CN114425853A - 用于对3d打印过程进行过程控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对借助于3D打印机进行的3D打印过程进行过程控制的方法，所述3D打印过程特别是立体光刻过程和/或DLP过程(数字光处理过程)。所述3D打印机具有构造平台、光源、用于打印材料的容纳装置和控制装置，利用所述控制装置能够逐层地或连续地由打印材料制作物体。所述方法的特征在于，在所述3D打印机上连接热成像相机，所述热成像相机的输出信号传输给所述控制装置，并且所述方法包括以下步骤：位置选择性地照射一个层或该层的一些部分；在聚合反应期间通过所述热成像相机检测所述层的温度；通过结束照射来结束一个层的构造过程，这里，通过达到预先确定的温度Tmax或达到预先定义的温度变化dT/dt来确定结束照射的时刻。

Description

用于对3D打印过程进行过程控制的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1和权利要求17的前序部分所述的用于对3D打印过程进行过程控制的方法，以及一种根据权利要求20的前序部分所述的具有构造平台的3D打印机。
背景技术
根据当今的现有技术，在这种3D打印过程、立体光刻法和/或DLP过程(数字光学处理过程)中，由特殊的能打印的塑料制作构件，所述塑料以液态的形式存在并且通过选择性照射分层地用光加载并使其固化，所述层多数具有如0.1或0.05mm的小厚度。
通常，引导所述光通过一个透明的膜，并且在完成相关的层之后将所述膜从构件上脱离或者使所述构件从所述膜上脱离。
最近已知的是，将立体光刻设备和/或DLP过程(数字光学处理过程)用于牙科技术，特别是用于制作牙科修复件。
可以理解的是，这种构件此时一方面必须是生物相容的，并且另一方面对于口腔相容性提出了并且必须提出很高的要求。
为了尽可能高效地设计这种3D打印过程，必须跟踪所述过程的进展。这使得在最佳固化的同时实现极小的打印时长并且由此实现最佳的成本/消耗与收益的比值。
在精细的金属粉末的烧结过程中，通过利用热成像相机进行的温度测量对表面进行监控是由Krauss等人的“Layerwise Monitoring of the Selective Laser MeltingProcess by Thermography”已知的。
由WO 2017/106895 A1已知一种立体光刻过程或数字光处理过程，其中通过辐射使光敏材料固化以及将测量辐射射入基准层并且通过内部反射使所述测量辐射的主要部分留在基准层的内部，并通过传感器空间分辨以及时间分辨地检测测量辐射。这里，通过一种复杂的结构对辐射进行空间以及时间分辨。这种结构的成本非常高并且由此不适用于牙科技术。此外，在这种解决方案中无法确认何时是结束照射的最佳时刻。
发明内容
因此，本发明的目的是，实现一种简单的根据权利要求1和17的前序部分所述的用于对3D打印过程进行过程控制的方法以及一种根据权利要求20的具有构造平台的3D打印机，所述方法/3D打印机使得可以在耗时极小的同时实现尽可能好的打印结果。
根据本发明的用于对3D打印过程进行过程控制的方法，将热成像相机连接到3D打印机上或者使其与3D打印机的控制装置处于连接。将所述热成像相机的输出信号传输给所述控制装置。
根据本发明，所述3D打印机包括构造平台、光源、用于打印材料的容纳装置、热成像相机以及控制装置。一种优选的应用可能性包括立体光刻过程和数字光处理过程。
所述容纳装置包括盆结构，所述盆结构可以向上敞开或者至少朝所述构造平台敞开。
在用于打印材料的这个容纳装置中，例如存放单体或单体混合物以及光引发剂。也可以使用其他原始溶液，如光敏的单体/单体混合物，或者使用稀释的单体溶液。
所述容纳装置具有玻璃板作为底部和所述玻璃板上的透光的层，例如膜。在所述膜上可以施加抑制剂层，所述抑制剂层防止在固化时或在聚合反应时打印材料发生粘附。
根据本发明将构造平台导入所述打印材料中，从而所述构造平台沉入打印材料中并且几乎一直到达容纳装置的所述透光的膜。为了在底部膜和构造平台之间实现确定的间距，构造平台可以一直降低到与所述底部膜接触，并且然后升高希望的确定的值。由此，在底部膜和构造平台之间存在确定厚度的单体层，接下来可以位置选择性地照射所述单体层。所述层的厚度例如可以在50至100μm之间。
这种打印过程的一个典型的循环持续约10s，通过光源进行的照射占其中的2s。
在根据本发明优选的实施形式中，逐层地制作所述物体。这意味着，在照射一个层之后升高所述构造平台，从而打印材料可以流入所形成的间隙中并且接着照射这些材料。对于较大的打印物体，首先是构造平台升高大于层厚的量，优选升高约1cm，由此可以使照射的层更好地从所述膜上脱离并且打印材料能流入所形成的间隙中。接着，使构造平台重新降低到希望的高度，从而在构造平台和膜之间实现希望的层厚。由此，在每个照射步骤中使要打印的物体扩大另一层的已固化的打印材料。
