsfestlegungseinrichtung 1-1 und einer Strahldurchmesserfestlegungseinrichtung 1-2 festlegt, wie es in Fig. 1A dargestellt ist (siehe Schritt 2-1 in Fig. 2A), dann wird eine perspektivische Ansicht der aufbereiteten gewünschten Modellform in Scheiben geschnitten mit der Einheitsdicke an einer zweidimensionalen Anzeige 1-32 angezeigt (siehe Simulationsschritt 2-50 und Anzeigeschritt 2-32 in Fig. 2A) Dann bestätigt der Benutzer, ob die Formgebung unter der obigen Bedingung zu beginnen ist oder nicht. Wenn die Antwort im Schritt 2-51 negativ ist, dann setzt der Benutzer die Bedingung zurück (siehe Schleife ausgehend vom Schritt 2-51). Wenn die Bedingung erfüllt ist, dann wird im vorliegenden System der folgende Arbeitsablauf ausgeführt.

Zunächst berechnet eine Recheneinrichtung 1-9 für die Strahlabtastgeschwindigkeit gemäß Fig. 1B eine optimale Abtastgeschwindigkeit zum Verfestigen der Dickeneinheit, die durch die Einrichtung 1-1 festgelegt ist, mit einem Strahldurchmesser, der durch die Einrichtung 1-2 festgelegt ist.

Dann wird im Schritt 2-10 eine Horizontalebenenextraktionseinrichtung 1-10 aktiviert, um eine Horizontalebene von der gewünschten Modellform zu extrahieren.

Bei dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Dickeneinheit ΔZ verwandt, die durch die Einrichtung 1-1 festgelegt ist, und werden gemäß Fig. 5B dreieckige Teilflächen jeweils mit drei Scheitelpunkten, die alle innerhalb des Höhenbereiches von ΔZ liegen, gesucht, um den äußeren Umriß 5-1 der Gruppe dieser dreieckigen Teilflächen zu berechnen.

Fig. 5B zeigt eine virtuelle Seitenansicht dieser dreieckigen Teilflächen, wobei die drei Scheitelpunkte jeder Teilfläche P&sub1; im Inneren der Abmessung der Einheitsdicke ΔZ liegen und wenigstens einer dieser drei Scheitelpunkte jeder Teilfläche P&sub0; außerhalb der Abmessung der Einheitsdicke ΔZ liegt. In dieser Weise wird der Umriß 5-1 der Horizontalebene extrahiert und von der äußersten Linie der Gruppe von Teilflächen P&sub1; berechnet.

Das Innere, das von dem Umriß 5-1 der Horizontalebene umgeben ist, die oben extrahiert wurde, wird gleichmäßig belichtet, um verfestigt zu werden. Fig. 5A zeigt eine virtuelle Ansicht der Horizontalebenen 5-1a und 5-1b, die von den Daten der dreieckigen Teilflächen extrahiert wurden, die in Fig. 3 dargestellt sind.

Anschließend führt das vorliegende System eine Berechnung eines Umrisses unter Verwendung einer Umrißrecheneinrichtung 1-11 gemäß Fig. 1B aus (siehe Schritt 2-11 in Fig. 2A).

Fig. 6 zeigt schematisch die Umrißberechnung, bei der jede nicht horizontale dreieckige Teilfläche (die Teilflächen S und T sind beispielsweise in Fig. 6 dargestellt) eine horizontale Ebene Z schneidet, die mit der Dickeneinheit ΔZ aufgeschnitten ist, wobei zwei Schnittpunkte zwischen jeder Teilfläche und der Ebene Z berechnet werden.

Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, sind die zwei Schnittpunkte zwischen der Teilfläche S und der Ebene Z mit (XL, YL)S und (XR, YR)S bezeichnet, während die beiden Schnittpunkte zwischen der Teilfläche T und der Ebene Z mit (XL, YL)T und (XR, YR)T bezeichnet sind. Da beide Teilflächen S und T nebeneinander liegen, befindet sich ein gemeinsamer Schnittpunkte auf der Stoßlinie. Das heißt, daß der Schnittpunkt (XR, YR)S gleich dem Schnittpunkt (XL, YL)T ist.

Anschließend werden auf der Grundlage der in der obigen Weise berechneten Schnittpunktkoordinaten mehrere Umrisse 7- 1, 7-2, 7-3 usw. in einem gegebenen Teilbereich ausgeführt und berechnet, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, kann es vorkommen, daß die dreieckigen Teilflächen in einigen Teilbereichen nicht ineinander übergehen und dazwischen einen Zwischenraum G bilden. Das heißt, daß die extrahierten Umrisse 7-1 und 7-2 keine geschlossene Kurve bilden. In diesem Fall werden die nächstliegenden Schnittpunkte aufgesucht und werden diese anschließend miteinander verbunden, um dadurch eine geschlossene Kurve zu erhalten. Wie es in Fig. 7 dargestellt ist, werden die in dieser Weise berechneten Umrisse in eine Gruppe zum Bilden der gewünschten Modellform im Inneren des Umrisses (beispielsweise 7-1) und in eine Gruppe zum Bilden der gewünschten Modellform außerhalb des Umrisses (beispielsweise 7-2) klassifiziert. Eine derartige Klassifizierung erfolgt dadurch, daß die Umrisse längs einer Suchlinie 7-4 von der linken Seite beispielsweise aus aufgesucht werden und ein die Innenseite angebendes Kennzeichen für den Umriß 7-1 gegeben wird, der die Suchlinie 7-4 zuerst schneidet und ein die Außenseite angebendes Kennzeichen für den Umriß 7-2 gegeben wird, der als zweiter die Suchlinie 7-4 schneidet.

