DE68921058T2

DE68921058T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Gegenständen.

Info

Publication number: DE68921058T2
Application number: DE68921058T
Authority: DE
Inventors: Yoichi Takano; Masanobu Yamamoto
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2009-12-19
Also published as: EP0376571B1; DE68921058D1; EP0376571A2; EP0376571A3; JPH02178022A; CA2005951C; KR900009237A; CA2005951A1; KR0140893B1; JP2737195B2

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte.
Das US-Patent Nr. US-A-4 575 330 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren (nach den Gattungsbegriffen der Ansprüche 1 und 11), die die sukzessive Ausbildung einer Mehrzahl von verfestigten dünnen Schichten aus gehärtetem Harz ermöglichen, indem jede der dünnen Schichten aus flüssigem photohärtendem Harz an der Oberfläche eines das Harz enthaltenden Gefäßes einem Lichtstrahl ausgesetzt wird, und zwar in der Weise, daß jede der verfestigten dünnen Schichten sukzessiv einer der zuvor ausgebildeten verfestigten dünnen Schichten überlagert wird und so ein dreidimensionales Objekt aus laminiertem gehärtetem Harz erzeugt wird. Das Ziel einer derartigen Vorrichtung besteht darin, ohne großen Aufwand ein dreidimensionales Objekt zu gewinnen, das eine gewünschte Form besitzt.
Bei der obigen Vorrichtung wird jede Schicht nach ihrer Verfestigung nach unten in das in dem Behälter befindliche Harz bewegt, so daß die verfestigte Schicht mit einer neuen Harzschicht überzogen wird, die durch den Lichtstrahl verfestigt werden soll. D. h., man sorgt dafür, daß das flüssige photohärtende Harz von selbst in jeder dieser Stufen auf die zuvor ausgebildete verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz fließt. Bei normaler Temperatur hat das flüssige photohärtende Harz üblicherweise eine relativ hohe Viskosität und deshalb eine relativ geringe Fließfähigkeit. Man benötigt deshalb für die Ausbildung jeder dünnen Schicht aus flüssigem photohärtendem Harz auf der zuvor ausgebildeten verfestigten dünnen Schicht aus gehärtetem Harz relativ lange Zeit, so daß zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts aus laminiertem gehärtetem Harz viele Arbeitsstunden benötigt werden.
Dieses Problem, das bei der erwähnten früher vorgeschlagenen Vorrichtung auftritt, wird in der Beschreibung der japanischen Patentanmeldung mit der Publikationsnummer JP-A- 61 114817 konstatiert. Es hat jedoch den Anschein, daß bisher keine Maßnahmen zur sicheren und kostengünstigen Beseitigung dieses Problems vorgeschlagen wurden.
Es ist das Ziel der Erfindung, das oben erwähnte Problem der langsamen Arbeitsweise bei einer Vorrichtung und einem Verfahren der oben dargestellten Art zu beseitigen.
Die französische Patentanmeldung FR-A-2 583 334 offenbart eine andere Technologie zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten, die ebenfalls eine photohärtende Flüssigkeit Gebrauch verwendet. Diese Technologie unterscheidet sich jedoch von derjenigen der US-A-4 575 330 und der vorliegenden Erfindung. Und zwar werden bei dem Verfahren nach FR-A-2 583 334 keine Schichten auf der Oberfläche einer in einem Behälter enthaltenen photohärtenden Flüssigkeit ausgebildet. Stattdessen wird die photohärtende Flüssigkeit ("erste Flüssigkeit") aus einem Behälter, der diese Flüssigkeit enthält, über ein flexibles Rohr einer Einspritzvorrichtung zugeführt, die unter der Oberfläche einer zweiten Flüssigkeit angeordnet ist, die sich in einem zweiten Behälter befindet. Die Einspritzvorrichtung wird bewegt und verteilt die erste Flüssigkeit in der zweiten Flüssigkeit (unter deren Oberfläche) nach einem gewünschten Muster. Nach ihrer Verteilung durch die Einspritzvorrichtung wird die erste Flüssigkeit durch Beleuchten von oberhalb der Oberfläche der zweiten Flüssigkeit gehärtet, wodurch eine Schicht der Komponente aufgebaut wird. Die Form der Schicht wird so durch das Bewegungsmuster der Einspritzvorrichtung und nicht durch den Lichtstrahl bestimmt.
FR-A-2 583 334 zeigt die Möglichkeit auf, die Temperatur der zweiten Flüssigkeit (die Temperatur in deren Behälter) auf einen festen vorbestimmten Wert so zu steuern, daß die zweite Flüssigkeit vollkommen still gehalten wird und thermische Konvektionserscheinungen vermieden werden, die eine unerwünschte Mischung der eingespritzten ersten Flüssigkeit (der photohärtenden Flüssigkeit) mit der zweiten Flüssigkeit in dem Behälter außerhalb der Verfestigungszonen hervorrufen könnte.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 250 121 beschreibt eine weitere Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch Beleuchten einer photohärtenden Flüssigkeit.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts geschaffen mit
einem Behälter zur Speicherung von flüssigem photohärtendem Harz,
einer Lichtstrahlerzeugungseinrichtung zum Applizieren eines Lichtstrahls auf aufeinanderfolgende Schichten des flüssigen photohärtenden Harzes, um jede Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes in eine verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz umzuwandeln wobei diese Schichten jeweils die Oberseite des in dem Behälter gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes enthalten, und
einer beweglichen Einrichtung zum Bewegen der einzelnen nacheinander verfestigten Schichten aus gehärtetem Harz nach unten in das in dem Behälter gespeicherte flüssige photohärtende Harz, so daß jede verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz mit einer neuen Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes bedeckt wird, die dann dem Lichtstrahl aus der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung ausgesetzt wird, um eine neue verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz zu bilden, die auf der in dem flüssigen photohärtenden Harz liegende verfestigte Schicht fest aufgelagert ist, um ein dreidimensionales Objekt aus laminiertem gehärtetem Harz herzustellen,
wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch
eine Temperatursensoreinrichtung zum Detektieren der Temperatur des in dem Behälter gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes und zur Erzeugung eines Detektorausgangssignals,
eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des in dem Behälter gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes
eine Temperatursteuereinrichtung zur Steuerung der Heizeinrichtung auf der Basis des Detektorausgangssignals der Temperatursensoreinrichtung, um die Viskosität des in dem Behälter gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes herabzusetzen.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus in einem Behälter gespeichertem flüssigem photohärtendem Harz zur Verfügung gestellt, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
Applizieren eines Lichtstrahls auf aufeinanderfolgende Schichten des flüssigen photohärtenden Harzes, um jede Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes in eine verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz umzuwandeln, wobei diese Schichten jeweils die Oberseite des in dem Behälter gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes enthalten,
Bewegen der einzelnen nacheinander verfestigten Schichten aus gehärtetem Harz nach unten in das in dem Behälter gespeicherte flüssige photohärtende Harz, so daß jede verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz mit einer neuen Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes bedeckt wird, die dann dem Lichtstrahl ausgesetzt wird, um eine neue verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz zu bilden, die auf der in dem flüssigen photohärtenden Harz liegende verfestigte Schicht fest aufgelagert ist, um ein dreidimensionales Objekt aus laminiertem gehärtetem Harz herzustellen,
wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Verfahrensschritte:
Detektieren der Temperatur des in dem Behälter gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes und zur Erzeugung eines Detektorausgangssignals,
Erwärmen des in dem Behälter gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes in Abhängigkeit von dem Temperaturdektor-Ausgangssignal, um die Viskosität des in dem Behälter gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes herabzusetzen.
Bei der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung wird das in dem Behälter gespeicherte flüssige photohärtende Harz erwärmt, so daß die Temperatur des Harzes erhöht und dieses dadurch fließfähiger (weniger viskos) wird. Wenn eine verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz nach unten in das in dem Behälter gespeicherte flüssige photohärtende Harz bewegt wird, fließt das in dem Behälter gespeicherte flüssige photohärtende Harz schnell auf die verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz und bedeckt diese.
Außerdem wird die Schicht des flüssigem photohärtenden Harzes an der Oberfläche des in dem Behälter gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes durch die mit dem Eintauchen des verfestigten Harzobjekts verbundene Rührwirkung erneuert. Dies führt dazu, daß auf der zuvor ausgebildeten verfestigten Schicht aus gehärtetem Harz jedesmal in relativ kurzer Zeit ein Überzug aus einer Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes mit ebener Oberfläche ausgebildet wird, wenn eine verfestigte Schicht nach unten in das in dem Behälter gespeicherte flüssige photohärtende Harz bewegt wird. Deshalb wird die Zeit zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts aus laminiertem gehärtetem Harz wirksam verkürzt.
Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß sie eine Hochfrequenz-Induktionserwärmung des in dem Behälter gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes bewirkt, so daß die Temperatur des flüssigen photohärtenden Harzes mit leicht steuerbaren und preiswerten Heizvorrichtungen sicher erhöht werden kann.
Im folgenden sei die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine teilweise fragmentarische schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts,
Fig. 2 zeigt eine teilweise fragmentarische schematische Vorderansicht eines Teils des Ausführungsbeispiels von Fig. 1,
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 verwendeten Steuersystems,
Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines mit Hilfe des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 hergestellten dreidimensionalen Objekts in einer auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht,
Fig. 5 zeigt eine teilweise fragmentarische schematische Vorderansicht einer Vorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Objekts.
Die in Fig. 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt einen Behälter 2, in dem flüssiges photohärtendes Harz 3 gespeichert ist.
Der Behälter 2 besteht entweder insgesamt aus elektrisch leitfähigem Material oder sowohl aus isolierendem Material als auch aus elektrisch leitfähigem Material, z. B. in der Weise, daß das Hauptkörper des Behälters 2 aus isolierendem Material besteht und die äußeren und inneren Oberflächen ganz oder teilweise mit einer dünnen Lage aus Metall, z. B. Aluminium beschichtet sind.