特别有利的是，使所述构造平台不对称地升高。例如可以从在一个侧面或角部处的升高开始。这使得构造材料可以更好地从膜上分离。剪切力较小，从而膜发生撕裂仅存在很小的概率。此外，提高了所述膜的使用寿命，因为与构造平台竖直地向上升高的情况相比，在膜上作用的力较小。在逐层地制作物体时，可以以约0.5mm/min的构造速度进行打印。
为了降低剪切力也可以设想的是，将所述装置设计成，在已构成的层的脱离过程期间，使构造平台竖直地移动并且所述盆结构沿水平方向运动。备选地，也可以以相对于水平方向较小的倾斜角度运动。
在另一个有利的实施方式中，也可以连续地制作所述物体。此时，通过抑制剂层保护3D打印机的盆结构的与打印材料接触的透光层，以防止固化的打印材料发生粘附。这个实施形式的一个优点是，不必使单独形成的层与所述膜分离，而是在照射期间使构造平台以确定的速度、例如10mm/min连续地升高。但为此，与逐层制作的情况相比，光源需要有较高的功率。由此实现了一种最终产品，所述最终产品不具有能看出的单个层，而是具有均匀光滑的表面。此外，这个方法还使得可以加速打印过程并由此降低生产时间，以及由此实现了使生产成本最小化。
例如在中央设置在容纳装置的透光层下方的光源可以例如是非常精确的激光器，所述激光器发出与相应的光引发剂匹配的最佳波长，但或者所述光源优选是LED光源。所述光源指向所述盆结构的透光的底部并由此指向容纳装置的底部膜，并且由此可以从下面/外部透过所述透光的膜照射打印材料。所述打印材料优选在构造平台或已经在前面的照射过程中固化或部分固化的层与透光的膜之间固化并且粘附在构造平台或前面的层上，但没有粘附在所述透光的膜上。
在这个步骤中，位置选择性地照射所述层。这或者沿所述层的整个面进行，或者仅在所述层的选出的部分中进行，如例如按二维的图案进行。
通过光源的光能，由于所述光引发剂或光敏的聚合物，位置选择性的、放热的聚合反应仅在受照射的位置处开始。
根据本发明，在照射过程期间并且由此在受照射的位置处的聚合反应期间，通过热成像相机空间分辨地连续地跟踪整个层的温度、即所述层的热辐射。所述热成像相机优选在侧向处于容纳装置的下方并且指向所述透光的底部膜。
为此，所述热成像相机指向所述透光的膜的下表面，特别是指向所述膜的被照射的区域，这个区域例如用于在牙科技术中的应用处于少数几个平面厘米(1-10cm2)的数量级。这种热成像相机在整个面上以百分之几平方毫米的空间分辨率在照射期间(几秒钟)和在照射之间(约1分钟)时间分辨地检测热辐射。在被照射的面上的这种时间分辨的温度测量所获得的数据对应于测得的温度曲线的三维高斯分布。由此，所述控制装置可以由热成像相机测得的值在考虑所使用的材料(打印材料以及打印机结构的材料)的导热率以及热容量的情况下计算出在所述膜的整个表面上时间分辨的二维温度分布。
一方面，所述热成像相机检测导致所述表面升温的光能的一部分。但这个部分在整个照射过程中近似是恒定的并且通过控制装置将其扣除。
此外，通过热成像相机检测在材料放热的聚合反应中产生的能量。在所述表面上测得的温度因此对应于确定的波长和所照射的面的波长范围的辐射。通过热成像相机时间分辨地检测所述辐射。
由此，温度变化dT/dt对应于温度曲线的一阶导数。正的温度变化(dT/dt>0)表示对表面的加热(辐射热)，负的温度变化(dT/dt<0)表示表面的冷却(辐射冷)。恒定的温度、即没有温度变化(dT/dt＝0)意味着恒定的表面温度或温度曲线的最大值/最小值(Tmax或Tmin)
通过所述热成像相机空间分辨地检测膜表面上的温度变化并且将所述温度变化传送给控制装置。
在有利的实施形式中，空间分辨地检测温度曲线的积分、即所谓的热量。
照射结束的时刻通过预先确定的温度Tmax或预先确定的温度变化dT/dt来确定。如果通过热成像相机测得并通过控制装置检测到这个值或温度变化，则由控制装置输出信号。所述控制装置接下来通过结束照射来结束这个层的构造过程。
此外，基于存在不希望的、不均匀的温度分布的测量结果，还可以继续照射确定的区域，此时，不再照射其他部分，因为在这些位置已经令人满意地完成了固化。由此，可以在所有区域中实现希望的聚合率。
所述预先确定的温度Tmax确认为在聚合的层表面上通过热成像相机检测到的希望最大的加热温度。在这个时刻的温度变化dT/dt向零收敛或者特别是具有值零。由于在有限的时间段内难以跟踪直到值零的温度变化，也可以借助于确定的阈值(例如dT/dt＝2至5K/s)工作。
通过这样空间分辨地监控温变过程，可以防止损伤或由于过度照射使得周围的材料发生不希望的聚合反应。优选一旦达到了希望的预先确定的固化程度，则结束照射，这是因为，当单体的聚合程度过高或这甚至完全聚合时，会使得下一个层的附着力减小。此外，作为光源使用的LED和LED-DMD或者其他光源分别具有有限的、特定的发光时长。通过监控空间分辨的温变过程，由此可以确定最佳的照射时长并防止出现不必要的长时间照射，否则这会不必要地缩短光源的使用寿命。
