DE102014215218A1

DE102014215218A1 - Stereolithografieeinheit mit homogenisiertem Strahlengang

Info

Publication number: DE102014215218A1
Application number: DE102014215218.6A
Authority: DE
Inventors: c/o BEGO Bremer Goldschläger Lambrecht Heinz
Original assignee: Bego Bremer Goldschlagerei Wilh Herbst GmbH and Co KG
Current assignee: Bego Bremer Goldschlagerei Wilh Herbst GmbH and Co KG
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2016-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stereolithografievorrichtung, umfassend einen Behälter zur Aufnahme eines flüssigen, durch Bestrahlung aushärtbaren Materials, eine Substratplatte, eine Aktuatoreinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Behälter und der Substratplatte, eine Bestrahlungsvorrichtung zur selektiven Bestrahlung des in dem Behälter angeordneten Materials, die Bestrahlungsvorrichtung umfassend eine Strahlungsquelle, eine bildgebenden Maskierungseinrichtung und einen Strahlungshomogenisierer, der im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der bildgebenden Maskierungseinrichtung angeordnet ist, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungsvorrichtung. Erfindungsgemäß ist ein Strahlungshomogenisierer im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der bildgebenden Maskierungseinrichtung angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stereolithografievorrichtung, umfassend einen Behälter zur Aufnahme eines flüssigen, durch Bestrahlung aushärtbaren Materials, eine Substratplatte, eine Aktuatoreinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Behälter und der Substratplatte, eine Bestrahlungsvorrichtung zur selektiven Bestrahlung des in dem Behälter angeordneten Materials, die Bestrahlungsvorrichtung umfassend eine Strahlungsquelle, eine bildgebenden Maskierungseinrichtung und einen Strahlungshomogenisierer, der im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der bildgebenden Maskierungseinrichtung angeordnet ist, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungsvorrichtung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Formkörper mittels Stereolithografie.
Stereolithografieeinrichtungen und –verfahren dieser Art dienen dazu, um dreidimensionale Objekte herzustellen. Die Stereolithografie verwendet grundsätzlich als Ausgangsmaterial ein flüssiges Medium, das durch Einwirkung einer Strahlung ausgehärtet, also in einen festen Zustand versetzt werden kann. Typischerweise werden bei der Stereolithografie lichtaushärtende Kunststoffe eingesetzt, wie zum Beispiel Harzsysteme auf Acrylatbasis oder Epoxidbasis. Es können jedoch auch alle anderen Arten von strahlungsaushärtbaren Materialien zum Einsatz kommen. Zur Aushärtung wird eine Strahlung verwendet, die als sichtbares Licht, UV-Licht oder jegliche andere elektromagnetische Strahlung mit einer geeigneten Wellenlänge zur Aushärtung des Materials eingesetzt werden.
Die Stereolithografie folgt dabei dem Prinzip, dass ein dreidimensionaler Formkörper schichtweise aufgebaut wird, indem aufeinanderfolgende Schichten aus dem aushärtbaren Material hergestellt werden. Die Schichten werden dabei solcherart ausgehärtet, dass jeweils ein entsprechender Querschnitt durch den Formkörper der Strahlung ausgesetzt und somit selektiv ausgehärtet wird. Zugleich mit dieser Aushärtung werden die selektiv ausgehärteten Schichtanteile mit einer im Schritt zuvor hergestellten Schicht verbunden. Funktionell realisiert wird dieses Prinzip solcherart, dass der Formkörper auf einer Substratplatte aufgebaut wird, die sukzessive um eine Schichtdicke in ein Flüssigkeitsbad aus dem aushärtbaren Material abgesenkt wird, wobei nach jeder schichtweisen Absenkung der Substratplatte durch entsprechende selektive Bestrahlung des flüssigen Materials, das sich in den durch die schichtweise Absenkung der Substratplatte gebildeten Raum bewegt hat, selektiv, also in vorbestimmten Teilbereichen ausgehärtet wird.
US 4,575,330 zeigt in 3 eine solche Stereolithografievorrichtung, die nach dem Prinzip der sukzessiven Absenkung einer Substratplatte in ein Flüssigkeitsbad arbeitet und die sich hierdurch jeweils an der Oberfläche des Flüssigkeitsbades bildenden Flüssigkeitsschichten selektiv aushärtet, um hierdurch den Formkörper schichtweise herzustellen. In 4 derselben Druckschrift ist ein demgegenüber umgekehrtes Prinzip gezeigt, bei dem eine Substratplatte sukzessive in einem Flüssigkeitsbad angehoben wird und der Formkörper auf der Unterseite der Substratplatte aufgebaut wird, indem die sich durch das schichtweise sukzessive Anheben der Substratplatte bildenden neuen Flüssigkeitsschichten durch eine strahlungsdurchlässige Bodenfläche der die Flüssigkeit aufnehmenden Wanne hindurch bestrahlt werden.
Grundsätzlich eignen sich diese beiden Prinzipien für die Herstellung individueller Prototypen mittels des Stereolithografieverfahrens. Sie weisen jedoch verschiedene Nachteile auf, die für eine praktische Handhabung und schnelle Durchführung des Stereolithografieprozesses hinderlich sind. So ist zum einen bei dem Stereolithografieverfahren mit Absenkung der Plattform und Belichtung von oben eine große Flüssigkeitsmenge in der Flüssigkeitswanne erforderlich, und die Entnahme des fertiggestellten Formkörpers sowie das Abfließen nicht ausgehärteten Flüssigkeitsmaterials aus den Hohlräumen stellt einen aufwändigen und schwierig zu handhabenden Prozess dar. Bei der Stereolithografie mit Anhebung der Plattform und Belichtung von unten ist zwar grundsätzlich eine geringere Flüssigkeitsmenge erforderlich, jedoch muss der Flüssigkeitspegel stets so gehalten werden, dass ein sicheres Nachfließen der Flüssigkeit auch bei dem während des Herstellungsverfahrens auftretenden Verbrauch und Anheben des verbrauchten (ausgehärteten) Flüssigkeitsmaterials aus dem Bad gewährleistet ist. Auch hier wird daher typischerweise eine größere Menge an Flüssigkeit eingefüllt. Zudem besteht bei diesem Verfahren das grundsätzliche Problem, dass die ausgehärtete Flüssigkeit jeweils an der strahlungsdurchlässigen Bodenfläche der Flüssigkeitswanne anhaften kann. Aus EP 1 439 052 B1 sind hierzu aufwändige Maßnahmen und Vorrichtungen zur Vermeidungsanhaftung mittels einer Folie bekannt. Grundsätzlich eignen sich diese beiden Prinzipien für die Herstellung individueller Prototypen mittels des Stereolithografieverfahrens. Sie weisen jedoch verschiedene Nachteile auf, die für eine praktische Handhabung und schnelle Durchführung des Stereolithografieprozesses hinderlich sind. So ist zum einen bei dem Stereolithografieverfahren mit Absenkung der Plattform und Belichtung von oben eine große Flüssigkeitsmenge in der Flüssigkeitswanne erforderlich, und die Entnahme des fertiggestellten Formkörpers sowie das Abfließen nicht ausgehärteten Flüssigkeitsmaterials aus den Hohlräumen stellt einen aufwändigen und schwierig zu handhabenden Prozess dar. Bei der Stereolithografie mit Anhebung der Plattform und Belichtung von unten ist zwar grundsätzlich eine geringere Flüssigkeitsmenge erforderlich, jedoch muss der Flüssigkeitspegel stets so gehalten werden, dass ein sicheres Nachfließen der Flüssigkeit auch bei dem während des Herstellungsverfahrens auftretenden Verbrauch und Anheben des verbrauchten (ausgehärteten) Flüssigkeitsmaterials aus dem Bad gewährleistet ist. Auch hier wird daher typischerweise eine größere Menge an Flüssigkeit eingefüllt.
Bei diesen Verfahren besteht jedoch das grundsätzliche Problem, dass die ausgehärtete Flüssigkeit jeweils an der strahlungsdurchlässigen Bodenfläche der Flüssigkeitswanne anhaften kann. Aus EP 1 439 052 B1 sind hierzu aufwändige Maßnahmen und Vorrichtungen zur Vermeidungsanhaftung mittels einer Folie bekannt. Problematisch an der Verwendung einer solchen Folie ist jedoch, dass auch die Antihaftfolie dazu neigt, in geringem Maße an den ausgehärteten Bereichen einer darauf hergestellten Schicht zu haften. Diese Haftung kann durch die kleine Bewegung der Substratplatte zur Herstellung der nächsten Schicht nicht überwunden werden, sodass kein flüssigkeitsgefüllter Spalt entsteht. Es ist daher bekannt, die Substratplatte um eine größere Wegstrecke anzuheben, um die zuletzt gefertigte Schicht von der Antihaftfolie sicher abzulösen und die Substratplatte dann wieder abzusenken, um die nächste Schicht zu fertigen. Diese Vorgehensweise ist jedoch zeitaufwendig.
Zur Verkürzung der Fertigungsdauer ist es bekannt, die Kraft, die zur Anhebung der Substratplatte notwendig ist, zu erfassen und anhand dieser Kraft die Ablösung zwischen der zuletzt gefertigten Schicht und der Antihaftfolie zu ermitteln und die Substratplatte unmittelbar nach dieser Ablösung abzusenken. Diese Vorgehensweise erfordert aber einen Kraftsensor und eine aufwendige Regelung und hat sich als fehleranfällig erwiesen.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Problematik einer ungleichmäßigen Verteilung der Lichtstärke bei Aushärtungsverfahren mit Abbildung eines zweidimensionalen Bildes auf die auszuhärtende Schicht in einem einzigen Schritt. Während bei der Aushärtung bzw. Belichtung in einem Scan-Verfahren, beispielsweise mittels eines Lasers, der selektiv abgelenkt wird, die Belichtungsstärke an jedem Ort der auszuhärtenden Schicht ausreichend gleich ist, treten bei Aushärtungsverfahren mit einem bilgebenden Abbildungsverfahren, wie diese zuvor erläutert wurden, Probleme auf, weil die Belichtungsstärke innerhalb der auszuhärtenden Schicht von Ort zu Ort unterschiedlich ist. Ursache für diese Unterschiedlichkeiten ist eine Inhomogenität der Lichtquellen oder der bilderzeugenden optischen Einrichtungen in Bezug auf deren räumliche Lichtverteilung. Aus WO 2010/045951 A1 ist es bekannt, eine Stereolitographieeinrichtung zur Vermeidung solcher unterschiedlicher Belichtungsstärken zu kalibrieren und diese Inhomogenitäten durch eine entsprechend angepasste Belichtungssteuerung zu kompensieren. Hierdurch wird jedoch die Fertigungszeit erhöht. Nachteilig hieran ist zudem, dass bei vielen Stereolithographieeinrichtungen eine Veränderung der Inhomogenitäten während der Nutzungsdauer auftritt, sodass eine solche Kalibrierung in regelmäßigen zeitlichen Abständen oder sogar vor jedem Fertigungsvorgang notwendig bzw. empfehlenswert ist, um eine hohe Qualität der gefertigten Formkörper zu erzielen. Dies führt aber zu einer noch weiteren Erhöhung der Fertigungsdauer.
