DE68929366T2 - Stereolithographische Vorrichtung mit Messeinrichtung zum Kontrollieren der Oberfläche des Fluidums - Google Patents

Stereolithographische Vorrichtung mit Messeinrichtung zum Kontrollieren der Oberfläche des Fluidums

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines dreidimensionalen Objektes durch Stereolithographie und auf ein System zum Bilden eines dreidimensionalen Objektes durch Stereolithographie jeweils gemäß dem einleitenden Teil der Ansprüche 1 und 7.
  • In den letzten Jahren kamen "Stereolithographie"- Systeme in Gebrauch wie jene, die in der US-Patentanmeldung 4,575,330 mit dem Titel "Apparatus for Production of threedimensional Objekts by Stereolithographie" beschrieben sind. Grundsätzlich ist Stereolithographie ein Verfahren zum automatischen Herstellen komplexer dreidimensionaler Kunststoffteile aus einer Arbeitsflüssigkeit, die polymerisierbar ist oder die im Stande ist, jeweils ihren physikalischen Zustand durch Anwendung eines aushärtenden Mediums synergistischer Stimulation umzuwandeln. Dabei werden eine Mehrzahl von dünnen Schichten polymerisierbarer Flüssigkeit in einem vorbestimmten Muster schrittweise übereinander ausgehärtet, bis alle dünnen Schichten miteinander verbunden sind, um ein dreidimensionales Teil zu bilden. Jede polymerisierte Schicht ist im wesentlichen ein dünner Querschnittsabschnitt des gewünschten dreidimensionalen Objektes. Mit dieser Technologie werden die Teile buchstäblich in einer Wanne flüssigen Kunststoffs gezüchtet, wobei gleichzeitig das Oberflächenniveau der Arbeitsflüssigkeit bestimmt wird, um sicherzustellen, dass die Oberfläche des Objektes durch die Arbeitsflüssigkeit ausreichend abgedeckt ist. Dieses Herstellungsverfahren ist extrem leistungsfähig für das schnelle Reduzieren von Konstruktionsideen auf physikalische Formen und für das Herstellen von Prototypen. Weiterhin können komplexe Teile schnell ohne Werkzeug hergestellt werden. Da das System ein Computer verwendet, um die Querschnitte der Muster zu generieren, kann das System einfach mit CAD/CAM-Systemen verbunden werden.
  • Derzeit bevorzugte Polymere werden durch ultraviolettes Licht (UV) ausgehärtet und ihre Aushärtung ist schnell genug, um aus ihnen praktische Modelbaumaterialien zu machen. Die Flüssigkeit, die nicht polymerisiert wird, wenn ein Teil hergestellt wird, ist weiterhin nutzbar und verbleibt in der Wanne, wenn schrittweise Teile hergestellt werden. Ein Ultraviolett-Laser erzeugt einen kleinen intensiven Lichtpunkt von UV-Licht, der mit einem Galvanometerspiegel eines X-Y- Scanners in einem vorbestimmten Muster über die Flüssigkeitsoberfläche bewegt wird. Der Scanner wird durch computererzeugte Vektoren oder dergleichen angetrieben. Mit dieser Technik können genaue komplexe Muster schnell produziert werden.
  • Das Stereolithographie-System umfasst einen Laserscanner, eine Wanne oder einen Tank zum Aufnehmen der polymerisierbaren Flüssigkeit und eine Objektunterstützungsplattform, die geeignet ist, in dem Tank angehoben und abgesenkt zu werden, und einen Steuercomputer. Das System ist programmiert, um automatisch ein Kunststoffteil herzustellen, in dem zu einer Zeit ein dünner Querschnitt ausgebildet wird und das gewünschte dreidimensionale Objekt Schicht für Schicht aufgebaut wird.
  • In typischen stereolithographischen Verfahren wird eine dünne Schicht einer viskosen aushärtbaren Kunststoffflüssigkeit auf eine Oberfläche aufgebracht, die eine zuvor ausgehärtete Schicht sein kann, und, nachdem eine ausreichende Zeit für die dünne Schicht aus polymerisierbarer Flüssigkeit vergangen ist, um sich durch Gravitation zu glätten, wird ein computergesteuerter Strahl von Strahlung über die dünne Flüssigkeitsschicht bewegt, um die Kunststoffflüssigkeit geeignet auszuhärten, so dass nachfolgende Schichten darauf aufgebracht werden können. Die Warteperiode für die dünne Schicht, um sich auszugleichen, variiert in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Viskosität der polymerisierbaren Flüssigkeit, der Schichtdicke und dergleichen.