在照射结束之后，必须使所述层从膜上脱离。这是这样实现的，即，例如将构造平台从所述膜上升高确定的值。
所述值必须至少例如等于一个打印过程的层厚。但优选的是，首先使构造平台升高一个较大的值，以便易于实现完整的脱离，并且接着使所述构造平台降低到希望的层厚(例如50至100μm)。此外可以设想的是，使所述膜向下降低。此外有利的是，使所述膜连同盆结构倾斜地降低，就是说在一个侧面上开始降低，由此，可以说是将所述膜从固化的打印材料上剥离。
在连续的打印过程中，抑制剂层防止固化的打印材料粘附在透光的膜上。这由此使得不需要所述的脱离过程。
在3D立体光刻过程中或数字光学处理过程中，过度照射还会导致材料与膜之间过强的粘附以及不必要地延长打印过程。可以通过根据本发明的方法避免出现这种情况，因为通过利用热成像相机进行温度跟踪来确定最佳的照射时长。除了已经提及的对光源的保护，这还使得所述透光的膜具有提高的使用寿命并且实现了节省时间。过度的粘附可能导致抑制剂层出现损伤、刮痕或脱离和/或导致膜的刮痕、损伤或者甚至是撕裂，或者导致同时出现这两种情况。这样形成损伤只能通过中断打印过程或者甚至必须完全终止打印过程来消除，因为否则构造错误会留在最终产品中。
在脱离时，新的要聚合的材料进入所形成的间隙。通过热成像相机可以作为测得的热辐射的强烈降低、即温度的降低(温度变化dT/dt<<0)来识别这种情况。在脱离之后并且在打印材料首次流入时在温度阶跃式的第一次降低之后，通过热成像相机分别作为温度变化(dT/dt>0或dT/dt<0)检测到并在控制装置中识别出任意带有或没有气泡的在构造平台和所述膜之间的其他材料流。
此外有利的是，可以检测到带有或没有抑制剂层的所述膜上的杂质，所述杂质如例如是由于沉降、污染、可能的误构造过程的残余物或异物颗粒的粘附造成的。这些情况可以这样来识别，即，例如在构造平台运动时通过热成像相机检测到并在控制装置中识别出过小温度变化。这不仅在整个膜表面上存在过小的温度变化时适用，而且也适用于分表面上过小的温度变化，就是说适用于以下情况，当通过热成像相机记录了，温度分布/变化不是在整个膜表面上是可信的。此时控制装置输出报警信号。
当在所述膜上或抑制剂层上、特别是在所述物体和所述膜或抑制剂层之间留下气泡或小的杂质时，这是特别重要的。由于温度在气泡的位置处与在周围区域中相比更低，可以识别出这种情况。热成像相机空间分辨地并且非常精确地检测温度，从而控制装置可以识别到这种温度差并且因此可以输出出错信号或报警信号。
热成像相机的空间分辨率优选在构造过程的层厚的范围内，就是说，约为0.1mm x0.1mm，但也可以明显更大，例如为十倍，即1mm x 1mm，或者也可以明显更小，例如为0.025x0.025mm。
当消除了这些干扰或通过使用者手动地开启照射时，控制装置才允许进行下一个层的照射过程。如果通过热成像相机记录了并在控制装置识别到，在所述膜上没有留下气泡或杂质，则将所述干扰识别为已被消除的。可以据此识别到这种情况，即，热成像相机在材料流中测量到在整个表面上均匀的温度变化。在这种情况下，控制装置没有识别到温度变化的不规则性并且因此在所述膜的表面上没有附着杂质或气泡。在新的打印材料的流入结束之后，就是说，在材料流结束之后，通过热成像相机测得在膜的整个表面上存在恒定的温度。控制装置由此对于材料流验证了其结果并且可以检查，在所述膜的表面上是否真的没有留下杂质或气泡。
在另一个实施形式中设定，在识别到存在干扰因素时，终止整个打印过程。
此外，在以下情况下，所述控制装置才允许进行下一个层的照射过程：通过热成像相机记录了并且通过控制装置识别到，在超过预先规定的阈值—这对应于材料流—的温度变化之后，不能测得其他明显的温度变化(dT/dt向0收敛)。这意味着，全部已固化的材料必然已从膜表面上脱离并且材料流接近静止。
在有利的改进方案中，在以下情况下，由控制装置输出报警或出错信号：所述热成像相机记录了并且所述控制装置检测到，在照射开始时热辐射没有在预先确定的时间、优选约2秒钟之内发生变化。这可能意味着，光源失效、受到照射的层已经完全固化或者由于其他的错误源聚合反应没有开始。所述层也可能没有完整地从所述膜上脱离，所述膜可能撕裂，或者打印材料可能已耗尽。
由此，通过在聚合反应过程期间以及也在不同的层的照射之间监控温变过程，可以在3D打印过程期间提早识别多数错误，如例如所述膜的污染、异物沉积、所述物体从所述膜上不完整的分离或者所述膜、LED或LED-DMD的老化
结果是，在输出报警信号时，通过控制装置使照射过程减慢，特别是暂停或者终止。可以为了使损伤最小化例如自动地通过控制装置或通过使用者介入来适应性调整下面的层的构造过程。在照射过程期间，在输出报警信号时，也可以重新启动所述层的当前照射，从而例如在光源失效的情况下，在检查和维修所述光源之后，可以继续进行该照射过程，而在最终产品中不会包含有缺陷的层。