Aus EP 0 775 570 A2 ist ein stereolithografisches Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, welche einen Laser oder eine UV-Lampe als Bestrahlungsvorrichtung einsetzen. Zur Kompensation der Inhomogenität der Lichtintensität einer solchen Strahlungsquelle wird in dieser Technologie vorgeschlagen, einen Homogenisierer in den Strahlengang einzusetzen. Ein solcher Homogenisierer hat sich zwar als geeignet erwiesen, um herstellungs- oder systembedingte Inhomogenitäten der Strahlungsquelle zu reduzieren oder sogar zu eliminieren, kann allerdings Veränderungen, die durch Alterungseinflüsse, Verschmutzungen und dergleichen eintreten, nicht kompeniseren. Eine regelmäßige Kalibrierung kann daher bei einer angestrebten hohen Fertigungsqualität auch hier nicht entfallen, sodass wiederum ein die Fertigungsdauer nachteilig beeinflussender Prozessschritt erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stereolithografievorrichtung bereitzustellen, welche eine zeitlich schnellere Herstellung von Formkörpern ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Stereolithografievorrichtung, umfassend: einen Behälter zur Aufnahme eines flüssigen, durch Bestrahlung aushärtbaren Materials, eine Substratplatte, eine Aktuatoreinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Behälter und der Substratplatte, eine Bestrahlungsvorrichtung zur selektiven Bestrahlung des in dem Behälter angeordneten Materials, die Bestrahlungsvorrichtung umfassend eine Strahlungsquelle und eine bildgebenden Maskierungseinrichtung sowie eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungsvorrichtung, welche gekennzeichnet ist durch einen Strahlungshomogenisierer, der im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der bildgebenden Maskierungseinrichtung angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wird die Problematik einer ungleichmäßigen Belichtung durch die Strahlungsquelle gelöst, indem ein Strahlungshomogenisierer zwischen Strahlungsquelle und bildgebender Maskierungseinrichtung eingesetzt wird. Ein solcher Bestrahlungshomogenisierer ist ein durch Strahleflexion und/oder Strahlbrechungseffekte wirksames Strahlleitungselement, welches für optische Strahlung beispielsweise als Lichthomogenisierer oder Lichtmischstab bekannt ist. Ein solcher Bestrahlungshomogenisierer kann vorteilhaft solcherart aufgebaut sein, dass er eine Strahlungseintrittsfläche aufweist, von der ausgehend die Strahlung durch ein Strahlungsführungsvolumen zu einer Strahlungsaustrittsfläche geleitet wird und dabei Strahlungen, die nicht direkt von der Strahlungseintrittsfläche zu der Strahlungsaustrittsfläche verlaufen, an Seitenflächen durch Totalreflexion oder spekulare Reflexion reflektieren und in das Strahlungsführungsvolumen zurückgeworfen werden. Der Strahlungshomogenisierer kann insbesondere als Strahlungsleitstab bzw. Lichtleitstab ausgeführt sein. Er kann hierbei insbesondere im Querschnitt viereckig oder mehreckig ausgeführt sein und vorzusgweise sechs oder mehr Ecken im Querschnitt aufweisen.
Die Abmessungen eines besonders bevorzugten Strahlungshomogenisierers sind:

– Länge nicht kleiner als 20mm, insbesondere nicht kleiner als 25mm oder 50mm,
– Länge nicht größer als 25mm, insbesondere nicht größer als 50mm oder 100mm,
– Größte Querschnittsdiagonale nicht kleiner als 2mm, 4mm oder insbesondere 8mm, und/oder
– Größte Querschnittsdiagonale nicht größer als 4mm, 8mm oder insbesondere 20mm

Der Strahlungshomogenisierer erreicht durch eine Strahlungsmischung über den Querschnitt der Strahlung einen Ausgleich von Inhomogenitäten und erzeugt dadurch eine homogenere Strahlung über den gesamten Strahlungsquerschnitt. Die Homogenisierungswirkung hängt dabei typischerweise von den Abmessungen des Strahlungshomogenisierers ab, z. B. von dessen Länge in Strahlungsrichtung. Der Strahlungshomogenisierer ist vorzugsweise solcherart ausgelegt, dass er eine Homogenisierungswirkung erzielt, die zu Intensitätsunterschieden von weniger als 20%, weniger als 10% und insbesondere weniger als 5% oder weniger als 3% führt. Unter einem Intensitätsunterschied ist hierbei der Unterschied der Strahlungsintensität in einem lokalen Messfeld des gesamten bestrahlten Querschnitts zu der durchschnittlichen Strahlungsintensität in dem gesamten bestrahlten Querschnitts, bezogen auf den gesamten bestrahlten Querschnitts, zu verstehen.
Die Homogenität der Stahlungsintensität über den Belichtungsbereichs kann dabei wie folgt bestimmt werden: Der bestrahlte Querschnitt, also typischerweise der maximale Belichtungsbereich auf der Substratplattenoberfläche, wird bei einem rechteckigem Belichtungsbereich in 10 × 10 gleichgroße Messfelder aufgeteilt, indem die beiden Kantenlängen in 10 gleichgroße Teillängen unterteilt werden und ein schachbrettartiges Muster mit zehn Feldern definiert wird. Bei nicht rechteckigen bestrahlten Querschnitten wird um die äußere Kontur des Querschnitts ein Rechteck gelegt und dieses Rechteck entsprechend in 10 × 10 gleichgroße Messfelder geteilt. Anschließend erfolgt die Bestimmung der Strahlungsintensität mithilfe eines Messensors mit einem Durchmesser der Messfläche von 7,5mm–12,5mm. Die Messung erfolgt für jedes der 100 Messfelder, bei dem sich die gesamte Messfläche des Sensordurchmesser vollständig im bestrahlten Querschnitt befindet, wenn er mittig im Messfeld platziert ist. Messfelder, bei denen der Messsensor des Messkopfs in der Mittenposition über den bestrahlten Querschnitt hinausragt, werden nicht berücksichtigt. Messfelder können dabei auch kleiner sein als der Sensordurchmesser. Zur Messung der Intensität kann ein Radiometer RM-12 der Firma Opsytec Dr. Göbel verwendet werden, wobei der Sensor verwendet wird, bei dem für die jeweilige Wellenlängte die größte spektrale Empfindlichkeit existiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bestrahlungsvorrichtung eine Fokussiereinrichtung, beispielsweise eine optische Linse oder eine Objektiveinrichtung mit mehreren optischen Linsen umfassen, die im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungshomogenisierer angeordnet ist. Mittels einer solchen Fokussiereinrichtung kann die Lichtintensität der Strahlungsquelle in einer günstigen Weise auf den Strahlungshomogenisierer gebündelt werden und dadurch die Strahlungsausbeute erhöht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Strahlungshomogenisierer ein strahlungsleitendes Element ist, das sich in einer Längsrichtung von einer Strahlungseintrittsfläche zu einer Strahlungsaustrittsfläche erstreckt und strahlungsreflektierende Seitenwände aufweist, und dass der Strahlungsintensitätssensor an eine Seitenwand angekoppelt ist und im Bereich der Ankopplung des Strahlungsintensitätssensors die Seitenwand teilweise oder vollständig strahlungsdurchleitend ist. Der Strahlungshomogenisierer kann gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt als strahlungsleitender Stab mit einem Querschnitt ausgeführt sein, der als polygonaler Querschnitt mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Kantenlängen oder als Querschnitt einer anderen Geometrie ausgeführt ist.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Strahlungshomogenisierer ein sich entlang einer Längsachse erstreckender Massivkörper ist, der einen polygonalen Querschnitt aufweist. Ein solcher Art ausgebildeter Strahlungshomogenisierer hat sich insbesondere im Bereich von Strahlungen, die sichtbares Licht umfassen, bewährt.
Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn der Strahlungshomogenisierer aus einem transparenten Material, insbesondere aus einem Glas wie Borosilikat-Kronglas besteht oder dieses umfasst und eine strahlungsleitende Wirkung auf eine über eine Stirnfläche des Strahlungshomogenisierers in den Strahlungshomogenisierer eingekoppelte Strahlung durch Totalreflexion an der Seitenwand bzw. den Seitenwänden des Strahlungshomogenisierers hat. Durch einen solchen Strahlungshomogenisierer wird eine kostengünstiges Bauteil, welches eine geringe Strahlungsverlustleistung aufweist, eingesetzt, um eine homogene Strahlung zu erzeugen.
Die Stereolithografieeinrichtung kann fortgebildet werden mit einem Strahlungsintensitätssensor, der in oder an den Strahlengang der Bestrahlungsvorrichtung im Bereich vor der bildgebenden Maskierungseinrichtung zur Erfassung der Bestrahlungsintensität der Strahlungsquelle gekoppelt ist und signaltechnisch mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist. Gemäß dieser Fortbildung wird ein Strahlungsintensitätsensor bereitgestellt. Dieser Strahlungsintensitätssensor ist angeordnet und dient dazu, um die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle zu erfassen. Er unterscheidet sich somit von Sensorelementen, die dazu eingesetzt werden, eine Kalibierung eines Bestrahlungsfeldes oder einer Bestrahlungsebene vorzunehmen und zu diesem Zweck die bestrahlte Fläche mit einer hohen Auflösung hinsichtlich der lokal erreichten Strahlungsintensitäten zu erfassen. Eine solche aufwendige Sensortechnologie wird erfindungsgemäß vermieden, weil es nach dem Aufbau der erfindungsgemäßen Stereolithografieeinrichtung nicht erforderlich ist, eine ortsaufgelöste Strahlungsintensität zu erfassen.
Stattdessen durchläuft die Strahlung aus der Strahlungsquelle zunächst einen Strahlungshomogenisierer und wird in diesem Strahlungshomogenisierer in eine homogene Strahlung gewandelt, die ein gleichmäßiges Strahlungsfeld in einer ortsaufgelösten Betrachtung aufweist. Hierdurch werden herstellungsbedingte Inhomogenitäten in der Ortsauflösung der Strahlungsintensität aus der Strahlungsquelle vollständig kompensiert.
