Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer dreidimensionalen Form Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zum Herstellen einer dreidimensionalen Form.
Auf dem Gebiet der Architektur werden einfache und genaue Vorrichtungen zum schnellen Herstellen dreidimensionaler Modelle auf Grund zweidimensiona ler Angaben dringend benötigt. Derartige Modelle leisten Architekten bei der Auswahl von optimalen Plätzen für Gebäude, die eine gegebene Grösse und ein gegebenes Gewicht haben, bei besonderem Gelände unschätzbare Dienste. Ausserdem sind derartige Modelle eine ebenso grosse Hilfe für Ingenieure, Geologen und Hersteller sanitärer Anlagen, die bei der Errichtung festgelegter Bauten in dem vom Architekten ausgewählten Terrain Arbeiten vorzunehmen haben. Derartige Modelle kön nen auch bei der Auswertung eines bestimmten Gelän des für militärische Zwecke besonders wertvoll sein.
Gemäss dem Stand der Technik gibt es bereits Vor richtungen zum Herstellen dreidimensionaler Modelle auf Grund von zweidimensionalen Angaben, die auf einer topographischen Karte dargestellt sind, indem Ma terial von einer aus einer Kunststoffsubstanz bestehen den Masse in Mengen und Richtungen entfernt wird, die mit derartigen Angaben übereinstimmen. Diese Vor richtungen weisen eine Vielzahl von Präzisionsteilen auf, die in einer Fräsvorrichtung untergebracht sind, die von Zeit zu Zeit von der Bedienungsperson sorgfältig eingestellt werden muss. Die Vorrichtungen gemäss dem Stand der Technik sind zwischen einem Tisch, dir einen Umkehrdruck einer topographischen Karte trägt, und einer darüber vorgesehenen Einrichtung bewegbar, die die Kunststoffmasse trägt.
Von der Kunststoffmasse herabfallende Späne können auf der Oberfläche d."s Drucks zu liegen kommen, wodurch die Höhenlinien verdeckt werden können, so dass die Oberfläche des Umkehrdrucks von Zeit zu Zeit abgebürstet werden muss.
Es besteht die Möglichkeit, dass beim Abbürsten die Fräsvorrichtung unbeabsichtigt von einer bestimmten Stellung auf dem Druck entfernt wird, so dass ein unzu lässiger Fehler in dem entstehenden dreidimensionalen Modell entsteht. Da die Bedienungsperson zum Bedie nen der Fräsvorrichtung wenigstens mit dem Kopf zwi schen den Umkehrdruck und die Kunststoffmasse kom men muss, um die feinen Höhenlinien auf dem Umkehr druck nachzuziehen, ist es ausserdem möglich, dass sich die Bedienungsperson in einer unbequemen und verkrampf ten Stellung befindet, was weitere Fehler des hergestell ten dreidimensionalen Modells zur Folge haben kann.
Darüberhinaus können die von der Kunststoffmasse her unterfallenden Späne auf den Kopf oder sogar in die Augen der Bedienungsperson geraten, wodurch ihre Sehkraft zeitweilig beeinträchtigt werden kann, so dass weitere Fehler an dem fertigen dreidimensionalen Mo dell auftreten können.
Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zum schnellen übersetzen zweidimensionaler Angaben, die mittels Höhenlinien auf einer topographischen Karte festgelegt sind, in eine entsprechende dreidimensionale Form zu schaffen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Form auf Grund von Höhen angaben, die durch entsprechende Höhenlinien auf einer zweidimensionalen topographischen Karte festgelegt sind, die in einer ersten vertikalen Ebene angeordnet ist, ist gekennzeichnet durch a) das Aufstellen eines Roh materialblockes in einer zweiten vertikalen Ebene, die parallel zu derjenigen der Karte liegt und von dieser distanziert ist, b) das Einführen eines Fräswerkzeuges in den Rohmaterialblock auf eine bestimmte Tiefe und an einer bestimmten Stelle, wobei die Tiefe und die Stelle mit den Höhenangaben und der entsprechenden Stelle einer bestimmten Höhenlinie auf der Karte über einstimmt, c)
das Vorwärtsbewegen des Fräswerkzeuges längs der genannten Höhenlinie und Herausfräsen von Material aus dem Block, wodurch eine erste .Kontur ge bildet wird, und d) das Wiederholen der Schritte b und c für alle weitern Höhenlinien auf der Karte, um eine den Angaben der Karte entsprechende Form zu bilden.
Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah rens ist gekennzeichnet durch eine erste vertikale Wand zur Aufnahme einer topographischen Karte, eine zweite vertikale Wand, die parallel zur ersten und im Abstand von dieser angeordnet ist, zur Aufnahme eines Rohma- terialblockes, eine ausziehbare Anordnung, bestehend aus einer mittels einer mit einem Aussengewinde ver- sehenen Säule und einer mit einem Innengewinde ver- sehenen Hülse aufgebauten, durch relatives Verdrehen der Säule zur Hülse teleskopartig längenveränderbaren Führungsstange und einer dazu parallel laufenden,
tele- skopartig ausziehbaren Antriebsstange, welche Anord nung über die topographische Karte verschiebbar ist und am einen Ende ein dem Rohmaterialblock zuge wandtes Fräswerkzeug trägt, eine erste Antriebseinrich tung zum Verändern der Länge der ausziehbaren An ordnung zwecks Einstellens einer bestimmten Eindring- tiefe des Fräswerkzeuges in dem Rohmaterialblock, und eine zweite Antriebseinrichtung für die Erteilung einer Drehbewegung an das Fräswerkzeug.
Diese Vorrichtung ist zweckmässig so gestaltet, dass die über die topographische Karte verschiebbare An ordnung auf zwei länglichen Trägern abgestützt ist, die horizontal im Abstand auf beiden Seiten der topographi schen Karte angeordnet sind, und dass die genannte An ordnung eine Halteeinrichtung aufweist, die eine Nach führeinrichtung trägt, die starr an der Halteeinrichtung montiert ist.
In weiterer Gestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen werden, dass die erste Antriebseinrich tung einen Motor aufweist, der ein Zählwerk zum Zäh len der Umdrehungen der Säule antreibt, wobei die Angaben des Zählwerkes ein Mass für die Eindring- tiefe des Fräswerkzeuges in den Rohmaterialblock lie fern, und dass ein der zweiten Antriebseinrichtung zuge ordneter Motor das Fräswerkzeug zwecks Herstellers von hutartigen Fräsungen im Rohmaterialblock antreibt, deren Konturen der Bewegung der Nachführeinrichtung folgen.
Eine derart gestaltete Vorrichtung ermöglicht die Bereitstellung von genügend Raum für die Bedienungs person, die beim Nachziehen der entsprechenden Höhen linien auf der topographischen Karte sitzen oder stehen kann, wodurch äusserst genaue dreidimensionale Formen hergestellt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Späne von dem vertikal angebrachten Roh materialblock mit einem solchen Abstand von der eben falls vertikal angebrachten topographischen Karte her unterfallen, dass sie nicht auf die Höhenlinien geraten können. Weiter kann die Anzahl. der Drehungen der mit einem Aussengewinde versehenen Säule schnell vorwähl- bar sein, wodurch ein schnelles Arbeiten möglich wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeich nung beispielsweise beschrieben. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine Vorderansicht einer bevorzugten Aus führungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, Fig. 2 eine Draufsicht gemäss der Linie 2-2 in Fig. 1 und Fig. 3 eine Seitenansicht gemäss der Linie 3-3 in Fig. 1.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung, die zwischen gegen überliegenden parallelen und vertikalen Wänden 10 und 11 eines im wesentlichen rechteckigen Gehäuses ange ordnet ist, das wenigstens aus diesen beiden Wänden und einem Boden (nicht dargestellt) besteht. Dabei kann eine Bedienungsperson zwischen den gegenüberliegenden vertikalen Wänden auf einem Stuhl sitzen oder auf dem Boden stehen, um die Vorrichtung auf eine noch zu beschreibende Art und Weise zu bedienen.