Gemäß Fig. 1B weist das vorliegende System eine Einrichtung 1-12 zum Berechnen und Speichern von dem Strahl entsprechenden Verfestigungsbereichsdaten auf. Die Einrichtung 1-12 berechnet und speichert eine Teilschnittform eines zu verfestigenden Bereiches, wenn ein Strahl mit dem Strahldurchmesser, der durch die Einrichtung 1-2 festgelegt ist, mit der Geschwindigkeit abtastet, die durch die Einrichtung 1-9 berechnet ist. Das heißt gemäß Fig. 8C, daß die Einrichtung 1-12 eine Schnittform F2 eines zu verfestigenden Bereiches F1 berechnet und speichert, wenn mit einem Lichtstrahl 8-12 abgetastet wird, wie es durch einen Pfeil 8-10 dargestellt ist. Dann berechnet eine einen dreidimensionalen Versetzungswert berechnende Einrichtung 1-13 gemäß Fig. 1B einen dreidimensionalen Versetzungswert für die Daten der Horizontallinie, die durch die Einrichtung 1-10 extrahiert wurden, und für die Umrißdaten, die durch die Einrichtung 1- 11 berechnet wurden, und zwar unter Verwendung von Verfestigungsbereichsdaten, die durch die Einrichtung 1-12 berechnet werden.

Die Berechnung eines derartigen dreidimensionalen Versetzungswertes wird im folgenden anhand der Fig. 8A bis 8C und 9A bis 9F beschrieben.

In Fig. 8A, die eine Draufsicht auf die Flüssigkeitsoberfläche zeigt, bezeichnet 8-2 einen Belichtungsbereich des Lichtstrahles. In dem Fall, in dem ein Mittelpunkt 8-3 des Belichtungsbereiches 8-2 entlang eines Umrisses 8-1 (berechnet durch die Einrichtung 1-11) abtastet, wie es durch einen Pfeil 8-4 dargestellt ist, wird ein Umriß 8-5 eines zu verfestigenden Bereiches in unerwünschter Weise an der Außenseite des Umrisses 8-1 gebildet.

Fig. 8B zeigt eine stereoskope Ansicht von Fig. 8A. Wie es in Fig. 8B dargestellt ist, werden in dem Fall, in dem der Mittelpunkt des Lichtstrahles auf dem Umriß des Modells liegt, Bereiche 8-5a, 8-5b, 8-5c usw. verfestigt und stimmt der Umriß des tatsächlich verfestigten Bereiches, der dadurch gebildet werden soll, daß fortlaufend die äußersten Flächen der Bereiche 8-5a, 8-5b, 8-5c usw. miteinander verbunden werden, nicht mit dem Umriß 8-1 überein.

Um das obige Problem zu vermeiden, ist die herkömmliche Lichtverfestigungsformgebungsvorrichtung, die gegenwärtig in der Praxis benutzt wird, so ausgebildet, daß der Mittelpunkt des Lichtstrahles entlang einer Linie abtastet, die nach innen vom Umriß um den Radius des Strahles versetzt ist, wie es im linken unteren Bereich von Fig. 8A dargestellt ist.

Wie es im linken unteren Bereich von Fig. 8A dargestellt ist, fällt in dem Fall, in dem der Mittelpunkt 8-6 des Lichtstrahles zum Inneren des Belichtungsbereiches 8-2 um den Radius d des Lichtstrahles versetzt ist, der Umriß des verfestigten Bereiches mit dem Umriß 8-1 in einer Draufsicht zusammen.

Aus Fig. 8B ergibt es sich jedoch, daß vom stereoskopen Standpunkt ein Problem bleibt. Wie es in Fig. 8B dargestellt ist, bezeichnet 8-8 einen Bereich, der durch den nach innen um den Radius d versetzten Lichtstrahl verfestigt werden soll. Da die gewünschte Modellform zur untersten Fläche allmählich schmaler wird, versteht es sich, daß ein schraffierter Teil des Bereiches 8-8 übermäßig verfestigt wird. Der Umriß 8-9 der tatsächlichen Modellform verläuft dementsprechend außerhalb des Umrisses 8-1 der gewünschten Modellform.

Die Fig. 9A bis 9F zeigen ein Verfahren der dreidimensionalen Versetzung des Belichtungsbereiches des Lichtstrahles, um das obige Problem zu beseitigen.

Fig. 9A zeigt ein dreidimensionales Koordinatensystem, dessen Ursprungspunkt mit einem der Schnittpunkte zwischen der dreieckigen Teilfläche und der horizontalen Ebene Z in Fig. 6 zusammenfällt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel fällt der Ursprungspunkt des Koordinatensystems in Fig. 9A mit dem Schnittpunkt (XR, YR)S oder (XL, YL)T zusammen.

In Fig. 9A bezeichnen F2A bis F2D eine gemeinsame dreidimensionale Form, die durch Drehen der Schnittform F2 in Fig. 8C um die Mitte des Strahles zu bilden ist und bezeichnet einen normalen Einheitsvektor am Ursprungspunkt, d.h. am Schnittpunkt (XR, YR)S oder (XL, YL)T. Der normale Einheitsvektor wird als Vektorsumme der normalen Einheitsvektoren S und T bezüglich benachbarter Teilflächen in Fig. 6 berechnet. Die Richtung jedes der normalen Einheitsvektoren S und T wird aus den Scheitelpunktkoordinaten jeder Teilfläche berechnet und der Sinn jedes Vektors wird unter Bezug auf die die Innenseite und die Außenseite anzeigenden Kennzeichen bestimmt, wie es im Vorhergehenden unter Bezug auf die Suchlinie 7-4 in Fig. 7 beschrieben wurde. Bei dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Sinn jedes Vektors so definiert, daß jeder Vektor von der Innenseite zur Außenseite der gewünschten Modellform gerichtet ist. Der normale Einheitsvektor , der in dieser Weise berechnet wird, hat die Vektorkomponenten nx, ny und nz.

In Fig. 9A bezeichnet nR einen Vektor mit den Komponenten nx und ny in der XY-Ebene und ist eine R-Achse in der Richtung des Vektors nR gegeben. Fig. 9B zeigt eine RZ-Ebene in Fig. 9A.