Erfindungsgemäß ist dann weiterhin ein Strahlungsintensitätssensor vorgesehen, der die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle vor der bildgebenen Maskierungseinrichtung erfasst. Dieser Strahlungsintensitätssensor liefert daher ein Signal, welches mit einem einzigen Intensitätswert die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle charakterisiert und keine Ortsauflösung der Strahlungsintensität bereitstellt. Hierdurch wird eine einfache Kenngröße ermittelt, welche eine Veränderung der Strahlungsintensität aus der Strahlungsquelle, die beispielsweise alterungsbedingt oder durch Verschmutzung oder aufgrund einer veränderten Energieversorgung der Strahlungsquelle auftreten kann, charakterisiert. Diese durch den Strahlungsintensitätssensor ermittelte Strahlungsintensität wird der Steuerungseinrichtung übermittelt, welche die Bestrahlungsvorrichtung steuert. Der Steuerungseinrichtung wird daher erfinderungsgemäß ein einfaches aber aussagekräftiges Signal zur Verfügung gestellt, welches dazu verwendet werden kann, um die Bestrahlungsvorrichtung solcher Art zu steuern, dass Veränderungen der Strahlungsintensität der Strahlungsquelle kompensiert werden können.
Die Erfindung vermeidet daher die Notwendigkeit einer wiederholten Kalibierung, da sie durch eine Kombination eines Strahlungshomogenisierers und eines einfach messenden Strahlungsintensitätssensors die Ursachen, welche für eine inhomogene oder unzureichende Bestrahlung in einer Bestrahlungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Stereolithografievorrichtung auftreten können, vollständig kompensiert. Hierdurch kann der Fertigungsprozess verkürzt und die Stereolithografivorrichtung in ihrer konstruktiven und steuerungstechnischen Auslegung vereinfacht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Stereolithografievorrichtung mit Strahlungsintensitätssensor ist vorgesehen, dass der Strahlungsintensitätssensor an den Strahlungshomogenisierer gekoppelt ist und einen Teil der in den Strahlungshomogenisierer eingeleiteten Strahlung erfasst. Unter einer Ankopplung des Strahlungsintensitätssensors an den Strahlungshomogenisierer ist im Sinne der Erfindung eine Kopplung solcher Art zu verstehen, dass Strahlung aus dem Strahlungshomogenisierer in den Strahlungsintensitätssensor fällt. Eine solche Kopplung kann durch beabstandete Anordnung des Strahlungsintensitätssensors zu einer strahlungsabgebenden Oberfläche des Strahlungshomogenisierers erfolgen. Die Ankopplung kann in direkterer und wirksamerer Weise erfolgen, indem der Strahlungsintensitätssensor mit einer lichtleitenden Fläche unmittelbar an eine lichtleitende oder lichtreflektierende Fläche des Strahlungshomogenisierers aufgesetzt wird und hierdurch die Reflektion der Flächen teilweise oder vollständig unterbunden wird, sodass die Fläche des Strahlungshomogenisierers in dem Bereich, in dem der Strahlungsintensitätssensor mit seiner strahlungsleitenden Fläche aufgesetzt ist, strahlungsdurchlässig wird. Diese Art der Ankopplung erlaubt eine robuste und zuverlässige Messanordnung für die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle unmittelbar aus dem Strahlungshomogenisierer heraus, ohne hierbei die Qualität der Strahlung für die spätere Bestrahlung im Fertigungsprozess zu beieinflussen.
Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der Strahlungsintensitätssensor an eine Seitenwand des Strahlungshomogenisierers angekoppelt ist und im Bereich der Ankopplung des Strahlungsintensitätssensors die Seitenwand teilweise oder vollständig strahlungsdurchleitend ist. Dieser Aufbau ermöglicht eine kompakte und gegen Verschmutzung unempfindliche Messanordnung mit zuverlässiger Bereitstellung von Messergebnissen. Dabei wird in günstiger Weise ein Strahlungsintensitätswert ermittelt, der repräsentativ für die gesamte, von der Strahlungsquelle abgegeben Strahlungsleistung ist.
Noch weiter ist es bevorzugt, dass die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, um aus den Sensordaten des Strahlungsintensitätssensors einen Leistungsfaktor der Strahlungsquelle zu bestimmen und die Bestrahlungsdauer und/oder die Energiezufuhr zur Strahlungsquelle in Abhängigkeit dieses Leistungsfaktors zu steuern. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Leistungsfaktor bestimmt, der insbesondere solcher Art bestimmt werden kann, dass eine Referenzleistung oder eine Leistung, die zu einem früheren Zeitpunkt, beispielsweise einem Ursprungszeitpunkt bei Inbetriebnahme der Vorrichtung von der Strahlungsquelle abgegeben wurde in Relation zu einer Strahlungsleistung gesetzt wird, die aktuell durch den Strahlungsintensitätssensor ermittelt wird. Dieser Leistungsfaktor gibt somit eine relative Angabe über eine Reduzierung der Strahlungsleistung der Strahlungsquelle wieder und kann ebenso eine Erhöhung der Strahlungsleistung charakterisieren. In Abhängigkeit eines solchen Leistungsfaktors kann dann durch die Steuerungseinrichtung eine Steuerung oder Regelung erfolgen. So kann beispielsweise die Energiezufuhr zur Strahlungsquelle erhöht oder abgesenkt werden, um eine Strahlungsintensitätverringerung bzw. -erhöhung zu kompensieren. Ebenso kann alternativ oder zusätzlich die Bestrahlungsdauer, die zur Aushärtung einer Schicht in dem stereolithografischen Herstellungsprozess verwendet wird, erhöht oder reduziert werden, um eine Verringerung bzw. Erhöhung der Strahlungsintensität der Strahlungsquelle zu kompensieren. Es ist zu verstehen, dass diese Art der Steuerung bzw. Regelung solcher Art ausgeführt werden kann, dass in regelmäßigen Zeitabständen eine Überprüfung der Strahlungsleistung der Strahlungsquelle erfolgt und der Leistungsfaktor bestimmt wird, um dann eine generelle Korrektur eines der oben genannten Parameter vorzunehmen. Solche regelmäßigen Zeitabstände können beispielsweise eine Betriebsstunde oder mehrere Betriebsstunden sein. Ebenso kann diese Art der Kompensation bei jedem Fertigungsvorgang einmalig durchgeführt werden oder innerhalb eines Fertigungsvorgangs für jede Schicht oder nach mehreren, beispielsweise jeder fünften Schicht, durchgeführt werden, um eine Genauigkeitserhöhung der Fertigung zu erzielen.
Die Stereolithografievorrichtung mit Strahlungsintensitätssensor kann fortgebildet werden durch einen Temperatursensor, welcher die Temperatur im Bereich des Strahlungsintensitätssensors erfasst und zur Übermittlung eines diese Temperatur charakterisierenden Temperatursensorsignals mit der Steuerungseinrichtung gekoppelt ist. Die Steuerungseinrichtung ist bei dieser Ausgestaltung vorzugsweise dazu ausgebildet, um eine Messkennlinie des Strahlungsintensitätssensors abhängig von diesem Temperatursensorsignals anzupassen oder um eine Strahlungsintensitätssensorsignal abhängig von diesem Temperatursensorsignals zu verändern. Mit dieser Fortbildungsform wird das Problem der Abhängigkeit von Strahlungsmesswerten von einer Messtemperatur und die bei der erfindungsgemäßen Stereolithografieeinrichtung auftretenden Temperaturschwankungen im Bereich des Strahlungsintensitätssensors gelöst, indem hierzu die temperatur erfasst und eine Temperaturkorrektur der Messwerte erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, um aus den Sensordaten des Strahlungsintensitätssensors durch Integration der Bestrahlungsintensität über die Zeit eine Bestrahlungsmenge zu bestimmen und die Bestrahlungsdauer und/oder die Energiezufuhr zur Strahlungsquelle in Abhängigkeit dieser Bestrahlungsmenge zu steuern. Gemäß diese Ausführungsform wird mittels des Strahlungsintensitätssensors die tatsächliche Bestrahlungsmenge bestimmt, die während der Bestrahlung einer auszuhärtenden Schicht in einem Fertigungsprozess von der Strahlungsquelle abgegeben wird. Diese Strahlungsmenge errechnet sich aus der Strahlungsintensität, die integiert über die Bestrahlungsdauer von dem Strahlungsintensitätssensor erfasst wird. Die so ermittelte Strahlungsmenge kann wiederum dazu herangezogen werden, um die Bestrahlungsdauer oder die Energiezufuhr zur Strahlungsquelle oder beides direkt zu regeln, um hierdurch eine angestrebte Strahlungsmenge einzuregeln. Dies entspricht einer geschlossenen Regelung zur Einstellung einer gewünschten Strahlungsmenge. In einem Verfahren mit weniger Regelungsaufwand kann die ermittelte Strahlungsmenge dazu herangezogen werden, um eine allgemeine Korrektur vorzunehmen und die Strahlungsmenge dann in zeitlich regelmäßigen Abständen, beispielsweise bei jeder fünften Schicht, bei jeder Schicht eines Fertigungsvorgangs oder nach einer vorbestimmten Anzahl von Betriebsstunden wiederum zu ermitteln und gegebenenfalls eine Korrektur durchzuführen. Insbesondere kann diese Regelung so ausgeführt werden, dass die Bestrahlungsmenge bei jeder Schicht ermittelt und auf eine Soll-Vorgabe eingeregelt wird.
Grundsätzlich ist zu verstehen, dass der Strahlungshomogenisierer in allen Ausführungsformen und Fortbildungen auch als Fortbildungsform der eingangs beschrieben Erfindung einer Stereolithografievorrichtung mit einer Baueinheit aus Behälter und Substratplatte vorgesehen sein kann.
Eine weitere Erfindung betrifft eine Stereolithografievorrichtung, umfassend: einen Behälter zur Aufnahme eines flüssigen, durch Bestrahlung aushärtbaren Materials, eine Substratplatte, eine Aktuatoreinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Behälter und der Substratplatte, eine Bestrahlungsvorrichtung zur selektiven Bestrahlung des in dem Behälter angeordneten Materials, die Bestrahlungsvorrichtung umfassend eine Strahlungsquelle und eine bildgebenden Maskierungseinrichtung sowie eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungsvorrichtung, bei der die Steuerungsvorrichtung ausgebildet ist, um die Substratplatte vor dem Bestrahlen einer Schicht in eine Position verfahren wird, die einen Zwischenraum mit einem vorbestimmten Schichtabstand zwischen einer zuletzt hergestellten Schicht und einer Antihaftfolie bereitstellt, eine in dem Zwischenraum angeordnete Flüssigkeit hierauffolgend in bestimmten Bereichen selektiv bestrahlt und dadurch selektiv ausgehärtet wird, nach dem Bestrahlen der in dem Zwischenraum angeordneten Flüssigkeit die Substratplatte um eine Ablösewegstrecke bewegt wird, welche ausreichend ist, um die selektiv ausgehärteten Bereiche von der Antihaftfolie abgetrennt werden, wobei die Steuerungsvorrichtung weiter ausgebildet ist, um die Ablösewegstrecke aus der Größe der selektiv ausgehärteten Bereiche der zuvor ausgehärteten Schicht, insbesondere aus einer Anzahl bestrahlter Pixel dieser Schicht, zu bestimmen.