Das flüssige photohärtende Harz 3 muß so beschaffen sein, daß es sich durch Bestrahlung mit einem Lichtstrahl verfestigen läßt und auf dem zuvor verfestigten Harz gehärtet werden kann. Ein geeignetes Harz kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus bei ultraviolettem Licht härtendem denaturiertem Acrylat, denaturiertem Polyurethanmethacryl, Oligoethylacrylat, Urethanacrylat, Epoxydacrylat und lichtempfindlichem Polyimid besteht.
Der Behälter 2 besitzt in seinem Bodenbereich eine Heizvorrichtung mit mehreren Spulen 4 für die Hochfrequenz-Induktionserwärmung. Wenn den Spulen 4 ein Hochfrequenzstrom zugeführt wird, wirken die von ihnen erzeugten magnetischen Flüsse auf einen Teil des aus elektrisch leitfähigem Material hergestellten Behälter 2 ein und erzeugen darin einen Wirbelstrom durch elektromagnetische Induktion. In dem entsprechenden Teil des Behälters 2 aus elektrisch leitfähigem Material wird durch Wirbelstromverluste joulsche Wärme erzeugt, die das in dem Behälter 2 gespeicherte flüssige photohärtende Harz 3 erhitzt, so daß seine Viskosität herabgesetzt wird Falls der Behälter 2 oder seine inneren oder äußeren Oberflächen insgesamt aus elektrisch leitfähigem Material bestehen, können die Spulen 4 zur Hochfrequenz-Induktionserwärmung an jeder beliebigen Stelle in der Nähe der inneren oder äußeren Oberfläche des Behälters 2 angeordnet sein. Man kann außerdem zwischen den Spulen 4 und dem Behälter 2 eine Wandung aus isolierendem Material vorsehen und eine explosionssichere Trennwand bildet, die die Spulen 4 gegenüber dem flüssigen photohärtenden Harz 3 isoliert.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist außerdem ein Temperatursensor 5 vorgesehen, der die Temperatur des in dem Behälter 2 gespeicherten flüssigen photohärtende n Harzes 3 mißt und ein der gemessenen Temperatur entsprechendes Detektorausgangssignal erzeugt. Der Temperatursensor 5 ist an dem Behälter 2 montiert und mit einer Meßsonde 6 ausgestattet, die in das flüssige photohärtende Harz 3 an dessen Oberfläche 3a eintaucht.
Das Detektorausgangssignal des Temperatursensors 5 wird einer Temperatursteuerung 7 zugeführt, die mit den Spulen 4 für die Hochfrequenz-Induktionserwärmung verbunden ist und die den Hochfrequenzstrom steuert, der den Spulen 4 zugeführt wird. Somit ist die Hochfrequenz-Induktionserwärmung des Behälters 2 von dem Detektorausgangssignal des Temperatursensors 5 abhängig und bewirkt, daß das in dem Behälter 2 gespeicherte flüssige photohärtende Harz 3 auf eine vorbestimmte gewünschte Temperatur erhitzt wird.
Die Temperatursteuerung 7 sendet außerdem ein Befehlssignal an eine weiter unten näher beschriebene Betriebssteuerung 31 aus, um zu verhindern, daß die Herstellung des dreidimensionalen Objekts beginnt, wenn die Oberflächentemperatur des flüssigen photohärtenden Harzes 3 eine vorgegebene untere Grenze unterschreitet, und den Prozeß stopt, wenn die Oberflächentemperatur des flüssigen photohärtenden Harzes 3 eine vorbestimmte obere Grenze überschreitet.
Die Herstellung des dreidimensionalen Objekts wird also durch die Betriebssteuerung 31 so gesteuert, daß sie nicht früher beginnt, als bis die Viskosität des in dem Behälter 2 gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes 3 unter einem vorbestimmten relativ niedrigen Wert liegt. Es wird verhindert, daß die Vorrichtung unkontrollierbar wird, wenn die Temperatur des flüssigen photohärtenden Harzes 3 an seiner Oberfläche 3a aus irgendwelchen außergewöhnlichen Gründen übermäßig anwächst.
Der Temperaturbereich einschließlich der vorbestimmten unteren und oberen Grenzen wird nach Maßgabe der Viskosität-Temperatur-Kennlinie des flüssigen photohärtenden Harzes 3 festgelegt. Falls als flüssiges photohärtendes Harz 3 ein bei ultraviolettem Licht härtendes denaturiertes Acrylat verwendet wird, liegt der ausgewählte Temperaturbereich bei etwa 30ºC bis 50ºC.
Entlang der Seite des Behälters 2 ist eine Hebevorrichtung 8 mit einem oberen Plattenteil 10 angeordnet, die eine feststehende Spindelmutter 11 aufweist, die mit einer Spindelwelle 13 in Eingriff steht. Die Spindelwelle 13 wird von einem Schrittmotor 13 gedreht, so daß die Hebevorrichtung 8 selektiv schrittweise mit einer vorbestimmten Schrittweite entlang der Spindelwelle 13 aufwärts und abwärts bewegt wird. An der oberen Platte 10 ist eine untere plattenartige Stufe 9 befestigt, die selektiv schrittweise mit der vorbestimmten Schrittweite in Übereinstimmung mit den Bewegungen der Hebevorrichtung 8 in das in dem Behälter gespeicherte flüssige photohärtende Harz 3 eingetaucht werden kann.
Die Hebevorrichtung 8 besitzt ferner einen Positionssensor 28, der sich entlang der Spindelwelle 13 erstreckt. Dieser detektiert die Positionen der Hebevorrichtung 8 in vertikaler Richtung und erzeugt ein Detektorausgangssignal, das für die detektierte Position kennzeichnend ist. Das Detektorausgangssignal des Positionssensors 28 wird einer Hebevorrichtungssteuerung 29 zugeführt, die die Drehung des Schrittmotorn 12 in Abhängigkeit von dem Detektorausgangssignal des Positionssensors 28 und damit die vertikale Position der Hebevorrichtung 8 steuert.
