DE4412160A1

DE4412160A1 - Belichtungsverfahren zum Reduzieren der Verzerrung bei durch räumliche Abbildung erzeugten Modellen

Info

Publication number: DE4412160A1
Application number: DE4412160A
Authority: DE
Inventors: Bronson Robert Hokuf; John Alan Lawton
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1993-04-12
Filing date: 1994-04-12
Publication date: 1994-10-13
Also published as: TW253866B; JP3449779B2; JP3585913B2; JPH06297585A; US5429908A; JP2003305776A; KR0127835B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Bildung dreidimensionaler Modelle und insbeson dere ein Verfahren zum Steuern der Belichtung photoform barer Schichten, das Modelle erzeugt, bei denen die durch innere Spannungen verursachten Verzerrungen redu ziert sind.

Es existieren zahlreiche Systeme für dreidimensionale (körperliche) Modellerzeugung durch Photoformung. EP-A- 250 121 offenbart eine Vorrichtung zur Bildung dreidi mensionaler Modelle, bei der eine härtbare Flüssigkeit verwendet wird, und enthält einen Überblick über Ver öffentlichungen auf diesem Gebiet. US-4 575 330 offen bart ein System zur Bildung dreidimensionaler Gegenstän de durch Erzeugung eines Querschnittsmusters des zu bildenden Objektes an einer gewählten Oberfläche eines Fluidmediums, welches in der Lage ist, seinen physikali schen Zustand als Reaktion auf eine geeignete Stimulie rung, z. B. durch auftreffende Strahlung, Partikelbeschuß oder chemische Reaktion, zu ändern. Aufeinanderfolgende, aneinander anhaftende Schichten, die entsprechende auf einanderfolgende Querschnitte des Objektes repräsentie ren, werden derart erzeugt, daß sie ein dreidimensio nales Objekt bilden. US-4 752 498 offenbart ein verbes sertes Verfahren zum Erzeugen dreidimensionaler Gegen stände, bei dem ein ungehärtetes Photopolymer bestrahlt bzw. belichtet wird, indem eine ausreichende Menge einer Photopolymerverfestigungsstrahlung durch ein strahlungs durchlässiges Material geschickt wird, das sich in Kon takt mit dem ungehärteten Photopolymer befindet. Das durchlässige Material ist derart beschaffen, daß es die bestrahlte Fläche in einem Zustand beläßt, in dem diese zu einer weiteren Vernetzung imstande ist, so daß eine anschließend gebildete Schicht an der Fläche anhaftet.

Beim Erzeugen eines dreidimensionalen Objektes mittels aufeinanderfolgender Schichten, die zur Bildung aufein anderfolgender Querschnitte des Objektes einer bildweise modulierten Aushärtstrahlung ausgesetzt werden, muß gewährleistet sein, daß jede Schicht den gewünschten Querschnitt des Objektes präzise wiedergibt, um ein dreidimensionales Objekt zu erzeugen, der eine exakte Wiedergabe des gewünschten Objektes ist. Deshalb ist es wichtig, daß keine Verzerrung in die Erzeugung irgend einer Schicht eingebracht wird, da eine solche Verzer rung ein verzerrtes Objekt erzeugen würde. Nachteili gerweise treten in den einzelnen Schichten tatsächlich Verzerrungen auf, da sich die photoformbare Zusammen setzung während des Bestrahlungsvorgangs von einem im wesentlichen frei fließenden Zustand in einen im wesent lichen gehärteten festen Aggregatzustand verändert, und zwar aufgrund von Spannungen in den Schichten. Man nimmt an, daß derartige Spannungen das Ergebnis beträchtlicher Kräfte sind, die durch die Molekularschrumpfung erzeugt werden, welche aufgrund des zur Aushärtung vorgesehenen Bestrahlungsvorgangs erfolgt. Zur Lösung dieses Problems sind zahlreiche Vorschläge gemacht worden.

Gemäß einem Lösungsvorschlag werden die Schichten einem WEAVE-Muster ausgesetzt; dieser Vorschlag ist beschrie ben in: Rapid Phototyping & Manufacturing, 1. Ausgabe, von Paul F. Jacobs, veröffentlicht von The Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, Kapitel 8, "Advanced Part Building", S. 195-219. US-4 945 032 of fenbart ein Verfahren zur Reduzierung von Verzerrung, bei dem die Belichtung einer Schicht gestoppt und dann mindestens einmal wiederholt wird. Gemäß JP-A-63(1988)- 172 685 werden ebenfalls zwei Belichtungen verwendet, und zwar eine erste, bildweise Belichtung, nach der in den belichteten Bereichen das Harz nur partiell gehärtet ist, und - nachdem das Modell vervollständigt ist - eine zweite Belichtung, bei der es sich um eine Gesamt belichtung handelt, mittels derer das teilweise gehärte te Harz vollständig gehärtet und somit ein festes Modell erzeugt wird. Obwohl durch diese Verfahren die Verzer rung reduziert wird, besteht weiterhin Bedarf an einem Verfahren, das in der Lage ist, einen verzerrungsfreien Festkörper zu erzeugen und bei dem der resultierende Körper nur eine sehr geringe Menge an eingeschlossenem ungehärtetem Material enthält und größtmögliche Festig keit aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Belichtungsverfahren nach Anspruch 1 vorgeschlagen.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, daß die in Schritt (1) erfolgende bildweise Belichtung derart durchgeführt wird, daß strichförmige gehärtete Bereiche erzeugt werden und die strichförmigen Bereiche entlang einer Bildlinie relativ zu den strichförmigen Bereichen in benachbarten Bildlinien seitlich verschoben werden. Bei der Lichtquelle handelt es sich vorzugsweise um einen Abtastlaserstrahl, der zur Steuerung der Be lichtung der photoformbaren Zusammensetzung durch ein Impulssignal submoduliert wird; sowohl die Modulation als auch die Supermodulation des Strahls für die beiden Belichtungen werden begleitet von einer selektiven Ver änderung der Intensität des auf die eine Schicht auf treffenden Strahls von einem "Ein"-Zustand zu einem "Aus"-Zustand in vorbestimmten Zeitintervallen. Beim Erzeugen eines Festkörpermodells werden die Schritte (1) und (2) in einer vorbestimmten Häufigkeit wiederholt, um mehreren Schichten einer den vorbestimmten Mustern ent sprechenden Belichtung auszusetzen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher er läutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens;