Mit der solcher Art ausgebildeten Stereolithografievorrichtung wird eine weiterer Aspekt der Problematik einer langen Fertigungsdauer gelöst, der sich mit der Problematik der Ablösung einer produzierten Schicht von einer Antihaftfolie befasst. Grundsätzlich ist es für den Ablöseprozess und die Vermeidung hoher Kräfte vorteilhaft, wenn eine solche Antihaftfolie in gewissem Rahmen elastisch ist und lose auf einem Untergrund aufliegt, um hierdurch eine Ablösung durch einen Schäleffekt erzielen zu können. Diese Vorgehensweise erfordert jedoch eine Anhebung der Schicht von der Antihaftfolie um eine Distanz, die größer ist als die Schichtdicke der nächsten, herzustellenden Schicht. Die Distanz ist zudem nicht eindeutig vorherbestimmbar, das heißt, die Ablösung der Antihaftfolie von der hergestellten Schicht tritt in einem Fall nach einer kürzeren Distanz, in einem anderen Fall nach einer längeren Distanz auf. Erfindungsgemäß wird diese Problematik unter Vermeidung einer aufwendigen apparativen Technologie und unter Vermeidung einer zeitintensiven großen Verfahrstrecke gelöst, indem die Distanz, um welche die Substratplatte zur Ablösung der Antihaftfolie von der zuletzt hergestellten Schicht angehoben wird, in Abhängigkeit von der ausgehärteten Flächengröße bestimmt wird. Erfindungsgemäß wird daher eine einfach zu ermittelnde Kenngröße herangezogen, um die Distanz individuell nach jedem Beschichtungsprozess zu ermitteln. Dies ermöglicht es bei Schichten, bei denen nur ein sehr geringer Anteil ausgehärtet wurde, die Substratplatte nur um eine sehr geringe Distanz anzuheben, weil in diesem Fall die Ablösung von der Antihaftfolie bereits nach einer sehr kurzen Anhebedistanz erzielt wird. Demgegenüber muss bei Schichten, bei denen ein großer Bereich ausgehärtet wurde, eine wesentlich stärkere Anhaftung zwischen der Antihaftfolie und dem/den ausgehärteten Schichtbereich(en) überwunden werden, was nur durch eine dann größere Verfahrdistanz der Substratplatte erreicht wird.
In einer einfachen Näherung kann ein proportionales Verhältnis zwischen der Größe der ausgehärteten Bereiche der jeweiligen Schicht und der Distanz der Verfahrstrecke der Substratplatte eingestellt werden. Grundsätlich können jedoch auch andere Korrelationen zwischen der Flächengröße und der Distanz in die erfindungsgemäß vorgesehene Steuerungsweise eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist es, die Ablösewegstrecke aus der Anzahl der bestrahlten Pixel zu bestimmen. Hierbei wird eine besonders einfach zu ermittelnde Kenngröße herangezogen, die sich aus den Fertigungsdaten direkt ableiten lässt, um welche die Substratplatte angehoben wird, zu bestimmen.
Grundsätzlich ist zu verstehen, dass die solcherart für eine von der bestrahlten Fläche abhängie Ablösewegstrecke fortgebildete Steuerungseinrichtung in allen Ausführungsformen und Fortbildungen auch als Fortbildungsform der eingangs beschrieben Erfindung einer Stereolithografievorrichtung mit einer Baueinheit aus Behälter und Substratplatte oder der zuvor beschriebenen Erfindung einer Stereolithografieinrichtung mit Strahlungshomogemnisierer vorgesehen sein kann.
Eine weitere Erfindung betrifft eine Stereolithografievorrichtung, umfassend: einen Behälter zur Aufnahme eines flüssigen, durch Bestrahlung aushärtbaren Materials, eine Substratplatte, eine Aktuatoreinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Behälter und der Substratplatte, eine Bestrahlungsvorrichtung zur selektiven Bestrahlung des in dem Behälter angeordneten Materials, die Bestrahlungsvorrichtung umfassend eine Strahlungsquelle und eine bildgebenden Maskierungseinrichtung sowie eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungsvorrichtung, bei der die Substratplatte drehbar gelagert ist und vorzugsweise die drehbare Lagerung der Substratplatte lösbar rotationsgesichert werden kann. Mittels dieser Fortbildung wird einerseits ermöglicht, die Substratplatte rotationsgesichert in der Stereolithografievorrichtung zu halten, um den Fertigungsprozess mit hoher geometrischer Präzision ausführen zu können. Diese Rotationssicherung kann aber gelöst werden und die Substratplatte dann gedreht werden, insbesondere um eine Achse, die normal zur Fläche der Substratplatte liegt. Durch eine Drehung kann überschüssiges flüssiges Material, das an dem Formkörper anhaftet, abgeschleudert werden. Dieser Vorgang kann insbesondere nach Fertigstellung des Formkörpers erfolgen, grundsätzlich kann dies jedoch auch im Verlaufe des Herstellungsprozesses erfolgen, sofern die lösbare Rotationssicherung eine exakt definierte Winkellage der Substratplatte nach einer solchen Rotation wieder reproduzierbar herstellen kann.
Eine weitere Erfindung betrifft eine Stereolithografievorrichtung, umfassend: einen Behälter zur Aufnahme eines flüssigen, durch Bestrahlung aushärtbaren Materials, eine Substratplatte, eine Aktuatoreinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Behälter und der Substratplatte, eine Bestrahlungsvorrichtung zur selektiven Bestrahlung des in dem Behälter angeordneten Materials, die Bestrahlungsvorrichtung umfassend eine Strahlungsquelle und eine bildgebenden Maskierungseinrichtung sowie eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungsvorrichtung, bei der eine Auswerfervorrichtung bereitgestellt ist, welche einen Stempel aufweist, der aus einer Fertigungsposition, in welcher der Stempel nicht über die Substratplatte hinausragt, in eine Auswurfposition, in welcher der Stempel über die Substratplatte hinausragt, bewegbar ist. Die zuvor beschriebene Stereolitographieeinrichtung kann auch fortgebildet werden durch eine solche Auswerfervorrichtung, welche einen Stempel aufweist, der aus einer Fertigungsposition, in welcher der Stempel nicht über die Substratplatte hinausragt, in eine Auswurfposition, in welcher der Stempel über die Substratplatte hinausragt, bewegbar ist.
Eine solche Auswerfervorrichtung dient dazu, um einen fertiggestellten Formkörper von der Substratplatte komfortabel abzulösen und ein Risiko einer Beschädigung des Formkörpers hierbei zu vermeiden oder zu verringern. Die Auswerfervorrichtung kann beispielsweise eine Auswerferstange umfassen, die sich durch einen Hohlraum innerhalb der Kopplungsstange erstreckt und am unteren Ende mit dem Stempel verbunden ist. Der Stempel kann integral als Endabschnitt einer solchen Auswerferstange ausgbildet sein oder kann als Stempel mit vergrößertem Querschnitt gegenüber der Auswerferstange oder mit mehreren voneinander beabstandeten Stempelflächen ausgeführt sein. Zu diesem Zweck kann die Kopplungsstange als Hohlstange ausgeführt sein und die Auswerferstange durch die Kopplungsstange hindurchgeführt sein.
Die Stereolitografievorrichtung mit Auswerfervorrichtung kann fortgebildet werden, indem die Auswerferstange formschlüssig zur Übertragung einer Drehbewegung um die Längsachse der Auswerferstange mit der Kopplungsstange verbunden ist. Dieser Formschluss kann vorzusgweise zwischen dem an der Auswerferstange angeordneten Stempel und die an der Kopplungsstange angeordnete Substratplatte ausgebildet sein. Hierdurch kann eine Rotation zwischen Auswerferstange und Kopplungsstange bzw. Substratplatte vermieden werden und folglich eine solche Rotation der Substratplatte über die Auswerferstange oder einen daran befestigten Handgriff bewirkt werden.
Noch weiter ist es bevorzugt, wenn der Stempel durch ein elastisches Element wie eine feder in der angehobenen Position vorgespannt ist und durch das elastische Element in die Auswurfposition bewegt wird. Hierdurch kann eine definierte Auswurfkraft über das elastische Element erzeugt werden, welches eine schonende Ablösung eines fertiggestellten Formkörpers erreicht.
Schließlich ist es bevorzugt, wenn die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, um die Betsrahlungsvorrichtung solcherart anzusteuern, dass bei der am nächsten zur Substratplatte liegenden Materialschicht des Formkörpers ein Materialbereich, welcher benachbart zum Stempel der Auswerfervorrichtung angeordnet ist, unterschiedlich bestrahlt wird als der andere Bereich dieser Materialschicht. Diese unterschiedliche Bestrahlung kann beispielsweise solcherart ausgeführt sein, dass

– der Materialbereich, welcher benachbart zum Stempel der Auswerfervorrichtung angeordnet ist, nicht bestrahlt und folglich nicht ausgehärtet wird,
– der Materialbereich, welcher benachbart zum Stempel der Auswerfervorrichtung angeordnet ist, mit verringerter Strahlungsintensität bestrahlt und folglich in geringerem Maße ausgehärtet wird, oder
– der Materialbereich, welcher benachbart zum Stempel der Auswerfervorrichtung angeordnet ist, mit einer selektiven Bestrahlungsgeometrie bestrahlt wird, beispielsweise einer Strahlungsgeometrie nach Art einer Wabenstruktur, nach Art eines Punktmusters oder dergleichen bestrahlt wird und folglich nur in vorbestimmten Bereichen ausgehärtet wird,

Diese Fortbildung erreicht eine schwächere Anhaftung des Formkörpers an dem Stempel und erleíchtert hierdurch die Ablösung des Formkörpers von dem Stempel nach dem Auswurfvorgang.
