DE3588184T2

DE3588184T2 - Stereolithographische Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen

Info

Publication number: DE3588184T2
Application number: DE3588184T
Authority: DE
Inventors: Charles W Hull
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 1984-08-08
Filing date: 1985-08-06
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2005-08-07
Also published as: US4575330B1; EP0171069B1; ATE97506T1; EP0820855A3; HK1006347A1; EP0171069A2; EP0535720B1; US4575330A; JPS6235966A; HK1001701A1; EP0535720A3; EP0171069A3; ATE165270T1; EP0535720A2; DE171069T1; DE535720T1; DE3587656T2; SG48918A1; DE3588184D1; DE3587656D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Methode und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch die selektive Verfestigung von Lagen an der Oberfläche eines verfestigbaren flüssigen Mediums, das durch ein verfestigendes Medium verfestigbar ist, gemäß dem allgemeinen Teil von Anspruch 1 bzw. Anspruch 20.
Solch ein verfestigendes Medium wird im folgenden mit verschiedenen Begriffen bezeichnet wie synergistische Stimulation, reaktive Stimulation, Aktivierung und Stimulation. Für die Herstellung eines dreidimensionalen is Objekts wird das verfestigende Medium selektiv auf eine Lage an der Oberfläche des flüssigen Mediums angewendet, um eine Schicht mit einer gewünschten Form auszubilden. Das Objekt wird durch aufeinanderfolgende übereinanderliegende Schichten gebildet. Der Begriff "Stereolithographie" kann im allgemeinen auf diese Objekt-Herstellungsmethode angewendet werden.
Bei der Herstellung von Plastikteilen und ähnlichem ist es allgemein üblich, zuerst solch ein Teil zu entwerfen und dann mühsam einen Prototyp des Teils herzustellen, wobei der gesamte Prozeß ein erhebliches Maß an Zeitaufwand und Kosten mitsichbringt. Der Entwurf wird dann überprüft, und häufig wird der mühsame Prozeß mehrfach wiederholt, bis der Entwurf optimiert worden ist. Nach der Optimierung des Entwurfs ist der nächste Schritt die Herstellung. Die meisten hergestellten Plastikteile sind im Spritzgußverfahren hergestellt. Da die Kosten für die Entwurfszeit und die Werkzeugbestückung sehr hoch sind, sind Plastikteile gewöhnlich nur bei hohen Stückzahlen sinnvoll. Obwohl es andere Verfahren für die Herstellung von Plastikteilen gibt, z.B. direkte Maschinenbearbeitung, Vakuumformen und direktes Formen, sind solche Methoden typischerweise nur für kleine Stückzahlen kostengünstig, und die produzierten Teile haben gewöhnlich eine schlechtere Qualität als Teile, die im Spritzgußverfahren hergestellt worden sind.
In den letzten Jahren wurden sehr raffinierte Techniken für die Herstellung dreidimensionaler Objekte innerhalb eines flüssigen Medium entwickelt, das selektiv durch Strahlen elektromagnetischer Strahlung ausgehärtet wird, die an vorgeschriebenen Schnittpunkten innerhalb des dreidimensionalen Volumens des flüssigen Mediums selektiv fokussiert werden. Typische Vertreter solcher dreidimensionaler Systeme sind in den US Patenten 4 041 476, 4 078 229, 4 238 840 und 4 288 861 beschrieben. Alle diese Systeme basieren auf dem Aufbau von synergistischer Energieanregung an selektiven Punkten tief innerhalb des flüssigen Volumens unter Ausschluß von allen anderen Punkten in dem flüssigen Volumen, wobei eine Vielzahl von ausgefeilten Multibeamtechniken verwendet werden. Die zahlreichen Ansätze, die dazu im Stand der Technik beschrieben sind, schließen die Verwendung eines Paares elektromagnetischer Strahlen ein, die gerichtet sind, um sich an vorgegebenen Koordinaten zu schneiden, wobei die verschiedenen Strahlen aus derselben oder verschiedenen Wellenlängen bestehen können oder wobei die Strahlen nacheinander und nicht gleichzeitig verwendet werden, um die gleichen Punkte zu schneiden. In allen Fällen werden aber nur die Schnittpunkte der Strahlen auf ein ausreichendes Energieniveau angeregt, um den notwendigen Aushärteprozeß zum Bilden eines dreidimensionalen Objekts innerhalb des Volumens des flüssigen Mediums zu erreichen. Leider gibt es jedoch eine Anzahl von Problemen bei solchen dreidimensionalen Herstellungssystemen im Hinblick auf die Auflösung und die Steuerung der Exposition. Der Verlust von Strahlungsintensität und der das Bild formenden Auflösung der fokussierten Spots, wenn die Schnittpunkte tiefer in das flüssige Medium wandern, erzeugt offensichtlich komplizierte Steuerverhältnisse. Absorption, Diffusion, Dispersion und Brechung tragen alle zu den Schwierigkeiten bei, tief innerhalb des flüssigen Mediums wirtschaftlich und zuverlässig zu arbeiten.
Aber schon seit langem und auch weiterhin besteht beim Entwurf und der Produktion der Bedarf an der Fähigkeit, schnell und zuverlässig vom Entwurfsstadium in das Stadium des Prototyps und schließlich zur Produktion überzugehen, insbesondere vom Computerentwurf von solchen Plastikteilen fast unmittelbar zu Prototypen und der Möglichkeit zur wirtschaftlichen und automatischen Produktion von großen Stückzahlen überzugehen.
Dementsprechend haben diejenigen, die mit der Entwicklung und der Produktion von dreidimensionalen Plastikobjekten oder ähnlichem beschäftigt sind, seit langem den Bedarf an weiteren Verbesserungen für schnellere, zuverlässige, wirtschaftliche und automatische Einrichtungen erkannt, die den schnellen Übergang vom Entwurfsstadium zum Stadium des Prototyps und zur Produktion erleichtern würden und dabei die komplizierten Fokussierungs- Aussrichtungs- und Expositionsprobleme der dreidimensionalen Herstellungssysteme nach dem oben genannten Stand der Technik vermeiden.
Einen anderen Ansatz zur Herstellung von Objekten aus einem verfestigbaren flüssigen Medium haben wir mit dem Begriff "Stereolithographie" bezeichnet. Ein grundlegendes Stereolithographiesystem wird in dem Artikel von Hideo Kodama mit dem Titel "Automatisches Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Plastikmodeles mit einem unter Lichteinfluß verfestigenden Polymer" in Review of Scientific Instruments Bd. 52, Nr. 11 (November, 1981) offenbart. Kodama offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch selektive Verfestigung einer Lage an der Oberfläche eines flüssigen Mediums, das durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht verfestigt werden kann, um das Objekt aus übereinander liegenden verfestigten Schichten zu bauen. Die Kodama Vorrichtung umfaßt einen Behälter für das flüssige Medium, eine Vorrichtung, um das flüssige Medium selektiv an einer Arbeitsfläche zu bestrahlen, um eine verfestigte Schicht zu formen, eine Unterstützungsvorrichtung, die angebracht ist, um sich in Bezug auf die Arbeitsfläche zu bewegen, um das gerade gebaute Objekt zu unterstützen und eine Vorrichtung, um die Bewegung der Unterstützungsvorrichtung zu steuern und sie in fortschreitenden Schritten von der Arbeitsfläche wegzubewegen, um nach jedem Bewegungsschritt es zu ermöglichen, daß eine Schicht von neuem flüssigen Medium zur Verfestigung eingelassen wird.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Notwendigkeit, das Niveau der nachfolgenden Oberfläche zu steuern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Methode zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch gezielte Verfestigung einer Oberflächenschicht eines flüssigen Mediums, das durch ein verfestigendes Medium verfestigt werden kann, um das Objekt aus übereinander liegenden verfestigten Schichten zu bauen, vorgesehen, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