Fig. 2 ein Schaubild eines einem Strahlmodulator zu geführten Steuersignals zur Submodulation eines Belichtungsstrahls, und der resultierenden Er härtung einer dem submodulierten Strahl ausge setzten photoformbaren Zusammensetzung, bei konstanter Abtastgeschwindigkeit;

Fig. 3 ein Schaubild des Strahlintensitätsprofils auf der Zielebene;

Fig. 4 ein Schaubild eines dem Strahlmodulator zuge führten Steuersignals zur bildweisen Modulierung eines Belichtungsstrahls;

Fig. 5 ein Schaubild eines dem Strahlmodulator zuge führten Steuersignals zum Supermodulieren eines Belichtungsstrahls, das bei der ersten bildwei sen Belichtung einer photoformbaren Zusammen setzung verwendet wird;

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt des Ergebnisses der ersten bildweisen Belichtung einer photo formbaren Schicht unter Verwendung des Steuersi gnals gemäß Fig. 5;

Fig. 7 einen schematischen Querschnitt des Ergebnisses der zweiten bildweisen Belichtung einer photo formbaren Schicht unter Verwendung des Steuersi gnals gemäß Fig. 4;

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf einen belichte ten Bildbereich auf einer Schicht, wobei die nach der ersten bildweisen Belichtung gebildeten Inseln gezeigt sind;

Fig. 9 eine schematische Draufsicht auf den Bereich gemäß Fig. 8, wobei die nach der zweiten bild weisen Belichtung gebildeten Inseln gezeigt sind;

Fig. 10 eine schematische Draufsicht der Relativpositio nen der Inseln, die gemäß einer alternativen Ausführungsform durch die erste bildweise Be lichtung gebildet sind.

Bei der folgenden Beschreibung der Erzeugung eines drei dimensionalen Modells durch das Verfahren, durch das eine reduzierte Verzerrung erzielt wird, werden die folgenden anschließend näher definierten Ausdrücke ver wendet:

Photoformbare Zusammensetzung

Ein Material, das sich anfangs in einem ungehärteten, leicht verformbaren Zustand, z. B. im flüssigen Zustand, befindet und das unter Einwirkung einer ausreichenden Menge einer geeigneten Strahlung ganz oder teilweise aushärtet.

Ungehärtet

Der Zustand der photoformbaren Zusammensetzung vor ir gendeiner wesentlichen Strahlungseinwirkung, in dem die Zusammensetzung leicht verformbar ist.

Teilweise gehärtet

Der Zustand der photoformbaren Zusammensetzung, nachdem sie der Aushärtstrahlung mit einem Intensitätsniveau ausgesetzt worden ist, das nicht ausreicht, um die Zu sammensetzung über den Punkt hinaus zu erhärten, an dem sie verformbar bleibt. Es handelt sich hierbei um einen flexiblen, nachgiebigen, gummiartigen Zustand.

Gehärtet

Der Zustand der photoformbaren Zusammensetzung, nachdem diese einer Aushärtstrahlung mit einem hinreichenden Intensitätsniveau ausgesetzt worden ist, um die Zusam mensetzung zu verfestigen. (Eine gewisse Menge an unge härtetem oder teilweise gehärteten Material kann in Gittern in der gehärteten Zusammensetzung gefangen wer den, jedoch ist derartiges Material nicht in ausreichen den Mengen vorhanden, um das gesamte Material nachgiebig zu machen.)

"Ein"- und "Aus"-Zustände

Der "Ein"-Zustand ist ein Zustand, in dem die Intensität und die Geschwindigkeit eines Belichtungsstrahls derart beschaffen sind, daß die auf der Bildebene gemessene Belichtung (die Intensität der auftreffenden Strahlung multipliziert mit der Dauer des Auftreffens) über einem Schwellenpegel liegt, der zum Härten des photoformbaren Materials ausreicht. Der "Aus"-Zustand ist ein Zustand, in dem die Intensität und die Geschwindigkeit des Strahls derart beschaffen sind, daß die wiederum auf der Bildebene gemessene Belichtung unter einem Schwellenpe gel liegt, der zum Härten des photoformbaren Materials ausreicht.