Grundsätzlich ist zu verstehen, dass die solcherart vorgesehene Auswerfervorrichtung in allen Ausführungsformen und Fortbildungen auch als Fortbildungsform der eingangs beschrieben Erfindung einer Stereolithografievorrichtung mit einer Baueinheit aus Behälter und Substratplatte, der dazu nachfolgend beschriebenen Erfindung einer Stereolithografieinrichtung mit Strahlungshomogemnisierer oder der zuvor beschriebenen Erfindung einer Stereolithografievorrichtung mit einer Steuerungseínrichtung die zur Bestimmung einer Ablösewegstrecke in Abhängigkeit der Größe der bestrahlten Fläche ausgebildet ist, vorgesehen sein kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Formkörper mittels Stereolithografie, mit den Schritten: Befestigen eines Behälters mit einem darin angeordneten flüssigen, durch Bestrahlung aushärtbaren Material an einer Rahmenvorrichtung, schichtweises Herstellen des dreidimensionalen Formkörpers durch mehrfaches Wiederholen einer Schrittfolge mit den Schritten: Relatives Bewegen einer an der Rahmenvorrichtung lösbar befestigten Substratplatte zu dem Behälter mittels einer an der Rahmenvorrichtung befestigten Aktuatoreinrichtung um eine vorbestimmte Schichtdicke, Füllen eines durch die relative Bewegung entstandenen Zwischenraums mit dem flüssigem Material, und selektives Aushärten des in dem Zwischenraum angeordneten Materials indem mittels einer an der Rahmenvorrichtung befestigten Bestrahlungsvorrichtung das Material in auszuhärtenden Bereichen selektiv bestrahlt wird, wobei die Bestrahlung erfolgt, indem eine Strahlungsquelle eine Strahlung erzeugt, diese Strahlung in einem Strahlungshomogenisierer homogenisiert wird und nach Durchlaufen des Strahlungshomogenisierers solcherart selektiv geleitet oder selektiv abgeschirmt wird, dass die auszuhärtenden Bereiche des in dem Zwischenraum angeordneten Materials bestrahlt und die nicht auszuhärtenden Bereiche nicht bestrahlt werden,
Das verfahren kann fortgebildet werden, indem die Intensität der Strahlung mittels eines Strahlungsintensitätssensors erfasst wird, Sensorsignale des Strahlungsintensitätssensors an eine Steuerungseinrichtung übermittelt werden und die Steuerungseinrichtung die Bestrahlung in Abhängigkeit der Sensorsignale steuert.
Das Verfahren kann weiter dadurch fortgebildet werden, dass die Steuerungseinrichtung die Bestrahlung steuert, indem anhand der Sensorsignale ein Verringerungsgrad der Strahlungsleistung der Strahlungsquelle gegenüber einer ursprünglichen Strahlungsleistung der Strahlungsquelle ermittelt wird, und In Abhängigkeit des Verringerungsgrades die Bestrahlungsdauer und/oder die Energiezufuhr zur Strahlungsquelle erhöht wird oder indem anhand der Sensorsignale eine Strahlungsmenge ermittelt wird, die vorzusgweise aus der über die Zeit integrierten Strahlunsgintensität ermittelt wird, und in Abhängigkeit der Strahlungsmenge die Bestrahlungsdauer gesteuert wird, insbesondere nach Erreichen einer vorbestimmten Strahlungsmenge die Bestrahlung gestoppt wird.
Das Verfahren kann weiter fortgebildet werden, wenn die Substratplatte vor dem Bestrahlen einer Schicht in eine Position verfahren wird, die einen Zwischenraum mit einem vorbestimmten Schichtabstand zwischen einer zuletzt hergestellten Schicht und einer Antihaftfolie bereitstellt, eine in dem Zwischenraum angeordnete Flüssigkeit hierauffolgend in bestimmten Bereichen selektiv bestrahlt und dadurch selektiv ausgehärtet wird, nach dem Bestrahlen der in dem Zwischenraum angeordneten Flüssigkeit die Substratplatte um eine Ablösewegstrecke bewegt wird, welche ausreichend ist, um die selektiv ausgehärteten Bereiche von der Antihaftfolie abgetrennt werden, indem, die Ablösewegstrecke aus der Größe der selektiv ausgehärteten Bereiche, insbesondere aus einer Anzahl bestrahlter Pixel, bestimmt wird.
Das Verfahren kann noch weiter fortgebildet werden, indem die Ablösewegstrecke umso höher bestimmt wird, je größer die selektiv ausgehärteten Bereiche sind bzw. je höher die Anzahl der bestrahlten Pixel ist.
Das Verfahren kann noch weiter fortgebildet werden, indem der fertiggestellte Formkörper mittels eines Stempels, der fluchtend in die Substratplatte eingesetzt und mit einer Auswurfstange verbunden ist, von der Substratplatte entfernt wird.
Schließlich kann das Verfahren weiter fortgebildet werden, indem nach der Fertigstellung des Formkörpers unausgehärtete Flüssigkeit von dem Formkörper entfernt wird, indem die Substratplatte rotiert wird.
Hinsichtlich der in diesen Verfahren und den Verfahrensfortbildungen definierten Verfahrensmerkmale wird Bezug genommen auf die dazu korrespondierenden Vorrichtungsmerkmale, nach denen die Vorrichtungen vorzugsweise ausgebildet sein können, um diese Verfahrensschritte in der erfindungsgemäßen Vorrichtung umzusetzen. Die hierzu gegebenen Erläuterungen, Alternativen und Vorteile sind analog auf die entsprechenden Fortbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anwendbar.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von schräg seitlich oben,
2 eine Ansicht gemäß 1 mit entferntem Behälter,
3 eine längsgeschnittene Frontalansicht der Ausführungsform gemäß 1,
4 eine längsgeschnittene Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 1, mit
4a eine Detailansicht des Bereichs X in 4,
5 eine längsgeschnittene perspektivische Ansicht der Ausführungsform gemäß 1 von schräg unten, mit
5a eine Detailansicht des Bereichs Y in 5, und
6 eine längsgeschnittene Rückansicht der Bestrahlungsvorrichtung der Ausführungsform nach 1,
Bezugnehmend auf die Figuren weist eine erfindungsgemäße Stereolithografievorrichtung eine Rahmenvorrichtung auf, die grundsätzlich aus einer Rahmengrundplatte 10, einer darauf aufgesetzten Rahmensäule 11 und einem an der Unterseite der Rahmengrundplatte 10 befestigten Rahmengestell 12 zusammengesetzt ist. An dem Rahmengestell 12 ist eine Bestrahlungsvorrichtung 20 befestigt, die grundsätzlich unterhalb der Basisgrundplatte 10 angeordnet ist. Die Bestrahlungsvorrichtung ist als Projektor ausgeführt und umfasst eine digitale Projektoreinheit 21 mit Objektiv, die beispielsweise in LCD-, DLP-, LED-, LCOS-Projektortechnik ausgeführt sein kann. Mit Hilfe des Projektors kann ein gesamtes Bild projiziert werden und hierdurch eine selektive Bestrahlung bestimmter Abschnitte innerhalb einer Schichtebene erreicht werden.
Die Projektoreinheit 21 ist unterhalb der Basisgrundplatte angeordnet und weist einen vertikal nach oben ausgerichteten Strahlengang auf. Die Projektoreinheit 21 ist mit einer Steuerungseinrichtung 30 gekoppelt, welche über einen externen Signaleingang verfügt, mit dem die Bildabfolge der Projektoreinheit 21 für die einzelnen sequenziellen Fertigungsschritte des schichtweisen Aufbaus des dreidimensionalen Formkörpers gesteuert werden können.
Es ist grundsätzlich zu verstehen, dass anstelle der Projektoreinheit mit Objektiv auch andere Bestrahlungsvorrichtungen vorgesehen sein können, beispielsweise auch eine Bestrahlung mittels Laser, der durch geeignete Spiegel oder sonstige Ablenkungssysteme solcherart gelenkt werden kann, dass eine selektive Bestrahlung mittels des Lasers erfolgt.
Die Bestrahlungsvorrichtung 20 ist von unterhalb auf ein Fenster 16 gerichtet, das in die Rahmengrundplatte 10 eingesetzt ist. Seitlich von dem Fenster 16 sind Kopplungseinrichtungen 13a, b an der Rahmengrundplatte 10 befestigt. Diese Kopplungseinrichtungen 13a, b dienen dazu, um eine Behältertragplatte 14 in einer definierten Position in Bezug auf die Rahmengrundplatte 10 zu arretieren und weisen zu diesem Zweck entsprechende Kniehebelelemente auf.
In der Behältertragplatte 14 ist eine Öffnung ausgebildet, die von einer ringförmigen Positionierungshilfe 15 umgeben ist. Die Positionierungshilfe 15 ist als Zentrierungsring ausgeführt und dient dazu, einen Behälter 40 in einer definierten Position auf der Behältertragplatte 14 und damit in einer definierten Position zu der Rahmengrundplatte 10 zu positionieren.
Der Behälter 40 ist als zylindrischer Behälter mit einer im Querschnitt kreisförmigen Seitenwand 41 ausgeführt. Die Seitenwand 41 ist aus einem Material gefertigt, welches für die Strahlung der Bestrahlungsvorrichtung 20 undurchlässig ist, insbesondere handelt es sich um ein Material, das für sichtbares Licht und UV-Licht undurchlässig ist. Die Längsachse des zylindrischen Behälters 40 erstreckt sich vertikal und ist mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet.
Entlang der Längsachse 100 erstreckt sich eine Kopplungsstange 50 von oberhalb in den Behälterinnenraum des Behälters 40. Die Kopplungsstange 50 trägt an ihrem unteren Ende eine Substratplatte 60, die als im Querschnitt kreisförmige und somit tellerartige Substratplatte ausgebildet ist. Die Substratplatte 60 ist fest mit der Kopplungsstange 50 verbunden.
Die Substratplatte weist an ihrem äußeren Rand einen in der Detailansicht nach 4a erkennbaren, umlaufenden Kragen 61 auf, der sich um eine geringe Höhe von 0,05mm nach unten erstreckt. Der Kragen dient dazu, eine für die Herstellung der ersten Schicht passenden Abstand zwischen Substratplatte 60 und einer oberhalb einer Bodenplatte 44 des Behälters 40 angeordneten Antihaftfolie 44a bereitzustellen. Zudem sorgt der Kragen 61 dafür, dass bei Relativbewegung zwischen der Substratplatte und der Antihaftfolie die Antihaftfolie 44a nicht in dem relevanten Belichtungsbereich in der Mitte, sondern nur im außenliegenden Bereich des Kragens einem Verschleiß unterliegen kann.
Die Kopplungsstange ist mittels einer Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 an der Rahmensäule 11 befestigt. Die Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 umfasst wiederum eine Kniehebel-Klemmeinrichtung und ist ausgebildet, um die Kopplungsstange kraftschlüssig zu klemmen. Gegebenenfalls kann ein Formschluss zwischen Kopplungsstange und Kopplungsstangen-Klemmeinheit vorgesehen sein, der eine definierte Position der Kopplungsstange in Längsrichtung der Achse 100 zwischen Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 und Kopplungsstange 50 herstellt, um eine exakte Referenzierung der Lage der Kopplungsstange in Bezug auf die Rahmenvorrichtung 10, 11 zu erzielen.
Die Kopplungstange weist eine Ringnut 50a auf, die in ihre äußere Umfangsfläche auf einer Höhe eingearbeitet ist, dass ein in dieser Ringnut eingreifender Haltestift 43 die Kopplungsstange 50 axial abstützt. In dieser abgestützten Lage ist die Substratplatte 60 in eine obererste Position angehoben und ein fertiggestellter Formkörper typischerweise außerhalb des Flüssigkeitsbades angeordnet. Diese solcher Art axial fixierte Position erlaubt eine Drehbewegung, die über die Substratplatte auf den Formkörper ausgeübt wird und kann dazu dienen, um überschüssige Flüssigkeit von dem Formkörper abzuschleudern. Diese überschüssige Flüssigkeit wird dann an die Seitenwände 41 geschleudert und kann in das Flüssgkeitsbad abfließen bzw. abtropfen und so zurückgewonnen werden.