Bereitstellen eines Körpers des fluiden Mediums; selektives Aufbringen eines verfestigenden Mediums auf dem Niveau einer Arbeitsfläche des fluiden Mediums, um eine verfestigte Objektschicht auf zuvor verfestigten Objektschichten zu bilden, die das aufzubauende Objekt bilden; und
Bewegen des aufzubauenden Objektes in fortschreitenden Schritten fort von dem genannten Niveau der Arbeitsfläche, um es frischem fluiden Medium zu ermöglichen, auf jede schrittweise Bewegung folgend zur selektiven Verfestigung zugeführt zu werden, gekennzeichnet durch:
Detektieren des Niveaus der Oberflächenschicht des genannten frischen fluiden Mediums und Justieren des Niveaus der Oberflächenschicht des genannten frischen fluiden Mediums an das genannte Niveau der Arbeitsfläche.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts vorgesehen durch selektives Verfestigen einer Oberflächenschicht eines flüssigen Medium, welches durch ein verfestigendes Medium verfestigbar ist, um das Objekt aus überlagerten verfestigten Objektschichten aufzubauen, wobei die Vorrichtung umfaßt:
ein Behälter für das fluide Medium, ein Mittel zum selektiven Aufbringen eines verfestigenden Mediums auf einer Arbeitsfläche des fluiden Mediums, um eine verfestigende Objektschicht zu bilden;
ein Trägermittel, das für Bewegung bezüglich der genannte Arbeitsfläche angebracht ist, um ein aufzubauendes Objekt zu tragen, ein Steuermittel, um das genannte Trägermittel in fortschreitenden Schritten von der genannten Oberfläche fortzubewegen, um es frischem fluiden Medium zu ermöglichen, nach jeder schrittweisen Bewegung zur selektiven Verfestigung zugeführt zu werden, gekennzeichnet durch:
Ein Detektionsmittel zum Detektieren des Niveaus der Oberflächenschicht des genannten frischen Mediums, und ein Justagemittel, das auf das detektierte Niveau des genannten frischen fluiden Mediums anspricht, um das Niveau der genannten Oberflächenschicht an das der genannten Arbeitsfläche zu justieren.
Besondere Ausführungen der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Praxis der vorliegenden Erfindung wird weiter unten insbesondere im Hinblick auf eine Methode und ein Verfahren beschrieben, bei dem bei jeder schrittweisen Bewegung des aufzubauenden Objektes zum Niveau, das für die selektive Verfestigung einer Oberflächenschicht von frischem fluiden Medium gebraucht wird, eine anfängliche Zunahme der Bewegung der letzten ausgebildeten Oberflächenschicht weg von der Arbeitsfläche zu einem Niveau jenseits des verlangten Niveaus eingeschlossen ist.
Bei der Durchführung der Erfindung kann die Justierung des Niveaus der Oberflächenschicht durch das Mittel einer Fluidpumpe, die mit dem flüssigen Medium kommuniziert, oder durch das Mittel einer Fluidverschiebungseinrichtung in dem flüssigen Medium erreicht werden. In der zu beschreibenden Ausführung wird ein Computer verwendet, um die Aktion der Pumpe oder der Fluidverschiebungseinrichtung abhängig von der Detektion des Niveaus der Oberflächenschicht zu steuern.
Im folgenden wird gezeigt, wie die vorliegende Erfindung umgesetzt werden kann, um eine verbesserte Methode und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts vorzusehen durch das Ausbilden von aufeinander folgenden, beieinander liegenden Querschnittsschichten des Objekts an der Oberfläche eines fluiden Mediums, das bei passender Aktivierung verfestigbar ist, wobei die aufeinanderfolgenden Schichten automatisch miteinander verbunden werden, wenn sie ausgebildet werden, um das gewünschte dreidimensionale Objekt zu definieren.
Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform werden als Beispiel die Grundprinzipien des Computerzeichnens gemeinsam mit der Stereolithographie genutzt, d.h., der Praxis von lithographischen Techniken auf die Produktion von dreidimensionalen Objekten, um bei der Herstellung von dreidimensionalen Objekten direkt mit Computerbefehlen gleichzeitig Computer Aided Design (CAD) und Computer Aided Manufacturing (CAM) durchzuführen.
Die Erfindung kann dazu angewandt werden, um in der Entwurfsphase der Produktentwicklung Modelle und Prototypen zu formen oder als Herstellungssystem oder sogar als reine Kunstform.
"Stereolithographie" ist eine Methode und eine Vorrichtung, um durch aufeinanderfolgendes "Drucken" aufeinander von dünnen Schichten eines aushärtbaren Materials z. B. eines durch UV-Licht aushärtbaren Materials feste Objekte herzustellen. Ein programmierbarer, bewegbarer und fokussierter Strahl von UV-Licht, der auf eine Oberflächenschicht einer durch UV-Licht aushärtenbaren Flüssigkeit scheint, wird dazu verwendet, um einen festen Querschnitt des Objekts an der Oberfläche der Flüssigkeit auszubilden. Das Objekt wird dann in einer programmierten Weise um die Dicke einer Lage von der Oberfläche der Flüssigkeit wegbewegt und der nächste Querschnitt wird daraufhin ausgebildet und mit der unmittelbar vorhergehenden Schicht, die das Objekt definiert, verbunden. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis das gesamte Objekt ausgebildet ist. Die programmierte Weise der Bewegung schließt bei jedem Schritt eine anfängliche Erhöhung der Bewegung jenseits des Niveaus. bei dem später die UV-Strahlung oder eine andere Aktivierung ausgeführt wird, ein.
Im wesentlichen können alle Arten von Objektformen mit der Technik der vorliegenden Erfindung erzeugt werden. Komplexe Formen werden leichter erzeugt unter Verwendung der Funktion eines Computers, um die Programmbefehle zu erzeugen und um die Programmsignale, die die Form der nächsten Schicht definieren, an die Stereolithographievorrichtung zu senden, die das Objekt ausbildet.
Es versteht sich natürlich,daß auch andere Formen von passender synergistischer Simulation für ein aushärtbares Medium wie z. B. Teilchenbeschuß (Elektronenstrahlen und/oder ähnliches), chemische Reaktionen durch das Aufsprühen von Materialien durch eine Maske oder durch Tintenstrahlen oder durch andere als ultraviolettes Licht einfallende Strahlung in der Praxis der Erfindung verwendet werden können.