Wie es in den Fig. 9A und 9B dargestellt ist, bezeichnet F2A einen verfestigten Bereich, der erhalten wird, wenn der Strahlmittelpunkt mit dem Schnittpunkt (d.h. in diesem Fall dem Ursprungspunkt) zusammenfällt. Es ist ersichtlich, daß ein großer Anteil des verfestigten Bereiches F2A außerhalb des Umrisses 8-1 gebildet wird. F2B bezeichnet einen verfestigten Bereich, der dann erhalten wird, wenn der Mittelpunkt des Strahles zur Innenseite des Umrisses 8-1 längs der Achse R um den Radius d versetzt ist. Es versteht sich, daß ein schraff ierter Teil des verfestigten Bereiches F2B außerhalb des Umrisses 8-1 gebildet wird. Im Gegensatz dazu bezeichnet F2C einen verfestigten Bereich, der dann erhalten wird, wenn der Strahlmittelpunkt C1 zum Inneren des Umrisses 8-1 so versetzt ist, daß ein dreidimensionaler Umriß 9-2c des verfestigten Bereiches F2C durch den Schnittpunkt (den Ursprungspunkt) geht und ein Normalvektor für den Umriß 9-2c mit dem Normalvektor für den Umriß 8-1 am Ursprungspunkt zusammenfällt. Das heißt mit anderen Worten, daß der verfestigte Bereich F2C zum Inneren des Umrisses 8-1 versetzt ist, so daß der Umriß 9-2c des verfestigten Bereiches F2C den Umriß 8-1 am Ursprungspunkt berührt.

Wenn in diesem Fall angenommen wird, daß der verfestigte Bereich F2C ein Sphäroid mit einer kleineren Achse d und einer größeren Achse h ist, dann kann die obige Beziehung dadurch erfüllt werden, daß der Strahlmittelpunkt um eine Strecke R1 längs der R-Achse und um eine Strecke Z1 längs der Z-Achse versetzt wird, wobei R1 und Z1 gegeben sind als:

R&sub1; = d²nR/(h²nz² + d²nR²)1/2

Z&sub1; = h²nz/(h²nz² + d²nR²)1/2

wobei nR = (nx² + ny²)1/2 ist.

F2D bezeichnet andererseits einen verfestigten Bereich, der dadurch erhalten wird, daß der verfestigte Bereich F2C in eine Richtung senkrecht zum normalen Vektor N in der RZ- Ebene bewegt wird, so daß die Z-Koordinate des Strahlmittelpunktes C0 gleich Null wird.

Aus Fig. 9B ist ersichtlich, daß der Teil des verfestigten Bereiches F2D außerhalb des Umrisses 8-1 im wesentlichen gleich Null wird.

Der verfestigte Bereich F2D kann dadurch erhalten werden, daß der Strahlmittelpunkt um eine Strecke x&sub0; längs der X-Achse und eine Strecke Y&sub0; längs der Y-Achse versetzt wird, wobei X&sub0; und Y&sub0; gegeben sind als:

X&sub0; = nx(d²nx² + d²ny² + h²nz²)1/2(nx² + ny²)

Y&sub0; = ny(d²nx² + d²ny² + h²nz²)1/2(nx² + ny²)

In diesem Fall kann dafür gesorgt werden, daß der Umriß des dreidimensionalen verfestigten Bereiches im wesentlichen mit dem Umriß der gewünschten Modellform zusammenfällt, ohne die Höhe des Strahlmittelpunktes zu ändern.

Unter Verwendung entweder des zuerst genannten Verfahrens oder des zuletzt genannten Verfahrens berechnet die Einrichtung 1-13 einen Versetzungswert des Strahlmittelpunktes.

Wenn der Belichtungsbereich in jedem Horizontalschnitt gesteuert wird, wie es bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fall ist, wird zweckmäßigerweise das zuletzt genannte Verfahren angewandt. Bei der Steuerung des Belichtungsbereiches durch Eintauchen der Spitze der optischen Faser in die Flüssigkeit und durch Bewegen der Spitze in die XYZ-Richtungen kann das zuerst genannte Verfahren verwandt werden, um den Strahlmittelpunkt dreidimensional zu versetzen.

Fig. 9C zeigt einen Vertikalschnitt eines verfestigten Schichtbereiches für den Fall, daß der Strahlmittelpunkt um den Radius d versetzt ist. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 9D einen Vertikalschnitt eines verfestigten Schichtbereiches für den Fall, daß der Strahlmittelpunkt um die Strecken X&sub0; und Y&sub0; versetzt ist, wie es oben erwähnt wurde. Aus den Fig. 9C und 9D ergibt sich, daß der Umriß 9-12 des verfestigten Schichtbereiches gemäß dem Versetzungsverfahren der vorliegenden Erfindung in der in Fig. 9D dargestellten Weise im wesentlichen mit einem Umriß 9-1 der gewünschten Modellform zusammenfällt.

Das oben erwähnte Problem tritt nicht nur in dem Fall, in dem ein Lichtstrahl verwandt wird, sondern auch in dem Fall auf, in dem ein Maskenfilm oder ein Projektor verwandt wird, um die Flüssigkeitsoberfläche gleichmäßig zu bel ichten, wie es in Fig. 9E dargestellt ist.

Fig. 9E zeigt den Fall, in dem dafür gesorgt ist, daß der Umriß jedes Belichtungsbereiches mit dem Umriß 9-1 der gewünschten Modellform zusammenfällt. Aus Fig. 9E ergibt sich, daß schraffierte Bereich 9-6a, 9-6b, 9-6c, 9-6d usw. der Belichtungsbereiche übermäßig verfestigt werden, so daß sie außerhalb des Umrisses 9-1 auftreten.

Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 9F eine Verbesserung gegenüber Fig. 9E, bei der die Umrisse 9-11a, 9-11b, 9-11c usw. der verfestigten Bereiche nach innen um R&sub0; versetzt sind, so daß sie den Umriß 9-1 berühren. Bei diesem Verfahren kann ein Umriß 9-12 des verfestigten Abbildes dazu gebracht werden, daß er im wesentlichen mit dem Umriß 9-1 der gewünschten Modellform zusammenfällt.