Es ist ferner eine optische Anordnung 14 zur Erzeugung und schwingenden Auslenkung eines Lichtstrahls vorgesehen, die aus einer Lichtstrahlquelle 20 und zwei Lichtstrahlabtastern 15 und 16 besteht. Der Lichtstrahlabtaster 15 umfaßt eine horizontal angeordnete Welle 17, die von einem Spiegeltreiber 18 mit einer Drehbewegung beaufschlagt wird, sowie einen an dem Ende der Welle 17 montierten Spiegel 19, der bewirkt, daß ein von der Lichtstrahlquelle 20 erzeugter Lichtstrahl 21 die Oberfläche 3a des in dem Behälter 2 gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes 3 in einer ersten Abtastrichtung abtastet, die in Fig. 2 durch Pfeile AR angedeutet ist. Der Lichtstrahlabtaster 16 umfaßt eine in vertikaler Richtung verlaufende Welle 17', die von einem Spiegeltreiber 18' mit einer Drehbewegung beaufschlagt wird, sowie einen an dem Ende der Welle 17' befestigten Spiegel 19', der bewirkt, daß der Lichtstrahl 31 die Oberfläche 3a des in dem Behälter 2 gespeicherten flüssige photohärtende Harzs 3 in einer zweiten Abtastrichtung abtastet, die in einer horizontalen Ebene senkrecht zu der ersten Abtastrichtung verläuft. Der drehbare Spiegel 19 befindet sich unmittelbar über der plattenförmigen Stufe 9 in dem in dem Behälter 2 gespeicherten flüssigen photohärtendem Harz 3.
Die Lichtstrahlquelle 20 enthält beispielsweise einen Argonlaser zur Erzeugung eines Laserlichtstrahls mit einer Wellenlänge von 360 Nanometern oder einen Helium-Neon-Laser zur Erzeugung eines Laserlichtstrahls mit einer Wellenlänge von 325 Nanometern. Der von der Lichtstrahlquelle 20 erzeugte Lichtstrahl 21 wird von einem Spiegel 22 reflektiert und wandert durch einen akusto-optischen Modulator 24. Er wird dann weiter von einem Spiegel 23 reflektiert, so daß er durch eine mit einer Fokussierungslinse 26 ausgestatteten Fokussierungsvorrichtung 25 auf den rotierenden Spiegel 19' des Lichtstrahlabtasters 16 auftrifft. Der Lichtstrahl 21 wird auf den Spiegel 19 des Lichtstrahlabtasters 15 gerichtet, der ihn auf die Oberfläche 3a des flüssigen photohärtenden Harzes 3 umlenkt. Durch die Bewegungen des rotierenden Spiegels 19' des Lichtstrahlabtasters 16 und des rotierenden Spiegels 19 des Lichtstrahlabtasters 15 tastet der Lichtstrahl 21 die Harzoberfläche ab.
Der akusto-optische Modulator 24 moduliert die Intensität des auf den Spiegel 23 auftreffenden Lichtstrahls nach Maßgabe eines ihm zugeführten Modulationssignals, und die Fokussierungsvorrichtung 25 fokussiert den Lichtstrahl auf der Oberfläche 3a des in dem Behälter 2 gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes.
Mit Hilfe der optischen Anordnung 14 wird der Teilbereich der Oberfläche 3a des in dem Behälter 2 gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes, der sich unter dem rotierenden Spiegel 19 ausbreitet, von dem auf einen Strahl mit vorbestimmten kleinen Abmessungen verkleinerten Lichtstrahl 21 sowohl in der ersten Abtastrichtung als auch in der hierzu senkrechten zweiten Abtastrichtung abgetastet.
Die Betriebssteuerung 31 steuert die Lichtstrahlabtaster 15 und 16, die Fokussierungsvorrichtung 25, die Hebevorrichtungssteuerung 28 und einen Modulationssignalgenerator 30, der den akusto-optischen Modulator 24 mit dem Modulationssignal versorgt. Ein Steuersystem, das die Betriebssteuerung 31, die Lichtstrahlabtaster 15 und 16, die Fokussierungsvorrichtung 25, die Hebevorrichtungssteuerung 29 und den Modulationssignalgenerator 30 umfaßt, ist in Fig. 3 in Form eines Blockdiagramms dargestellt.
Wie Fig. 3 zeigt, umfaßt die Anordnung eine Strahlpositionssteuerschaltung 35 mit einem Speicher 33 und einen Modulator 34. Der Speicher 33 ist mit einer Entwurfseinrichtung, z.B. einem Computer verbunden, der mit computerunterstützter Entwurfs-Software arbeitet und Daten zur Erzeugung einer Mehrzahl von dünnen horizontalen Schichten (Horizontalschnitten) eines dreidimensionalen Objekts so programmiert, daß die von der Entwurfseinrichtung programmierten Daten in dem Speicher 33 temporär gespeichert werden. Der Modulator 34 wandelt die Daten jedes einzelnen Horizontalschnitts des dreidimensionalen Objekts, die aus dem Speicher 33 ausgelesen werden, in Koordinatendatendaten um, die Positionen auf den einzelnen horizontal geschnittenen Teilen des dreidimensionalen Objekts in der ersten bzw. zweiten Abtastrichtung repräsentieren, Die von dem Modulator 34 gewonnen Daten werden zwei Digital/Analog-Wandlern (D/A- Wandlern) 36a und 36b und einer Treiberschaltung 40 für die Fokussierungslinse zugeführt.
Der D/A-Wandler 36a wandelt die Koordinatendaten aus dem Modulator 34 in ein erstes Abtastsignal um, das aufeinanderfolgenden Positionen auf jeder von einer Mehrzahl von ersten parallelen Zeilen entspricht, die auf den einzelnen Horizontalschnitten des dreidimensionalen Objekts in der ersten Abtastrichtung verlaufen, und ein zweites Abtastsignal, das aufeinanderfolgenden Positionen auf jeder von mehreren zweiten parallelen Zeilen entspricht, die auf den einzelnen Horizontalschnitten des dreidimensionalen Objekts in der zweiten Abtastrichtung verlaufen. Das erste und das zweite Abtastsignal aus dem D/A-Wandler 36a werden einer Torschaltung 37a zugeführt, die wahlweise das erste oder das zweite Abtastsignal an den Spiegeltreiber 18 des Lichtstrahlabtasters 15 durchschaltet.
Der D/A-Wandler 36b wandelt die Koordinaten aus dem Modulator 34 in ein drittes Abtastsignal um, das Positionen der ersten parallelen Zeilen auf jedem der Horizontalschnitte des dreidimensionalen Objekts in der zweiten Abtastrichtung entspricht, sowie in ein viertes Abtastsignal, das Positionen der zweiten parallelen Zeilen auf jedem der Horizontalschnitten des dreidimensionalen Objekts in der ersten Abtastrichtung entspricht. Das dritte und das vierte Abtastsignal aus dem D/A-Wandler 36b werden einer Torschaltung 37b zugeführt, die wahlweise entweder das dritte oder das vierte Abtastsignal zu dem Spiegeltreiber 18' des Lichtstrahlabtasters 16 durchschaltet.