在一个有利的实施形式中，可以在聚合反应期间通过多维的、特别是二维的空间分辨的温度测量跟踪3D打印的物体的所照射的层的尺寸。为此，在打印过程期间、特别是分别在照射期间和在照射之间，利用热成像相机跟踪并记录透光的膜的表面的热辐射。所照射的位置与其余区域相比辐射更多的热。这是由于光源入射的光能以及由于在放热的聚合反应过程期间产生的热引起的。由此，控制装置可以由热成像相机所获得的数据计算出所照射的层的实际尺寸并将其与理论值、即在照射之前已传送给光源的原始数据相比较。
为了监控和检查打印过程，在每个照射过程中用热成像相机确定所述膜被照射的部分的尺寸并通过控制装置存储所述尺寸。接着将这些数据相互比较并与原始数据相比较。
如果与前面的层相比，被照射的层的尺寸减小，则可以认定，所照射的区域缩小。或者，如果所照射的层的尺寸增大，则所述区域扩大。特别是在层之间存在很大的差别时，这是特别重要的。这种大的差别表明在构造过程中存在错误。如果在两个或多个层之间测得所照射的面积这种预料之外的大变化，则所述控制装置输出报警信号、特别是出错信号。
目前为止，在3D打印方法中必要的是，实施所谓的畸变校正，以便补偿在打印过程中各个层相对于彼此的偏移。根据本发明，现在通过监控要制作的3D物体所打印的层的面积增大或减小使得不需要这种畸变校正，这是因为在聚合反应期间同时跟踪所述物体的尺寸并且可以相应地对构造过程进行适应性调整。在控制装置输出报警信号时，使用者可以判定，或者必要时由控制装置自动判定，大的面积增大或减小是否是预期的。如果所述面积增大或减小不是预期的，则可以消除错误源。在存在过小的层时，接下来可以重新照射这个出错的层的希望的区域，以便实现希望的面的最佳固化。在存在非预期的过大照射时，很难消除这种错误。此时，可以在消除错误源之后，无错误地打印下一个层，并且在打印过程结束之后由使用者手动去除突出的不希望的部分。这例如可以利用常规的手持磨机来进行。
根据本发明的3D打印机包括构造平台、光源、用于打印材料的容纳装置和控制装置以及所连接的热成像相机。所述热成像相机将其输出信号传输给所述控制装置。
所述控制装置可以是具有专用软件的计算机，所述软件操控3D打印单元，使得可以如上面所述那样由打印材料逐层地或连续地制作物体。
在另一个根据本发明的实施形式中，在所述3D打印机上连接DMD单元。如果现在通过所述热成像相机和控制装置识别到，一个层不均匀地固化，则可以通过DMD单元引导辐射离开已经完全固化的区域。由此，继续照射尚未完全固化的区域并且同时避免了对已经完全固化的区域的过度照射。
这个过程基于投影技术“数字光处理”(DLP)。这里，产生图像或在这种情况下产生具有确定光能的光束，其方式是，将一个数字图像或具有确定能量的波长调制到一个光束上。通过设置能运动的微镜将所述光束分解为单个像点、即像素，并且接下来单独地将其反射到投射路径中或使其反射离开所述投射路径。这使得可以非常精确和精细地控制所述光束到达透光膜的下表面的希望的区域，从而可以防止对单个区域的过度照射。
能运动的微镜包括其操控技术设备的这种布置系统称为DMD单元(DMD＝DigitalMicromirror Device(数字微镜器件))。DMD单元的各单个微镜优选以正方形的矩阵的形式布置并且可以通过控制装置根据需求单独地控制，即，使其倾斜。这种在“开(on)”和“关(off)”位置之间的对于每个单个微镜可以独立控制的倾斜通过施加静电场来实现。这使得可以对光辐射或激光辐射实现出人意料地精细和精确的控制。
对于每个单个微镜优选定义两个稳定的终态，这里就是“开”和“关”位置，所述微镜在一秒钟之内可以在这两个终态之间切换多次，特别是切换高达5000次。所述“开”位置描述了将光能引导到要照射的区域的状态，相反，所述“关”位置描述了引导光能离开照射表面的状态。
DMD单元的所述单个微镜的边长优选为几微米，特别是约为16μm。一个DMD单元之内微镜的数量对应于所投射图像的分辨率，就是说，这里对应于所照射区域的希望的分辨率，这里，优选也可以通过一个微镜形成多个像素。
在一个优选的实施形式中，也可以以不同的、任意的亮度级别来操控各单个像素。这是这样来实现的，即通过二元的脉冲宽度调制的操控、即脉冲密度调制来控制单个微镜。就是说，一个像素的亮度级别取决于微镜接通的时长。
在一个优选的实施形式中，可以在DMD单元之前，就是说在光辐射的投射路径中设置滤色镜。所述滤色镜例如可以由发生转向的光中滤出一个波长或者将发生转向的光束限制在一个波长。替代滤色镜，也可以使用单色仪，用于从入射的光束中在光谱上隔绝确定的波长。
这种具有DMD单元的DLP技术的一个重要的优点是提高的精度。可以非常精确地将光能，就是说光辐射引导离开所述透光的膜的下表面的要聚合的材料已经具有希望的固化程度的区域，从而避免发生过度照射。