  • Typischerweise wird die ausgehärtete Schicht, die von einer vertikal beweglichen Objektunterstützungsplattform unterstützt wird, eine Strecke unter die Oberfläche eines Bades der viskosen polymerisierbaren Flüssigkeit getaucht, wobei die Strecke der gewünschten Schichtdicke entspricht, so dass der flüssige Kunststoff über die ausgehärtete Schicht fließen kann. Wenn die Oberfläche ausgeglichen ist, ist die Schicht zum Aushärten durch Strahlung bereit.
  • Für weitere Details der Stereolithographie wird auf das US-Patent 4,575,330 und die folgenden anhängenden US-Patentanmeldungen Bezug genommen, die hierin durch Bezug in ihrer Vollständigkeit aufgenommen sind, wobei daran angeschlossene Anhänge oder darin durch Referenz aufgenommene Materialien mitenthalten sind, wie vollständig dargelegt ist:
  • US-Patentanmeldungs-Nr. 5,104,592 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Produktion dreidimensionaler Objekte durch Stereolithographie mit reduzierter Welligkeit, die am 17. April 1989 mit dem Titel "Method of and Apparatus for Production of three-dimensional Objects by stereolithography with reduced curl" eingereicht wurde;
  • US-Patentanmeldungs-Nr. 4,922,093, die am 31. März 1989 mit dem Titel " Method and a device for determining the number of people present in a determined space by processing the grey levels of points in an image" eingereicht wurde;
  • US-Patentanmeldungs-Nr. 5,015,424, die am 18. April 1988 mit dem Titel "Method and Apparatus for production of three-dimensional Objects by stereolithography" eingereicht wurde;
  • US-Patentanmeldungs-Nr. 4,999,143, die am 18. April 1988 mit dem Titel "Method and Apparatus for production of three-dimensional objects by Stereolithography" eingereicht wurde;
  • US-Patentanmeldungs-Nr. 5,076,974, die am 8. November mit dem Titel "Method for curing partially polymerized parts" eingereicht wurde;
  • US-Patentanmeldungs-Nr. 5,058,988, die am 8. November 1988 mit dem Titel "Apparatus and Method for profiling a beam" eingereicht wurde;
  • US-Patentanmeldungs-Nr. 5,059,021, die am 8. November 1988 mit dem Titel "Apparatus and Method for correcting for drift in production of objects by stereolithography" eingereicht wurde;
  • US-Patentanmeldungs-Nr. 5,123,734, die am 8. November 1988 mit dem Titel "Apparatus and Method for calibrating and normalizing a stereolithography Apparatus" eingereicht wurde;
  • US-Patentanmeldungs-Nr. 5,143,663, die am 12. Juni 1989 mit dem Titel "Stereolithography Method and Apparatus" eingereicht wurde; und
  • US-Patentanmeldungs-Nr. 4,892,231, die am 31. Oktober 1988 mit dem Titel "Pump chamber dispenser" eingereicht wurde.
  • Was benötigt wurde und bisher nicht erhältlich war, ist ein Mittel zum Reduzieren der Zykluszeit zur Bildung jeder Schicht aus Kunststoff. Die vorliegende Erfindung befriedigt diesen Bedarf.
  • Viele wissenschaftliche Experimente und industrielle Anwendungen fordern die Bestimmung des Niveaus einer Flüssigkeit. Der Begriff "Niveau einer Flüssigkeit", wie er hier verwendet wird, bedeutet die Höhe der Oberfläche einer Flüssigkeit in einem Gravitationsfeld oder in einem anderen beschleunigten Bezugsrahmen. Diese Oberfläche kann die Oberseite oder genauso die Unterseite der Flüssigkeit sein (wenn die Flüssigkeit in einer anderen Flüssigkeit fließt). Die Flüssigkeit kann der Ozean, der Kraftstoff in dem Tank eines Automobils oder eine Testchemikalie in einer Testwanne unter vielen Möglichkeiten sein. Über die Jahre sind verschiedene Mittel angewandt worden, um die Niveaus solcher Flüssigkeiten zu messen, umfassend Tauchstäbe, Linien, die auf die Seite von Pfählen gemalt wurden, Markierungen an den Seiten von Testwannen, Schwimmer und dergleichen. Es existiert jedoch ein Bedarf für eine Vorrichtung, die sehr präzise und verlässlich das Niveau einer Flüssigkeit bestimmen kann. Vorrichtungen dieser Art sind im speziellen in industriellen Anwendungen nützlich und können mit einem Niveau-Erhaltungsmittel, wie beispielsweise Kolben, eine Membran oder mit Steuerungen für eine Pumpe gekoppelt sein, um das Niveau der Flüssigkeit auf jeder gewünschten Höhe zu halten.