Submodulation

Ein Vorgang, bei dem die Laserstrahl-Intensität und/ oder -Geschwindigkeit derart verändert wird, daß "Ein"- und "Aus"-Zustände mit einer Impulskette variabler Im pulsbreite und Wiederholungsrate erzeugt werden. Die Impulsbreite und die Wiederholungsrate (Frequenz) sind eine Funktion der augenblicklichen Abtastgeschwindigkeit des Strahls auf einer Bildebene. Die Impulsbreite und die Wiederholungsrate sind so gewählt, daß über den gesamten Abtastweg des Strahls im wesentlichen gleich förmige Belichtungsgrade auf der Bildebene erzeugt wer den.

Modulation

Ein Vorgang, durch den ein auf eine Bildebene auftref fender Laserstrahl bildweise moduliert wird, indem ba sierend auf einem Bildinformation repräsentierenden Signal die Strahlintensität auf der Bildebene zwischen dem "Ein"- und "Aus"-Zustand variiert wird, um bestimmte Bereiche auf der Bildebene zu belichten und dadurch ein Bild zu reproduzieren, das der von dem Signal repräsen tierten Bildinformation entspricht. Der Strahl kann ein submodulierter Laserstrahl sein.

Supermodulation

Ein Vorgang, bei dem der von einem Lichtstrahl auf einer Bildebene erzeugte Belichtungsgrad weiter zwischen den "Ein"- und "Aus"-Zuständen variiert wird, und zwar ent sprechend einem vorgewählten Steuersignal, das derart gewählt ist, daß eine unterbrochene Reihe von Belichtun gen erzeugt wird, die ein Muster diskreter, unverbunde ner belichteter Bereiche innerhalb eines belichteten Teils einer Bildfläche auf einer Bildebene bilden. Dies kann erfolgen, indem entweder die Intensität der auf die Bildebene auftreffenden Belichtungsstrahlung variiert wird, oder indem die Zeit des Auftreffens der Strahlung auf einen Punkt auf der Bildebene variiert wird, oder indem sowohl die Intensität und die Zeit variiert wer den.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens. Die Vorrichtung weist eine Quelle für Belich tungsstrahlung auf, z. B. einen Laser 10, der einen Be lichtungsstrahl 12 erzeugt. Der Laser 10 ist vorzugs weise ein Hochleistungslaser, der Haupt-Bänder in sicht baren, Infrarot- oder Ultraviolettbereichen des Strah lungsspektrums abstrahlen kann, wobei das bestimmte ge wählte Band eine Funktion der Spektralempfindlichkeit der Zusammensetzung ist, die durch Strahlungseinwirkung gehärtet werden soll. Der Ausdruck "Hochleistung" ist in relativem Sinn zu verstehen und hängt in großem Ausmaß von der Menge an Strahlungsenergie ab, die zum Aushärten einer bestimmten photoformbaren Zusammensetzung benötigt wird (d. h. der Photoformbarkeits-Geschwindigkeit oder "photospeed" der Zusammensetzung). Bei derzeit verfüg baren Photoformbarkeits-Geschwindigkeiten versteht man unter "Hochleistung" eine Leistung, die größer als 20 mW und vorzugsweise größer als 100 mW ist, gemessen an der Intensität des Strahls. Zum Fokussieren des Strahls 12 auf eine Bildebene 13 sind Fokussierungseinrichtungen verfügbar, die jedoch aus Gründen der Übersicht in Fig. 1 nicht gezeigt sind.

Außer einem durch einen Laser erzeugten Belichtungs strahl 12 können andere Strahlungsquellen benutzt wer den, z. B. Elektronenstrahlen, Röntgenstrahlen etc., wobei diese Wahl wiederum von der Spektralempfindlich keit der der Strahlung ausgesetzten härtbaren Zusammen setzung abhängt. Der Querschnitt des Strahls 12 hat typischerweise kreisförmige Gestalt mit einer Gaußschen Intensitätsverteilung gemäß Fig. 3, wobei "D" der Punkt des Strahlungsgrads 1/e2 ist.

Der Strahl 12 durchläuft einen Modulator 14, der vor zugsweise ein optoakustischer Modulator ist. Der opto akustische Modulator verändert als Reaktion auf ein ihm zugeführtes elektronisches Steuersignal die Intensität des austretenden Laserstrahls zwischen ein "Ein"-Zustand und einem "Aus"-Zustand gemäß der obigen Definition.

Anschließend wird der Strahl durch ein Strahlablenksy stem geschickt, das vorzugsweise zwei orthogonale Strahlablenkeinrichtungen 16 und 18 aufweist. Die Ein richtungen 16 und 18 werden über Leitungen 15 und 15′ mittels einer Strahlablenksteuereinrichtung gesteuert, die in einem Steuermodul 28 enthalten ist. Das Strahl ablenksystem kann zwei Spiegel aufweisen, die sich um zwei orthogonale Achsen drehen, die an zwei gesteuerten Servomotoren befestigt sind. Die Servomotoren können durch ein elektronisches Signal, z. B. eine Abfolge von Schrittimpulsen, gesteuert werden und dadurch den Spie gel derart drehen, daß der Strahl auf jeden gewünschten Punkt auf der Bildebene 13 gerichtet werden und auf der Ebene 13 jede Konturlinie abtasten kann. Ein mit Servo motoren betriebenes Strahlablenksystem, das zur Ausfüh rung des Verfahrens geeignet ist, wurde von Greyhawk Systems Inc., Milpitas, California, entwickelt und wird von dieser Firma vertrieben. Alternativ können die Spie gel derart an Galvanometern montiert sein, daß durch geeignete Wahl einer Zuführspannung zu jedem der beiden Galvanometer der Strahl auch bei dieser Alternative auf jeden gewünschten Punkt auf der Bildebene 13 gerichtet werden und auf der Ebene 13 jede Konturlinie abtasten kann.