附图说明
其他优点、细节和特征由下面参考附图对本发明的多个实施例的说明得出。
其中：
图1示出根据本发明的3D打印机的第一实施形式的侧向横截面的示意图；
图2示出根据本发明的3D打印机的另一个实施形式的侧向横截面的示意图；
图3示出在3D打印过程期间光功率、温变过程以及构造平台的z位置的示意图；
图4示出在3D打印过程期间光功率、温变过程以及构造平台的z位置的另一个示意图；以及
图5示出根据本发明的3D打印机的另一个实施形式的光学结构的示意图。
具体实施方式
由图1可以看到根据本发明的用于立体光刻过程或数字光处理过程的3D打印机2的侧向横截面的示意图，所述3D打印机具有构造平台4、用于打印材料8的容纳装置10、热成像相机12以及控制装置14。在这个实施形式中，示意性地示出在构造平台4的下侧上已固化的打印材料6。所述已固化的打印材料6可以根据打印物体具有不同的造型并且这里通过不同粗细的柱形示出。此外，通过箭头示出构造平台4的运动方向，所述构造平台可以竖直地向上和向下移动。
在构造平台4的下方设有用于打印材料8的容纳装置10，打印材料8的填充高度通过虚线示出。容纳装置10下部的边界11由透光的材料、优选由透光的膜组成。
热成像相机12指向所述膜11外部的下表面9，所述热成像相机又与控制装置14连接。通过所述热成像相机12可以测量膜11的表面9的要检查的部分的温度。为此，热成像相机指向这个非常薄的膜11的下表面9并且记录在照射期间和在照射之间的热辐射。在这种情况下，涉及一种牙科修复件，并且所述膜11要监控的区域为约5cm×5cm。控制装置14可以由热成像相机12记录的数据在考虑所使用的材料、即所述透光的膜11以及打印材料8的导热性以及热容量的情况下建立所述膜11的表面9的要检查的部分上的二维温度分布。
当在两个或多个层之间所述二维温度分布存在异常时和/或存在其他非预期的温度变化时，由控制装置14输出用于对出错进行警报的信号。可能的错误例如是，在照射开始时没有阶跃式的热辐射升高或者在已固化的打印材料从所述膜上分离时没有阶跃式的温度下降。此外，在比较两个或更多个层的二维温度跟踪以及由此比较已照射和固化的面积时，可以记录已固化的层过大的面积增大或减小。
在记录了打印过程中的错误时，必要时可以通过控制装置14自动对打印过程进行适应性调整。但更为常见的是，在输出报警信号时，控制装置14使打印过程暂停，直至使用者消除所有错误并且由使用者重新开启打印过程。
由图2可以看到根据本发明的3D打印机2的另一个实施形式的侧向横截面的示意图。这里示出通过根据图2的3D打印机2进行的活跃的打印过程，就是说正在进行的对一个层的照射。已固化的打印材料6的这里示出的柱形应示意性地表示已经打印的物体，所述柱形现在沉入打印材料8。在中央，在容纳装置10的下方示意性示出具有锥形照射范围20的光源18。这种光源可以是非常精确的激光器，所述激光器与相应的光引发剂相匹配地发出最佳的波长，但或者所述光源优选也可以是LED光源。为了简化起见，这里示出了整个可能的检测范围，但这里，可以利用例如为0.5mm×0.5mm的光斑空间分辨地进行所述检测。在已经固化的打印材料6与透光的膜11之间示意性示出新固化的材料16。
为了简化起见，示出锥形的照射范围20。但也可以通过多个照射较小区域的光源或通过适当的转向镜仅照射已经固化的材料6与所述透光的膜11之间的必要时有小的面积增大或减小的希望的区域(1个像素例如为20×20μm)。在这个实施形式中，热成像相机12仅指向膜表面9被照射的区域，即使这在图中没有具体示出，并且进行对焦并且因此记录这个小区域的热辐射。为了便于显示，这通过点划线示出。通过这样集中到重要的区域、即3D打印过程的准确的区域上，可以避免出现不必要地大的数据量并由此避免通过控制装置14实现的处理缓慢地进行。
由图3用图形示出在3D打印过程期间的光功率、温变过程以及构造平台4的z位置，即构造平台4相对于透光的膜11的内部高度移动。
曲线a)用[mW/cm2]给出关于光源18的光功率的信息。在光源18接通时，光功率以大斜率线性升高，在最佳的情况下阶跃式地升高。在照射过程中，光功率保持恒定并且接下来关闭光功率，这带来的光功率阶跃式的下降。
曲线b)示出在3D打印过程中室温的变化过程。所述室温在最佳的情况下应保持恒定，以便避免出现对膜表面9的温变过程发生误测量。
曲线c)示出透光的膜11的表面9在打印过程期间最佳的温变过程。这个温变过程通过热成像相机12记录并通过控制装置14进行分析评估。这里，在接通光源18的时刻，温度升高。这是通过光源18的入射的光功率以及打印材料8开始放热的聚合反应引起的。如果温度变化dT/dt接近一个确定的尽可能靠近零的值，特别是接近值零，则接近达到在聚合反应过程期间的温度最大值Tmax。在有限的时间内不能达到所述值dT/dt＝0，因此，可以使用靠近零的值，以便保持照射时长尽可能短并且尽管如此仍能实现打印材料8适当的固化。在这个时刻，关闭光源18并且所述透光的膜11的表面9缓慢地重新具有初始值。