Dies läßt so zusammenfassen: Das erste Abtastsignal stellt eine Positionsinformation entlang der ersten parallelen Zeilen dar, das zweite Abtastsignal eine Positionsinformation entlang der zweiten parallelen Zeilen, das dritte Abtastsignal kennzeichnet die die Positionen der ersten Zeilen in der zweiten Abtastrichtung und das vierte Abtastsignal die Positionen der zweiten Abtastzeilen in der ersten Abtastrichtung.
Die Torschaltungen 37a und 37b werden von einem Abtastrichtungsschalter 38 so gesteuert, daß sie abwechselnd einen ersten Zustand einnehmen, in dem der Torschaltung 37a das erste Abtastsignal von die Torschaltung 37b das dritte Abtastsignal auswählt, und einen zweiten Zustand, in dem die Torschaltung 37a das zweite Abtastsignal und die Torschaltung 37b das vierte Abtastsignal auswählt. Diese Umschaltung findet für jede Zeitperiode statt, in der jeweils die Koordinatendaten eines der Horizontalschnitte des dreidimensionalen Objekts aus dem Speicher 33 ausgelesen werden.
Deshalb wird der Lichtstrahl 21 von den rotierenden Spiegeln 19 und 19' so gelenkt, daß er auf die Harzoberfläche 3a auftrifft. Während der einzelnen Zeitperioden, in denen die Koordinatendaten der einzelnen Horizontalschnitte des dreidimensionalen Objekts aus dem Modulator 34 gewonnen werden, führt der Lichtstrahl 21 abwechselnd wiederholt über die gesamte Teilfläche der Harzoberfläche 3a eine erste Zeilenabtastung in der ersten Abtastrichtung und eine zweite Zeilenabtastung in der zweiten Abtastrichtung aus.
Die Treiberschaltung 40 für die Fokussierungslinse bewirkt, daß die Fokussierungsvorrichtung 25 die Position der Fokussierungslinse 26 so steuert, daß der Lichtstrahl 21 auf der Harzoberfläche 3a fokussiert wird. Dies geschieht in Abhängigkeit von den aus dem Modulator 34 kommenden Koordinatendaten.
Die aus dem Speicher 33 ausgelesenen programmierten Daten werden außerdem einer Treiberschaltung 39 für den akusto-optischen Modulator zugeführt. Diese steuert den Modulationssignalgenerator 30 in der Weise, daß er ein Modulationssignal erzeugt, das sich in Abhängigkeit von den programmierten Daten ändert, die die einzelnen ersten oder zweiten parallelen Zeilen auf den einzelnen Horizontalschnitten des dreidimensionalen Objekts darstellen.
Die Koordinatendaten aus dem Modulator 34 werden außerdem einer Schrittmotor-Treiberschaltung 41 zugeführt, die die Hebevorrichtungssteuerung 29 steuert. Letztere treibt den Schrittmotor 12 an, so daß die Hebevorrichtung 8 so bewegt wird, daß die plattenförmige Stufe 9 in eine Position gebracht wird, die um einen Teilschritt unterhalb der Harzoberfläche 3a liegt (deren Position als Anfangsposition bezeichnet wird), so daß sich bei Beginn der Herstellung des dreidimensionalen Objekts über der plattenförmigen Stufe 9 eine dünne Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3 befindet. Anschließend wird die Hebevorrichtung 8 jedesmal, wenn die Koordinatendaten eines der Horizontalschnitte des dreidimensionalen Objekts aus dem Modulator 34 vollständig eingetroffen sind, nach unten bewegt, so daß die plattenförmige Stufe 9 um einen Teilschritt abgesenkt wird.
Im folgenden werde die Herstellung eines in Fig. 4 in auseinandergezogener Darstellung gezeigten dreidimensionalen Objekts 42 mit Hilfe des vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert.
Zunächst wird der Betriebssteuerung 31 ein Betriebs-Startsignal zugeführt. Falls die Temperatur des flüssigen photohärtenden Harzes 3 an seiner Oberfläche 3a unter einem vorbestimmten unteren Grenzwert liegt, wird der Herstellungsprozeß zur Erzeugung des dreidimensionalen Objekts nicht gestartet, obwohl der Betriebssteuerung 31 das Betriebs- Startsignal zugeführt wird. Es wird dann den Spulen 4 für Hochfrequenz-Induktionserwärmung ein hochfrequenter Strom zugeführt, um den Behälter 2 durch Hochfrequenz- Induktionserwärmung aufzuheizen und dadurch das flüssige photohärtende Harz 3 zu erwärmen.
Sobald der Temperatursensor 5 feststellt, daß die Temperatur des flüssigen photohärtenden Harzes 3 an seiner Oberfläche 3a den vorbestimmten unteren Grenzwert erreicht oder überschreitet, veranlaßt die Temperatursteuerung 7 die Betriebssteuerung 31, mit der Herstellung des dreidimensionalen Objekts zu beginnen. Die Hebevorrichtung 8 wird bewegt und bringt die plattenförmige Stufe 9 in die Anfangsposition, so daß auf ihr die erste dünne Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3 ausgebildet wird.
Der Lichtstrahl 31, der von den rotierenden Spiegeln 19 und 19' so umgelenkt wird, daß er auf die Harzoberfläche 3a auftrifft, beginnt sodann mit dem Abtasten der ersten Zeile in der ersten Abtastrichtung auf der ersten dünnen Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3 auf der plattenförmigen Stufe 9. Dieser Abtastvorgang wird über die gesamte Oberfläche der ersten dünnen Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3 wiederholt. Die erste Abtastung findet während einer Zeitperiode statt, in der die Koordinatendaten der ersten horizontal geschnittenen Scheibe des dreidimensionalen Objekts 42 aus dem Modulator 34 eintreffen. Auf diese Weise wird die erste dünne Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3 auf der plattenförmigen Stufe 9 gehärtet, so daß sie eine verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz bildet. Als Ergebnis erhält man die erste verfestigte Schicht 43&sub1; in dem flüssigen photohärtenden Harz 3, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. In Fig. 4 kennzeichnen die strichpunktierten Linien 44 die ersten von dem Lichtstrahl 21 durchgeführten Zeilenabtastungen.