Ein Fest stoffblock 12, der beispielsweise aus Polystyrol besteht, ist durch Verkleben oder auf eine andere geeignete Weise an einer Platte 13 befestigt, die lösbar an der ebenen Oberfläche der vertikalen Wand 10 befestigt ist, und zwar in einer Höhe, die für einen in der Folge be schriebenen Zweck geeignet ist. An der ebenen Ober fläche der vertikalen Wand 11 in den Fig. 1 und 2 ist ein Umkehrdruck 14 einer zweidimensionalen normalen topographischen Karte in einer Höhe lösbar befestigt, die für einen noch zu beschreibenden Zweck geeignet ist.
Da der Polystyrolblock und der Umkehrdruck zu einander auf Abstand angeordnet sind und spiegelartig in gegenüberliegenden vertikalen Ebenen liegen, ist er sichtlich, dass zweidimensionale Daten des Umkehrdruk- kes gemäss der vorliegenden Erfindung, wie in der Folge beschrieben, in eine getreue dreidimensionale Form auf den Polystyrolblock übertragen werden. Dabei müssen die gegenüberliegenden Bereiche, d. h. der Polystyrol block und der Umkehrdruck, bei einer derartigen Daten übertragung natürlich die gleiche Ausdehnung haben.
Die Vorrichtung weist eine kraftangetriebene Fräs vo-rrichtung 9 auf, die auf Rohren 15 und 16 abgestützt ist, die zueinander auf Abstand parallel und horizontal angeordnet und mittels geeigneter Halterungen 17 zu beiden Seiten des Umkehrdrucks an der vertikalen Wand 11 angebracht sind, wie aus Fig. 2 und 3 hervorgeht. Auf Abstand gehaltene parallele vertikale Rohre 21 und 22 sind mit ihren Enden an Verbindungsstücken 23 befestigt, die in entgegengesetzte horizontale Richtun gen auf den horizontalen Rohren 15 und 16 verschieb- bar sind, wie aus Fig. 1 und 2 hervorgeht.
Wie aus Fig. 1 und 3 hervorgeht, ist eine verschieb bar auf dem vertikalen Rohr 21 gelagerte erste Schelle 24 etwa in der Mitte einer horizontalen Stange 25, die in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, starr befestigt. Ein Ende der Stange 25 ist starr an einer zweiten Schelle 26 befestigt, die verschiebbar auf dem vertikalen Rohr 22 gelagert ist.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist ein Ende eines Winkelstücks 27 an dem neben der Schelle 26 liegenden Ende der horizontalen Stange 25 starr befestigt, während ein entgegengesetztes Ende des Winkelstücks starr mit einer dritten Schelle 28 verbunden ist, die über der er sten Schelle 24 verschiebbar auf dem vertikalen Rohr 21 gelagert ist. Es ist somit offensichtlich, dass die horizontale Stange 25 und das Winkelstück 27 dazu dienen, aus den vertikalen Rohren 21 und 22 und den Schellen 24, 26 und 28 eine einzige Halterung zu bil den, deren Zweck später beschrieben wird.
Am freien linken Ende der horizontalen Stange 25 sind auf Abstand gehaltene Griffe 29 und 30 fest ange bracht, die sich sowohl von der Stange 25 als auch von der senkrechten Wand 11 (Fig. 1 und 2) senkrecht weg erstrecken. Etwa in der Mitte zwischen den beiden Grif fen 29 und 30 ist, wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, am freien Ende der horizontalen Stange 25 ein Ende einer rechtwinkligen Stange 31 starr angebracht, die sich senkrecht zur Stange 25 und parallel zur vertikalen Wand 11 erstreckt.