Nachdem die Einrichtung 1-13 den optimalen Versetzungswert berechnet hat, wie es oben erwähnt wurde, berechnet und speichert die Einrichtung 1-14 zum Berechnen und Speichern der Belichtungsbereichsdaten auf eine Abtastposition des Strahlmittelpunktes bezogene Daten, um den Belichtungsbereich durch den berechneten Versetzungswert zu versetzen und den Belichtungsbereich entsprechend der Horizontallinie, die durch die Einrichtung 1-10 extrahiert wurde, oder des Umrisses zu verfestigen, der durch die Einrichtung 1-11 berechnet wurde.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das vorliegende System weiterhin eine Einrichtung 1-3 zum Festlegen der Belichtungsart für einen Innenbereich 7-5, der von den Umrissen 7-1 und 7-2 umgeben ist, oder einen Innenbereich 7- 6, der durch den Umriß 7-3 umgeben ist, auf, wie es beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist (siehe Schritt 2-3 in Fig. 2A).

Diese Belichtungsart wird in eine Nichtbelichtung, eine Ganzbereichsbelichtung und eine Abstandsbelichtung klassifiziert.

Im ersten Fall der Festlegung der Nichtbelichtung unter Verwendung einer Einrichtung 1-3a wird ein Hohlmodell verfestigt, das gemäß Fig. 10F nur am Umriß verfestigt ist. Bei dieser Belichtungsart wird eine Außenfläche 10-2a in Fig. 10F, die einem Umriß 10-2 in Fig. 10A entspricht, verfestigt und wird gleichfalls eine Innenfläche 10-3a in Fig. 10F, die einem Umriß 10-3 in Fig. 10A entspricht, verfestigt. Der Innenbereich zwischen den Umrissen 10-2 und 10-3 wird jedoch nicht verfestigt, um einen hohlen Teilbereich 10-8 zu bilden und dadurch ein Hohlmodell herzustellen.

Diese Arbeitsweise ist in dem Fall wirksam, in dem nur die Modellform wichtig ist und die Festigkeit nicht so sehr gefordert wird. Da der Belichtungsbereich klein ist, kann die Formgebungszeit verkürzt werden.

Im zweiten Fall der Festlegung der Gesamtbereichsbelichtung unter Verwendung der Einrichtung 1-3b wird der Innenbereich zwischen den Umrissen 10-2 und 10-3 vollständig verfestigt, um ein massives Modell herzustellen, wie es in Fig. 10B dargestellt ist. Diese Arbeitsweise eignet sich dann, wenn die Festigkeit des Modells gefordert ist.

Im dritten Fall der Festlegung der Abstandsbelichtung unter Verwendung der Einrichtung 1-3c kann der Benutzer ein normales Kreuzmuster (Fig. 10C), ein Wechselkreuzmuster (Fig. 10D1 und 10D2) und ein Streifenmuster (Fig. 10E) wählen.

Bei dem Streifenmuster, das in Fig. 10E dargestellt ist, wird der Innenbereich in Abständen in einer Richtung belichtet. Beim normalen Kreuzmuster, das in Fig. 10C dargestellt ist, wird der Innenbereich in Abständen in zwei verschiedenen Richtungen im selben Teilbereich belichtet. Beim Wechselkreuzmuster, das in Fig. 10D1 und 10D2 dargestellt ist, wird der Innenbereich in Abständen dadurch belichtet, daß die Abtastrichtung im Streifenmusterbetrieb in jedem Teilbereich geändert wird.

Im Fall der Festlegung der Abstandsbelichtung kann der Benutzer unter Verwendung der Einrichtung 1-3c&sub1; ein gewünschtes Muster (d.h. das normale Kreuz-, das Wechselkreuz- oder das Streifenmuster) die Ganghöhe und die Belichtungsbreite festlegen. Die Belichtungsbreite kann so gewählt werden, daß sie vom Strahldurchmesser verschieden ist, der durch die Einrichtung 1-2 festgelegt ist.

Bei der Abstandsbelichtung kann eine wabenförmige Struktur zusätzlich im Hohlmodell gebildet werden, um ein Wabenmodell zu erzeugen.

Nach der in dieser Weise erfolgten Festlegung der Art der Belichtung für den Innenbereich wird eine Versetzungseinrichtung 1-17 aktiviert. Die Versetzungseinrichtung 1-17 berechnet einen Versetzungswert, wie es in Fig. 10G und 10A dargestellt ist. In Fig. 10G bezeichnet 10-14 einen Lichtstrahl zum Belichten des Umrisses. Der Lichtstrahl 10-14 tastet längs eines Pfeiles 10-16 ab, wobei der Strahlmittelpunkt zur Innenseite des Umrisses auf eine position 10-15 versetzt ist. Andererseits bezeichnet 10-10 einen Lichtstrahl zum Belichten des Innenbereiches. Wenn das Abtasten des Lichtstrahles 10-10 an einer Stelle angehalten wird, an der das vordere Ende 10-11a des Lichtstrahles 10-10 den Umfang des Lichtstrahles 10-14 kontaktiert, ist der Umriß, der dem verfestigten Bereich 10-14a entspricht, nicht ausreichend mit dem Innenbereich verbunden, der dem verfestigten Bereich 10-10A entspricht, wie es in Fig. 10H (1) dargestellt ist, was zur Folge hat, daß ein geeigneter Stützeffekt durch die Wabenstruktur nicht erzielt werden kann.

Wenn im Gegensatz dazu die Abtastung des Lichtstrahles 10-10 an einer Position angehalten wird, an der der Strahl mittelpunkt 10-13 des Lichtstrahles 10-10 mit dem Strahlmittelpunkt 10-15 des Lichtstrahles 10-14 zusammenfällt, dann wird ein zusätzlicher verfestigter Bereich 10-18 durch den Strahl 10-10 außerhalb des Umfanges des Umrisses gebildet, der dem verfestigten Bereich 10-14a entspricht, wie es in Fig. 10H (3) dargestellt ist, was zur Folge hat, daß die gewünschte Modellform nicht genau erzielt werden kann.