Die Bildebene 13 befindet sich in einem Behälter 20, der eine durch Strahlung härtbare Zusammensetzung 22 und eine bewegbare Stützplattform 26 enthält. Die Plattform 26 ist in dem Behälter 20 relativ zu der Laserstrahlab lenk- und Modulationsanordnung derart montiert, daß dem Laserstrahl 12 auf der Bildebene 13 selektiv auf der Bildebene 13 befindliche photoformbare Zusammensetzung 22 ausgesetzt wird. Eine Einrichtung 24 dient zum Anhe ben oder Absenken der Plattform 26 als Reaktion auf ein Steuersignal, das der Einrichtung 24 über die Leitung 25 zugeführt wird. Das Steuermodul 28 enthält eine geeigne te Hebe- und Senk-Steuereinrichtung.

Das Steuermodul 28 kann einen Computer aufweisen, der in geeigneter Weise programmiert ist, um den Laserstrahl zu modulieren, ihn auf der Bildebene 13 auszurichten und die Plattform anzuheben, um die photoformbare Zusammen setzung auf die Bildebene 13 zu bringen. Zur Durchfüh rung dieser Funktionen benötigt der Computer geeignete Wandler; es handelt sich hierbei jedoch um bekannte Technologie, die für die Erfindung nicht vorrangig wich tig ist.

Ferner ist eine (in Fig. 1 nicht gezeigte) Beschich tungseinrichtung vorgesehen, mit der auf der Plattform 26 (oder einem auf der Plattform befindlichen Objekt) auf der Bildebene 13 eine Schicht aus photoformbarer Zusammensetzung ausgebildet werden kann, die gleichför mige Dicke und eine glatte Oberfläche aufweist. Auch derartige Beschichtungseinrichtungen sind im Stand der Technik bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.

US-5 006 364 und US-5 094 935 offenbaren photoformbare Zusammensetzungen, die zur Erzeugung mehrschichtiger Modelle mittels des Festkörperabbildungsverfahrens und einer Anordnung, welche der in Fig. 1 schematisch ge zeigten Anordnung entspricht, geeignet sind. Vorzugs weise ist die photoformbare Zusammensetzung eine flüssi ge Zusammensetzung mit

a) 45 bis 55% eines difunktionalen acrylierten Poly urethanoligomers oder einer Mischung der Oligomere;
b) 25 bis 40% eines Polyglycolesters oder einer Mi schung derartiger Ester gemäß der folgenden Formel: H₂C=CH(CO)-O(CH₂-CH₂-O)₄-(CO)HC=CH₂
c) 4 bis 6% eines Photoinitiatorsystems (oder einer Mischung eines Photoinitiatorsystems), das empfind lich ist für aktinische Strahlung, z. B. 2,2-Dime thoxy-2-phenylacetophenon; und
d) 10 bis 20% eines polyfunktionalen reaktiven Ver dünnungsmittels, z. B. eines Acrylats, oder einer Mischung aus reaktiven Verdünnungsmitteln,

wobei die flüssige photoformbare Zusammensetzung eine Viskosität von 300 bis 3000 CP bei 25°C aufweist.

Der Strahl 12 wird in dem Modulator 14 moduliert. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Strahl 12 auf drei verschiedene Arten moduliert. Erstens wird der Strahl 12 durch eine Impulskette mit variabler Wiederho lingsrate submoduliert. Das Ausgeben der Impulse erfolgt als eine Funktion der Winkelposition der an den Schritt motoren montierten Strahlablenkspiegel und wird derart berechnet, daß die Belichtung der photoformbaren Zusam mensetzung, d. h. das Produkt der Strahlungsintensität und der Aufbringungszeit der Strahlung an irgendeinem Punkt entlang einer Abtastzeile auf der Abtastebene 13, konstant ist. Dies wird erzielt, indem die Impulswie derholungsrate derart gesteuert wird, daß die Verteilung der Belichtungsimpulse auf der Bildebene 13, die als Funktion des Abstandes vom Start zum Ende erfolgt, ent lang einer Abtastzeile regelmäßig ist, wie Fig. 2 zeigt.