Ein starr am freien Ende der Stange 31 angebrachter flacher Ring 32 verläuft parallel zu dieser und der senkrechten Wand 11. Der Ring 32 liegt an dem an der vertikalen Wand 11 angebrachten Umkehrdruck.
Ein Seil 36 ist mit einem Ende um eine Scheibe 37 geführt und an dieser befestigt. Die Scheibe 37 ist dreh bar auf der Schelle 28 gelagert. Das, andere .Ende des Seils 36 ist um eine federgesteuerte Aufnahmespule (nicht dargestellt) geführt, die sich in einer automati schen Seilwickelvorrichtung 38, die aus Fig. 1 ersicht lich ist, befindet.
Auf ähnliche Weise ist ein Ende eines Seils 39 um eine drehbar auf der Schelle 26 gelagerte Rolle 40 geführt und an dieser befestigt, während sein anderes Ende auf einer federgesteuerten Aufnahmespule (nicht dargestellt) aufgespult ist, die sich in einer auto matischen Seilwickelvorrichtung 41 befindet, deren Auf bau mit dem der Seilwickelvorrichtung 38 in Fig. 1 identisch ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die bei den Seile unter der Steuerung der entsprechenden Seil wickelvorrichtung für einen noch zu beschreibenden Zweck straff gehalten werden.
Ein Ende einer mit Aussengewinde versehenen läng lichen ausfahrbaren Säule 42 ist konzentrisch mit dem Rotor eines Motors 48 gekuppelt. Der Motor 48 ist neben der Schelle 26 starr an der Stange 25 und dem Winkelstück 27 befestigt. Das andere Ende der Säule 42 ist in einem mit Innengewinde versehenen läng lichen hohlen Teil oder Hülse 43 untergebracht. Die Säule 42 und die Hülse 43 erstrecken sich senkrecht weg von dem an der vertikalen Wand 11 angebrachten Um kehrdruck und senkrecht in Richtung des Kunststoff blocks.
Als Motor 48 kann ein bekannter Typ verwendet werden, der ein eingebautes Zählwerk zum Zählen der Drehungen der ausfahrbaren Säule 42 aufweist. Als Zählwerk kann beispielsweise das Wechselstromdruck- knopfdrehungszählwerk Serie 312 verwendet werden, das von der Firma B and B Motor Company, Lafayette Street 206, New York, New York 10012, USA, ver kauft wird.
Die Motorsteuerung ist so getroffen, dass der Stromkreis unterbrochen wird, wodurch der Motor angehalten wird und das Zählwerk auf Null zurückkehrt, sobald die ausfahrbare Säule 42 (Fig. 2 und 3) eine bestimmte angezeigte Anzahl von Drehungen vorgenom men hat. Der Motor 48 weist einen besonders aus gebildeten Anlassknopf auf, der formschlüssig mit einem Knopf zum Einstellen der Anzahl von Drehungen aus gebildet und koaxial mit einer kreisförmigen Zählscheibe angeordnet ist, die auf das Zählen der Drehungen der Stange 42 geeicht ist.
Neben dem vertikalen Rohr 21 ist an der Stange 25 und dem Winkelstück 27 ein Motor 50 befestigt, der über elektrische Leitungen 51a an einer geeigneten Wechsel- oder Gleichstromquelle (nicht dargestellt) an geschlossen ist. Der Rotor des Motors 50 erstreckt sich senkrecht weg von dem Umkehrdruck. Eine starr an einem Ende des Rotors angebrachte Welle 51 erstreckt sich auch senkrecht weg von dem Umkehrdruck und im wesentlichen parallel zur ausfahrbaren Säule 42 und zur Hülse 43 sowie senkrecht in der Richtung des Kunst stoffblocks. Ein zylindrisches Fräswerkzeug 56, das eine geeignete Schneidfläche aufweist, ist am freien Ende der Welle montiert, so dass es sich mit dieser dreht.
Halte rungen 52 und 53 sind mit ihrem einen Ende starr an der Hülse 43 befestigt. In dem anderen Ende der Hal terungen 52 und 53 sind Buchsen 54 und 55 gelagert, von denen die Welle 51 drehbar geführt wird.
