DE102016000967A1

DE102016000967A1 - Pixelgenaue Steuerung des selektiven Energieeintrags über die Zeit bei additiven Fertigungsprozessen mittels digitaler Maskenbelichtung.

Info

Publication number: DE102016000967A1
Application number: DE102016000967.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels schichtweisem Aushärten oder Verschmelzen von Kunststoffen mittels digitaler Maskenbelichtung, bei der der Energieeintrag pro Fläche in Abhängigkeit von der lokal verfügbaren Lichtleistung und der Struktur der auszuhärtenden Querschnittsfläche auf Pixel-Niveau über die (Belichtungs-)Zeit gesteuert wird. Dabei wird die Lichtleistung pro Pixel nicht verändert (reduziert). Es wird mit einer digitalen, dynamischen Belichtungsmaske bzw. Bitmap gearbeitet, in der die Belichtungszeiten pro Pixel während des Belichtungszyklus der auszuhärtenden Schicht gesteuert werden, d. h. die Pixel innerhalb der Maske während des Belichtungszyklus sukzessive von weiß = ON auf schwarz = OFF geschaltet werden, bis alle Pixel am Ende des Belichtungszyklus schwarz sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels schichtweisem Aushärten oder Verschmelzen von Kunststoffen mittels digitaler Maskenbelichtung, bei der der Energieeintrag pro Fläche in Abhängigkeit von der lokal verfügbaren Lichtleistung und der Struktur der auszuhärtenden Querschnittsfläche auf Pixel-Niveau über die (Belichtungs-)Zeit gesteuert wird gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. dem Oberbegriff von Anspruch 11.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Auf dem Gebiet der Erfindung sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen bekannt, um dreidimensionale Objekte mittels des sogenannter additiver Fertigungsverfahren, auch bekannt als „Rapid Prototyping”, herzustellen. Unter dem Begriff Additive Manufacturing werden verschiedene Verfahren wie z. B. Stereolithographie (SLA), selektives Lasersintern (SLS), Fused Deposition Modeling (FDM) etc. verstanden.
Diese Erfindung bezieht sich speziell auf Verfahren, bei denen ein Energieeintrag in das Material mittels elektromagnetischer Strahlung erfolgt, wie z. B. die schichtweise selektive Härtung eines lichthärtenden Kunststoffes mittels digitaler Maskenbelichtung, umgesetzt durch eine digitale, bildgebende Einheit wie z. B. ein digitales Projektionssystem. Auf eine ausführliche Erläuterung dieser bekannten Verfahren wird jedoch zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen verzichtet.
Allgemein wird bei den bekannten Verfahren ein flüssiges, festes oder gasförmiges Rohmaterial Schicht für Schicht auf einem Träger ausgehärtet, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden. Bei manchen Verfahren liegt das Rohmaterial in flüssiger Form vor und wird durch gezielte Energieeinstrahlung z. B. mittels eines Lasers oder eines digitalen Projektionssystems partiell ausgehärtet. Bei anderen Verfahren wird das Rohmaterial in Form von Pulver durch Wärmeeinwirkung zusammengesintert.
Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen mittels Maskenbelichtung wird die inhomogene Intensitätsverteilung in der Bau-/Projektionsebene dadurch homogenisiert, dass die Intensität in der gesamten Ebene an den niedrigsten vorhandenen Wert mittels einer partiell abdunkelnden Kompensationsmaske angepasst wird. Dies erfolgt in der Regel durch eine partielle/selektive Transmissionssteuerung der Strahlung, wie in Patentschrift DE 199 29 199 A1 / EP 1 192 041 B1 beschrieben, oder durch Belegung der einzelnen Pixel in der Bitmap mit Graustufen, wie in EP 1849 587 A1 beschrieben. Bei beiden bekannten Verfahren wird unnötig Lichtleistung vernichtet. Ausserdem müssen Grauwerte zur Lichtleistung korreliert werden, da diese in keinem linearen Verhältnis zueinander stehen.
Bei den Verfahren und Vorrichtungen mittels Maskenbelichtung, wie z. B. der Stereolithographie mittels Maskenbelichtung, wird mittels eines Projektionssystems oder einer anderen bildgebenden Einheit in Form eines segmentierten Bildes – hier einer Pixel-Matrix – eine definierte Lichtintensität in das Material, z. B. Photopolymer, eingekoppelt. Bei diesem Prozess gibt es verschiedene Sachverhalte, die zu berücksichtigen sind:

1.) Homogenisierung der Lichtintensitätsverteilung: In der Regel liegt, bedingt durch das optische System (Lichtquelle, Optical Engine, Projektionsoptik) eine inhomogene Intensitätsverteilung in dem Bildfeld vor. Diese Intensitätsverteilung soll in der Bau-/Projektions-Ebene homogenisiert werden.
2.) Gleichmäßige Durchhärtetiefe bei unterschiedlich ausgebildeten Querschnittsflächen: Zum anderen werden Strukturen mit filigraner Querschnitts-Fläche weniger tief ausgehärtet als mit großflächiger Querschnitts-Fläche. Hier soll wiederum die Intensität in Abhängigkeit der Querschnittsflächenverteilung so angepasst werden, dass eine gleichmäßige Durchhärtetiefe erreicht wird.
3.) Abbildung kleiner Hohlräume in massiven Strukturen: Weiter kann es bei kleinen Hohlräumen in massiven Strukturen zu einem „Überstrahlen” der kleinen Hohlräume kommen, sodass diese im Bauteil gar nicht abgebildet werden.
4.) Erhöhung der Grünlingshärte:
a. Stützstrukturen: Bei filigranen (Stütz-)Strukturen kann es durch eine zu geringe Aushärtung während des Bauprozesses (Grünlingshärte) dazu führen, dass die Stützen Ihre Funktion nicht erfüllen und abreißen. Hier soll durch eine bewusste Überbelichtung der Stützstrukturen eine bessere Grünlingshärte und somit eine höhere Festigkeit erreicht werden.
b. Kernbelichtung massiver Bauteile: In der Regel werden Bauteile nach dem Bauprozess nachbelichtet um die Endfestigkeit zu erreichen. Bei massiven Bauteilen dringt die Energie beim Nachbelichten nicht bis zum Kern des Bauteils vor und wird bereits im Randbereich (einige Millimeter) absorbiert. So ist der Kernbereich nicht vollständig ausgehärtet. Um dennoch einen höheren Durchhärtegrad im Kern des Bauteils schon während des Bauens zu erhalten, wird der Kern bereits während des Bauprozesses gezielt überbelichtet.
5.) Glättung der Randbereiche/Konturen: Pixel werden im Randbereich (Außen- und Innenkontur) durch die native Querschnittsfläche (Vektorgrafik) u. U. nur teilweise abgedeckt. Werden diese Pixel an- oder ausgeschaltet, kommt es zu Ungenauigkeiten und groben Abstufungen im Randbereich. Um eine Glättung im Randbereich zu erzielen, sollen diese Pixel in Abhängigkeit ihrer Überdeckung belichtet werden.
6.) Optimierung von Passungen: Es kommt vor, dass z. B. Stifte nicht in die dazugehörigen Bohrungen passen, weil entweder die Stifte aufgeweitet und/oder die Bohrungen verengt sind. Durch ausblenden der Pixel entlang der Außen- und/oder Innenkonturen kann dies angepasst werden.