Indem der Strahl 12 auf diese Weise gesteuert wird, erhält man über die gesamte Länge einer belichteten Bildzeile eine konstante Belichtung. Da die Strahlab lenkeinrichtung eine gewisse Masse aufweist, erfolgen die Beschleunigung und Verlangsamung nicht augenblick lich und beeinträchtigen die Belichtung, falls sie nicht kompensiert werden. Dadurch ergibt sich bei Ausbleiben einer Korrektur eine nicht gleichförmige Belichtung, da im Vergleich zu dem gleichförmigen Zustand entlang einer belichteten Bildzeile, der nach dem Abschluß der anfäng lichen Beschleunigung des Ablenkspiegels und dem Errei chen der Betriebs-Abtastgeschwindigkeit, erreicht wird, die Abtastgeschwindigkeit des Strahls 12 beim Start jeder Abtastung unterschiedlich ist. Das gleiche Problem tritt am Ende einer Abtastzeile auf, wenn sich die Bewe gung des Spiegels vor dem Stoppen verlangsamt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein Kodierer, der den an den Schrittmotoren montierten Spiegeln zu geordnet ist, zum Steuern der Impulsrate des Submodula tionssignals verwendet. Die Kodierer-Auflösung beträgt 1 Bogensekunde, und alle 2 Bogensekunden der Spiegel drehung wird ein Signal erzeugt, das in der Lage ist, den Strahl 12 in den Ein-Zustand zu submodulieren. Da der Strahl 12 ein reflektierter Strahl ist, wird bei einer Spiegeldrehung von 2 Bogensekunden der Strahl um 4 Bogensekunden gedreht. Der Abtastradius des Strahls 12 von dem Spiegel zur Bildebene 13 beträgt nominell 129,54 cm (51 Inch), und somit wird in den Abbildungsbereichen ungefähr alle 0,00254 cm (0,001′′, d. h. ein mil) ein Lichtimpuls erzeugt. Da der Durchmesser "D" des 1/e2- Strahls in dem System ungefähr 137 µm (5,4 mil) beträgt, existiert eine wesentliche Überlappung der im wesentli chen in Gaußscher Weise submodulierten Belichtungen. Diese Überlappung reicht aus, um eine belichtete Linie derart zu erhärten, daß die Linie entlang ihrer Länge im wesentlichen gleichförmige Dicke aufweist, wie in Fig. 2 in dem zweiten Schaubild gezeigt ist, das die Tiefe des Aushärtens als Funktion des Oberflächenabstandes zeigt.

Ein festes Objekt wird durch sequentielles Belichten mehrerer aneinander angrenzender, einander überlappender Schichten gebildet, die jeweils bildweise belichtet wurden. Das bildweise Belichten jeder Schicht erfolgt durch bildweises Belichten der photoformbaren Zusammen setzung in der Bildebene. Dies erfolgt wiederum durch bildweises Modulieren des Laserstrahls. Fig. 4 zeigt die Modulationsspannungsamplitude "V" als Funktion der Zeit "t" und stellt das bildweise Modulieren des Strahls dar. Wie in Fig. 4 dargestellt, wird der submodulierte Strahl durch Ein- und Ausschalten weiter moduliert, um zwei Linien zu erzeugen, nämlich die Linie A-B (Strahl "ein") und die Linie C-D (Strahl "aus"). US-5 014 207 erörtert diesen Dualmodulation-Belichtungsvorgang im einzelnen.

Die Schichten werden erfindungsgemäß zweimal belichtet. Vorzugsweise werden alle Schichten durch zweimaliges Belichten jeder Schicht gebildet. Das erste Belichten ist ein bildweises Belichten, wobei der submodulierte Belichtungsstrahlungsstrahl durch Bildinformationen weiter moduliert und mit einem vorgewählten Impulssignal supermoduliert ist, um ein nicht kontinuierliches Bild des Musters mit mehreren verankerten gehärteten Bildbe reichen zu bilden, die durch Bildbereiche aus teilweise gehärteter Zusammensetzung getrennt sind und einer Ab folge von Strichen ähnlich sind. Bei der vorliegenden Erfindung ist es nicht nur wesentlich, daß die Bildbe reiche zwischen den gehärteten Bildbereichen teilweise gehärtet sind, sondern auch, daß die gehärteten Bild bereiche mit der darunter befindlichen, daran angrenzen den Schicht verbunden sind, um einen "Floating-"Effekt während nachfolgender Belichtungen zu vermeiden. Es hat sich gezeigt, daß durch innere Spannungen während nach folgender Bestrahlungen verursachte Verzerrungen in solchen Schichten erheblich verringert werden, wenn die gehärteten Bildbereiche durch diese erste Belichtung verankert werden, und wenn diese gehärteten Bildberei che, besonders in Überhangbereichen, in denen eine "Ver ankerung" nicht erwünscht ist, durch teilweise gehärtete Bildbereiche voneinander getrennt sind.

Nach Abschluß dieses ersten bildweisen Belichtens der Schicht wird die Schicht einem zweiten bildweisen Be lichten unterzogen, wobei wiederum eine bildweise modu lierter, submodulierter Bestrahlungsstrahl verwendet wird, jedoch ohne die Supermodulation, die bei der er sten Belichtung die Striche erzeugte. Die zweite Belich tung ist derart berechnet, daß sie ein gehärtetes durch gehendes Bild erzeugt. Somit wird das Bild in jeder Schicht in zwei Schritten erzeugt, zunächst als strich weises Bild, sodann als festes Bild.