Als Beispiel ist in der Praxis der vorliegenden Erfindung ein Körper eines fluiden Mediums, das bei vorgeschriebener Stimulation verfestigbar ist, zuerst in irgendeinem passenden Gefäß geeignet enthalten, um eine nachfolgende Arbeitsfläche des flüssigen Mediums zu definieren, an der aufeinanderfolgende Querschnittsschichten erzeugt werden können. Darauffim wird eine geeignete Form der synergistischen Stimulation, wie z.B. ein UV- Lichtstrahl oder ähnliches, als ein graphisches Muster auf die spezifizierte Arbeitsfläche des flüssigen Mediums angewendet, um dünne, feste, einzelne Schichten an dieser Oberfläche auszubilden, wobei jede Schicht einen beieinander liegenden Querschnitt des dreidimensionalen Objekts, das hergestellt werden soll, darstellt. Das Aufeinanderstellen von aufeinanderfolgenden, benachbarten Lagen wird automatisch bei der Ausbildung erreicht, um die Schichten zu verbinden, um das gewünschte dreidimensionale Objekt zu definieren. Wenn das flüssige Medium aushärtet und das feste Material eine dünne Schicht an der Arbeitsfläche bildet, wird eine passende Plattform, mit der die erste Schicht fest verbunden ist, in einer programmierten Weise durch ein passendes Stellelement von der Arbeitsfläche wegbewegt, typischerweise gesteuert von einem Mikrocomputer oder ähnlichem. Auf diese Weise wird das feste Material, das anfangs an der Arbeitsfläche ausgebildet worden ist, von dieser Oberfläche wegbewegt, und neue Flüssigkeit fließt in die Position der Arbeitsfläche. Ein Teil dieser neuen Flüssigkeit wird ihrerseits durch den programmierbaren UV-Lichtstrahl in festes Material verwandelt, um eine neue Schicht zu definieren, und diese neue Schicht bildet eine haftende Verbindung zu dem benachbarten Material, d.h. zur unmittelbar vorhergehenden Schicht. Dieser Vorgang dauert an, bis das gesamte dreidimensionale Objekt ausgebildet worden ist. Das ausgebildete Objekt wird dann vom Behälter entfernt und die Vorrichtung ist bereit, ein anderes Objekt herzustellen, das entweder identisch zum ersten Objekt ist oder eine völlig neues Objekt ist, das durch einen Computer oder ähnliches erzeugt worden ist.
Die Stereolithographiemethode und die oben beschriebene Vorrichtung hat viele Vorteile gegenüber zur Zeit benutzten Methoden zur Herstellung von Plastikobjekten. Das Verfahren, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wird, vermeidet die Notwendigkeit, Entwürfe und Zeichnungen, Werkzeugbestückungszeichnungen und Werkzeugbestückung herzustellen. Der Designer kann direkt mit dem Computer und dem Stereolithographigerät arbeiten, und wenn er mit dem Entwurf, wie er auf dem Bildschirm des Computers gezeigt ist, zufrieden ist, kann er zur direkten Überprüfung das Teil herstellen. Wenn der Entwurf modifiziert werden muß, kann dies leicht mit dem Computer geschehen, und dann kann ein anderes Teil hergestellt werden, um zu überprüfen, ob die Veränderung richtig war. Wenn der Entwurf mehrere Teile mit miteinander wechselwirkenden Entwurfsparametern benötigt, wird das Verfahren der Erfindung noch nützlicher, da alle Entwürfe der Teile schnell geändert und erneut hergestellt werden können, so daß, wenn notwendig, der gesamte Zusammenbau wiederholt hergestellt und überprüft werden kann.
Wenn der Entwurf vollständig ist, kann die Herstellung der Teile sofort beginnen, so daß Wochen und Monate zwischen dem Entwurf und der Produktion vermieden werden. Die letztendlichen Stückzahlen und Stückkosten sollten ähnlich sein wie die gängigen Kosten beim Spritzgußverfahren für kleine Stückzahlen, mit noch geringeren Arbeitskosten als sie mit dem Spritzgußverfahren verbunden sind. Das Spritzgußverfahren ist wirtschaftlich nur dann, wenn große Zahlen gleicher Teile gebraucht werden. Stereolithographie ist für kleine Stückzahlen nützlich, da der Bedarf an Werkzeugbestückung entfällt und die Zeit für die Vorbereitung der Produktion minimal ist.
Entsprechend lassen sich leicht Entwurfsänderungen und Spezialteile mit dieser Technik vorsehen. Aufgrund der Leichtigkeit bei der Herstellung der Teile ermöglicht es die Stereolithographie, Plastikteile an vielen Stellen zu verwenden, wo jetzt Teile aus Metall oder anderen Materialien verwendet werden. Zusätzlich erlaubt diese Technik, vor der Entscheidung, teurere Teile aus Metall oder anderen Materialien zu produzieren Plastikmodelle der Objekte schnell und wirtschaftlich herzustellen.
Die Stereolithographimethode und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann daher vorzugsweise dazu verwendet werden, den seit langem bestehenden Bedarf an einem CAD und CAM System zu befriedigen, das in der Lage ist, schnell, zuverlässig, genau und wirtschaftlich dreidimensionale Plastikteile oder ähnliches zu entwerfen und herzustellen.
Die Erfindung und ihre Praxis wird im folgenden weiter beschrieben im Hinblick auf die Ausführungen, die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt sind;
wobei Fig. 1 und Fig. 2 Flowcharts sind, die das Grundprinzip illustrieren, das bei der Verwendung des Sterelithographieverfahrens der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm kombiniert mit einem schematischen Aufriß, der zur Zeit bevorzugten Ausführung eines Systems zur Praxis der Erfindung;
Fig. 4 ist ein Aufriß einer zweiten Ausführung eines Stereolithographisystems zur Praxis der Erfindung;
Fig. 5 ist ein Aufriß, der eine dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung illustriert;
Fig. 6 ist ein Aufriß, der eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung illustriert; und
die Figuren 7 und 8 sind Teilaufrisse, die eine Veränderung des Stereolithographiesystems aus Fig. 3 zur Aufnahme eines Trägermittels mit vielen Freiheitsgraden zeigen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen sind Fig. 1 und 2 Flowcharts, die das grundlegende Verfahren und ein System zur Praxis der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mit Stereolithographie zeigen.
Viele flüssige Chemikalien sind bekannt, die durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV) oder anderen Formen synergistischer Stimulation wie Elektronenstrahlen, sichtbarem oder unsichtbarem Licht, reaktiven Chemikalien, die mit einem Tintenstrahl oder über eine entsprechende Maske aufgetragen werden, dazu veranlaßt werden, sich in ein Festkörperpolymerplastik zu verwandeln. Durch UV-Licht aushärtbare Chemikalien werden zur Zeit als Tinte für Hochgeschwindigkeitsdruck, bei der Beschichtung von Papier und anderen Materialien, in Klebstoffen und auf anderen speziellen Feldern verwendet.
Lithographie ist die Methode zur Reproduktion von graphischen Objekten unter der Verwendung verschiedener Techniken. Moderne Beispiele sind die fotographische Reproduktion, die Xerographie, die Mikrolithrographie, wie sie bei der Produktion von Mikroelektronik verwendet wird. Von einem Computer erzeugte Bilder, die auf einem Plotter oder einem Bildschirm dargestellt werden, sind ebenfalls Formen von Lithographie, wobei das Bild die Darstellung eines vom Computer verschlüsselten Objektes ist.
Computer Aided Design (CAD) und Computer Aided Manufacturing (CAM) sind Techniken, die die Fähigkeiten des Computers auf die Vorgänge des Entwerfens und der Herstellung anwenden. Ein typisches Beispiel für CAD ist der Bereich des gedruckten Entwurfs von elektronischen Schaltungen, wobei ein Computer und ein Drucker den Entwurf für eine gedruckte Platine zeichnen, wobei die Entwurfsparameter als Computerdaten vorgegeben werden. Ein typisches Beispiel für CAM ist eine digital gesteuerte Drehmaschine, wobei ein Computer und eine Drehmaschine Metallteile herstellen unter Vorgabe geeigneter Programmbefehle. Sowohl CAD als auch CAM sind bedeutende und rasch wachsende Technologien.