Bei der in der Folge beschriebenen Arbeitsweise des Verstellmotors wird vorausgesetzt, dass jede Zählwerk einstellung des Motors 48 eine Zählung einer gegebenen Anzahl von Drehungen der ausfahrbaren Säule 42 er möglicht. Durch die vorherbestimmte Anzahl von Dre hungen der ausfahrbaren Säule wird die kombinierte Länge der Säule 42 und der Hülse 43 und die Länge der Welle 51, wie später beschrieben, um einen entspre chenden Betrag variiert, so dass das Fräswerkzeug in eine Stellung in einer bestimmten Tiefe in dem Poly- styrolblock gebracht wird.
Die Einstellung des Motors 48 auf eine bestimmte Anzahl von Drehungen der aus fahrbaren Säule 42 ermöglicht, dass das Fräswerkzeug 56 auf eine entsprechende Tiefe des Polystyrolblocks eindringt. Somit ist offensichtlich, dass jede auf der Zähl scheibe des Motors 48 eingestellte Anzahl von Drehun gen eine Fräswerkzeugstellung in einer bestimmten Tiefe im Polystyrolblock herstellt; der Zweck dieser Anord nung wird in der Folge beschrieben.
Vorausgesetzt ist, dass die Gesamtlänge der Antriebs welle 51 in Fig. 1 über geeignete Gelenkverbindungen auf wohlbekannte Weise automatisch einstellbar ist, so dass das Fräswerkzeug 56 an den Polystyrolblock 12 an- greift, wenn die Fräsvorrichtung entweder die höchste oder die geringste sowie die dazwischen liegenden Er hebungen nachzieht, was von den entsprechenden Höhenlinien des Umkehrdrucks abhängt.
Wenn bei spielsweise eine Nut, die der Höhe der Höhenlinie 870 auf dem Umkehrdruck entspricht, in den Polystyrolblock gemäss Fig. 2 und 3 gefräst werden soll, erfasst die Bedienungsperson die Griffe 29 und 30 und bewegt dadurch die Fräsvorrichtung in Fig. 1 nach links, bis die Öffnung 32 des flachen Ringes 32 am linken Ende der Höhenlinie liegt.
Die Zählscheibe an dem Motor 48 wird nun so ein gestellt, dass sie eine vorher gewählte Anzahl von Dre hungen der ausfahrbaren Säule 42 in Übereinstimmung mit der besonderen Höhenangabe der Höhenlinie 870 zählt. Das Fräswerkzeug 56 greift gleichzeitig in über- einstimmung mit den vorher gewählten Drehungen in den Polystyrolblock ein. Der Motor 50 kann bereits an gelassen worden sein oder wird anschliessend angelassen, um das Fräswerkzeug 56 anzutreiben.
Nun verwendet die Bedienungsperson die Öffnung des Rings 32 und die beiden Griffe 29 und 30 dazu, die Fräsvorrichtung 9 so zu bewegen, dass die Höhenlinie 870 des Umkehr drucks nachgezogen wird, wobei die Fräsvorrichtung 56 in Fig. 1 im wesentlichen nach rechts bewegt wird. Folg lich schneidet das Fräswerkzeug 56 in den Polystyrol block 12 eine Nut ein, deren Tiefe der Höhe der Höhen linie entspricht und die sich in deren Richtung erstreckt.
Wenn das rechte Ende der Höhenlinie erreicht ist, kann der Motor 50 angehalten werden, wodurch die Darstellung der Höhenlinie beendet wird. Es ist nahe liegend, dass beim Nachziehen der Höhenlinie die straff gehaltenen Seile 36 und 39 dazu dienen, ein ausbalan ciertes, müheloses Bewegen des Rings 32 über den Um kehrdruck sowie ein Halten des Rings 32 in jeder ge wünschten Stellung zu jeder Zeit zu ermöglichen.