Die oben aufgeführten Punkte werden pro ausgehärteter Schicht in sogenannten Belichtungsstrategien berücksichtigt, wie auch in den folgenden Patentschriften beschrieben:
In der Patentschrift DE 199 29 199 A1 / EP 1 192 041 B1 , Intensitätssteuerung von DeltaMed wird die Licht-Intensität Pixel-weise in einer Belichtungsmaske durch die Steuerung der Durchlässigkeit der Maske kontrolliert/gesteuert. Bei dem Patent wird von einem selektiven Hindurchlassen gesprochen, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Strahlen innerhalb zu bestrahlender Bereiche über die Steuerung der Durchlässigkeit der Maske für die Strahlung gesteuert und ggf. die Intensität verringert wird.
In der Patentschrift EP 1849 587 A1 , Grauwertsteuerung von Envisiontec wird Intensität bzw. der Energieeintrag in die Voxel-Matrix (Bauebene) über einen bestimmten Grauwert und/oder Farbwert in einer Voxel-matrix selektiv eingestellt und gesteuert.
Hier ist gemeint, dass bei der Erzeugung der Bitmaps aus der Schnittmenge des Volumenkörpers (des Bauteils) mit der dreidimensionalen Voxel-Matrix die Möglichkeit besteht, den Grau- und/oder Farbwert des Pixels in der Bitmap einzustellen, in Abhängigkeit von der ausgewählten Bitmap-Strategie, der Glättung der Außen- und Innenkonturen, Kontrolle der Durchhärtungstiefe, höhere Grünlingshärte bei massiven Strukturen etc..
In der Patentschrift EP 1849 586 A1 wird der auf eine bestimmte Querschnittsfläche des dreidimensionalen Objektes bezogene Energieeintrag durch Belichtung mittels mehrerer aufeinander folgender gerasterter Masken (Bitmaps 1 – n) gesteuert. Hier müssen die verschiedenen Bitmaps pro auszuhärtender Schicht separat erzeugt und nacheinander abgebildet werden.
Jedes technische System (Motherboard mit Grafikkarte), das ein Projektionssystem (bildgebende Einheit) ansteuern kann, besitzt naturgemäß die Möglichkeit, pixelgenau die Grauwerte und/oder Farbwerte in der Bitmap einzustellen und somit den Energieeintrag in die Projektionsebene zu steuern.
Bei den bekannten Lösungen wird die Belichtungszeit pro Belichtungszyklus, also pro gerasterter Maske bzw. Bitmap für das ganze Bildfeld konstant gehalten.
Durch die Information des Farb- oder Grauwertes wird die Intensität pixelgenau gesteuert.
Insbesondere wird durch die Grauwerte in der Kompensationsmaske Leistung vernichtet, um das Intensitätsniveau über das gesamte Bildfeld zu homogenisieren, indem es auf den niedrigsten existierenden Leistungswert pro Fläche eingestellt wird.
Bei dem Verfahren mit Grauwerten oder der Intensitätssteuerung durch Reduzieren der Transmission der bildgebenden Einheit wird grundsätzlich nur über das Vernichten/Reduzieren von Intensität gearbeitet, was immer eine Erhöhung der Belichtungszeit mit sich bringt, um die gewählte Energie pro Fläche zu erreichen, da sich die Optimierung immer an dem niedrigsten Intensitätswert im Projektionsbild orientiert.
Ein weiterer Nachteil bei den Grauwerten ist, dass keine lineare Abhängigkeit zwischen Grauwert (1–255) und korrelierendem Intensitätswert besteht.
Bei der hier beschriebenen Erfindung wird die in der Belichtungsebene auf Pixelniveau geforderte Energie nicht durch Farb- oder Grauwerte gesteuert, sondern durch die pro Schicht auf Pixelniveau ermittelte Belichtungszeit.
Die Belichtungszeit wird somit in Abhängigkeit der nativen Lichtleistungsverteilung und der Struktur der Querschnittsfläche auf Pixel-Niveau bestimmt. Dabei wird die Lichtleistung pro Pixel nicht verändert (reduziert).
Es wird nur mit einer einzigen gerasterten schwarz/weißen, also digitalen, dynamischen Belichtungsmaske bzw. Bitmap gearbeitet, in der die Belichtungszeiten pro Pixel während des Belichtungszyklus der auszuhärtenden Schicht gesteuert werden, d. h. die Pixel innerhalb der Maske während des Belichtungszyklus sukzessive von weiß = ON auf schwarz = OFF geschaltet werden.
So reduziert sich die Anzahl der „weißen” Pixel zum Ende des Belichtungszyklus bis auf den Wert 0.
Ziel ist, dem Material in der Bauebene entsprechend kontrolliert Energie einzutragen, um die Durchhärtung gezielt selektiv steuern zu können. Da die Leistungsverteilung in der Fläche über den Belichtungszyklus annähernd konstant (aber nicht homogen) ist, wird der selektive Energieeintrag über die Zeit gesteuert und nicht über die Farbe (Spektrum oder Wellenlänge) oder die Graustufe.
So können folgende Fälle, wie oben beschrieben, berücksichtigt werden:

1.) Homogenisierung der Lichtintensitätsverteilung: Intensität pro Pixel in der Projektionsebene ↓⇒ Belichtungszeit ↑
2.) Gleichmäßige Durchhärtetiefe bei unterschiedlich ausgebildeten Querschnittsflächen: Größe der zusammenhängenden Querschnittsfläche Belichtungszeit ↑
3.) Abbildung kleiner Hohlräume in massiven Strukturen: Randpixel entlang der Innenkontur ⇒ Belichtungszeit ↓
4.) Erhöhung der Grünlingshärte:
a. Filigrane Stützstrukturen: Belichtungszeit ↑
b. Kernbelichtung massiver Bauteile: ↓⇒ Belichtungszeit ↑
5.) Glättung der Randbereiche/Konturen: Grad der Überschneidung des Randpixels durch die Kontur ↓ Belichtungszeit Randpixel ↓
6.) Optimierung von Passungen: Randpixel entlang der Außen- und/oder Innenkontur ⇒ Belichtungszeit ↓

AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch ein additives Fertigungsverfahren mittels digitaler Maskenbelichtung umzusetzen, wobei der selektive Energieeintrag in der Bau-/Projektionsebene pro auszuhärtender Schicht pixelgenau über die (Belichtungs-)Zeit gesteuert werden kann, um folgende Punkte zu erfüllen:

• Homogenisierung der Lichtintensitätsverteilung
• Gleichmäßige Durchhärtetiefe bei unterschiedlich ausgebildeten Querschnittsflächen
• Abbildung kleiner Hohlräume in massiven Strukturen
• Erhöhung der Grünlingshärte bei Stützstrukturen und Kernbelichtung massiver Bauteile
• Glättung der Randbereiche/Konturen
• Optimierung von Passungen

Bei der hier beschriebenen Erfindung wird die in der Belichtungsebene auf Pixelniveau zur Aushärtung erforderliche Energie durch die pro Pixel ermittelte Belichtungszeit festgelegt.
Die Belichtungszeit wird somit in Abhängigkeit der nativen Lichtleistungsverteilung und der Struktur der Querschnittsfläche auf Pixel-Niveau bestimmt. Dabei wird die Lichtleistung pro Pixel nicht verändert (reduziert). Es wird nur mit einer einzigen, gerasterten Belichtungsmaske bzw. Bitmap gearbeitet, in der die Belichtungszeiten pro Pixel während des Belichtungszyklus der auszuhärtenden Schicht gesteuert werden.
Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und einem mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Objektes nach Anspruch 12.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung von Durchführungsformen des Verfahrens, im Zuge welcher auch Details einer entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Schaubild, in welchem stilisiert die native Lichtleistungsverteilung W/m²) in der Belichtungsebene in prozentualer Abstufung dargestellt wird.
2 zeigt ein Schaubild, wie Bereiche unterschiedlicher Lichtleistung P mit unterschiedlicher Belichtungszeit belegt werden, um das gleiche Energieniveau E pro Fläche zu erreichen (W × s/m² = J/m²).
3 zeigt ein Schaubild, in welchem eine native, schwarz/weiße, gerasterte Belichtungsmaske, bzw. Bitmap einer zu belichtenden Querschnittsfläche dargestellt wird.
4 zeigt ein Schaubild, in welchem die Belichtungszeiten in Abhängigkeit der Flächenstruktur (Größe der zusammenhängenden Fläche ↓ ≡ Belichtungszeit ↑ ⇨ t₀ < t_a < t_b, wobei t_a = a × t₀, t_b = b × t₀)
5 zeigt die Überlagerung der Belichtungszeiten in Abhängigkeit der nativen Lichtleistungsverteilung mit den Belichtungszeiten in Abhängigkeit der Flächenstruktur in der Belichtungsebene, die wiederum zu neuen Belichtungszeiten führt, siehe 6.
6 zeigt ein Schaubild, in welchem unterschiedliche Texturen die Bereiche mit den neu ermittelten Belichtungszeiten beschreiben. Jedem Pixel in der Bitmap einer auszuhärtenden Schicht wird somit eine Belichtungszeit zugewiesen. Die maximale Belichtungszeit somit die Dauer des Belichtungszyklus pro auszuhärtender Schicht vor.
7 zeigt stilisiert den Belichtungszyklus einer auszuhärtenden Schicht nach verschiedenen Zeitintervallen. Das sequenzielle „Abschalten” (schwarz = OFF) der Pixel in Abhängigkeit Ihrer individuellen Belichtungszeiten ist deutlich zu erkennen. Die hier dargestellten Belichtungsmasken könnten auch als Bitmaps der Subintervalle gesehen werden.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER DURCHFÜHRUNGSFORMEN
Das Verfahren funktioniert wie folgt:

1. Die native Lichtleistungsverteilung in der Belichtungsebene wird so genau wie möglich, am besten auf Pixelniveau, erfasst und gespeichert. Die Abweichungen zum Maximalwert werden in Prozent pro Pixel in einer Matrix abgelegt.
2. Die zu belichtende Querschnittsfläche pro Schicht wird aufgrund Ihrer Struktur analysiert, die Belichtungsstrategie festgelegt und daraus resultierend die Belichtungszeit pro Pixel in einer Belichtungsmatrix (z. B. der Bitmap) gespeichert.
3. Die unter 2 festgelegten Belichtungszeiten pro Pixel werden mit den Abweichungswerten der Lichtleistungsverteilung überlagert, indem die aus der Belichtungsstrategie resultierende Belichtungszeit durch den %-Wert der Abweichung an dieser Bildposition geteilt wird. Dies ergibt die neue endgültige Belichtungszeit pro Pixel, die wiederum in der Belichtungsmatrix abgelegt wird. Jedem Pixel in der aktuellen Bitmap wird so eine individuelle Belichtungszeit zugwiesen. Als native Bitmap wird diejenige Bitmap bezeichnet, die zum Zeitpunkt t₀ (t = 0) des Belichtungszyklus die auszuhärtende Querschnittsfläche beschreibt. Der maximal ermittelte Wert t_max in der Belichtungsmatrix gibt die Länge des Belichtungszyklus pro Schicht vor. Dieser Maximalwert kann von Schicht zu Schicht variieren. Ebenso ergibt sich eine minimale Belichtungszeit t_min, in der die native Bitmap der Querschnittsfläche der aktuell auszuhärtenden Schicht projiziert wird.
4. Während des Belichtungszyklus der auszuhärtenden Schicht werden die Pixel also nach und nach in Abhängigkeit Ihrer individuellen Belichtungszeit „abgeschaltet”, also von weiß = ON auf schwarz = OFF, bis alle Pixel schwarz sind und t_max erreicht ist. Dadurch entsteht eine sich dynamisch verändernde Belichtungsmaske pro Belichtungszyklus.