Das zu beschreibende System nutzt die Prinzipien von computererzeugten Bildern zusammen mit Plastik, das unter UV-Licht aushärtet und ähnlichem, um gleichzeitig CAD und CAM auszuführen und dreidimensionale Objekte direkt mit Computerbefehlen herzustellen. Diese Systeme können dazu verwendet werden, um in der Entwurfsphase der Produktentwicklung Modelle und Prototypen zu formen oder als ein Herstellungsgerät oder sogar als eine Kunstform.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird das Stereolithographieverfahren, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, jetzt allgemein beschrieben. Schritt 10 in Fig. 1 verlangt die Erzeugung von einzelnen festen Schichten, die Querschnitte des dreidimensionalen Objekts, das ausgebildet werden soll, darstellen. Schritt 11, der zwangsläufig geschieht, wenn Schritt 10 richtig durchgeführt wird, verbindet die nacheinander ausgebildeten benachbarten Schichten, um das gewünschte dreidimensionale Objekt auszubilden, das in das System zum selektiven Aushärten eingegeben worden ist. Das Stereolithographiesystem erzeugt daher dreidimensionale Objekte durch das Erzeugen eines Querschnittsmusters des Objekts, das ausgebildet werden soll, auf einer ausgewählten Oberfläche des flüssigen Mediums, zum Beispiel einer Flüssigkeit, die unter UV-Licht aushärtet oder ähnlichem, das in der Lage ist, bei geeigneter synergistischer Stimulation, wie z. B. Einfall der Strahlung, Elektronenstrahlen oder anderem Teilchenbeschuß oder angewendeten Chemikalien (wie bei einem Tintenstrahler oder dem Sprayen auf eine Maske, die benachbart zur Oberfläche der Flüssigkeit ist) sich zu verfestigen, wobei aufeinander folgende benachbarte Schichten, die entsprechende aufeinander folgende benachbarte Querschnitte des Objektes darstellen, automatisch ausgebildet werden und miteinander verbunden werden, um den schrittweisen Aufbau aus Schichten oder dünnen Lagen des Objekts zu erzeugen, wodurch ein dreidimensionales Objekt ausgebildet wird und von einer im wesentlichen ebenen oder papierähnlichen Oberfläche des flüssigen Mediums des Formungsprozesses gezogen wird.
Die zuvor beschriebene Technik wird genauer beschrieben im Flowchart von Fig. 2, wobei Schritt 12 das Enthalten eines flüssigen Mediums erfordert, das bei einer vorgeschriebenen reaktiven Stimulation verfestigbar ist. Schritt 13 erfordert die Anwendung dieser Stimulation als ein graphisches Muster auf eine bezeichnete Oberfläche des Fluids, um an dieser Oberfläche dünne, feste, einzelne Lagen auszubilden, wobei jede Lage einen benachbarten Querschnitt eines dreidimensionalen Objektes, das hergestellt werden soll, darstellt. Während der Praxis der Erfindung ist es wünschenswert, jede Lage so dünn wie möglich zu machen, um die Auflösung und die genaue Reproduktion des dreidimensionalen Objekts, das hergestellt wird, zu maximieren. Der ideale theoretische Zustand wäre daher ein Objekt, das nur an der bezeichneten Arbeitsfläche des flüssigen Mediums hergestellt würde, um eine unendliche Anzahl von Schichten vorzusehen, wobei jede Schicht eine ausgehärtete Tiefe hätte mit einer Dicke, die näherungsweise fast null wäre. Bei der praktischen Anwendung der Erfindung wird jede Schicht natürlich eine dünne Lage sein, jedoch dick genug, um hinreichend geschlossen zu sein bei der Ausbildung des Querschnitts und um an den benachbarten Schichten zu haften, die andere Querschnitte des auszubildenden Objektes definineren.
Schritt 14 in Fig. 2 erfordert das Übereinanderstellen aufeinander folgender, benachbarter Lagen oder Schichten während des Ausbildens, um die verschiedenen Lagen miteinander zu verbinden und das gewünschte dreidimensionale Objekt zu definieren. Wenn das fluide Medium aushärtet und das feste Material sich bildet, um eine Schicht zu definieren, wird diese Schicht von der Arbeitsfläche des fluiden Mediums wegbewegt, und die nächste Schicht wird in der neuen Flüssigkeit gebildet, die die vorhergehende gebildete Schicht ersetzt, so daß jede aufeinanderfolgende Schicht darüber gestellt wird und (aufgrund der natürlichen Haftungseigenschaften des ausgehärteten fluiden Mediums) mit allen anderen Querschnittsschichten verbunden ist. Der Vorgang der Herstellung von solchen Querschnittsschichten wird daher immer wieder wiederholt, bis das gesamte dreidimensionale Objekt ausgebildet worden ist. Das Objekt wird dann entfernt und das System ist bereit, ein anderes Objekt herzustellen, das identisch zum vorhergehenden Objekt oder ein völlig neues Objekt sein kann, das dadurch ausgebildet wird, daß das Programm, das das Stereolithographiesystem steuert, geändert wird.
Die Fig. 3 bis 8 der Zeichnungen zeigen verschiedene Vorrichtungen, die für die Umsetzung der Stereolithographiemethode geeignet sind, wie sie in den Flowcharts der Fig. 1 und 2 gezeigt und beschrieben ist.
Eine derzeit bevorzugte Ausführung eines Stereolithographiesystems ist im Aufriß in Fig. 3 gezeigt. Ein Kontainer (21) wird mit einer Flüssigkeit (22) gefüllt, die unter UV-Licht aushärten kann oder ähnlichem, um eine bezeichnete Arbeitsoberfläche (23) zu erzeugen. Eine programmierbare ultraviolette Lichtquelle (26) oder etwas ähnliches erzeugt einen Spot von ultraviolettem Licht (27) in der Ebene der Oberfläche (23). Der Spot (27) ist beweglich entlang der Oberfläche (23) durch die Bewegung von Spiegeln oder anderen optischen oder mechanischen Elementen (nicht gezeigt), die ein Teil der Lichtquelle (26) sind. Die Position des Spots (27) auf der Oberfläche (23) wird durch einen Computer gesteuert oder ein anderes programmierbares Gerät (28). Ein beweglicher Träger oder eine Aufzug-Plattform (29) innerhalb des Kontainers (21) kann gezielt aufwärts und abwärts bewegt werden, wobei die Position der Plattform durch den Computer (28) gesteuert wird. Wenn das Gerät arbeitet, stellt es ein dreidimensionales Objekt (30) durch den schrittweisen Aufbau von verbundenen Schichten z. B. (30a, 30b, 30c) her.
Die Oberfläche der Flüssigkeit (22), die unter UV-Licht aushärtbar ist, wird auf einem konstanten Niveau in dem Behälter (21) gehalten und der Spot des UV-Lichts (27) oder einer anderen passenden Form von reaktiver Stimulation mit hinreichender Intensität, um die Flüssigkeit auszuhärten und sie in ein festes Material umzuwandeln, wird auf eine programmierte Weise entlang der Arbeitsfläche (23) bewegt. Wenn die Flüssigkeit (22) aushärtet und ein festes Material bildet, wird die Aufzug-Plattform (29), die anfangs unmittelbar unterhalb der Oberfläche (23) war, in einer programmierten Weise mit einem passenden Stellelement abwärts von der Oberfläche bewegt. Das feste Material, das anfangs ausgebildet worden ist, wird auf diese Weise unter die Oberfläche (23) gebracht und neue Flüssigkeit (22) fließt über die Oberfläche (23). Ein Teil dieser neuen Flüssigkeit wird wiederum durch den programmierten UV-Lichtspot (27) in festes Material umgewandelt, und das neue Material verbindet sich klebend, mit dem darunter liegenden Material. Dieser Prozeß wird fortgeführt, bis das gesamte dreidimensionale Objekt (30) ausgebildet worden ist. Das Objekt (30) wird dann aus dem Behälter (21) entfernt und die Vorrichtung ist bereit, ein anderes Objekt herzustellen. Dann kann ein anderes Objekt hergestellt werden oder ein neues Objekt kann hergestellt werden, indem das Programm des Computers (28) geändert wird.