Unter Berücksichtigung dieser Probleme berechnet die Versetzungseinrichtung 1-17 einen optimalen Versetzungswert des Lichtstrahles 10-10 derart, daß die Abtastung des Lichtstrahles 10-10 an einer Position beendet wird, an der das vordere Ende 10-12a des Lichtstrahles 10-10 den Strahlmittelpunkt 10-15 des Lichtstrahles 10-14 berührt, d.h. der Strahlmittelpunkt 10-12 des Lichtstrahles 10-10 zum Inneren des Umfangs des Lichtstrahles 10-14 um den Radius des Lichtstrahles 10-10 versetzt ist (siehe Fig. 10H (2)). Der Belichtungsbereich im Innenbereich wird durch eine Einrichtung 1-18 zum Berechnen und Speichern von Belichtungsbereichsdaten, die dem Innenbereich entsprechen, nach Maßgabe der Information von der Einrichtung 1-3 und des Versetzungswertes berechnet und gespeichert, der durch die Einrichtung 1- 17 berechnet ist (siehe Schritt 2-18 in Fig. 2A).

Ein derartiger Überlappungsbereich zwischen dem dem Umriß entsprechenden Belichtungsbereich und dem dem Innenbereich entsprechenden Belichtungsbereich kann in geeigneter Weise innerhalb des Bereiches zwischen den Fig. 10H (1) und Fig. 10H (3) durch den Benutzer festgelegt werden.

Der Benutzer kann weiterhin Schenkeldaten unter Verwendung einer Einrichtung 1-4 festlegen, die im vorliegenden System enthalten ist. In Fig. 11A bezeichnet 11-9 eine Vielzahl von Schenkeln, die auf dem Unterbau 1-45 ausgebildet werden. Eine gewünschte Modellform 11-1 wird auf den Schenkeln 11-9 gebildet. Wenn das verfestigte Abbild des Modells direkt auf den Unterbau 114 ohne die Schenkel 11-9 geschichtet wird, dann wird das verfestigte Abbild zerbrochen oder beschädigt, wenn es vom Unterbau 1-45 abgenommen wird. Die Schenkel 11-9 sind somit dazu vorgesehen, dieses Problem zu vermeiden.

Wie es in Fig. 11A dargestellt ist, werden die Schenkel 11-9 in Raumbereichen 11-4a und 11-4b gebildet, die den untersten Teilbereichen 11-3a und 11-3b entsprechen, die unter Verwendung einer Einrichtung 1-19 gesucht werden. Die Schenkel 11-9 werden gleichfalls in einem Rahmensetzbereich 11-2 ausgebildet, der später beschrieben wird.

Die Schenkeldaten schließen Daten über die Schenkelhöhe, Ganghöhe, Linienbreite und das Muster (Streifen, normales Kreuz oder Wechselkreuz) ein. Diese Daten werden unter Verwendung der Einrichtungen 1-4a und 1-4b festgelegt. Die Schenkeldaten schließen weiterhin Daten darüber ein, ob eine Außenlinie vorhanden ist oder nicht. Diese Daten werden unter Verwendung einer Einrichtung 1-4c festgelegt.

Die Schenkelhöhe bedeutet die Höhe jedes zu verfestigenden Schenkels vor der Formgebung der gewünschten Modellform. Das Muster, die Ganghöhe und die Linienbreite sind die gleichen, wie es im Vorhergehenden erwähnt wurde. Die Außenlinie bedeutet eine entlang eines Randes eines Schenkelbildungsbereiches zu formende Außenlinie.

In dem Fall, in dem das Vorhandensein der Außenlinie durch die Einrichtung 1-4c festgelegt ist, wird ein Umfangsschenkel 11-7 (siehe Fig. 11D) oder ein Umfangsschenkel 11-8 (siehe Fig. 11E) längs des Außenrandes des Schenkelbildungsbereiches 11-4a gebildet.

In dem Fall, in dem das Fehlen der Außenlinie durch die Einrichtung 1-4c festgelegt ist, wird kein Umfangsschenkel gebildet, wie es in Fig. 11B und 11C dargestellt ist.

Die Fig. 11b und 11d zeigen den Fall, in dem die Streifenform gewählt ist, um Streifenschenkel 11-5 zu bilden. Die Fig. 11c und 11e zeigen den Fall, in dem ein normales Kreuzmuster gewählt ist, um normale kreuzmusterförmige Schenkel 11-6 zu bilden.

Nachdem die Schenkeldaten durch die Einrichtung 1-4 festgelegt sind (siehe Schritt 2-4 in Fig. 2B), berechnet und speichert eine Einrichtung 1-12 zum Berechnen und Speichern von Belichtungsbereichsdaten, die einem Schenkel entsprechenden Belichtungsbereichsdaten für die Ausbildung der Schenkel unter Bezug auf die oben festgelegten Schenkeldaten, die Information über den untersten Teilbereich und Daten, die einen Rahmensetzbereich betreffen, was später beschrieben wird (siehe Schritt 2-20 in Fig. 2B).

Der Benutzer kann den Rahmensetzbereich unter Verwendung einer Einrichtung 1-5 im vorliegenden System festlegen. In diesem Fall kann der Benutzer unter Verwendung einer Einrichtung 1-5a wählen, ob der gesamte Raum zu besetzen ist oder unter Verwendung einer Einrichtung 1-5b wählen, ob ein bestimmter Raum zu besetzen ist.

Bei der Festlegung des gesamten Raumes wird eine Recheneinrichtung 1-21 für den maximalen Umrißbereich aktiviert, um ein rechteckiges Parallelepiped 12-2 zu berechnen, das eine gewünschte Modellform 12-1 vollständig abdeckt, wie es in Fig. 12A dargestellt ist. Dann berechnet und speichert eine Einrichtung 1-12 zum Berechnen und Speichern von Belichtungsbereichsdaten, die einem Rahmen entsprechen, Belichtungsbereichsdaten für die Bildung eines zu verfestigenden Rahmens an vier Seitenwänden des rechtwinkligen Parallelepipeds 12-2.