Wenn nun beispielsweise eine der Höhe der Höhenlinie 880 des Umkehrdrucks in Fig. 1 entsprechende Nut in den Polystyrolblock gefräst werden soll, wird die Zähl scheibe des Motors 48 so eingestellt, dass eine Anzahl von Drehungen der ausfahrbaren Säule 42 in einer Dreh richtung gezählt werden, bei der das Fräswerkzeug 56 in Längsrichtung über eine Entfernung von dem Block 12 weg bewegt wird, die einer Höhe von zehn Metern, d. h. dem Unterschied zwischen zwei aufeinanderfolgen den Höhenangaben, entspricht. Gemäss der Höhen angabe der Höhenlinie 880 führt die Bedienungsperson den Ring wiederum auf das linke Ende der Höhenlinie.
Das Fräswerkzeug 56 wird von dem Motor in eine Dreh bewegung versetzt und schneidet wiederum eine Nut in den Polystyrolblock, deren Tiefe der Höhe der Hö- henlinie entspricht und die sich in deren Richtung er streckt, wenn die Bedienungsperson die Öffnung des Rings 32 und die Griffe 29 und 30 dazu verwendet, die Fräsvorrichtung 9 so zu bewegen, dass die Höhenlinie 880 nachgezogen wird. Wenn das rechte Ende der Höhen linie erreicht ist, kann der Motor 50 angehalten werden, wodurch die Wiedergabe der Höhenlinie 880 beendet wird.
Auch hierbei ist offensichtlich, dass die straff ge haltenen Seile 36 und 39 beim Nachziehen dieser Höhenlinie dazu dienen, ein freies Bewegen des Rings 32 über den Umkehrdruck sowie ein Halten des Rings in jeder gewünschten Stellung zu jeder Zeit zu ermög lichen.
Auf ähnliche Weise werden die Höhenangaben der übrigen Höhenlinien des Umkehrdrucks in entspre chende Anzahlen von Drehungen der ausfahrbaren Säule 42 übertragen, wobei die Stellung des Fräswerkzeugs 56 von den vorher gewählten Angaben des Drehungszähl werks am Motor 48 bestimmt wird. Danach fräst das Fräswerkzeug Material bis zu Tiefen aus dem Polystyrol block, die mit den vorher gewählten Anzahlen von Dre hungen übereinstimmen, so dass die einzelnen Höhen angaben wiedergegeben werden.
Auf diese Weise wird eine dreidimensionale Form auf Grund von Höhen angaben hergestellt, die durch entsprechende Höhen linien festgelegt sind, die in dem Umkehrdruck einer zweidimensionalen topographischen Karte dargestellt sind.
Es ist naheliegend, dass eine Anzeigeskala am Motor 48 oder einer anderen geeigneten Stelle vorgesehen sein kann, um die Höhenangaben anzuzeigen, die von vorher gewählten Anzahlen von Drehungen der ausfahrbaren Säule 42 wiedergegeben werden. Dadurch wird auch die Stellung des Fräswerkzeugs 56 in bezug auf den Poly- styrolblock angezeigt.
Weil der Umkehrdruck der topographischen Karte und der Polystyrolblock spiegelbildlich zueinander ange ordnet sind und weil ausserdem die Anzahl Nuten un mittelbar in den Polystyrolblock gefräst werden, wenn die Öffnung des Rings der Fräseinrichtung entlang den entsprechenden Höhenlinien geführt wird, ist es offen sichtlich, dass der sich ergebende, viele Nuten aufwei sende Polystyrolblock ein Spiegelbild der Höhenlinien auf dem Umkehrdruck ist.
Da der oben genannte Um kehrdruck jedoch das Umkehr- oder Spiegelbild einer normalen zweidimensionalen topographischen Karte ist, ist es klar, dass die herausgearbeitete Form ein ge treues dreidimensionales Abbild der Höhenangaben ist, die auf einer normalen zweidimensionalen topographi schen Karte durch Linien festgelegt sind.