Die aushärtbare Flüssigkeit (22), z. B. eine unter UV-Licht aushärtbare Flüssigkeit, muß mehrere wichtige Eigenschaften haben.
A) Sie muß mit der zur Verfügung stehenden UV-Lichtquelle schnell genug aushärten, um praktische Zeiten zur Ausbildung eines Objektes zu ermöglichen.
B) Sie muß haftend sein, so daß aufeinander folgende Lagen aneinander haften.
C) Ihre Viskusität muß niedrig genug sein, so daß frisches flüssiges Material schnell über die Oberfläche fließt, wenn der Aufzug das Objekt bewegt.
D) Sie sollte das UV-Licht absorbieren, so daß der ausgebildete Film ziemlich dünn wird.
E) Sie muß im flüssigen Zustand in einem Lösungsmittel gut lösbar sein und im festen Zustand ziemlich unlöslich in demselben Lösungsmittel, so daß die unter UV-Licht aushärtbaren Flüssigkeit und zum Teil ausgehärtete Flüssigkeit vom Objekt abgewaschen werden kann, nachdem das Objekt ausgebildet worden ist.
F) Sie sollte so ungiftig und so nicht-reizend wie möglich sein.
Das ausgehärtete Material muß, sobald es in seinem festen Zustand ist, ebenfalls gewünschte Eigenschaften haben. Diese Eigenschaften hängen von der damit verbunden Anwendung ab wie bei der gewöhnlichen Anwendung von anderen Plastikmaterialien. Unter den Eigenschaften, die berücksichtigt werden sollten, sind Parameter wie Farbe, Textur, Starke, elektrische Eigenschaften, Entflammbarkeit und Flexibilität. Darüber hinaus werden in vielen Fällen die Kosten des Materials wichtig sein.
Das unter UV-Licht aushärtbare Material, das derzeit in der bevorzugten Ausführung eines arbeitenden Stereolithographen (z. B. Fig. 3) verwendet wird, ist Potting Compound 363, ein modifiziertes Acrylat, das von der Loctite Corporation in Newington, CT hergestellt wird. Ein Verfahren zum Herstellen eines typischen unter UV-Licht aushärtbaren Materials, ist im US Patent 4 100 141 beschrieben mit dem Titel "Stabelized Adhesive and Curing Compositions" bezeichnet.
Die Lichtquelle (26) erzeugt einen Spot (27) des UV-Lichts, der klein genug ist, um die Details des gewünschten Objekts auszubilden und intensiv genug, um die verwendete, unter UV-Licht aushärtbare Flüssigkeit schnell genug auszuhärten, um praktisch zu sein. Die Quelle (26) ist dafür eingerichtet, daß sie programmiert werden kann, ein- und ausgeschaltet zu werden und bewegt zu werden, so daß der fokussierte Spot (27) sich entlang der Oberfläche (23) der Flüssigkeit (22) bewegt. Dadurch härtet der Spot (27) bei seiner Bewegung die Flüssigkeit (22) in einen Festkörper und "zeichnet" ein festes Muster auf die Oberfläche in derselben Weise wie ein XY- Schreiber oder ein Plotter einen Stift benutzt, um ein Muster auf ein Papier zu zeichnen.
Die Lichtquelle (26) für die derzeit bevorzugte Ausführung eines Stereolithographen besteht aus einer 350 Watt Quecksilberkurzbogenlampe in einem Gehäuse, wobei das aus dem Gehäuse austretende Licht an das Ende eines UV-Licht übertragenden Faserbündels mit einem Durchmesser von 1 mm fokussiert wird (nicht gezeigt). Das Ende des Bündels an der Lampe ist wassergekühlt, und es existiert eine elektronisch gesteuerte Verschlußblende zwischen der Lampe und dem Ende des Bündels, die das Licht durch das Bündel an- und ausschalten kann. Das Bündel ist einen Meter lang, und der optische Output ist an einen Vorsatztubus angeschlossen, der eine Quarzlinse hat, um das UV-Licht auf einen Spot zu fokussieren. Die Lichtquelle (26) ist in der Lage, einen Spot mit einem Durchmesser unter 1 mm zu erzeugen mit einer langwelligen UV-Intensität von ungefähr 1 Watt/cm².
In dem System von Fig. 3 können Vorrichtungen vorgesehen sein, um die Oberfläche (23) auf einem konstanten Niveau zu halten und um das Material aufzufüllen, nachdem ein Objekt entfernt worden ist, so daß der Fokusspot (27) scharf in seinem Fokus auf einer festen Fokusebene bleibt, wodurch eine maximale Auflösung beim Bilden einer dünnen Schicht entlang der Arbeitsfläche gewährleistet wird. Dazu ist es wünschenswert, um eine Region hoher Intensität direkt an der arbeitenden Oberfläche (23) vorzusehen, den Fokuspunkt schnell zu niedriger Intensität divergierend zu bilden, dadurch die Tiefe des Aushärteprozesses zu begrenzen und die dünnsten geeigneten Querschnittsschichten für das auszubildende Objekt vorzusehen. Dies wird am besten dadurch erreicht, daß eine Linse mit kurzer Brennweite verwendet wird und dadurch, daß die Quelle (26) so nah wie möglich an die Arbeitsfläche gebracht wird, so daß eine maximale Divergenz im Kegel des Fokus, der in das flüssige Medium eintritt, stattfindet. Das Ergebnis ist eine wesentlich verbesserte Auflösung.
Ein HP-Modell 9872 Digitalplotter (nicht gezeigt), hergestellt von Hewlett Packard, Palo Alto, Kalifornien, wird dazu verwendet, um die Lichtquelle (26) zu bewegen. Der Vorsatztubus ist an der Stiftaufhängung des Plotters befestigt und der Plotter wird durch den Computer (28) mit normalen graphischen Befehlen angesteuert. Die Blende wird unter Verwendung von Computerbefehlen durch eine HP 3497 A Data Acquisition/Controll Unit gesteuert.
Andere physikalische Formen der Lichtquelle (26) oder ihre Äquivalente sind möglich. Das Scannen könnte mit optischen Scannern durchgeführt werden und dies würde das optische Faserbündel und den digitalen Plotter beseitigen. Ein UV-Laser schließlich könnte eine bessere Lichtquelle sein als eine Kurzlichtbogenlampe. Die Geschwindigkeit des Stereolithographie-verfahrens ist im wesentlichen durch die Intensität der Lichtquelle und die Reaktion der unter UV-Licht aushärtbaren Flüssigkeit begrenzt. Die Aufzug-Plattform (29) wird dazu verwendet, um das Objekt (30), das gerade ausgebildet wird, zu unterstützen und zu halten, und um es wie verlangt auf und ab zu bewegen. Nachdem eine Schicht gebildet worden ist, wird das Objekt (30) typischerweise unterhalb des Niveaus der nächsten Schicht bewegt, um zu ermöglichen, daß die Flüssigkeit (22) in die momentane Leere an der Oberfläche (23), wo der Festkörper gebildet worden ist, fließt, und wird dann zurückbewegt zu dem richtigen Niveau für die nächste Schicht. Die Anforderung für die Aufzug-Plattform (29) sind, daß sie in einer programmierbaren Weise mit geeigneten Geschwindigkeiten mit geeigneter Präziession bewegt werden kann und daß sie stark genug ist, um das Gewicht des Objekts (30), das ausgebildet wird, zu handhaben. Darüberhinaus ist eine manuelle Feineinstellung der Aufzug-Plattform nützlich während der Aufbauphase, und wenn das Objekt entfernt wird.