Dieses Verfahren wird im folgenden in Zusammenhang mit den Fig. 4, 5, 6 und 7 näher erläutert. Das erste Belichten einer Schicht erfolgt mit einem Strahl, der mit einem Signal moduliert ist, wie in Fig. 5 darge stellt. Dieses Signal ist das Ergebnis dreier verschie dener Modulationen des Strahls. Zunächst erfolgt die Submodulation des Strahls, die eine Abfolge kurzer Im pulse P erzeugt. Diesen Impulsen wird ein Signal über lagert, das die Bildinformation, d. h. eine durchgezogene Linie A-B, gefolgt von einem unbelichteten Bereich B-C, dem wiederum eine weitere Linie C-D folgt, repräsen tiert. Submodulationsimpulse treten nur in den durch gezogenen Linienabschnitten auf.

Eine zusätzliche Abfolge von Supermodulationsimpulsen, e-f, g-h, i-j, etc., wird überlagert, wodurch ein Be lichtungsstrahl entsteht, der die in Fig. 5 dargestell ten Gruppen S1, S2, S3, S4, S5 und S6 von Submodula tionsimpulsen P aufweist. Das Ziel der Belichtung der härtbaren Zusammensetzung mit diesen Strahlengruppen ist es, in der belichteten Schicht in der Bildebene eine Reihe von nicht miteinander verbundenen gehärteten Be reichen oder Inseln 32 zu erzeugen, die strichförmig entlang der Belichtungszeile 30 verlaufen und durch Bereiche 34 teilweise gehärteter Zusammensetzung vonein ander getrennt sind, wie in den Fig. 6 und 8 darge stellt. In Fig. 8 sind die gehärteten Inseln 32 mit gleichmäßiger Schattierung schattiert dargestellt. Der Grad des Aushärtens ist jedoch in den Inseln nicht gleichmäßig und es besteht, aufgrund der Gaußschen Form des Belichtungsstrahls, in der Nähe der Ränder der In seln ein Abfall des Belichtungsgrades, der in der Zeich nung nicht dargestellt ist. Die Frequenz der Impulsgrup pen muß derart berechnet sein, daß sichergestellt ist, daß kein gehärtetes Material den Zwischenraum zwischen den Strichen überbrückt, wobei die Bereiche 34 zwischen den Strichen höchstens teilweise gehärtete Zusammenset zung enthalten.

Vorzugsweise wird der Belichtungsgrad derart gewählt, daß das belichtete Material, wie in Fig. 6 dargestellt, um die Tiefe "d" über die Tiefe der Schicht hinaus ge härtet wird, um das Verankern der Inseln in der unteren Schicht zu bewirken. Die Größe von "d" ist nicht ent scheidend, und eine Belichtung, die das Material bis in eine die Dicke der Schicht übersteigende Tiefe härtet, reicht in jedem Falle aus. Das zuvor erwähnte US-Patent 5 014 207 lehrt das Berechnen der Tiefe des Lichthärtens als Funktion der Strahlintensität.

Im Anschluß an dieses erste Belichten erfolgt ein zwei tes Belichten der selben Schicht mit den selben Abbil dungsinformationen. Die Strahlintensität ist wie in Fig. 4 gezeigt moduliert, was zu einer Gruppe von sub modulierten Impulsen für die gesamte Länge sämtlicher durchgezogener Linien A-B, C-D, etc., führt. Das Ziel dieser zweiten Belichtung ist es, samtliche belichteten Bereiche vollständig zu härten, wobei die Bereiche zwi schen den zuvor gebildeten nicht zusammenhängenden In seln oder Strichen überbrückt werden, wie in den Fig. 7 und 9 dargestellt. Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf das Ergebnis dieses zweiten Belichtens, bei dem sämtli ches Material entlang der Abtastzeilen 36 gehärtet ist. Wie dargestellt, umfaßt der gehärtete Bereich die Inseln 32 und die Zwischenräume 34.

Fig. 10 zeigt eine geringfügige Variation dieses Ver fahrens, bei der die Positionen der Inseln 32 in benach barten Abtastzeilen 30 versetzt sind, so daß die Inseln 32 und 32′ nicht genau nebeneinanderliegen.

Es hat sich gezeigt, daß bei einigen Polymeren das Schrumpfen über mehr als eine Minute nach dem Belichten fortdauern kann. Wenn eine solche Verzögerung festge stellt wird, kann das zweite Belichten, d. h. das Belich ten mit dem modulierten Strahl, nach dem Belichten mit dem supermodulierten Strahl um eine Zeitspanne verzögert werden, die das Auftreten des Schrumpfens des Polymers nach dem Belichten erlaubt.

Nach dem Abschluß der beiden bildweisen Belichtungsvor gänge wird auf die belichtete Schicht eine neue Schicht unbelichteten Materials aufgetragen und der Vorgang für diese neue Schicht wiederholt, und so weiter, bis ein dreidimensionales Objekt unter Verwendung mehrerer an einander angrenzender Bildschichten erstellt ist, wobei jede Bildschicht einen Querschnitt des Objekts repräsen tiert.

Das Objekt wird aus dem Behälter entnommen, das nicht belichtete Material wird von dem Objekt entfernt und, falls erwünscht, wird das Objekt durch Belichten mit härtender Flutbestrahlung weiter gehärtet.

Um die Gesamtbelichtungszeit zu verkürzen, kann der Abtastzeilenabstand für die ersten Belichtungsabtastun gen von demjenigen der zweiten verschieden, d. h. größer, sein, wodurch die selbe Fläche mit weniger Abtastungen abgearbeitet wird. Bei der ersten Abtastung kann der Abtastzeilenabstand ungefähr 0,0127 cm (0,005 Inch) betragen, während er bei der zweiten Abtastung ungefähr 0,005 cm (0,002 Inch) betragen kann, was zu einer gleichmäßigen Härtung der Bildbereiche führt.