  • Insbesondere erfordern stereolithographische Maschinen eine sehr präzise Steuerung des Niveaus der Arbeitsflüssigkeit. Das US-Patent 4,575,330 von Charles W. Hull, das bereits früher erwähnt wurde, offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch Stereolithographie. Die in stereolithographischen Vorrichtungen verwendete Arbeitsflüssigkeit ist gewöhnlich eine fotopolymere Flüssigkeit, die durch das Aufbringen ultravioletten Lichts (UV) aushärtbar ist. Wie in dem US-Patent 4,575,330 bemerkt wird, muss das Niveau der Arbeitsflüssigkeit in der bevorzugten Ausführungsform auf einem konstanten Niveau gehalten werden, so dass der Strahl des UV-Lichts auf einer festen Ebene scharf fokusiert bleibt.
  • Die Gesamtintensität und das Intensitätsprofil ("Strahlenprofil") des Strahls von UV-Licht auf der Oberfläche des flüssigen Fotopolymers wird in Zusammenarbeit mit anderen Faktoren (wie beispielsweise den Charakteristika des flüssigen Fotopolymers und der Zeitspanne, die der Strahl auf einem einzelnen Lichtpunkt verbleibt) die Tiefe und das Profil des Fotopolymers bestimmen, dass durch die Belichtung durch den Strahl ausgehärtet oder polymerisiert wird. Das Strahlprofil wird mit dem Niveau des flüssigen Fotopolymers variieren, da der Strahl fokussiert ist, um ein bekanntes Profil auf einem vorbestimmten Niveau des flüssigen Fotopolymers zu haben. Wenn das flüssige Fotopolymer ein Niveau aufweist, dass sich von dem vorbestimmten unterscheidet, wird der Unterschied in dem Strahlprofil die Breite des ausgehärteten Fotopolymers und seine Tiefe von der geplanten Tiefe und Breite verändern.
  • Weiterhin, wenn das Niveau des flüssigen Fotopolymers höher ist, als das vorbestimmte Niveau, kann die Tiefe des ausgehärteten Fotopolymers nicht ausreichend sein, um bis zu der zuvor ausgehärteten Schicht zu reichen und an ihr befestigt zu werden, was zu nachteiligen Konsequenzen für die strukturelle Vollständigkeit des gebildeten Objektes führt. Wenn das Niveau niedriger ist, wird die neue Schicht dünner als geplant, was nachteilig für die Genauigkeit der Reproduktion des Objektes ist.
  • Das Niveau des flüssigen Fotopolymers muss trotz der Schrumpfung erhalten bleiben, die durch das Aushärten des flüssigen Fotopolymers, das Heizen, das Verdampfen und dergleichen bewirkt wird. In früheren Versionen der stereolithographischen Vorrichtungen wurde dieses Niveau durch das Bereitstellen eines Überlaufes erhalten. Das Niveau des flüssigen Fotopolymers stieg bis und leicht über den Überlauf (aufgrund der Oberflächenspannung). Ein Überlauf steuert jedoch nicht das Niveau des flüssigen Fotopolymers mit ausreichender Genauigkeit, um die feinere Auflösung von mit stereolithographischen Vorrichtungen hergestellten Teilen möglich zu machen. Demgemäß existiert ein Bedarf für ein präziseres Mittel zum Messen des Niveaus einer Flüssigkeit.