Nach der Ausbildung der ersten verfestigten Schicht 43&sub1; wird die Hebevorrichtung 4 nach unten bewegt, so daß die plattenförmige Stufe 9 um einen Teilschritt abgesenkt wird und die auf der plattenförmigen Stufe 9 ausgebildete erste verfestigte Schicht 43&sub1; nach unten in das flüssige photohärtende Harz 3 abgesenkt und von einer zweiten dünnen Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3 die erste verfestigte Schicht 43&sub1; bedeckt wird. Da der Behälter 2 durch Hochfrequenzinduktion erwärmt wird, so daß das flüssige photohärtende Harz 3 auf der vorbestimmten Temperatur gehalten und dadurch seine Viskosität genügend herabgesetzt ist, fließt das flüssige photohärtende Harz 3 rasch über die erste verfestigte Schicht 43&sub1; und bildet die zweite dünne Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3.
Sodann führt der von den rotierenden Spiegeln 19 und 19' auf die Harzoberfläche 3a umgelenkte Lichtstrahl 21, wiederholt die zweite Zeilenabtastung in der zweiten Abtastrichtung auf der zweiten dünnen Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3 aus, die über der ersten verfestigten Schicht 43&sub1; liegt. Bei diesem Abtastvorgang wird wieder die gesamte Oberfläche der zweiten dünnen Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3. erfaßt. Dies geschieht während einer Zeitperiode, in der die Koordinatendaten der zweiten horizontal geschnittenen Scheibe des dreidimensionalen Objekts 42 aus dem Modulator 34 eintreffen. Auf diese Weise wird die über der ersten verfestigten Schicht 43&sub1; liegende zweite dünne Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3 gehärtet und dadurch eine neue verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz erzeugt, die auf der ersten verfestigten Schicht 43&sub1; fest aufgelagert ist. Es wird also, wie in Fig. 4 dargestellt, in dem flüssigen photohärtenden Harz 3 eine zweite verfestigte Schicht 43&sub2; ausgebildet, die fest auf der ersten verfestigten Schicht 43&sub1; haftet. In Fig. 4 kennzeichnen die strichpunktierten Linien 45 die von dem Lichtstrahl 21 ausgeführten zweiten Zeilenabtastungen
Nach der Ausbildung der zweiten verfestigten Schicht 43&sub2; wird die Hebevorrichtung 8 wiederum nach unten bewegt, wobei sie die plattenförmige Stufe 9 um einen Teilschritt absenkt, so daß die erste und die zweite verfestigte Schicht 43&sub1; und 43&sub2;, die sich auf der plattenförmigen Stufe 9 befinden, nach unten in das flüssige photohärtende Harz 3 abgesenkt werden und eine dritte dünne Schicht des flüssigen photohärtende n Harzes 3 die zweite verfestigte Schicht 43&sub2; bedeckt.
Danach führt der von den rotierenden Spiegeln 19 und 19' auf die Harzoberfläche 3a umgelenkte Lichtstrahl 21, wiederholt die erste Zeilenabtastung in der ersten Abtastrichtung auf der dritten dünnen Schicht aus flüssigem photohärtendem Harz 3 aus, die über der zweiten verfestigten Schicht 43&sub1; liegt. Bei diesem Abtastvorgang wird wieder die gesamte Oberfläche der dritten dünnen Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes 3 erfaßt.
Dies geschieht während einer Zeitperiode, in der die Koordinatendaten der dritten horizontal geschnittenen Scheibe des dreidimensionalen Objekts 42 aus dem Modulator 34 eintreffen. Die vorangehend beschriebenen Schritte werden solange wiederholt, bis die letzte verfestigte Schicht 43&sub1; in Fig. 4 hergestellt ist. Durch die vorangehend beschriebenen Prozesse werden die erste bis letzte verfestigte Schicht 43&sub1;, 43&sub2;, 43&sub3;, 43&sub4;, 43n-3 43n-2, 43n-1 und 43n einstückig in einem Stapel ausgebildet, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Auf diese Weise gewinnt man das dreidimensionale Objekt 42 aus laminiertem gehärtetem Harz.
Da die ungeradzahligen verfestigten Schichten 43&sub1;, 43&sub3;, 43&sub5;, --) mit der ersten Strahlabtastung in der ersten Abtastrichtung und die geradzahligen verfestigten Schichten 43&sub2;, 43&sub4;, 43&sub6;, ---) mit der zweiten Strahlabtastung in der zur ersten Abtastrichtung senkrechten zweiten Abtastrichtung erzeugt werden, ist die Oberfläche eines Seitenteils 46 glatt ausgebildet. Außerdem sind Biegeverformungen der betreffenden verfestigten Schichten aufgrund von bei der Verfestigung auftretenden Volumenkontraktionen in ihrer Richtung ungleichförmig. Dadurch wird vermieden, daß vorstehende Teile wie der Teil 46a verbogen werden.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts. In Fig. 5 sind diejenigen Einrichtungen, Glieder und Teile, die Teilen von Fig. 2 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen wie dort und werden nicht mehr beschrieben.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 wird das flüssige photohärtende Harz 3 aus einem an dem Behälter 2 angeordneten Harzvorratsbehälter 47 ergänzt, der Harz zuführt oder aus dem Behälter 2 überfließendes Harz speichert und damit der Volumenkontraktion des flüssigen photohärtenden Harzes 3 Rechnung trägt, die sich durch die Verfestigung des flüssigen photohärtenden Harzes 3 auf der plattenförmigen Stufe 9 ergibt.
Im Fall des Ausführungsbeispiels von Fig. 5 wird die Harzoberfläche 3a unabhängig von Volumenkontraktionen des flüssigen photohärtenden Harzes 3, die sich durch die Verfestigung des des flüssigen photohärtenden Harzes 3 auf der plattenförmigen Stufe 9 ergeben, auf konstantem Niveau gehalten. Dies hat den Vorteil, daß die Steuerung der Hebevorrichtung 8 zur korrekten Positionierung der plattenförmigen Stufe 9 in dem flüssigen photohärtenden Harz 3 keine Probleme aufwirft und die Temperatur des flüssigen photohärtenden Harzes 3 durch den Temperatursensor 5 genau erfaßt wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mit