Im Fall der Festlegung eines bestimmten Raumes wird ein derartiger bestimmter Raum durch die Koordinatendaten (X&sub1;, Y&sub1;) und (X&sub2;, Y&sub2;) einer Diagonale in Fig. 12A spezifiziert und berechnet und speichert die Einrichtung 1-22 Belichtungsbereichsdaten zur Bildung eines zu verfestigenden Rahmens an vier Seitenwänden eines rechtwinkligen Parallelepipeds 12-3 mit einer rechtwinkligen Bodenfläche, die durch die obige Diagonale bestimmt ist.

Der Rahmen wirkt als Halteeinrichtung für die Modellform zusammen mit einer Stütze, die im Inneren des Rahmens zu bilden ist, wie es im folgenden beschrieben wird Der Benutzer kann weiterhin Stützendaten unter Verwendung einer Einrichtung 1-6 festlegen.

Die Stützendaten werden dadurch festgelegt, daß unter Verwendung einer Einrichtung 1-6a eine Ganghöhe, eine Linienbreite und ein Muster (Streifen, normales Kreuz oder Wechselkreuz) einer Stütze spezifiziert werden, die im Rahmenraum für jede gegebene Höhe zu bilden ist.

Nachdem in dieser Weise die Stützendaten festgelegt sind, werden Belichtungsbereichsdaten berechnet, um die Stütze im Rahmenraum nach Maßgabe der in der oben beschriebenen Weise festgelegten Stützendaten zu bilden.

Insbesondere werden Musterdaten vorher in einer Einrichtung 1-23 zum Berechnen und Speichern von regelmäßigen Bereichs (Muster) daten gespeichert und werden Musterdaten, d.h. Daten eines Streifen, eines normalen Kreuzes oder eines Wechselkreuzes von der Einrichtung 1-23 ausgegeben. Eine Einrichtung 1-26 zum Berechnen und Speichern von Belichtungsbereichsdaten, die einer Stütze entsprechen, berechnet und speichert dann Belichtungsbereichsdaten zur Bildung der Stütze unter Verwendung der in der obigen Weise spezifizierten Musterdaten sowie der Ganghöhendaten und der Linienbreitendaten.

Fig. 12B zeigt einen Komplex von Rahmen 12-4a, 12-4b und 12-4c und Stützen 12-4b&sub1; und 12-4c&sub1;, die im Inneren der Rahmen 12-4b und 12-4c jeweils im Rahmenraum 12-13 in Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds ausgebildet sind, das in Fig. 12A dargestellt ist. Der Komplex besteht aus einem ersten Element, das durch den Rahmen 12-4a nur in einem Höhenbereich 0 bis H&sub1; gebildet ist, einem zweiten Element, das durch den Rahmen 12-4b und die Streifenstützen 12-4b&sub1; im Höhenbereich H&sub1; - H&sub2; gebildet ist, und einem dritten Element, daß durch den Rahmen 12-4c und die normalkreuzförmigen Stützen 12-4c&sub1; in einem Höhenbereich H&sub2; - H&sub3; gebildet ist.

Beim Festlegen der Stützendaten unter der Bedingung, daß der gesamte Rahmenraum festgelegt ist, kann der Benutzer den unteren Gesamtbereich, den äußeren Gesamtbereich und den Innen- und Außengesamtbereich unter Verwendung einer Bereichsfestlegungseinrichtung 1-6b festlegen.

Wenn insbesondere der untere Gesamtbereich durch die Einrichtung 1-6b&sub1; festgelegt ist, dann wird die Stütze in einem unteren Bereich 12A des Rahmenraumes 12-2 unter der gewünschten Modellform ausgebildet, wie es in Fig. 13A dargestellt ist (Vertikalschnitt). In diesem Fall wird die unterste Fläche 12-5 der gewünschten Modellform durch eine Einrichtung 1-24 zum Aufsuchen der untersten Umrißfläche aufgesucht.

Wenn der äußere Gesamtbereich durch die Einrichtung 1- 6b&sub2; festgelegt ist, dann wird die Stütze in einem Gesamtbereich 12b des Rahmenraumes 12-2 an der Außenseite der gewünschten Modellform ausgebildet, wie es in Fig. 13B dargestellt ist. In diesem Fall werden die obere Außenfläche 12-3 und die untere Außenfläche 12-4 der gewünschten Modellform durch eine Einrichtung 1-15 zum Suchen der oberen und unteren Umrißflächen aufgesucht.

Wenn der Innen- und Außenbereich durch eine Einrichtung 1-6b&sub3; festgelegt ist, dann wird die Stütze im gesamten Rahmenraum 12-2 ausgebildet.

Das vorliegende System enthält weiterhin eine Einrichtung 1-15 zum Bestimmen der Kontinuität eines Umrisses, der dem verfestigten Bereich entspricht.

Wie es beispielsweise in Fig. 14A dargestellt ist, bestimmt die Einrichtung 1-15, ob die Umrisse, die den verfestigten Bereichen 14-1 und 14-2 in vertikal benachbarten Teilbereichen Z&sub1; und Z&sub0; entsprechen, ineinander übergehen. In dem Fall, daß die Teilbereiche Z&sub1; und Z&sub2; stark unterschiedliche Größe haben, wie es in Fig. 14A und 14B dargestellt ist, wird der Verfestigungsbereich 14-1 gegenüber dem Verfestigungsbereich 14-2 diskontinuierlich. Im Fall der Bildung eines Hohlmodells käme dann der Verfestigungsbereich 14-1 in einen schwimmenden Zustand. Um dieses Problem zu beseitigen, wird die Festlegung der Arbeitsweise des Hohlmodells zwangsweise in die Festlegung der Arbeitsweise des massiven Modells durch die Einrichtung 1-16 umgewandelt, um dadurch den gesamten Innenbereich des Teilbereichs Z&sub0; in diesem Fall mit dem Lichtstrahl zu belichten. Das hat zur Folge, daß selbst dann, wenn die gewünschte Modellform eine leichte Schrägfläche hat, ein Hohlmodell mit durchgehender Umfangsfläche hergestellt werden kann.