  • Aus der EP-A-0 250 121 ist eine stereolithographische Vorrichtung bekannt, in der ein modulierter und abgelenkter Strahl einer Lichtquelle auf einer Schicht eines flüssigen Harzes auftrifft, die in einer bestimmten Aushärtebene liegt. Das flüssige Harz befindet sich in einem Container, der typischer Weise von einem Containerpositionierungsmechanismus unterstützt wird und der einer Harzzufuhrvorrichtung und einem Schichtbefestigungsmechanismus zugeordnet ist. Zu jeder Zeit, in der eine Schicht durch den abgelenkten Lichtstrahl ausgehärtet wird, wird der Containerpositionierungsmechanismus abgesenkt, so dass die Aushärtebene, die fest ist, an schrittweise höheren Positionen im Hinblick auf den Container liegt. Durch eine Zufuhrleitung, die mit der Harzzufuhrvorrichtung verbunden ist, wird eine Menge des flüssigen Harzes geliefert, die ausreichend ist, um für eine Beschichtung auf zuvor ausgehärteten Schichten mit der gewünschten Schichtdicke bereitgestellt zu werden.
  • Aus der US-A-4 247 508 ist eine Laser-Sinter-Vorrichtung bekannt, in der schmelzbare Partikel zur Bildung von Schichten ausgenutzt werden. Jede Partikelschicht wird gezielt durch einen Laserstrahl geschmolzen, um ein Gebiet zu schmelzen, das den jeweiligen Bereich des Artikels in der Schicht definiert. Nachdem eine Schicht gezielt geschmolzen wurde, wird eine andere Schicht auf der Oberseite davon hinzugefügt und danach gezielt geschmolzen, so dass die Partikel in Schichten aufgebaut werden und der geschmolzene Bereich einer Schicht auf einen Abschnitt einer früheren Schicht schmilzt. Die verwendete Vorrichtung umfasst einen Container mit einem Boden, der innerhalb den Wänden des Containers vertikal bewegbar ist. Ein oberes Fenster mit einer Dicke wird bereitgestellt, dass die Dicke jeder Schicht definiert. Anfänglich wird der Boden des Containers auf dem Niveau der unteren Kante des Fensters angeordnet sein. Eine Menge schmelzbarer Partikel wird in dem Fenster auf dem Boden angeordnet und dann durch ein Abstreifteil zu einer dünneren Schicht abgestreift in Übereinstimmung mit einem Niveau gemäß der Oberseite des Fensters. Nachdem die Schicht gezielt durch den Laserstrahl geschmolzen worden ist, wird der Boden eine Strecke nach unten bewegt entsprechend der Dicke des Fensters und eine zweite Schicht von Partikeln wird auf die erste Schicht aufgebracht. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der feste Artikel geformt ist.
  • Von dem Stand der Technik-Dokument JP-A-61-114 818 ist eine stereolithographische Vorrichtung bekannt, in der ein optisches, thermisch aushärtbares Harz nach und nach einem Harzbehälter zugeführt wird und durch einen Laserstrahl gezielt ausgehärtet wird. Das verwendete System umfasst einen Harzbehälter, in dem ein Glättungsteil platziert ist, dessen Länge entweder gleich der Länge oder der Breite des Behälters ist. Das Glättungsteil wird horizontal über die Oberfläche des flüssigen Harzes bewegt, dass dem Behälter von einem getrennten Harzzufuhrmechanismus zugeführt worden ist. Das Glättungsteil wurde hinzugefügt, um die Zeitperiode zu verkürzen, die notwendig ist, um eine glatte Harzoberfläche zu erhalten. Das Harz wird von einem Harzzufuhrmechanismus zum erneuten Beschichten zuvor ausgehärteter Schichten zugeführt. Aufgrund der hohen Viskosität des Harzes ist diese Wiederbeschichtungszeit bemerkenswert lang, was die Produktionszeit eines zu produzierenden dreidimensionalen Teils steigert.
  • Von den Dokumenten JP 62-37109, US-A-4 320 394 und der EP-A-82 300 566.5 sind Systeme zur Bestimmung des Oberflächenniveaus der Flüssigkeiten unter verschiedenen Bedingungen bekannt.