einem Behälter (2) zur Speicherung von flüssigem photohärtendem Harz (3),

einer Lichtstrahlerzeugungseinrichtung (14) zum Applizieren eines Lichtstrahls (21) auf aufeinanderfolgende Schichten des flüssigen photohärtenden Harzes (3), um jede Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes (3) in eine verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz umzuwandeln, wobei diese Schichten jeweils die Oberseite des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) enthalten, und einer beweglichen Einrichtung (8, 28) zum Bewegen der einzelnen nacheinander verfestigten Schichten aus gehärtetem Harz nach unten in das in dem Behälter (2) gespeicherte flüssige photohärtende Harz (3), so daß jede verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz mit einer neuen Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes (31 bedeckt wird, die dann dem Lichtstrahl (21) aus der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung (14) ausgesetzt wird, um eine neue verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz zu bilden, die auf der in dem flüssigen photohärtenden Harz (3) liegende verfestigte Schicht fest aufgelagert ist, um ein dreidimensionales Objekt (42) aus laminiertem gehärtetem Harz herzustellen,

gekennzeichnet durch

eine Temperatursensoreinrichtung (5) zum Detektieren der Temperatur des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) und zur Erzeugung eines Detektorausgangssignals,

eine Heizeinrichtung (4) zum Erwärmen des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3)

eine Temperatursteuereinrichtung (7) zur Steuerung der Heizeinrichtung (4) auf der Basis des Detektorausgangssignals der Temperatursensoreinrichtung (5), um die Viskosität des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) herabzusetzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Behälter (2) zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Heizeinrichtung (4) eine Hochfrequenz-Induktionsheizeinrichtung umfaßt, die Spulen aufweist, mit deren Hilfe durch elektromagnetische Induktion ein in dem elektrisch leitfähigen Material fließender Wirbelstrom erzeugt wird, der in diesem die Erzeugung von Joulscher Wärme bewirkt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Temperatursensoreinrichtung (5) an dem Behälter (2) montiert ist und einen Sensorteil (61 aufweist, der in das in dem Behälter (21 gespeicherte flüssige photohärtende Harz (3) eintaucht.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Ablaufsteuereinrichtung (31) zur Steuerung der beweglichen Einrichtung (81 vorgesehen ist, die von der Temperatursteuereinrichtung (7) so gesteuert wird, daß der Beginn der Herstellung eines dreidimensionalen Objekts verhindert wird, wenn die Temperatur in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) unter einem vorbestimmten unteren Grenzwert liegt, und die Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gestoppt wird, wenn die Temperatur in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) über einem vorbestimmten oberen Grenzwert liegt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtstrahlerzeugungseinrichtung (14) aufweist:

eine Lichtquelle (20) zur Erzeugung eines Laserlichtstrahls,

eine Lichtstrahlsteuerung (24) zur Steuerung der Intensität des Laserlichtstrahls, ein mit einer Fokussierungslinse (26) ausgestattete Fokussierungseinrichtung (25) zum Fokussieren des Laserlichtstrahls derart, daß dieser auf der Oberfläche des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) einen vorbestimmten Strahlpunkt bildet,

einen ersten Lichtstrahlabstaster (16) mit einem ersten beweglichen Spiegel (19'), durch den der Lichtstrahl so beeinflußbar ist, daß die Oberfläche des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) in einer ersten Abtastrichtung abtastet,

einen zweiten Lichtstrahlabstaster (15) mit einem zweiten beweglichen Spiegel (19), durch den der Lichtstrahl so beeinflußbar ist, daß die Oberfläche des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (31 in einer zweiten Abtastrichtung abtastet,

und Ablenkmittel (20, 23), die bewirken, daß der Laserlichtstrahl entlang einem vorbestimmten Pfad auf den ersten und den zweiten beweglichen Spiegel auftrifft.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die bewegliche Einrichtung (8) eine Hebevorrichtung (8) umfaßt mit einem Teil, der wahlweise in dem in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harz (3) aufwärts und abwärts bewegt werden kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Hebevorrichtung (8) eine in das in dem Behälter (2) gespeicherte flüssige photohärtende Harz (3) eintauchbare plattenförmige Stufe (9) zur Unterstützung der verfestigten Schicht aus gehärtetem Harz aufweist sowie einen Schrittmotor (12), mit dessen Hilfe die plattenförmige Stufe (9) schrittweise mit einer bestimmten Schrittweite wahlweise aufwärts und abwärts bewegt werden kann.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die bewegliche Einrichtung (8, 28) außerdem einen Positionssensor (28) zur Detektierung der Position der Hebevorrichtung (8) in vertikaler Richtung relativ zu der Oberseite des Harzes und zur Erzeugung eines Positionsdetektorausgangssignals sowie eine Hebevorrichtungssteuerung (29) aufweist, die den Schrittmotor (12) nach Maßgabe des von dem Positionssensor (28) abgegebenen Ausgangssignals steuert.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Harzzuführungseinrichtung (47) zum Ergänzen des flüssigen photohärtenden Harzes (3) in dem Behälter (2), um die Oberfläche des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) auf einem konstanten Niveau zu halten.

11. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus in einem Behälter (2) gespeichertem flüssigem photohärtendem Harz (3),

mit den Verfahrensschritten:

Applizieren eines Lichtstrahls (21) auf aufeinanderfolgende Schichten des flüssigen photohärtenden Harzes (3), um jede Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes (3) in eine verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz umzuwandeln, wobei diese Schichten jeweils die Oberseite des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) enthalten,

Bewegen der einzelnen nacheinander verfestigten Schichten aus gehärtetem Harz nach unten in das in dem Behälter (2) gespeicherte flüssige photohärtende Harz (3), so daß jede verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz mit einer neuen Schicht des flüssigen photohärtenden Harzes (3) bedeckt wird, die dann dem Lichtstrahl (21) ausgesetzt wird, um eine neue verfestigte Schicht aus gehärtetem Harz zu bilden, die auf der in dem flüssigen photohärtenden Harz (3) liegende verfestigte Schicht fest aufgelagert ist, um ein dreidimensionales Objekt (42) aus laminiertem gehärtetem Harz herzustellen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

Detektieren der Temperatur des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) und zur Erzeugung eines Detektorausgangssignals,

Erwärmen des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) in Abhängigkeit von dem Temperaturdektor-Ausgangssignal, um die Viskosität des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) herabzusetzen

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Behälter (12) elektrisch leitfähiges Material enthält und der Verfahrensschritt des Erwärmens eine Hochfrequenz-Induktionserwärmung des elektrisch leitfähigen Materials umfaßt, wobei in diesem durch elektromagnetische Induktion ein Wirbelstrom erzeugt wird, so daß in dem elektrisch leitfähigen Material Joulsche Wärme erzeugt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der Verfahrensschritt des Detektierens der Temperatur des Harzes das Detektieren seiner Temperatur an der Oberseite des Harzes (3) in dem Behälter (2) umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei dem der Verfahrensschritt des Applizierens des Lichtstrahls folgende Schritte umfaßt:

Erzeugen eines Laserlichtstrahls (21),

Steuern der Intensität des Laserlichtstrahls (21),

Fokussieren des Laserlichtstrahls (21) derart, daß ein vorbestimmter Strahlpunkt auf der Oberfläche des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes gebildet wird, und

Veranlassen, daß der Lichtstrahl (21) die Oberfläche des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) in einer ersten Abtastrichtung und dann in einer zur ersten Abtastrichtung senkrechten zweiten Abtastrichtung abstastet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, mit dem Verfahrensschritt, daß das flüssige photohärtende Harz (3) in dem Behälter (2) so ergänzt wird, daß die Oberfläche des in dem Behälter (2) gespeicherten flüssigen photohärtenden Harzes (3) auf einem konstanten Niveau gehalten wird.