曲线d)给出关于在3D打印过程的进程期间构造平台4的z位置的信息，即构造平台4相对于透光的膜11的内部高度移动。在照射之前，将构造平台4移动到透光的膜11附近，以便实现确定的x mm(x可以根据要求适应性调整)的间隙。
在照射过程结束之后，使构造平台4重新移动离开所述膜11，以便实现使已固化的材料6从透光的膜11上脱离。
此外，在图3中标记了时间段1至5。这些时间段表示3D打印过程的各个阶段。区间1是初始值并且示出初始位置和没有照射时的温度。在最优的情况下，对于所有曲线a)至d)，在打印过程之后重新到达这个点。
区间2示出，构造平台4向透光的膜11接近。在这个时刻，光源18关闭并且温度等于初始值。在区间2的终点处，就是说在构造平台4最佳地接近膜11的情况下，光源18接通并且聚合反应开始。这可以通过曲线c)开始温度升高看出。
在区间3中，在照射期间达到膜表面9的最大加热温度Tmax。这里，温度变化dT/dt接近一个确定的值，特别是接近值零。如果达到这个值，则关闭光源18并且透光的膜11的表面9的温度重新开始下降。
在照射结束后并且由此在聚合反应结束后，区间4表示膜表面9的冷却过程。时间段5在达到膜表面9的初始温度时开始，在这个时间段，构造平台4重新移动到其初始位置并且已聚合的打印材料6由此从透光的膜11上脱离。在区间5的终点处，对于所有的参数而言，重新实现其初始值(区间1)。
由图4示出相对于图3改动的实施形式。这里也用图形示出在3D打印过程期间的光功率、温变过程以及构造平台4的Z位置，即构造平台4相对于透光的膜11的内部高度移动。
与图3相比，构造平台4的Z位置是不同的。曲线a)示出在3D打印过程的进程期间构造平台4的Z位置，即构造平台4相对于透光的膜11的内部高度移动。使构造平台4在固化(照射)之后移动离开透光的膜11并且接下来重新接近透光的膜，以便实现确定的x mm(x可以根据要求适应性调整)的间隙。
曲线b)用[mW/cm2]光源18的光率的变化过程。在光源18关闭时，光功率阶跃式地升高。在构造平台4移动的同时，光源关闭并且具有0mW/cm2的功率。在照射期间，光功率保持恒定。
类似于图3，曲线c)示出在打印过程期间透光的膜11的表面9上可能的温变过程。这里，在光源18关闭以及构造平台4发生Z移动的时刻，温度明显降低并且在达到确定的值时，特别是达到液态的构造材料8的温度时，温度保持恒定。如果重新接通光源，则温度重新升高。这是通过光源18入射的光功率以及打印材料8开始放热的聚合反应引起的。在固化完成之后，温度重新保持恒定(温度变化dT/dt接近值零)。这个值对应于在聚合反应过程期间温度的最大值Tmax。
这里，室温(这里是曲线d))在3D打印过程期间也应尽可能保持恒定，以便避免对膜表面9上的温变过程的错误测量。
此外，在图4中示出时间段I至III。这些时间段表示3D打印过程的各单个阶段。
区间I示出在照射过程期间构造平台4的Z位置。此时，光源18接通并且膜表面9显示出在照射期间达到的最大的加热温度Tmax。这里温度变化dT/dt接近值零。
区间II示出在两个照射过程之间构造平台4的Z位置的变化。使构造平台4升高。在构造平台4的这个运动开始时，光源18关闭，由此透光的膜11的表面9上的温度明显降低，并且在达到确定的温度、特别是液态的打印材料8的温度时，直至这个区间II的终点，温度都保持恒定。
区间III也示出在照射过程开始时构造平台4的Z位置的降低。重新将光源接通，从而透光的膜11的表面9上的温度重新升高。这是通过光源18入射的光功率以及打印材料8开始放热的聚合反应引起的。
在固化完成之后，温度重新具有对应于区间I的恒定的值Tmax(温度变化dT/dt接近值零)。这表明聚合反应过程结束，从而可以重新开始这个循环。
由图5可以看到根据本发明的3D打印机2的另一个实施形式。这里，特殊之处在于所使用的光学装置，使用这种光学装置是为了将光辐射向打印物体或打印材料6引导，就是说向透光的膜11的表面9引导，并且将来自打印物体/打印材料6的热辐射或IR(红外)辐射向热成像相机12引导。
光源18在这个实施形式中位于要打印的物体旁边并且在根据图5的图示中在所述物体上方示出。通过一个反射镜30使来自光源18的用于进行照射的辐射19向聚光透镜28转向。
在一个有利的设计方案中，所述反射镜30构造成具有截止滤光片(Kantenfilter)，使得能可靠地反射辐射19，但自然光能自由地透过所述反射镜。透镜28适用于，使照射辐射19的各个光束并且必要时还有附加的自然光辐射会聚和平行传播。照射辐射19现在平行的光束由(聚光)透镜28向两个覆膜(laminiert)的棱镜25和26以及DMD单元24引导。