Wie es oben beschrieben wurde, werden in den jeweiligen Rechen- und Speichereinrichtungen 1-14, 1-18, 1-20, 1-22 und 1-26 Belichtungsbereichsdaten berechnet und gespeichert, die dem Umriß, dem Innenbereich, dem Schenkel, dem Rahmen und der Stütze entsprechen. Danach wird mit der Formgebung tatsächlich begonnen. Zunächst wird der Schenkel durch eine Belichtung nach Maßgabe der Belichtungsbereichsdaten gebildet, die dem Schenkel entsprechen. Nachdem die Höhe des Schenkels einen bestimmten Wert erhalten hat, werden der Rahmen, die Stütze und der Innenbereich im untersten Teilbereich durch eine Belichtung nach Maßgabe der Belichtungsbereichsdaten gebildet, die dem Rahmen, der Stütze und dem Innenbereich entsprechen. Schließlich wird der Umriß durch eine Belichtung gebildet, die den Belichtungsbereichsdaten entspricht, die dem Umriß entsprechen.

Durch die abschließende Bildung des Umrisses in der oben beschriebenen Weise kann eine örtliche Anderung im Flüssigkeitspegel aufgrund der Tatsache, daß die Flüssigkeit von einem verfestigten Abbild umgeben ist, unterdrückt werden, um dadurch eine Verzerrung der Modellform während der Formgebung so klein wie möglich zu halten. Bei der tatsächlichen Steuerung der Belichtung wird das Filter 1-29 durch eine Steuereinrichtung 1-33 für die Belichtungsstärke gesteuert und wird der XY-Antriebsmechanismus 1-41 zum Bewegen der Spitze 1-40a der optischen Faser 1-40 in die XY-Richtungen durch eine Einrichtung 1-34 zum Steuern der horizontalen Belichtungsposition gesteuert. Die Abtastgeschwindigkeit wird weiterhin durch eine Abtastgeschwindigkeitssteuereinrichtung 1-35 gesteuert. Das Filter 1-29 und die Abtastgeschwindigkeit werden koordiniert zueinander gesteuert.

Die Absenkung des Unterbaus 1-45 um eine Dickeneinheit ΔZ nach der Belichtung eines Teilbereiches wird über eine Höhensteuereinrichtung 1-37 bewirkt.

Nach dem Absenken des Unterbaus 1-45 um eine Dickeneinheit ΔZ wird die Bürste 1-42 in eine Richtung (Y-Richtung) senkrecht zur Längsrichtung (X-Richtung) der Bürste 1- 42 durch eine Einrichtung 1-36 zum Steuern der Bürstenbewegung bewegt.

Wie es in Fig. 15A dargestellt ist, besteht die Bürste aus einem ersten Bürstenteil 15A und einem zweiten Bürstenteil 15B, die parallel zueinander in einem gegebenen Abstand angeordnet sind und gemeinsam bewegt werden können. Der erste Bürstenteil 15A ist mit einer Vielzahl von Bürstenelementen 15A&sub1;, 15A&sub2;, 15A&sub3; usw. versehen, die in regelmäßigen Abständen in Längsrichtung des ersten Bürstenteils 15A beabstandet sind. In ähnlicher Weise ist der zweite Bürstenteil 15B mit einer Vielzahl von Bürstenelementen 15B&sub1;1, 158&sub2;, 15B&sub3; usw. versehen&sub1; die in regelmäßigen Abständen in Längsrichtung des zweiten Bürstenteils 15B so beabstandet sind, daß das Bürstenelement 15B&sub1; an einer Stelle angeordnet ist, die einem Zwischenraum zwischen den Bürstenelementen 15A&sub1; und 15A&sub2; des ersten Bürstenteils 15A gegenüberliegt und die anderen Bürstenelemente des zweiten Bürstenteils 15B gleichfalls in der gleichen Weise angeordnet sind, wie es oben angegeben ist. Bei Verwendung einer derartigen Bürste kann die Flüssigkeit mit gleichmäßiger Höhe selbst über eine große verfestigte Schicht einer Modellform geschichtet werden, wie es bei der Herstellung eines massiven Modells der Fall ist.

Was die Anordnung der Bürstenelemente anbetrifft, so wurde das beste Ergebnis der Schichtung der Flüssigkeit dann erhalten, wenn die Breite L2 jedes Bürstenelementes 2 mm beträgt und der Abstand L1 zwischen benachbarten Bürstenelementen auf 1 mm gewählt wurde. Wie es in Fig. 15B dargestellt ist, wird die Flüssigkeit in Form einer Welle 15D auf das verfestigte Abbild 15E durch die Bürste befördert. Wenn der Abstand L1 zu groß ist, kann dementsprechend eine gute Wellenfunktion nicht erzielt werden. Wenn umgekehrt der Abstand L1 zu gering ist, wird die Stärke der Wellenbewegung 15D zu groß und kann dementsprechend eine Überzugsschicht 15C der Flüssigkeit nicht in der gewünschten Weise gebildet werden. Wenn weiterhin die Länge jedes Bürstenelementes zu klein ist, kann die Wellenbewegung 15D nicht ausreichend gebildet werden und ist die Menge an Flüssigkeit, die unter den Fasern des Bürstenelementes festgehalten wird, nicht ausreichend, was eine mangelhafte Beschichtung zur Folge hat. Wenn andererseits die Länge jeden Bürstenelementes zu groß ist, wird das Maß an Wellenbildung 15D zu groß, was zu einer fehlerhaften Beschichtung führt.

Weiterhin sind das Material, die Dicke und die Bewegungsgeschwindigkeit des Bürstenelementes wichtig. Wenn das Bürstenelement zu hart ist, wird das verfestigte Abbild durch das Bürstenelement zerbrochen. Wenn das Bürstenelement zu weich ist oder die Laufgeschwindigkeit zu langsam ist, dann kann der Welleneffekt nicht erzielt werden. Unter diesen Umständen sollten diese Faktoren in geeigneter Weise unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Flüssigkeit und des verfestigten Bildes gewählt werden. In einigen Fällen ist es wesentlich, daß die Bürstenelemente in regelmäßigen Abständen in Längsrichtung der Bürste beabstandet sind, um eine gute Beschichtung zu erzielen.