Die Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 ist an der Rahmensäule 11 verschieblich geführt für eine Bewegung in Richtung der Zylinderlängsachse 100. Innerhalb der Rahmensäule 11 ist eine Aktuatoreinheit angeordnet, welche dazu dient, die Kopplungsstangen-Klemmeinheit und folglich die daran befestigte Kopplungsstange 50 in vertikaler Richtung zu bewegen und hierdurch die für die schichtweise Herstellung eines Formkörpers auf der Substratplatte notwendige sukzessive vertikale Bewegung bereitzustellen. Die Aktuatoreinheit innerhalb der Rahmensäule 11 ist vorzugsweise als Spindeltrieb ausgeführt, der über einen Schrittmotor angetrieben wird.
Zwischen der Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 und der Substratplatte 60 ist die Kopplungsstange 50 in einem Deckel 42 für eine axiale Bewegung in ihrer Längsrichtung geführt. Der Deckel 42 ist ebenfalls aus einem für die Strahlung der Bestrahlungsvorrichtung 20 undurchlässigen Material gefertigt, insbesondere aus einem Material, das für sichtbares Licht und UV-Strahlung undurchlässig ist. Der Deckel 42 ist mittels eines Absatzes mit O-Ring-Dichtung fluiddicht in die an der Oberseite der Seitenwand 41 des Behälters gebildete Öffnung eingesetzt. Eine mittige Bohrung in dem Deckel sorgt für die axiale Führung der Kopplungsstange 50. Die Kopplungsstange 50 kann mittels einer radial in die Bohrung in dem Deckel eingreifende Schraube 43 in dem Deckel mithilfe der Ringnut 50a axial fixiert werden, um eine bestimmte vertikale Position der Substratplatte 60 innerhalb des Behälters 40 zu fixieren.
Die 5 und 5a zeigen einen Auswerfermechanismus, der zum Ablösen eines fertiggestellten Formkörpers von der Substratplatte dient. Der Auswerfermechanismus umfasst eine Auswerferstange 70, die innerhalb der als Hohlstange ausgeführten Kopplungsstange 50 geführt wird und koaxial zu der Kopplungsstange 50 verläuft. Am oberen Ende der Auswerferstange 70 ist ein Handgriff 71 angeordnet, der zur Übertragung einer Längskraft auf die Auswerferstange und einer Rotation auf die Auswerferstange dient.
Die Auswerferstange 70 erstreckt sich vollständig durch die Kopplungsstange 50 und ist am unteren Ende im Bereich der Substratplatte 60 mit einer Auswerferplatte 72 verbunden. Die Auswerferplatte 72 weist eine sternförmige Geometrie auf und fügt sich in eine entsprechende sternförmige Ausnehmung 62 in der Substratplatte 60 ein. Hierdurch wird ein gegen eine Rotation zwischen Auswerferplatte und Substratplatte bzw. Kopplungsstange wirkender Formschluss bewirkt. An ihrem oberen Ende weist die Auswerferstange ein Außengewinde auf, welches mit eibnem Innengewinde im Handgriff 71 zusammenwirkt. Der Handgriff 71 stützt sich auf dem oberen stirnseitigen Ende der Kopplungsstange 50 auf, durch Drehen des Handgriffes 71 um die Längsachse 100 kann die Betätigungsstange daher relativ zur Kopplungsstange bewegt werden und insbesondere in die Angehobene Position gezogen werden. Wenn die Auswerferstange 70 nach oben in ihrer maximalen Endposition angeordnet ist, liegt die sternförmige Auswerferplatte 72 in der entsprechend sternförmigen Ausnehmung 62 der Substratplatte 60 und die unteren Oberflächen von Auswerferplatte 72 und Substratplatte 60 sind fluchtend. Die Auswerferplatte 72 wird mittels einer Schraubenfeder 73, die als Druckfeder ausgeführt ist, in dieser oberen Position vorgespannt. Wird der Handgriff 71 gedreht und hierdurch die Auswerferstange aus der obersten Position abgesenkt, so bewirkt diese Schraubenfeder eine Auswurfkraft auf die Auswerferplatte, die zum Ablösen eines fertiggestellten Formkörpers von der Substratplatte ausreichend ist und gegebenefalls, bei fest an der Substratplatte anhaftenden Formkörpern durch Druckausübung auf den Handgriff 71 verstärkt werden kann.
Durch die Federkraft und den gfs. zusätzlich ausgeübten Druck tritt die Auswerferplatte mit Ihrer unteren Fläche über die untere Fläche der Substratplatte 60 hinaus bzw. übt einen Druck auf ein auf der Substratplatte und der Auswerferplatte aufgebauten Formkörper aus. Der Formkörper wird hierdurch von der Oberfläche der Substratplatte abgelöst.
Gegebenenfalls haftet der Formkörper dann noch an der Oberfläche der Auswerferplatte 72. Grundsätzlich kann die Prozesssteuerung bei der Herstellung bei der ersten Schicht, die unmittelbar auf der Substratplatte 60 aufgebaut ist, jedoch auch solcher Art erfolgen, dass eine Belichtung in dem sternförmigen Bereich der Auswerferplatte 72 unterbleibt, wodurch sich hier ein Hohlraum bildet und keine Anhaftung an der Auswerferplatte stattfindet. Hierdurch kann ein vollständiges Ablösen des Formkörpers von der Substratplatte mittels der Auswerferplatte 72 erreicht werden.
Durch die sternförmige Kontur der Auswerferplatte 72 und der Ausnehmung 62 wird ein Formschluss zwischen der Auswerferplatte 72 und der Substratplatte 60 erzielt. Dieser Formschluss kann eine über den Handgriff 71 eingeleitete Rotationsbewegung von der Auswerferstange 70 auf die Substratplatte 60 bertragen. Hierdurch wird es möglich, eine Rotationsbewegung auf die Substratplatte und einen daran angeformten Formkörper aufzubringen. Diese Rotationsbewegung ist insbesondere hilfreich, wenn die Kopplungsstange mithilfe der Ringnut 50a in einer angehobenen Position arretiert ist und der fertiggestellte Formkörper hierdurch oberhalb des Flüssigkeitsbades gehalten wird, um durch die hierdurch hervorgerufenen Zentrifugalkräfte nicht ausgehärtete Flüssigkeit von dem Formkörper abzuschleudern und in das Flüssigkeitsbad abtropfen zu lassen.
5a zeigt weiterhin den Aufbau aus der FEP-Folie bzw. Antihaftfolie 44a, die zuoberst liegt und zum Innenraum des Behälters 40 weist und der unmittelbar darunter angeordneten Bodenplatte 44 des Behälters 40, die typischerweise aus Glas besteht. Im Randbereich sind die Bodenplatte und die FEP-Folie durch eine umlaufendne O-Ring 48 gegenüber der Seitenwand 41 und gegeneinander abgedichtet. Die Glasplatte wird hierbei mittels eines unten liegenden Flansches 49 mit einer Flanschverschraubung 49a befestigt und die O-Ring-Dichtung hierdurch gequetscht und damit die Dichtungswirkung erzielt.
Der Behälter weist an seiner Unterseite die strahlungsdurchlässige Bodenplatte 44 auf. Die Bodenplatte ist formschlüssig und abgedichtet in die Behälterseitenwand 41 eingesetzt und ermöglicht den Durchtritt der Strahlung aus der Bestrahlungsvorrichtung 20 in den Behälterinnenraum und insbesondere auf die Unterseite der Substratplatte 60.
Auf der Oberseite der Bodenplatte, also auf der zum Behälterinnenraum weisenden Seite, ist, wie aus der Detailansicht nach 5a erkennbar, die FEP-Folie 44a angeordnet, die über ihren gesamten Umfang zwischen Seitenwand und Bodenplatte des Behälters fluiddicht eingespannt ist. Zwischen der Bodenplatte und der FEP-Folie ist ein sehr geringes Gasvolumen, das in vertikaler Richtung eine Dicke von vorzugsweise nicht mehr als 0,1mm aufweist, eingeschlossen. Diese Einspannung der Folie in Verbindung mit dem fluiddicht eingeschlossenen Volumen ermöglicht ein kraftarmes Abtrennen des Formkörpers von der Folie durch vertikales Anheben des Formkörpers mittels eines Schäleffektes, der duch eine Geometrieänderung des fluiddicht eingeschlossenen Volumens erzielt wird.
Der Deckel 42 wird durch seitliche Stifte 45 nach Art eines Bayonettverschlusses in der Seitenwand 41 des Behälters 40 arretiert. Der Behälter 40 und die Substratplatte 60 sind als eine Baueinheit vormontiert, welche weiterhin den Deckel 42 umfasst. Diese vormontierte Baueinheit aus Behälter 40 und Substratplatte 60 kann dann in die Rahmenvorrichtung eingesetzt werden, indem der Behälter mit seiner Unterseite in den Zentrierring 15 eingesetzt wird. Hierauf folgend kann die Kopplungsstange 50 mittels der Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 an der Rahmensäule 11 festgesetzt werden und damit die Kopplung für eine vertikale Verschiebung der Substratplatte 60 hergestellt werden.
Nach Lösung der Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 kann der Behälter 40 mitsamt der Kopplungsstange 50 und der darin angeordneten Substratplatte 60 auf der Rahmengrundplatte 10 verschoben werden, indem die Kopplungsvorrichtungen 13a, b gelöst werden und die Behälterträgerplatte 14 mit Hilfe eines daran befestigten Griffes 16 nach vorne gezogen wird. Dies ermöglicht es, die gesamte Baueinheit aus Behälterträgerplatte 14, Behälter 40, Substratplatte 60 und Kopplungsstange 50 aus der Vorrichtung zu entnehmen oder zu verschieben, oder diese Komponenten gemeinsam in die Stereolithografievorrichtung einzusetzen. Hierdurch wird ein schneller Austausch des Behälters mitsamt der darin befindlichen Flüssigkeit ermöglicht, sodass nach einem abgeschlossenen Herstellungsvorgang eines dreidimensionalen Formkörpers innerhalb des Behälters auf der Unterseite der Substratplatte 60 unmittelbar eine Fertigung in einem zweiten Behälter durch entsprechenden Austausch durchgeführt werden kann. Die Taktzeiten der Fertigung, die mit der erfindungsgemäßen Stereolithografievorrichtung erreichbar sind, werden dadurch gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert bei einer gleichzeitigen Verbesserung der langzeitigen Qualität der aushärtbaren Flüssigkeit innerhalb der für die Fertigung verwendeten Behälter aufgrund von deren Kapselung gegenüber Verschmutzung und Lichteinwirkung innerhalb des Behälters 40.