Die Aufzug-Plattform (29) für die Ausführung von Fig. 3 ist eine Plattform, die an einen analogen Plotter angeschlossen ist (nicht gezeigt). Dieser Plotter wird von der HP 3497 A Data Acquisition /Controll Unit mit ihrem internen Digital zu Analog Konverter unter der Programifikontrolle des Computers (28) gesteuert.
Der Computer (28) hat zwei grundlegende Funktionen in der Stereolithographievorrichtung. Die erste besteht darin, dem Operator zu helfen, das dreidimensionale Objekt in einer Weise zu entwerfen, daß es hergestellt werden kann. Die zweite ist, den Entwurf in Befehle zu übersetzen, die für die anderen stereolithographischen Komponenten geeignet sind und diese Befehle in einer Weise zu übertragen, so daß das Objekt ausgebildet wird. In manchen Anwendungen wird der Objektentwurf existieren und es wird die einzige Funktion des Computers sein, die geeigneten Befehle zu übertragen.
In einer idealen Situation wird der Operator in der Lage sein, das Objekt zu entwerfen und es dreidimensional auf einem CRT-Schirm auf dem Computer (28) zu sehen. Wenn er mit dem Entwurffertig ist, wird er den Computer (28) anweisen, das Objekt herzustellen und der Computer wird die geeigneten Anweisungen an die stereolithographischen Komponenten schicken.
In einer derzeit arbeitenden Ausführung der Erfindung ist der Computer (28) ein HP 9816 mit einem Basic-Betriebssystem. In diesem System programmiert der Operator unter Verwendung der HP Graphic Language die Befehlsstruktur für den 3497 A und die Basic-Sprachbefehle. Der Operator muß ebenfalls die geeigneten Expositionszeiten und- raten für das unter UV-Licht aushärtbare Material festlegen. Um das System zu bedienen, wird ein Bild des Objekts erzeugt und ein Programm geschrieben, um den Stereolithographen zu steuern und das Objekt herzustellen.
Die Aufzug-Plattform (29) kann mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch sein und ebenso optische oder elektronische Rückkopplung verwenden, um ihre Position genau zu steuern. Die Aufzug-Plattform (29) ist typischerweise aus Glas oder Aluminium gefertigt, aber jedes Material, an dem das ausgehärtete Plastikmaterial haften wird, ist geeignet.
In manchen Fällen wird der Computer (28) überflüssig, und zum Programmieren können einfachere geeignete Geräte verwendet werden, insbesondere, wenn nur einfach geformte Objekte ausgebildet werden sollen. Alternativ kann das Computersteuerungssystem (28) einfach Befehle ausführen, die von einem anderen komplexeren Computer erzeugt worden sind. Dies kann der Fall sein, wenn mehrere Stereolithographieeinheiten dazu verwendet werden, um Objekte herzustellen und ein anderes Gerät dazu verwendet wird, die auszubildenden Objekte zuerst zu entwerfen.
Eine computergesteuerte Pumpe (nicht gezeigt) kann dazu verwendet werden, um ein konstantes Niveau der Flüssigkeit (22) an der Arbeitsfläche (23) zu halten. Geeignete Detektionssysteme und Rückkopplungsnetzwerke, gut bekannt aus der Technik, können dazu verwendet werden, die Fluidpumpe oder die Fluidverschiebungseinrichtung, z. B. eine feste Stange (nicht gezeigt), die aus dem fluiden Medium bewegt wird, wenn die Aufzugsplattform tiefer in das Medium bewegt wird, zu steuern, um Veränderungen im Fluidvolumen auszugleichen und ein konstantes Niveau des Fluids an der Oberfläche (23) zu erhalten. Durch solche Maßnahmen kann die Quelle (26) einen scharfen Fokus an der Arbeitsfläche (23) beibehalten. Alle diese Maßnahmen können einfach durch konventionelle Software erreicht werden, die mit dem Computersteuersystem (28) zusammenarbeitet.
Nachdem das dreidimensionale Objekt (30) ausgebildet worden ist, wird die Aufzugsplattform (29) angehoben und das Objekt von der Plattform entfernt.
Typischerweise wird das Objekt dann mit Ultraschall in einer Lösung gereinigt, z. B. Aceton, die den flüssigen Zustand des nichtausgehärteten fluiden Mediums und nicht den ausgehärteten festen Zustand des fluiden Mediums löst. Das Objekt (30) wird dann unter ein intensives ultraviolettes Flutlicht gebracht, typischerweise eine 200 Watt/inch UV-Aushärtelampe, um den Aushärteprozeß zu vervollständigen.
Zusätzlich können bei der Anwendung der Erfindung mehrere Behälter (21) verwendet werden, wobei jeder Kontainer einen verschiedenen Typ des aushärtbaren Materials hat, das automatisch beim stereolithographischen System ausgewählt werden kann. Die verschiedenen Materialien können Plastik mit verschiedenen Farben vorsehen oder sowohl nicht leitende als auch leitende Materialien für die verschiedenen Schichten von elektronischen Produkten bereithalten.
Im folgenden wird insbesondere auf die restlichen Zeichnungen bezug genommen in Verbindung mit den verschiedenen alternativen Ausführungen der Erfindung. Die Referenznummern in den verschiedenen Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche oder entsprechende Teile wie die zuvor diskutierten in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungen der Erfindung, die in Fig. 3 gezeigt ist.
Wie Fig. 4 der Zeichnungen zu entnehmen ist, ist dort eine andere Konfiguration für einen Stereolithographen gezeigt, wobei die unter UV-Licht aushärtenbare Flüssigkeit (22) oder etwas ähnliches auf einer schwereren, für UV-Licht durchsichtigen Flüssigkeit (32) schwimmt, die sich nicht mischt und die aushärtenbare Flüssigkeit (22) nicht benetzt. Als ein Beispiel sind Äthylenglycol oder schweres Wasser für die flüssige Zwischenschicht (32) geeignet. In dem System aus Fig. 4 wird das dreidimensionale Objekt (30) von der Flüssigkeit (22) nach oben gezogen anstatt nach unten und tiefer in das flüssige Medium wie in Fig. 3 gezeigt.
Die UV-Lichtquelle (26) in Fig. 4 fokussiert den Spot (27) auf die Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit (22) und der nicht mischbaren flüssigen Zwischenschicht (32), wobei die UV-Strahlung durch ein geeignetes, für UV- Licht transparentes Fenster (33) aus Quarz oder ähnlichem fällt, das am Boden des Behälters (21) unterstützt wird. Die aushärtenbare Flüssigkeit (22) ist in einer sehr dünnen Lage über der nicht mischbaren Schicht (32) vorgesehen und hat damit den Vorteil der direkten Schichtdickenbegrenzung, anstatt sich nur auf Absorption und ähnliches zu verlassen, um die Aushärtetiefe zu begrenzen, da idealerweise eine ultradünne Schicht vorgesehen werden soll. Der Bereich des Ausbildens wird daher schärfer definiert werden und einige Oberflächen werden glatter ausgebildet werden mit dem System aus Fig. 4 als mit dem aus Fig. 3. Zusätzlich wird ein kleineres Volumen der unter UV-Licht aushärtenbaren Flüssigkeit (22) benötigt, und das Ersetzen von einem aushärtenbaren Material durch ein anderes ist einfacher.