In einem Beispiel, bei dem eine flüssige photoformbare Zusammensetzung wie die zuvor beschriebene verwendet wird, und bei dem während dem ersten supermodulierten Belichten die Dicke jeder Schicht mit einer Dicke von ungefähr 0,0127 cm (0,005 Inch) gewählt ist, beträgt die Länge des Submodulationsimpulses "P" 1,56 Sekunden. Ein kohärenter Argon-Ion-Laser vom Modell 326, der einen Strahl mit Strahlung im UV-Bereich mit Primärlinien von 351,1 nm und 363,8 nm erzeugt, wird als Belichtungsquel le zum Erzeugen eines Abbildungsstrahls mit im wesentli chen rundem Querschnitt verwendet, der einen kreisförmi gen Punkt mit einer Gaußschen Leistungsverteilung in der Bildebene erzeugt. Die Leistung des Strahls in der Bild ebene beträgt 225 mW und der Radius des 1/e2-Punkts beträgt 0,00685 cm. Die Länge der Strich-Belichtung (e f, g-h, i-k, etc.) ist mit ungefähr 0,01016 cm (0,004 Inch) gewählt, der Abstand zwischen den Strich-Belich tungen (f-g, h-i, j-k, etc.) beträgt ungefähr 0,005 cm (0,002 Inch) und der Strichabtastabstand (der Abstand von der Mitte zur Mitte zwischen benachbarten Strahl durchläufen) beträgt ungefähr 0,0127 cm (0,005 Inch).

Bei einem Abtastabstand von ungefähr 0,005 cm (0,002 Inch) und lediglich der submodulierten Belichtung, hat dieses Material eine das Verhältnis der Polymerisations tiefe zur Belichtung wiedergebende polynomische Kurve, die annähernd wie folgt lautet:

Tiefe (cm) = A·B·E + C·(E)2

wobei
A = -0,00314
B = 0,004243
C = 0,001325 und
E = Belichtungsgrad in (mJ/cm²) ist.

Durch Addieren der benachbarten Belichtungen um jeden Punkt im Bildbereich in einem Radius von 0,0127 cm (0,005 Inch) läßt sich die maximale Belichtung (in der Mitte des Strichs) mit ungefähr 13,68 mJ/cm² berechnen. Die Verankerung oder die Verbindungstiefe jedes Strichs beträgt daher ungefähr 0,004318 cm (0,0017 Inch). Der Abstand zwischen den Strichen ist derart gewählt, daß keine Verbindung aus gehärtetem Material, sondern le diglich nicht gehärtetes oder teilweise gehärtetes Mate rial zwischen den Strichen existiert.

Diesem ersten Belichten folgt ein zweites Belichten. Beim zweiten Belichten tastet der Strahlpunkt auf der Bildebene mit einem Zeilenabstand von ungefähr 0,0058 cm (2 mil) ab. Die Submodulationsimpulslänge beträgt 0,88 Sekunden. Die Laserleistung und die Laserpunktgröße bleiben unverändert. Durch Summieren der Belichtung der ersten strichbildenden Abtastung und der zweiten nicht strichbildenden Abtastung um einen Punkt, unter Berück sichtigung der Belichtungsbeiträge von Punkten innerhalb eines Radius von ungefähr 0,0127 cm (5 mil), beträgt die maximale Belichtung 29,04 mJ/cm², die minimale Belich tung 18,62 mJ/cm² und die durchschnittliche Belichtung 11,71 mJ/cm². Die sich daraus ergebende maximale gehär tete Dicke beträgt 0,0245 cm (0,010 Inch), die minimale gehärtete Dicke beträgt 0,02032 cm (0,008 Inch) und die durchschnittliche gehärtete Dicke beträgt 0,02286 cm (0,009 Inch). Da die nominelle Dicke der aufgetragenen Schicht ungefähr 0,0127 cm (0,005 Inch) beträgt, wurde das Material über seine gesamte Dicke gehärtet.

Bei den zuvor genannten Beispielen und in der vorherge henden Erörterung wurde die Erfindung in einem Zusammen hang beschrieben, in dem jeweils nur ein einzelnes Ob jekt mittels der Belichtungsvorrichtung hergestellt wurde. In der industriellen Praxis werden jedoch oftmals mehrere Objekte nebeneinander auf der Plattform in dem Behälter unter Verwendung unterschiedlicher Abbildungs informationen und manchmal unterschiedlicher Abtastab stände für jedes Objekt hergestellt. Es ist ebenfalls möglich, mehrere Objekte unter Verwendung unterschiedli cher Schichtdicken für jedes Objekt gleichzeitig herzu stellen. Die vorliegende Erfindung ist in allen genann ten Fällen anwendbar und zur Durchführung der Erfindung wird jedes Objekt als von den anderen Objekten unabhän gig angesehen, wobei jedes Objekt den beiden Belich tungsvorgängen gemäß den Lehren der Erfindung ausgesetzt wird.