Da weiterhin der erste Bürstenteil 15A und der zweite Bürstenteil 15B parallel angeordnet sind, wie es in Fig. 15A dargestellt ist, kann die Stärke der Beschichtungsschicht lsc selbst dann gleichmäßig gemacht werden, wenn eine breite Oberfläche des verfestigten Abbildes 15E überstrichen wird.

Bei dem obigen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird über die Belichtungsbereichsdaten, die dem Umriß entsprechen, unter Berücksichtigung eines dreidimensionalen Versetzungswertes bezüglich des Umrisses der gewünschten Modellform entschieden. Der dreidimensionale Versetzungswert ist ein Wert zum Versetzen eines Umrisses eines verfestigten Bereiches, damit dieser den Umriß der gewünschten Modellform kontaktiert. Es kann daher erreicht werden, daß der Umriß des verfestigten Bereiches genau mit dem Umriß der gewünschten Modellform zusammenfällt, indem die Belichtung nach Maßgabe von Daten erfolgt, die unter Berücksichtigung des Versetzungswertes festgelegt wurden. Die Genauigkeit der gewünschten Modellform kann in dieser Weise stark verbessert werden.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es weiterhin möglich, in gewünschter Weise ein massives, ein hohles oder ein Wabenmodell je nach der beabsichtigten Benutzung des Modells zu wählen. Dementsprechend kann die beabsichtigte Benutzung selbst erweitert werden (beispielsweise kann das Hohlmodell bei einer Gießkokille verwandt werden) und kann die Formgebungszeit je nach der beabsichtigten Benutzung des Modells verkürzt werden, um dadurch gleichfalls die beabsichtigte Benutzung des Systems zu erweitern.

Wenn weiterhin eine Stützkonstruktion (Stützen und Rahmen) bei der Formgebung der gewünschten Modellform gebildet wird, kann die Genauigkeit der gewünschten Modellform in starkem Maße beibehalten werden. Im Zusammenhang damit kann ein Durchmesser des Lichtstrahls zur Bildung dieser Stützkonstruktion unabhängig von dem zur Bildung der gewünschten Modellform festgelegt werden. Dementsprechend kann die Stützkonstruktion nach Beendigung der Formgebung leicht entfernt werden.

Da weiterhin die Art und der Belichtungsbereich der Stützkonstruktion vorgegeben werden können, kann die Stützkonstruktion nur am notwendigen Teil ausgebildet werden, was die Formgebungszeit verringert.

Da der Rahmen weiterhin unter Bezug auf die Stütze festgelegt werden kann, können die Art, die Höhe usw. der Stütze auf jeder Höhe des Rahmens modifiziert werden, was die Formgebungszeit verringert.

Darüber hinaus wird die Flüssigkeit auf das verfestigte Abbild unter Verwendung der Bürste mit einer Vielzahl von Bürstenelementen geschichtet, die in regelmäßigen Intervallen beabstandet sind. Die Flüssigkeit kann daher mit gleichmäßiger Stärke in kurzer Zeit aufgebracht werden, was die Formgebungsgenauigkeit erhöht und die Formgebungszeit verringert.

Zusammenfassend heißt das, daß das System des bevorzugten Ausführungsbeispiels verschiedene Verbesserungen in einer Kombination einschließt, die dem herkömmlichen System überlegen ist.

Während die Erfindung unter Bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, versteht es sich, daß die Beschreibung nur als erläuternd und nicht als den Bereich der Erfindung begrenzend anzusehen ist. Verschiedene Abwandlungen und Änderungen können sich für den Fachmann ergeben, ohne daß er den Bereich der Erfindung verläßt, der durch die zugehörigen Ansprüche gegeben ist.


Anspruch[de]

1. Lichtverfestigungsformgebungsvorrichtung zum Bilden eines verfestigten Abbildes (1-44a, 1-44b) durch Belichten einer Flüssigkeit, die auf den Empfang von Licht verfestigt werden kann, wobei das verfestigte Abbild eine Modellform hat, die durch dreidimensionale Daten bestimmt ist, die von einem äußeren System (1-28) der Vorrichtung zugeführt werden, welche Vorrichtung Einrichtungen (1-11) zum Berechnen von Umrißdaten aufweist, die den Umriß eines Scheibenquerschnitts der Modellform auf der Grundlage der dreidimensionalen Daten bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (1-26) zum Berechnen von Daten vorgesehen sind, die regelmäßig beabstandete Stützen und entsprechende zu belichtende Bereiche bestimmten, Einrichten zum Mischen der Daten, die den Umriß bestimmten, und der Daten, die die Stützen bestimmen, vorgesehen sind und Einrichtungen (1-34) zum Steuern der Position des Lichtes aufgrund der Daten, die durch die Mischeinrichtungen gemischt sind, vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin stützendatenfestlegungseinrichtungen (1-6) für eine Bedienungsperson zum Eingeben des regelmäßigen Abstandes der Bereiche, die zur Bildung der Stützen belichtet werden, umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin stützendatenfestlegungseinrichtungen (1-6) für eine Bedienungsperson zum Eingeben einer Linienbreite eines Bereiches, der zur Bildung einer Stütze belichtet wird, umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin Stützendatenfestlegungseinrichtungen (1-6) für eine Bedienungsperson zum Eingeben der Art des Musters der Bereiche, die zur Bildung der Stützen belichtet werden, umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Art des Musters aus einem normalen Muster, einem Kreuzmuster und einem Wechselkreuzmuster wählbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin Raumfestlegungseinrichtungen (1-6b) für eine Bedienungsperson zum Eingeben eines Raumes, in dem eine Stützenkonstruktion zu bilden ist, umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum, der durch die Betätigung der Raumfestlegungseinrichtungen durch die Bedienungsperson gebildet wird, aus einem unteren Gesamtbereich (1-6b1), einem äußeren Gesamtbereich (1-6b2) und einem Innen- und Außengesamtbereich (1-6b3) wählbar ist.







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