Die Vorrichtung aus Fig. 5 ist ähnlich zu der aus Fig. 3, aber die bewegbare UV-Lichtquelle (26) ist beseitigt und eine parallel ausgerichtete breite UV-Lichtquelle (35) und eine geeignete Maske (36) mit Löchern ersetzt die programmierbare Quelle (26) und den fokussierten Spot (27). Die Maske mit Löchern (36) wird so nah wie möglich zur Arbeitsfläche (23) plaziert. Das parallel ausgerichtete Licht von der UV-Quelle (35) fällt durch die Maske (36) zur Exposition der Arbeitsfläche (23) und erzeugt dadurch aufeinanderfolgende, benachbarte Schichten wie in den Ausführungen von den Fig. 3 und 4. Die Verwendung einer festen Maske (36) erzeugt jedoch dreidimensionale Objekte mit einer konstanten Querschnittsform. Immer wenn diese Querschnittsform geändert werden soll, muß eine neue Maske (36) für diese besondere Querschnittsform eingesetzt und richtig ausgerichtet werden. Natürlich können die Masken automatisch gewechselt werden, indem ein Netz von Masken vorgesehen wird (nicht gezeigt), die nacheinander über der Oberfläche (23) ausgerichtet werden.
Fig. 6 der Zeichnungen sieht wiederum eine Konfiguration der Stereolithographievorrichtung vor, die der zuvor in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen ähnlich ist. Eine Elektronenstrahlröhre (CRT) (38), eine faseroptische Frontplatte (39) und eine Auslassschicht (40) aus Wasser (oder anderem) sind jedoch vorgesehen als Ersatz für die Lichtquelle (26) und den Fokusspot (27). Das graphische Bild, das durch den Computer (28) für die CRT (38) vorgesehen wird, erzeugt daher das formende Bild auf der UV emitierenden Phosphorschicht der Röhre, wo es durch die faseroptische Schicht (39) und die Auslassschicht (40) auf die Arbeitsfläche (23) des flüssigen Mediums (22) fällt. In jeder anderen Hinsicht bildet das System aus Fig. 6 aufeinander Querschnittsschichten, die das gewünschte, auszubildende, dreidimensionale Objekt definieren, auf genau dieselbe Art wie die Ausführungen der Erfindung, die zuvor diskutiert worden sind.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Ausführung einer Stereolithographievorrichtung, wobei die Aufzug-Plattform (29) zusätzliche Freiheitsgrade hat, so daß verschiedene Seiten des Objekts (30) für verschiedene Konstruktionsmethoden exponiert werden können. In ähnlicher Weise kann das Stereolithographieverfahren als Zusatzverfahren verwendet werden, wobei die Aufzug-Plattform (29) dazu verwendet werden wird, ein anderes Teil für das ergänzende stereolithographische Verfahren aufzunehmen und zu plazieren. In dieser Hinsicht sind die Systeme, die in Fig. 7 und Fig. 8 gezeigt sind, identisch zu dem aus Fig. 3 mit der Ausnahme der Aufzug-Plattform (29), die in den Systemen von Fig. 7 und Fig. 8 über eine manuell oder automatisch gesteuerte Drehung um einen Gelenkzapfen oder ein Gelenk (42) einen zweiten Freiheitsgrad hat. Fig. 7 zeigt dazu eine justierbare Aufzug- Plattform (29a) in der gewöhnlichen Position, während Fig. 8 die Aufzug- Plattform (29a) um 90º gedreht zeigt, so daß eine zusätzliche stereolithographisch ausgebildete Struktur (41) selektiv als ein Zusatz zu einer Seite des dreidimensionalen Objekts (30) ausgebildet werden kann.
Eine kommerzielle Stereolithographievorrichtung wird zusätzliche Komponenten und Untersysteme haben neben denen, die bereits in Verbindung mit den schematisch gezeigten Systemen der Fig. 3 - 8 gezeigt worden sind. Ein kommerzielles System würde z. B. auch einen Rahmen und ein Gehäuse haben und ein Controlpanel. Es sollte Vorrichtungen haben, um den Operator vor dem Überschuß an UV-Licht und sichtbaren Licht abzuschirmen und es könnte ebenso Vorrichtungen haben, die die Betrachtung des Objekts (30) ermöglichen, während es ausgebildet wird. Kommerzielle Einheiten werden Sicherheitsvorrichtungen zur Kontrolle von Ozon und schädlichen Dämpfen ebenso wie konventionelle Hochspannungssicherungs-vorkehrungen und Interlocks haben. Solche kommerziellen Einheiten werden ebenso Vorrichtungen haben, um die empfindliche Elektronik von elektronischen Rauschquellen abzuschirmen.
Wie bereits erwähnt, können eine Anzahl anderer Vorrichtungen verwendet werden, um die stereolithographische Methode der vorliegenden Erfindung anzuwenden. Zum Beispiel könnte eine Elektronenquelle, eine sichtbare Lichtquelle, eine Röntgenquelle oder eine andere Strahlungsquelle die UV- Lichtquelle (26) ersetzen zusammen mit geeigneten flüssigen Medien, die in Reaktion auf diese spezielle Form der reaktiven Stimulation aushärten.
Zum Beispiel kann Alphaoctadecylacrylsäure, die mit UV-Licht leicht vorpolymerisiert worden ist, mit einem Elektronenstrahl polymerisiert werden. Ähnlich kann Poly(2,3-dicloro-1-propyl-acrylat) mit einem Röntgenstrahl polymerisiert werden.
Das stereolithographische Verfahren und die oben beschriebenen Vorrichtungen haben viele Vorteile gegenüber zur Zeit benutzten Verfahren zur Herstellung von Plastikobjekten. Das beschriebene Verfahren vermeidet den Bedarf, Layouts und Zeichnungen des Entwurfs herzustellen und Werkzeugbestückungszeichnungen und Werkzeugbestückung herzustellen. Der Entwerfende kann direkt mit dem Computer und dem Stereolithographiegerät arbeiten, und wenn er zufrieden ist mit dem Design, wie es auf dem Schirm des Computers dargestellt ist, kann er ein Teil zur direkten Überprüfung herstellen. Wenn der Entwurf geändert werden muß, kann das leicht mit dem Computer getan werden und dann ein anderes Teil hergestellt werden, um zu überprüfen, ob die Änderungen richtig waren. Wenn der Entwurf mehrere Teile erfordert mit wechselwirkenden Entwurfsparametern, wird die Methode der Erfindung noch nützlicher, da alle Entwürfe der Teile schnell geändert und erneut hergestellt werden können, so daß der gesamte Zusammenbau wenn nötig wiederholt hergestellt und überprüft werden kann.
Wenn der Entwurf vollständig ist, kann die Herstellung der Teile sofort beginnen, so daß Wochen und Monate zwischen dem Entwurf und der Produktion vermieden werden. Die letztendlichen Stückzahlen und Stückkosten sollten ähnlich sein, wie die gängigen Kosten beim Spritzgußverfahren fur kleine Stückzahlen mit noch geringeren Arbeitskosten, als sie mit dem Spritzgußverfahren verbunden sind. Das Spritzgußverfahren ist wirtschaftlich nur dann, wenn große Zahlen gleicher Teile gebraucht werden. Stereolithographie ist für kleine Stückzahlen nützlich, da der Bedarf an Werkzeugbestückung entfällt und die Zeit für die Vorbereitung der Produktion minimal ist.
Entsprechend lassen sich leicht Entwurfsänderungen und Spezialteile mit dieser Technik vorsehen. Aufgrund der Leichtigkeit bei der Herstellung der Teile ermöglicht es die Stereolithographie, Plastikteile an vielen Stellen zu verwenden, wo jetzt Teile aus Metall oder anderen Materialien verwendet werden. Zusätzlich erlaubt diese Technik, vor der Entscheidung, teurere Teile aus Metall oder anderen Materialien zu produzieren Plastikmodelle der Objekte schnell und wirtschaftlich herzustellen.
Aus dem Vorhergehenden wird offensichtlich, daß obwohl eine Vielzahl von Stereolithographievorrichtungen offenbart worden sind, für die Anwendung der vorliegenden Erfindung, sie alle das Konzept des Zeichnens auf einer im wesentlichen zweidimensionale Oberfläche und das Extrahieren eines dreidimensionalen Objekts von dieser Oberfläche gemeinsam haben.
Die oben beschriebene Vorrichtung kann als ein Teil eines CAD und CAM Systems realisiert werden, das in der Lage ist schnell, zuverlässig, genau und wirtschaftlich dreidimensionale Plastikteile und ähnliches zu entwerfen und herzustellen.