Ein als Beispiel dienendes Software-Ausführungsbeispiel ist im Anhang A der Beschreibung enthalten. Das Softwa reprogramm ist zur Verwendung in einem Computer 28 oder einem ähnlichen Signalprozessor in UNIX-Shell geschrie ben, um die erste und die zweite Belichtung sowie das Supermodulationssignal zu erzeugen.

Der durch den supermodulierten Strahl erhaltene Effekt wurde im vorhergehenden in Zusammenhang mit der Supermo dulation des Strahls unter Verwendung von Strahleninten sitäts (Amplituden-)modulation beschrieben. Der Supermo dulationseffekt kann jedoch auch durch Konstanthalten der Strahlintensität und Variieren der Abtastgeschwin digkeit des Strahls auf der Bildebene erreicht werden. Dies kann beispielweise dadurch erreicht werden, daß dem Abtastspiegeltreibersystem ein Signal vom Sinuswellentyp derart überlagert wird, daß der Strahl bei der Bewegung entlang der Abtastzeile oszilliert. Dieses Oszillieren führt dazu, daß Bereiche der Abtastzeile länger belich tet werden, während andere kürzer belichtet werden. Durch Auswählen der geeigneten Oszillationsfrequenz können die längeren und die kürzeren Belichtungen derart berechnet werden, daß über bzw. unter einem Belichtungs schwellenwert des verwendeten photoformbaren Materials liegen, was zu gehärteten und nicht gehärteten Flächen entlang der Abtastzeile führt.

Das zuvor beschriebene System ist im wesentlichen die digitale Implementierung des erfindungsgemäßen Verfah rens. Jedoch können die gleichen ersten und zweiten Belichtungen ohne Schwierigkeiten in einer analogen Umgebung durchgeführt werden. Der Fachmann auf diesem Gebiet kann in Kenntnis der Lehren der Erfindung zahl reiche Veränderungen daran vornehmen. Zum Beispiel kann die Submodulationsbelichtung entfallen und lediglich ein Strahl mit konstanter Intensität verwendet werden, der nur mit der bildweisen Modulation und den Supermodula tionssignalen gemäß der Erfindung moduliert ist. Mit den beiden offenbarten Vorgängen zum bildweisen Belichten können ebenfalls ausgewählte Schichten, die das feste Objekt aufweisen, belichtet werden, anstatt jede der Schichten zu belichten.

ANHANG A

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus mehreren Querschnittsteilen des Objekts, die gehärteten Bereichen aneinander angrenzender Schichten einer photoformbaren Zusammensetzung entsprechen, welche durch sequentielles bildweises Belichten der Schichten gebildet sind, wobei jede Schicht entsprechend einem vorbestimmten Muster, das den gewünschten Querschnitts teil des Objekts repräsentiert, belichtet wird, mit den folgenden Schritten:

1) bildweises Belichten wenigstens einer Schicht nach dem vorbestimmten Muster für diese Schicht unter Ver wendung einer Belichtungsquelle, die supermoduliert ist, um ein nicht kontinuierliches Bild des Musters zu erzeu gen, das diskrete, verankerte, gehärtete Bildbereiche aufweist, die durch Bildbereiche aus teilweise gehärte ter photoformbarer Zusammensetzung voneinander getrennt sind; und
2) Wiederholen des bildweisen Belichtens der einen Schicht nach dem selben vorbestimmten Muster für die eine Schicht unter Verwendung der Belichtungsquelle, die zur Erzeugung eines kontinuierlichen gehärteten Bildes dieses Musters auf der einen Schicht moduliert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtungsquelle einen submodulierten Abtastla serstrahl liefert, der auf die Schicht auftrifft, und daß die Modulation und die Supermodulation der Belich tungsquelle erreicht werden, indem die Intensität des auf die Schicht auftreffenden Strahls in vorbestimmten Zeitintervallen selektiv von einem Zustand "Ein" in einen Zustand "Aus" gewechselt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtungsquelle einen submodulierten Abtastla serstrahl liefert, der auf die Schicht auftrifft und in eine Abtastrichtung bewegt wird, und daß die Supermodu lation der Belichtungsquelle erfolgt, indem die Abtast geschwindigkeit des Strahls auf der Schicht in der Ab tastrichtung mit einer vorbestimmten Rate variiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Wiederholen der Schritte (1) und (2) mit einer vorgewählten Häufigkeit, um mehrere Schichten nach den entsprechenden vorbestimmten Mustern zu belichten.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Wiederholen der Schritte (1) und (2) mit einer vorgewählten Häufigkeit, um mehrere aneinander angren zende Schichten nach den entsprechenden vorbestimmten Mustern zu belichten.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ge kennzeichnet, daß die diskreten gehärteten Bildbereiche punktförmig sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ge kennzeichnet, daß die diskreten gehärteten Bildbereiche strichförmig sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste supermodulierte Belichtung der Schicht seitlich versetzte gehärtete Bereiche auf der einen Schicht erzeugt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch ge kennzeichnet, daß die photoformbare Zusammensetzung ein Polymer ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer eine Flüssigkeit ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schritten (1) und (2) eine zeitliche Verzögerung besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die photoformbare Zusammensetzung nach dem Belichten eine kontinuierliche Schrumpfung zeigt, und daß die zeitliche Verzögerung zwischen den Schritten (1) und (2) ausreicht, um das Schrumpfen der belichteten Zusammen setzung im wesentlichen zum Abschluß kommen zu lassen.