6 zeigt die Bestrahlungsvorrichtung 20 in einer geschnittenen Darstellung. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 umfasst eine leistungstarke LED 22, die eine Strahlung mit Anteilen von optisch sichtbarem Licht in einer horizontalen Richtung abstrahlt. Das Licht wird praktisch vollständig in einem Lichthomogenisierer 23 eingekoppelt. Der Lichthomogenisierer ist ein im Querschnitt sechseckiger Stab, der sich in einer horizontal liegenden Längsrichtung erstreckt und aus Borosilikat-Kronglas hergestellt ist. Dieser Lichthomogenisierer sorgt dafür, dass an seinem Eintrittsende 23a eintretendes inhomogenes Licht der LED 22 durch mehrfache Reflektion an den Seitenwänden des Lichthomogenisierers homogenisiert wird und als homogenes Lichtfeld auf der stirnseitigen Austrittsfläche 23b austritt.
Von der Austrittsfläche 23b ausgehend fällt das Licht in eine Öffnung einer Bildwandlervorrichtung 24. Die Bildwandlervorrichtung 24 kann als DLP-Element oder in LCD-Technik ausgeführt sein. Die Bildwandlervorrichtung 24 wird von der Steuerungseinheit angesteuert und erzeugt aus dem homogenen einfallenden Lichtstrahl ein maskiertes Bild, das ein Abbild der Querschnittsfläche des herzustellenden Formkörpers darstellt, korrespondierend zu der jeweils herzustellenden Schicht. Dabei sind alle Bereiche des Formkörpers, die massiv sind und folglich eine Aushärtung aus der Flüssigkeit erfahren sollen, unmaskiert und werden mit dem homogenen Licht belichtet, wohingegen alle anderen Bereiche maskiert sind und folglich nicht belichtet werden.
Innerhalb der Bildwandlervorrichtung 24 wird das homogene und maskierte Licht dann um 90° gespiegelt und tritt nach vertikal oben aus der Bestrahlungvorrichtung 20 aus.
Seitlich an dem Lichthomogenisierer 23 ist ein Lichtintensitätssensor 25 angeordnet. Der Lichtintensitätssensor ist in ein Abdeckblech, welches benachbart zum Lichthomogenisierer 23 angeordnet ist, eingesetzt und erfasst eine Lichtintensität der Seitenwand des Lichthomogenisierers 23. Diese Lichtintensität korreliert mit der Lichtintensität, die von der LED 22 abgestrahlt wird und durch den Lichthomogenisierer 23 hindurchläuft. Der Lichtintensitätssensor 25 ist mit der Steuerungseinheit 30 zur Signalübertragung verbunden und übermittelt an die Steuerungseinheit 30 ein der Lichtintensität der LED korrelierendes Signal, was innerhalb der Steuerungseinheit für die Ablaufsteuerung des Produktionsprozesses verwendet.
Der Lichtintensitätssensor kann als Fotodiode ausgeführt sein und ermöglicht dann gleichzeitig den Betrieb als Temperatursensor aufgrund der etwa sich linear mit der Temperatur verändernden Durchlasspannung des P-N-Halbleiterdurchgangs. Der kombinierte Lichtintensitäts-/tTemperatursensor kann dann wechselweise die Lichintensität und die Temperatur messen und ermöglicht daher eine temperaturkorrigierte Erfassung der Lichtintensität. Durch Temperaturänderungen hervorgerufenen driftungsbedingte Ungenauigkeiten der Messwerte des Lichtintensitätssensors können auf diese Weise kompensiert werden. Alternativ hierzu ist es möglich, benachbart zum Lichtintensitätssensor einen separaten temperatursensor anzuordnen und die Temperatur des Lichtintensitätssensors über diesen Temperatursensor zu erfassen.
Ein erfindungsgemäßer Ablauf eines Fertigungsverfahrens findet dabei wie folgt statt:
Ein mit der aushärtbaren Flüssigkeit gefüllter Behälter 40 wird mit der Substratplatte 60, die an der Kopplungsstange 50 befestigt ist, und einem Behälterdeckel 42, der diese Substratplatte in axialer Richtung führt, vormontiert. Diese vormontierte Baueinheit aus Behälter und Substratplatte sowie Kopplungsstange wird dann auf die Behältertragplatte 14 aufgesetzt und die Behältertragplatte 14 dann in die Fertigungsposition, wie sie in den Figuren abgebildet ist, verschoben und mittels der Kopplungsvorrichtung 13a, b in dieser Position arretiert.
Die Substratplatte 60 liegt dabei auf der Antihaftfolie 44a oberhalb der Bodenplatte 44 des Behälters 40 in einer durch den Kragen 61 definierten Referenzposition auf. In dieser Position wird die Substratplatte 60 belassen und die Kopplungsstange 50 mittels der Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 mit der Aktuatoreinheit für die vertikale Bewegung der Substratplatte gekoppelt.
Dies sind bereits alle vorbereitenden Handhabungsschritte für die Durchführung des stereolithographischen Herstellungsverfahrens. Nachdem oder auch bevor die Baueinheit in die Stereolithografievorrichtung eingesetzt wurde, wurden die für die selektive Bestrahlung der einzelnen Schichten erforderlichen Daten an die Steuerungseinheit 30 übermittelt. Diese Übermittlung kann jedoch auch in Echtzeit während des Fertigungsprozesses über eine entsprechende Schnittstelle aus einer externen Steuerung erfolgen.
Der Behälter weist an seiner Unterseite die strahlungsdurchlässige Bodenplatte 44 auf. Die Bodenplatte ist formschlüssig und abgedichtet in die Behälterseitenwand 41 eingesetzt und ermöglicht den Durchtritt der Strahlung aus der Bestrahlungsvorrichtung 20 in den Behälterinnenraum und insbesondere auf die Unterseite der Substratplatte 60.
Nachdem die Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 an der Kopplungsstange 50 befestigt ist, wird durch die Aktuatoreinheit die Substratplatte zunächst um mehrere Schichtstärken angehoben, beispielsweise um eine Wegstrecke von 2 cm und wieder in die Ursprungsposition aufliegend auf der Bodenplatte abgesenkt, um eine Durchmischung der Flüssigkeit in dem Behälter zu erzielen. Dieser Vorgang kann gegebenefalls mehrfach durchgeführt werden.
Über die Steuerungsvorrichtung 30 oder gegebenenfalls die externe Steuerung wird dann der Fertigungsablauf gesteuert. Die erste Schicht kann unmittelbar durch Belichtung hergestellt werden, da die Substratplatte durch den Kragen 61 bereits in einem dafür geeigneten Abstand auf der Antihaftfolie 44a aufliegt. Danach wird die zweite Schicht hergestellt. Hierzu wird in einem ersten Schritt mittels der Aktuatoreinheit über die Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 und die Kopplungsstange 50 die Substratplatte 60 um mehrere Schichtdicken von der angehoben. Hierdurch wird die Antihaftfolie von der ersten hergestellten Schicht abgetrennt. Dieser Abtrennprozess wird durch einen Schäleffekt unterstützt, der durch einen Unterdruck, der sich zwischen der Antihaftfolie 44a und der Bodenplatte 44 ausbildet und die vertikal nach oben gerichtete Abzugskraft der Substratplatte erzeugt wird. Die Wegstrecke, um welche die Substratplatte angehoben wird, um die Ablösung zu erzielen, kann mittels eines Kraftsensors gesteuert werden, der die Anhebekraft misst und die Ablösung als plötzlichen Kraftabfall registriert.
Alternativ kann die Wegstrecke, um welche die Substratplatte von der Antihaftfolie angehoben wird, um die Ablösung der Antihaftfolie zu erzielen, in einer Steuerungseinheit aus der Größe der Fläche der zuvor bestrahlten Schicht ermittelt werden. Dabei gilt ein Zusammenhang, dass die Wegstrecke umso größer sein muss, je größer die bestrahlte Fläche der zuvor erzeugten Schicht war, d.h. je höher die Anzahl der zuvor bestrahlten Pixel war.
Nachdem die Substratplatte um die Wegstrecke angehoben wurde und die Antihaftfolie von der zuletzt erzeugten Schicht abgelöst ist, wird die Substratplatte wieder abgesenkt. Diese Absenkung erfolgt um die Wegstrecke abzüglich der Schichtdicke der nächsten zu erzeugenden Schicht. Dadurch stellt sich nach dieser Absenkung ein Spalt zwischen der zuletzt erzeugten Schicht und der Antihaftfolie ein, welcher der Schichtdicke der nächsten zu erzeugenden Schicht entspricht.
Durch den Füllstand des flüssigen, aushärtbaren Materials in dem Bereich 40 wird das Material in den so entstandenen Zwischenraum zwischen Bodenplatte und Substratplatte bei Aufwärtsbewegung der Substratplatte hineingesogen bzw. fließt dort hinein. Daher ist der Spalt nach Absenkung der Substratplatte zuverlässig mit Flüssigkeit gefüllt.
Hierauf folgend erfolgt durch ein entsprechendes Bild aus der Projektoreinheit 21 eine Belichtung der so gebildeten Schicht, die zur selektiven Aushärtung bestimmter Bereiche dieser Schicht führt. Durch die Beschichtung der Bodenplatte des Behälters 40 haften diese ausgehärteten Bereiche nicht an der Bodenplatte an, sondern nur an der Substratplatte.
Darauf folgend wird die Aktuatoreinheit wiederum angesteuert, um die Substratplatte 60 um eine weitere Schichtstärke anzuheben. Hierdurch entsteht wiederum ein Spalt in Schichtstärke zwischen der zuvor ausgehärteten Schicht und der Bodenplatte des Behälters. Dieser Spalt füllt sich wiederum mit dem flüssigen, aushärtbaren Material und wird wiederum durch entsprechende Belichtung mit einem Bild, das der Querschnittsgeometrie des auszubildenden Formkörpers in dieser Schicht entspricht, belichtet und somit ausgehärtet. Die ausgehärteten Bereiche der Schicht verbinden sich dabei mit der zuvor ausgehärteten Schicht, nicht jedoch mit der Bodenplatte des Behälters 40.