在这个实施形式中，两个棱镜25和26一起形成一个所谓的“全内反射棱镜”(TIR棱镜)27。全反射(“全内反射”)是对于波、例如光束出现的物理现象，在光较平地到达与另外的透光介质的界面上时出现这种物理现象，在所述另外的介质中，光的传播速度大于初始介质中的传播速度。如果入射角连续地变化，则这种效应在入射角具有确定的值时较为突然地出现。这个特定的入射角称为全反射的临界角。光不再大部分转移进入所述另外的介质，而是从这个角度起(在一定程度上)完全被回射(反射)到初始介质中。由此可以如同反射镜那样使用TIR棱镜，这种TIR棱镜就是这样的光学器件，这种光学器件由两个覆层的棱镜25和26组成。如果TIR棱镜27的折射率足够大，则获得全反射(全内反射，TIR)并且该TIR棱镜27如同具有100％的反射率的反射镜那样起作用。
作为两个覆膜的棱镜25和26的组合，TIR棱镜27将入射的光转向到DMD单元24并且利用由DMD单元24反射的光束投射要产生的图像。使用TIR棱镜27由此实现了明显的节省位置，因为相同的效应只能利用非常复杂的反射镜组合实现。此外，由此通过这种系统实现的对比度得到明显提高。
由TIR棱镜射出的辐射进一步传播到投射透镜22，所述投射透镜将照射辐射19的平行光束重新分散成锥形的照射区域20。为了简化起见，这里示出了可能的照射区域20，但这里可以利用例如为0.5mm×0.5mm的光斑空间分辨地进行所述照射。
接着，将锥形的照射区域20的辐射导向半透镜32，即所谓的分光镜，照射辐射19可以穿过所述分光镜。接下来，照射辐射19到达透光的膜11并且在所述膜与已经固化的材料6之间照射希望的区域。此时形成的热辐射13，即IR辐射从所述材料6发出并且通过透光的膜11将其引导返回到半透镜32。
半透镜32在一个有利的设计方案中构造成分光镜，就是说构造成，使得朝热成像相机12反射热辐射13、即IR辐射，但照射辐射19、例如UV辐射可以不变地穿过所述半透镜。
为了简化起见，示出一个锥形的照射范围20。但也可以通过多个仅照射较小的范围的光源在已经固化的材料6与透光的膜11之间仅照射希望的区域(1个像素，例如20×20μm)，必要时以较小的面积增大或面积减小进行照射。
此外，在一个有利的设计方案中，可以通过DMD单元24根据固化的完整性接通或关闭照射区域的单个像素。这使得可以防止对已经固化的区域的过度照射。

Claims (20)

1.用于对借助于3D打印机进行的3D打印过程进行过程控制的方法，所述3D打印过程特别是立体光刻过程和/或DLP过程(数字光处理过程)，所述3D打印机具有构造平台、光源、用于打印材料的容纳装置和控制装置，利用所述控制装置能够逐层地或连续地由打印材料制作物体，其特征在于，在所述3D打印机上连接热成像相机，将所述热成像相机的输出信号传输给所述控制装置，并且所述方法包括以下步骤：
·位置选择性地照射一个层或该层的一些部分；
·在聚合反应期间通过所述热成像相机检测所述层的温度；
·通过结束照射来结束一个层的构造过程，这里，通过达到预先确定的温度Tmax或达到预先确定的温度变化dT/dt来确定结束照射的时刻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先确定的温度Tmax确定为在聚合的层的表面上通过热成像相机检测到的最大加热温度，所述温度变化dT/dt在这个时刻向零收敛，特别是具有值零。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述热成像相机检测所述层的热辐射，温度变化dT/dt对应于温度曲线的一阶导数，正的温度变化(dT/dt>0)表示对表面的加热，负的温度变化(dT/dt<0)表示表面的冷却，而没有温度变化(dT/dt＝0)表示恒定的温度或温度曲线的最大值/最小值(Tmax或Tmin)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述热成像相机空间分辨地检测膜表面上的温度变化并且将所述温度变化传送给控制装置。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在照射结束之后，使所述层从膜上脱离并且使构造平台升高，此时，新的要聚合的材料进入所形成的间隙，并且通过所述热成像相机作为温度明显的降低(dT/dt<<0)识别物体从膜上的脱离。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在照射期间，使构造平台连续地以确定的速度、特别是0.5mm/min的速度升高，此时，新的要聚合的材料进入所形成的间隙，并且由抑制剂层防止粘附在膜上。