Eine Abwandlung dieses Verfahrens besteht darin, dass bestimmte Belichtungszeiten in Zeitintervalle, sogenannte Subintervalle, zusammengefasst werden, da eine zu hohe Anzahl an unterschiedlichen Belichtungszeiten (max. Anzahl Belichtungszeiten = Anzahl Pixel) u. U. technisch nicht praktikabel sein kann. Aus diesem Grund wird jeweils eine statische Belichtungsmaske (Bitmap) für einen Subintervall generiert, in der alle die Pixel „weiß” = ON sind, deren ermittelte Belichtungszeit größer oder gleich der Dauer des Subintervalls sind. Der Belichtungszyklus der zu belichtenden Querschnittsfläche pro Schicht setzt sich aus der Aneinanderreihung der statischen Belichtungsmasken (Bitmaps) der Subintervalle zusammen.
Diese Abwandlung des Verfahrens funktioniert dann wie folgt:

Die Punkte 1. bis 3. wie in der ersten Durchführungsform beschrieben.
4. Der Zeitintervall zwischen t_min und t_max des Belichtungszyklus wird in n Subintervalle unterteilt, wobei in jedem Subintervall eine Bitmap zugeordnet und projiziert wird, in der diejenigen Pixel „weiß” = ON sind, deren Belichtungszeit >= des Subintervalls ist. Somit reduziert sich die Anzahl der „weißen” Pixel in der Bitmap für jeden neuen Subintervall, bis alle Pixel schwarz sind und t_max erreicht ist.

Eine weitere Abwandlung dieses Verfahrens besteht darin, dass die projizierte native Bitmap der zu belichtenden Querschnittsfläche pro Schicht vor dem eigentlichen Belichtungszyklus analysiert wird, indem die Intensitätsverteilung – möglichst auf Pixelniveau – im Projektionsbild gemessen wird. Dies könnte zum Beispiel durch eine kalibrierte Videokamera erfolgen, die das Projektionsbild von einer Mattscheibe erfasst.
Anhand dieser Messwerte werden dann die Belichtungszeiten pro Pixel ermittelt, in einer Belichtungsmatrix abgelegt und die „weißen” Pixel dann nach Ablauf der ermittelten Belichtungszeit auf „schwarz” = OFF geschaltet, bis alle Pixel „schwarz” sind und t_max erreicht ist. Diese „in process quality control” würde eine online-Analyse und Korrektur des Projektionsbildes quasi in Echtzeit ermöglichen.
Der Vorteil dieser Erfindung ist, dass keine Lichtleistung durch Abgleich an den dunkelsten Punkt in der Intensitätsverteilung künstlich vernichtet wird.
Die Durchhärtungstiefe im Material ist abhängig vom Energieeintrag pro Fläche und wird in Abhängigkeit von der lokal verfügbaren Lichtleistung über die Zeit gesteuert.
Das heißt, niedrigerer Lichtleistung in einem Bereich wird durch eine längere Belichtungszeit kompensiert, um den gleichen Energieeintrag zu erreichen.
Die Belichtungszeit pro Pixel pro auszuhärtender Schicht wird in einer separaten Matrix/Tabelle abgelegt.
Es wird nur mit digitalen Status der Pixel in der Bitmap gearbeitet: Schwarz = OFF, Weiß = ON.
Die Generierung der Bilddaten pro Belichtungszyklus kann online auf dem Maschinen-Rechner aus den Konturdaten bzw. der nativen Bitmap und der Belichtungszeitenmatrix generiert und anschließend projiziert werden. Somit werden deutlich weniger Datenmengen gehandelt/transferiert, als wenn die Bilddaten für mehrere Bitmaps pro auszuhärtender Schicht erzeugt werden müssen
Bezugszeichenliste

1: Zustände der dynamischen Belichtungsmaske zu fortschreitenden Zeitpunkten während des Belichtungszyklus einer zu verfestigenden Objektschicht