Diese Abfolge wird sukzessive mehrfach wiederholt, bis der gesamte Formkörper auf diese Art und Weise schichtweise aufgebaut ist. Hierauf folgend wird die Substratplatte 60 durch die Aktuatoreinheit in eine angehobene Position oberhalb des Flüssigkeitsbads angehoben, sodass der Formkörper abtropfen kann. Nach einem bestimmten Zeitraum kann die Baueinheit aus Behälter, Substratplatte mit daran jetzt ausgebildetem Formkörper und Kopplungsstange durch Lösung der Klemmung durch die Kopplungsstangen-Klemmeinheit 51 und Vorziehen der Behälterträgerplatte 14 bequem aus der Stereolithografievorrichtung entnommen werden, um den hergestellten Formkörper dann von der Substratplatte vorsichtig abzutrennen. Unmittelbar nach Entnahme der Baueinheit kann eine zweite Baueinheit aus Behälter, Substratplatte und Deckel sowie Kopplungsstange auf die Behälterträgerplatte 14 aufgesetzt werden und ein zweiter Fertigungsprozess unmittelbar gestartet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4575330 [0005]
EP 1439052 B1 [0006, 0007]
WO 2010/045951 A1 [0009]
EP 0775570 A2 [0010]

Claims

Stereolithografievorrichtung, umfassend: – Einen Behälter zur Aufnahme eines flüssigen, durch Bestrahlung aushärtbaren Materials, – eine Substratplatte, – eine Aktuatoreinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Behälter und der Substratplatte, – eine Bestrahlungsvorrichtung zur selektiven Bestrahlung des in dem Behälter angeordneten Materials, die Bestrahlungsvorrichtung umfassend – eine Strahlungsquelle, und – eine bildgebenden Maskierungseinrichtung – eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bestrahlungsvorrichtung, – gekennzeichnet durch einen Strahlungshomogenisierer, der im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der bildgebenden Maskierungseinrichtung angeordnet ist,
Stereolithografievorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungsvorrichtung eine Fokussiereinrichtung, beispielsweise eine optische Linse oder eine Objektiveinrichtung mit mehreren optischen Linsen umfassen, die im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungshomogenisierer angeordnet ist.
Stereolithografievorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungshomogenisierer ein strahlungsleitendes Element ist, das sich in einer Längsrichtung von einer Strahlungseintrittsfläche zu einer Strahlungsaustrittsfläche erstreckt und strahlungsreflektierende Seitenwände aufweist.
Stereolithografievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungshomogenisierer ein sich entlang einer Längsachse erstreckender Massivkörper ist, der einen polygonalen Querschnitt aufweist.
Stereolithografievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungshomogenisierer aus einem transparenten Material, insbesondere aus einem Glas wie Borosilikat-Kronglas besteht oder dieses umfasst und eine strahlungsleitende Wirkung auf eine über eine Stirnfläche des Strahlungshomogenisierers in den Strahlungshomogenisierer eingekoppelte Strahlung durch Totalreflexion an der Seitenwand bzw. den Seitenwänden des Strahlungshomogenisierers hat.
Stereolithografievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Strahlungsintensitätssensor, der in oder an den Strahlengang der Bestrahlungsvorrichtung im Bereich vor der bildgebenden Maskierungseinrichtung zur Erfassung der Bestrahlungsintensität der Strahlungsquelle gekoppelt ist und signaltechnisch mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist.
Stereolithografievorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsintensitätssensor an den Strahlungshomogenisierer gekoppelt ist und einen Teil der in den Strahlungshomogenisierer eingeleiteten Strahlung erfasst, insbesondere indem der Strahlungsintensitätssensor an eine Seitenwand des Strahlungshomogenisierers angekoppelt ist und im Bereich der Ankopplung des Strahlungsintensitätssensors die Seitenwand teilweise oder vollständig strahlungsdurchleitend ist.
Stereolithografievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungshomogenisierer eine Homogenisierungswirkung zur Reduktion eines größten Intensitätsunterschieds auf weniger als 20%, insbesondere weniger als 5% aufweist, wobei der größte Intensitätsunterschied definiert ist als der Unterschied der Strahlungsintensität in einem lokalen Messfeld des gesamten bestrahlten Querschnitts zu der durchschnittlichen Strahlungsintensität in dem gesamten bestrahlten Querschnitt, bezogen auf den gesamten bestrahlten Querschnitts und wie folgt bestimmt wird: – der bestrahlte Querschnitt wird bei einem rechteckigem Belichtungsbereich in 10 × 10 gleichgroße Messfelder aufgeteilt, indem die beiden Kantenlängen in 10 gleichgroße Teillängen unterteilt werden und ein schachbrettartiges Muster mit zehn Feldern definiert wird, oder bei nicht-rechteckigen bestrahlten Querschnitten wird um die äußere Kontur des Querschnitts ein Rechteck gelegt und dieses Rechteck entsprechend in 10 × 10 gleichgroße Messfelder geteilt, – anschließend erfolgt die Bestimmung der Strahlungsintensität mithilfe eines Messensors mit einem Durchmesser der Messfläche von 7,5mm–12,5mm für jedes der 100 Messfelder, bei dem sich die gesamte Messfläche des Sensordurchmesser vollständig im bestrahlten Querschnitt befindet, wenn er mittig im Messfeld platziert ist, wobei Messfelder, bei denen der Messsensor des Messkopfs in der Mittenposition über den bestrahlten Querschnitt hinausragt nicht berücksichtigt werden, – aus den so ermittelten Strahlungsintensitäten wird der Maximalwert, der Minimalwert und der Mittelwert bestimmt, – der größte Intensitätsunterschied errechnet sich dann als der größere Wert von – 100 × (Maximalwert – Mittelwert)/Mittelwert und – 100 × (Mittelwert – Minimalwert)/Mittelwert.
Stereolithografievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, um aus den Sensordaten des Strahlungsintensitätssensors einen Leistungsfaktor der Strahlungsquelle zu bestimmen und die Bestrahlungsdauer und/oder die Energiezufuhr zur Strahlungsquelle in Abhängigkeit dieses Leistungsfaktors zu steuern.
Stereolithografievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, um aus den Sensordaten des Strahlungsintensitätssensors durch Integration der Bestrahlungsintensität über die Zeit eine Bestrahlungsmenge zu bestimmen und die Bestrahlungsdauer und/oder die Energiezufuhr zur Strahlungsquelle in Abhängigkeit dieser Bestrahlungsmenge zu steuern.
Stereolithografievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung ausgebildet ist, um – die Substratplatte vor dem Bestrahlen einer Schicht in eine Position verfahren wird, die einen Zwischenraum mit einem vorbestimmten Schichtabstand zwischen einer zuletzt hergestellten Schicht und einer Antihaftfolie bereitstellt, – eine in dem Zwischenraum angeordnete Flüssigkeit hierauffolgend in bestimmten Bereichen selektiv bestrahlt und dadurch selektiv ausgehärtet wird, – nach dem Bestrahlen der in dem Zwischenraum angeordneten Flüssigkeit die Substratplatte um eine Ablösewegstrecke bewegt wird, welche ausreichend ist, um die selektiv ausgehärteten Bereiche von der Antihaftfolie abgetrennt werden, wobei die Steuerungsvorrichtung weiter ausgebildet ist, um die Ablösewegstrecke aus der Größe der selektiv ausgehärteten Bereiche, insbesondere aus einer Anzahl bestrahlter Pixel, zu bestimmen.
Stereolithografievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratplatte drehbar gelagert ist und dass vorzugsweise die drehbare Lagerung der Substratplatte lösbar rotationsgesichert werden kann.
Stereolithografievorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerfervorrichtung, welche einen Stempel aufweist, der aus einer Fertigungsposition, in welcher der Stempel nicht über die Substratplatte hinausragt, in eine Auswurfposition, in welcher der Stempel über die Substratplatte hinausragt, bewegbar ist.
Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Formkörper mittels Stereolithografie, mit den Schritten: – Befestigen eines Behälters mit einem darin angeordneten flüssigen, durch Bestrahlung aushärtbaren Material an einer Rahmenvorrichtung, – Schichtweises Herstellen des dreidimensionalen Formkörpers durch mehrfaches Wiederholen einer Schrittfolge mit den Schritten: – Relatives Bewegen einer an der Rahmenvorrichtung lösbar befestigten Substratplatte zu dem Behälter mittels einer an der Rahmenvorrichtung befestigten Aktuatoreinrichtung um eine vorbestimmte Schichtdicke, – Füllen eines durch die relative Bewegung entstandenen Zwischenraums mit dem flüssigem Material, und – Selektives Aushärten des in dem Zwischenraum angeordneten Materials indem mittels einer an der Rahmenvorrichtung befestigten Bestrahlungsvorrichtung das Material in auszuhärtenden Bereichen selektiv bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung erfolgt, indem eine Strahlungsquelle eine Strahlung erzeugt, diese Strahlung in einem Strahlungshomogenisierer homogenisiert wird und nach Durchlaufen des Strahlungshomogenisierers solcherart selektiv geleitet oder selektiv abgeschirmt wird, dass die auszuhärtenden Bereiche des in dem Zwischenraum angeordneten Materials bestrahlt und die nicht auszuhärtenden Bereiche nicht bestrahlt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Strahlung mittels eines Strahlungsintensitätssensors erfasst wird, Sensorsignale des Strahlungsintensitätssensors an eine Steuerungseinrichtung übermittelt werden und die Steuerungseinrichtung die Bestrahlung in Abhängigkeit der Sensorsignale steuert.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung die Bestrahlung steuert, indem – anhand der Sensorsignale ein Verringerungsgrad der Strahlungsleistung der Strahlungsquelle gegenüber einer ursprünglichen Strahlungsleistung der Strahlungsquelle ermittelt wird, und – In Abhängigkeit des Verringerungsgrades die Bestrahlungsdauer und/oder die Energiezufuhr zur Strahlungsquelle erhöht wird oder indem – anhand der Sensorsignale eine Strahlungsmenge ermittelt wird, die vorzusgweise aus der über die Zeit integrierten Strahlunsgintensität ermittelt wird, und – In Abhängigkeit der Strahlungsmenge die Bestrahlungsdauer gesteuert wird, insbesondere nach Erreichen einer vorbestimmten Strahlungsmenge die Bestrahlung gestoppt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem – die Substratplatte vor dem Bestrahlen einer Schicht in eine Position verfahren wird, die einen Zwischenraum mit einem vorbestimmten Schichtabstand zwischen einer zuletzt hergestellten Schicht und einer Antihaftfolie bereitstellt, – eine in dem Zwischenraum angeordnete Flüssigkeit hierauffolgend in bestimmten Bereichen selektiv bestrahlt und dadurch selektiv ausgehärtet wird, – nach dem Bestrahlen der in dem Zwischenraum angeordneten Flüssigkeit die Substratplatte um eine Ablösewegstrecke bewegt wird, welche ausreichend ist, um die selektiv ausgehärteten Bereiche von der Antihaftfolie abgetrennt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablösewegstrecke aus der Größe der selektiv ausgehärteten Bereiche, insbesondere aus einer Anzahl bestrahlter Pixel, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüch 14–17, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Fertigstellung des Formkörpers unausgehärtete Flüssigkeit von dem Formkörper entfernt wird, indem die Substratplatte rotiert wird.