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在照射时间之间使构造平台逐级地以确定的级高度升高，特别是升高0.3至3cm，并且接下来使所述构造平台降低到希望的层厚，此时，新的要聚合的材料进入所形成的间隙并在下一个照射步骤中固化。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在照射时间之间，使构造平台倾斜地特别是从一个侧面或角部开始升高到1cm的高度，接着使构造平台基本上水平地定向，并且接着使构造平台降低到希望的层厚。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述热成像相机分别作为温度变化(dT/dt>0或dT/dt<0)检测到并在所述控制装置中识别出在构造平台和膜之间的带有或没有气泡的材料流。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，必要时在构造平台的运动中，通过热成像相机检测到并在控制装置中基于所检测到的过小温度变化识别出所述膜或抑制剂层上的杂质，所述杂质如例如是由于沉降、污染、可能的误构造过程的残余物或异物颗粒的粘附造成的。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在以下情况下才开始下一个层的照射过程：通过所述热成像相机记录了并在控制装置中识别出，在所述膜上没有留下气泡或杂质，所述杂质如例如是由于沉降、污染、可能的误构造过程的残余物或异物颗粒的粘附造成的。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在以下情况下才开始下一个层的照射过程：通过所述热成像相机记录了并且通过控制装置识别出，在温度发生超过预先规定的阈值的变化之后，不能测量到另外的温度变化。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在以下情况下，由控制装置输出出错信号或报警信号：通过所述热成像相机记录了，温度分布不是在整个膜表面上都是可信的，这特别是由于在所述膜或抑制剂层上、特别是在所述物体与所述膜或抑制剂层之间留下了气泡或小的杂质。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在以下情况下，由控制装置输出出错信号或报警信号：所述热成像相机记录了并且所述控制装置检测到，在照射开始时，热辐射在预先确定的时间、优选约2秒钟之内没有发生变化。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在以下情况下，通过控制装置使照射过程减慢、特别是暂停或者终止：通过控制装置输出报警信号并且此后对下一个层的构造过程进行适应性调整或重复前面的照射过程。
16.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在聚合反应期间，通过多维的、特别是二维的、空间分辨的温度测量跟踪分别打印的层的尺寸，这里，将所照射的层的尺寸与前面的层的实际尺寸以及物体的理论尺寸相比较，在尺寸降低时，减小下一个层的照射区域，在尺寸增加时，扩大下一个层的照射区域。
17.用于对借助于3D打印机进行的3D打印过程进行过程控制的方法，所述3D打印过程特别是立体光刻过程和/或DLP过程(数字光处理过程)，所述3D打印机具有构造平台、光源、用于打印材料的容纳装置和控制装置，利用所述控制装置能够逐层地或连续地由打印材料制作物体，其特征在于，在所述3D打印机上连接热成像相机以及DMD单元，将所述热成像相机的输出信号传输给所述控制装置并且由所述控制装置控制所述DMD单元，并且所述方法包括以下步骤：
·位置选择性地照射一个层或这个层的一些部分；
·在聚合反应期间通过所述热成像相机检测所述层的温度。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过由控制装置控制的DMD单元能够引导辐射离开要照射的层和/或所述层已经固化的区域。
19.用于实施上述权利要求中任一项所述的方法的控制装置/热成像装置/CAM软件。
20.3D打印机，具有：构造平台、光源、用于打印材料的容纳装置和控制装置，利用所述控制装置能够逐层地或连续地由打印材料制作物体，所述3D打印机特别是用于立体光刻过程和/或DLP过程(数字光处理过程)，其特征在于，在所述3D打印机上连接热成像相机，所述热成像相机的输出信号能传输给所述控制装置，并且能够同时跟踪以下步骤：
·照射一个层；
·在聚合反应期间通过所述热成像相机检测所述层的温度；
·通过结束照射来结束一个层的构造过程，这里，通过达到预先确定的温度或达到预先确定的温度变化来确定照射结束的准确时刻。
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