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

DE 19929199 A1 [0005, 0007]
EP 1192041 B1 [0005, 0007]
EP 1849587 A1 [0005, 0008]
EP 1849586 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen eines unter Einwirkung von Strahlung verfestigbaren Materials unter Verwendung von gerasterten, aus diskreten Bildpunkten/Pixeln bestehenden Belichtungsmasken mittels derer die Strahlung selektiv in die Bauebene projiziert/abgebildet wird, wobei jeder zu verfestigenden Objektschicht eine dynamische Belichtungsmaske pro Belichtungszyklus der zu verfestigenden Objektschicht zugeordnet wird dadurch gekennzeichnet, dass jedem Bildpunkt/Pixel oder einer Gruppe von Bildpunkten/Pixeln der dynamischen Belichtungsmaske eine diskrete Belichtungszeit t_Pixel zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit t_Pixel den digitalen Zustand der Bildpunkte/Pixel beschreibt und dass die Belichtungszeit t_Pixel = 0 Sek. dem digitalen Zustand 0 = „OFF” (schwarz, undurchlässig, nicht projizierend, nicht abbildend) entspricht und als Ausgangszustand der Bildpunkte/Pixel festgelegt ist und dass die Belichtungszeit t_Pixel > 0 Sek. dem digitalen Zustand I = ON” (weiß, durchlässig projizierend, abbildend) entspricht.
Verfahren nach Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Bildpunkte/Pixel der Belichtungsmaske, bzw. der bildgebenden Einheit individuell angesteuert bzw. ”ON”/”OFF” (I/O) geschaltet werden können.
Verfahren nach Ansprüchen 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Zuordnung der diskreten Belichtungszeiten pro Bildpunkt/Pixel eine dynamische Belichtungsmaske entsteht, in der während des Belichtungszyklus der zu verfestigenden Objektschicht die Bildpunkte/Pixel entsprechend Ihrer diskreten Belichtungszeit geschaltet werden, wobei die Bildpunkte/Pixel mit einer Belichtungszeit t_Pixel = 0 im Zustand „OFF” bleiben und die Bildpunkte/Pixel mit einer Belichtungszeit t_Pixel > 0 in den Zustand „ON” geschaltet werden und nach Ablauf der diskreten Belichtungszeit t_Pixel wieder in den Zustand „OFF” geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit t_Pixel pro Bildpunkt/Pixel aufgrund einer Belichtungsstrategie festgelegt wird und über die Belichtungszeit t_Pixel pro Bildpunkt/Pixel der selektive Energieeintrag (W × s/m² = J/m²) in die zu verfestigende Objektschicht gesteuert wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit t_Pixel pro Bildpunkt/Pixel sich aus der Überlagerung der Belichtungszeiten in Abhängigkeit der nativen Lichtleistungsverteilung mit den Belichtungszeiten in Abhängigkeit der Querschnittsflächenstruktur der zu verfestigenden Objektschicht ergibt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildpunkt/Pixel mit der maximal ermittelten Belichtungszeit t_{Pixel max} die Dauer des Belichtungszyklus pro zu verfestigender Objektschicht vorgibt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeiten t_Pixel pro Bildpunkt/Pixel der dynamischen Belichtungsmaske je zu verfestigender Objektschicht und je Belichtungszyklus in einer zugehörigen Belichtungs-Matrix/-Tabelle abgelegt/gespeichert werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Belichtungszyklus pro zu verfestigender Objektschicht verschiedene Belichtungszeiten auf Pixelniveau in Zeitintervalle zusammengefasst werden und dass jeweils eine Bitmap für einen Zeitintervall generiert wird, in der alle diejenigen Pixel „weiß” = ON sind, deren ermittelte Belichtungszeit größer oder gleich des jeweiligen Zeitintervalls ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Belichtungszyklus eine Abfolge von Belichtungsmasken erzeugt und projiziert werden, die den unter Anspruch 9 erzeugten Bitmaps der Zeitintervalle entsprechen.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1–10 zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes, wobei die Vorrichtung nach einem der additiven Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing) arbeitet und Strahlungsenergie nutz um ein oder mehrere Materialien selektiv schichtweise zu verfestigen dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Belichtungsmaskenerzeugungseinrichtung enthält, die in der Lage ist, die diskreten Pixel der bildgebenden Einheit individuell anzusteuern.
Dreidimensionales Objekt, dadurch gekennzeichnet, dass es unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder einer Vorrichtung nach Anspruch 11 hergestellt ist.