Claims

1. Ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes (30) mittels selektiver Verfestigung einer Oberflächenschicht eines fluiden Mediums (22), welches durch ein verfestigendes Medium verfestigbar ist, um das Objekt (30) aus überlagerten verfestigten Objektschichten (30a, 30b, 30c) aufzubauen, wobei das Verfähren die Schritte umfaßt

Bereitstellen eines Körpers des fluiden Mediums (22);

Selektives Aufbringen eines verfestigenden Mediums (26) auf dem Niveau einer Arbeitsfläche (23) des fluiden Mediums (22), um eine verfestigte Objektschicht auf zuvor verfestigten Objektschichten zu bilden, die das aufzubauende Objekt (30) bilden; und

Bewegen des aufrubauenden Objektes (30) in fortschreitenden Schritten fort von dem genannten Niveau der Arbeitsfläche (23), um es frischem fluiden Medium zu erlauben, auf jede schrittweise Bewegung folgend zur selektiven Verfestigung zugeführt zu werden, gekennzeichnet durch

Detektieren des Niveaus der Oberflächenschicht des genannten frischen fluiden Mediums und Justieren des Niveaus der Oberflächenschicht des genarmten frischen fluiden Mediums an das genaxmte Niveau der Arbeitsfläche (23).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Justieren des Niveaus der genannten Oberflächenschicht mittels einer Fluidpumpe bewirkt wird, die mit dem genannten fluiden Medium (22) kommuniziert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Justieren des Niveaus der genannten Oberflächenschicht durch Bewegung einer Fluidverschiebungseinrichtung in dem genannten fluiden Medium (22) bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein Computer verwendet wird, um die Wirkung der genannten Pumpe in Antwort auf die Detektion des Niveaus der genannten Oberflächenschicht zu steuern.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Computer verwendet wird, um die Bewegung der genannten Liquidverschiebungseinrichtung in Antwort auf die Detektion des Niveaus der genannten Oberflächenschicht zu steuern.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem die selektive Aufbringung des verfestigenden Mediums die Führung eines Strahls des verfestigenden Mediums auf die genannte bezeichnete Oberfläche gemäß einem ausgewählten graphischen Muster umfäßt

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem die selektive Aufbringung des verfestigenden Mediums die Führung des verfestigenden Mediums auf der genannten bezeichneten Oberfläche umfäßt, sowie daß Maskieren der genannten bezeichneten Oberfläche mit einer Maske, die ein ausgewähltes graphisches Muster definiert, um selektiv das Auftreffen des verfestigenden Mediums auf der genannten bezeichneten Oberfläche zu steuern.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der genannte Strahl ein Lichtstrahl ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Licht ultraviolettes Licht ist.

10. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der genannte Strahl ein hochenergetischer Partikelstrahl ist.

11. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der genannte Strahl ein Elektronenstrahl ist.

12. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der genannte Strahl ein Röntgenstrahl ist.

13. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der genannte Strahl ein Düsenstrahl eines Materiales ist, daß chemisch mit dem genannten verfestigbaren fluiden Medium reagiert.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5 oder 7, bei dem das genannte verfestigende Medium Licht ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Licht ultraviolettes Licht ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5 oder 7, bei dem das genannte verfestigende Medium hochenergetische Partikel umfäßt, die das fluide Medium bombadieren.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5 oder 7, bei dem das genannte verfestigende Medium Röntgenstrahlen umfaßt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5 oder 7, bei dem das genannte verfestigende Medium ein Material umfaßt, daß chemisch mit dem genannten verfestigbaren fluiden Medium reagiert.

19. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem das selektive Aufbringen des verfestigenden Mediums das Anzeigen eines ausgewählten graphischen Musters auf einer Katodenstrahlröhre enthält, zum Transfer auf die genannte bezeichnete Oberfläche.

20. Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes (30) mittels selektiver Verfestigung einer Oberflächenschicht eines fluiden Mediums (22), welches durch ein verfestigendes Medium verfestigbar ist, um das Objekt (30) aus überlagerten verfestigten Objektschichten (30a, 30b, 30c) aufzubauen, wobei die Vorrichtung umfaßt:

einen Behälter (21) für das fluide Medium (22),

ein Mittel zum selektiven Aufbringen eines verfestigenden Mediums auf eine Arbeitsfläche (23) des fluiden Mediums, um eine verfestigte Objektschicht zu bilden;

ein Trägermittel (29), das für Bewegungen bezüglich der genannten Arbeitsfläche (23) gehaltert ist, um ein aufzubauendes Objekt (30) zu tragen; und

ein Steuermittel (28), um das genannte Trägermittel in fortschreitenden Schritten von der genannten Oberfläche fort zu bewegen, um es frischem fluiden Medium zu erlauben, nach jeder schrittweisen Bewegung zur selektiven Verfestigung zugeführt zu werden, gekennzeichnet durch:

ein Detektionsmittel zum Detektieren des Niveaus der Oberflächenschicht des genannten frischen fluiden Mediums, und ein Justagemittel, das auf das detektierte Niveau des genannten frischen fluiden Mediums anspricht, um das Niveau der genannten Oberflächenschicht an das der genannten Arbeitsfläche (23) zu justieren.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, in der das genannte Justagemittel eine Fluidpumpe enthält, die mit dem genannten fluiden Medium (22) kommuniziert.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, in der das genannte Justagemittel eine Fluidverschiebungseinrichtung enthält, die in dem genannten fluiden Medium beweglich ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, in der das genannte Justagemittel einen Computer enhält, zum Steuern der Wirkung der genannten Pumpe in Antwort auf das detektierte Niveau der genannten Oberflächenschicht.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, in der das genannte Justagemittel einen Computer enthält, zum Steuern der Bewegung der genannten Fluidverschiebungseinrichtung in Antwort auf das dektierte Niveau der genannten Oberflächenschicht.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-24, in der das genannte Mittel zum selektiven Aufbringen eines verfestigenden Mediums Mittel zum Führen eines Strahls des verfestigenden Mediums auf die genannte bezeichnete Oberfläche umfäßt, gemäß eines ausgewählten graphischen Musters.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-24, in der das genannte Mittel zum selektiven Aufbringen eines verfestigenden Mediums Mittel umfaßt, um das verfestigende Medium auf die genannte bezeichnete Oberfläche zu führen, sowie eine Maske, die ein ausgewähltes graphisches Muster definiert, um selektiv das Auftreffen des verfestigenden Mediums auf die genannte bezeichnete Oberfläche zu steuern.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, in der das genannte Strahlführungsmittel einen Lichtstrahl erzeugt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, in der das Licht ultraviolettes Licht ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 25, in der das genannte Strahlführungsmittel einen hochenergetischen Partikelstrahl erzeugt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 25, in der das genannte Strahlführungsmittel einen Elektronenstrahl erzeugt.

31. Vorrichtung nach Anspruch 25, in der das genannte Strahlführungsmittel einen Röntgenstrahl erzeugt.

32. Vorrichtung nach Anspruch 25, in der das genannte Strahlerzeugungsmittel einen Düsenstrahl eines Materiales bereitstellt, das chemisch mit dem genannten verfestigbaren fluiden Medium reagiert.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-24 oder 26, in der das genannte verfestigende Medium Licht ist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, in der das Licht ultraviolettes Licht ist.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-24 oder 26, in der das genannte verfestigende Medium hochenergetische Partikel umfaßt, die das fluide Medium bombadieren.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-24 oder 26, in der das genannte verfestigende Medium Röntgenstrahlen umfaßt.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-24 oder 26, in der das genannte verfestigende Medium ein Material umfaßt, das chemisch mit dem genannten verfestigbaren fluiden Medium reagiert.

38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-24, in der das genannte Mittel zum selektiven Aufbringen des genannten verfestigenden Mediums eine Katodenstrahlröhre enthält, auf der ein ausgewähltes graphisches Muster angezeigt wird, zum Transfer auf die genannte bezeichnete Oberfläche.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-38, in der das genannte Tragermittel ein Mittel enthält, das für einen zusätzlichen Bewegungs freiheitsgrad des genannten Trägermittels sorgt, um einen Orientierungswechsel bezüglich der genannten bezeichneten Oberfläche des aufzubauenden Objektes zu erlauben.