  • Das System gemäß der JP 62-37109 stütz sich auf eine Reflexionsanordnung, um die Versetzung der Oberflächenposition einer flüssigen Schicht eines fotoaushärtbaren Harzes zu messen, das schrittweise einem harzenthaltenen Behälter zugeführt worden ist. Ein Lichtstrahl mit einer Wellenlänge, die nicht zu einer Aushärtung führt, wird auf die Oberfläche der fotopolymerisierbaren Flüssigkeit in einem Winkel gerichtet und der reflektierte Lichtstrahl wird durch einen positionsempfindlichen Detektor empfangen. Wenn eine Abweichung von einem vorgeschriebenen Flüssigkeitsniveau bestimmt wird, erzeugt eine Rückkopplungs- Schaltung ein korrigierendes Signal zum Einstellen des Oberflächenniveaus. Jedoch wird der Strahl zur Messung des Oberflächenniveaus auf die Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit in der selben Region gerichtet, wo das Objekt gebildet wird. Dies ist nachteilig für die Genauigkeit des Messprozesses, weil beispielsweise Blasen aufgrund von gefangener Luft oder Oberflächenwellen aufgrund einer Relativbewegung des Objektes oder eines Messers Abweichung von einer idealen flachen Oberfläche mit gut definierten optischen Eigenschaften bewirken können.
  • Die europäische Patentanmeldung 0 171 069 A2 (die die Basis für den Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 bildet) offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch Stereolithographie.
  • Die Objekte werden Schicht für Schicht gebildet, in dem die Oberfläche eines flüssigen Mediums, dass durch synergistische Stimulation aushärtbar ist, in Querschnittsmustern durch diese synergistische Stimulation belichtet wird. Das Objekt wird auf einer Hebeplattform gebildet, die rechtwinklig zu der Oberfläche der aushärtbaren Flüssigkeit bewegbar ist. Ist einmal ein Querschnittsmuster des Objektes ausgehärtet, wird das Objekt den Nettobetrag einer Schichtdicke mit Hilfe der bewegbaren Hebeplatteform abgesenkt und eine frische Schicht von aushärtbarem flüssigen Medium wird auf der zuvor ausgehärteten Schicht gebildet. Nachdem die Bildung der frischen Schicht des flüssigen Materials vollständig ist, wird die Schicht in einem Querschnittsmuster der nächsten Schicht des Objektes der synergistischen Stimulation ausgesetzt.
  • Gemäß dem in der europäischen Patentanmeldung 0 171 069 A2 beschriebenen System ist es wichtig, ein konstantes Niveau der Flüssigkeit an einer Arbeitsoberfläche zu halten, bis aufgrund der Absenkung der Hebeplattform sich das flüssige Medium verlagert hat und weil das Aushärten durch einen bestimmten Grad an Schrumpfung des Mediums begleitet wird. Somit offenbart die EP 0 171 069 A2 ein Niveau-Bestimmungssystem und Rückkopplungsnetzwerke, die im Stand der Technik gut bekannt sind, die zum Antreiben einer Flüssigkeitspumpe oder eines Flüssigkeitsverschiebungsgerätes verwendet werden können, wie beispielsweise eine feste Stange, die aus dem flüssigen Medium heraus bewegt wird, wenn die Hebeplattform weiter in das flüssige Medium hineinbewegt wird, um Änderungen in dem Flüssigkeitsvolumen auszugleichen und ein konstantes Flüssigkeitsniveau an der Oberfläche zu halten. Jedoch schlägt die EP 0 171 069 A2 keine spezifischen Anordnungen zur Messung des Oberflächenniveaus vor.
  • Im Hinblick auf das oben Genannte ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System mit gesteigerter Genauigkeit bereitzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung liefert ein neues und verbessertes stereolithographisches System zum Erzeugen eines dreidimensionalen Objektes durch das Bilden aufeinander folgender, dünner Querschnittsschichten des Objektes an der Oberfläche einer polymerisierbaren Flüssigkeit, die in Antwort auf eine geeignete Strahlungsstimulation ausgehärtet wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf ein verbessertes stereolithographisches Verfahren und System für die verbesserte Messung des Oberflächenniveaus der Arbeitsflüssigkeit gerichtet.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein stereolithographisches Verfahren, wie es in dem unabhängigen Anspruch 1 definiert ist, und ein stereolithographisches System, wie es in dem unabhängigen Anspruch 7 definiert ist, bereit.
  • Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Bildung eines dreidimensionalen Objektes durch Stereolithographie bereit, wobei das Verfahren umfasst: Das Enthalten eines Körpers einer Arbeitsflüssigkeit, wobei die Arbeitsflüssigkeit polymerisierbar oder geeignet ist, um ihren physikalischen Zustand durch Anwendung eines aushärtenden Mediums oder synergistischer Stimulation jeweils umzuwandeln; das Messen des Oberflächenniveaus der Arbeitsflüssigkeit; und das Aufbringen eines Aushärtemediums oder einer synergistischen Stimulation in einem vorbestimmten Muster auf aufeinanderfolgende Schichten an der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden, wobei das Aushärtemedium oder die synergistische Stimulation auf eine erste Region der Oberfläche aufgebracht wird, die von einer zweiten Region der Oberfläche durch eine Wand getrennt ist, wobei eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der ersten Region und der zweiten Region der Oberfläche mittels eines Durchgangs besteht und wobei das Messen des Oberflächenniveaus der Arbeitsflüssigkeit auf dieser zweiten Region der Oberfläche ausgeführt wird.
  • Das System gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Mittel zum Enthalten der Arbeitsflüssigkeit, wobei die Arbeitsflüssigkeit polymerisierbar oder geeignet ist, um ihren physikalischen Zustand jeweils durch die Anwendung eines aushärtenden Mediums oder einer synergistischen Stimulation umzuwandeln; Mittel zum Messen des Oberflächenniveaus der Arbeitsflüssigkeit und Mittel zum Aufbringen eines aushärtenden Mediums oder einer synergistischen Stimulation in einem vorbestimmten Muster auf aufeinanderfolgenden Schichten auf die Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden, wobei das System des weiteren eine Wand aufweist, die eine erste Region der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit von einer zweiten Region der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit trennt, wobei eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der ersten Region und der zweiten Region mittels eines Durchgangs besteht, wobei das Mittel zum Aufbringen eines aushärtenden Mediums oder einer synergistischen Stimulation angeordnet ist, um das aushärtende Medium oder die synergistische Stimulation auf die erste Region der Oberfläche anzuwenden, und wobei das Mittel zum Messen des Oberflächenniveaus der Arbeitsflüssigkeit angeordnet ist, um diese Messung an der zweiten Region der Oberfläche auszuführen.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine Schicht polymerisierbarer Flüssigkeit auf eine Oberfläche auf einer Objektunterstützungsplattform aufgebracht. Überschüssige polymerisierbare Flüssigkeit wird von der Schicht gewünschter Dicke abgestrichen. Die Aushärtemedien, wie beispielsweise Strahlung, werden auf die obere oder Arbeitsoberfläche der geglätteten Schicht in einem vorbestimmten Muster gerichtet, um dadurch die Schicht ausreichend auszuhärten, so dass nachfolgende Schichten in der gleichen Weise aufgebracht und ausgehärtet werden können, um das gewünschte dreidimensionale Objekt zu bilden.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Gegenstandstrageplattform mit einer Oberfläche, auf der die Schichten aufgebracht werden, bereitgestellt und angepasst, um in einem Bad der polymerisierbaren Flüssigkeit in einer Wanne oder in einem Behälter angehoben oder abgesenkt zu werden. Die Plattform wird in dem Bad abgesenkt, so dass eine Oberfläche darauf, die die zuletzt ausgehärtete Schicht sein kann, unter der oberen Oberfläche des polymerisierbaren Flüssigkeitsbades liegt, und zwar um eine Distanz, die im allgemeinen größer als die gewünschte Dicke der Schicht ist. Die Plattform wird dann angehoben, so dass die viskose polymerisierbare Flüssigkeit auf der Oberfläche über der oberen Oberfläche des Bades liegt. Ein sich horizontal bewegendes Abstreifmesser bzw. Streichrakel (Doctor Blade) streift überflüssige polymerisierbare Flüssigkeit ab, so dass eine flüssige Polymerschicht der gewünschten Dicke gebildet wird. Die Plattform wird dann abgesenkt, so dass die obere Oberfläche der geglätteten Schicht der polymerisierten Flüssigkeit im wesentlichen auf dem gleichen Niveau wie das Bad ist. Aushärtende Strahlung wird dann auf die geglättete Schicht in einem graphischen Muster gerichtet, um die dünne Flüssigkeitsschicht auszuhärten, so dass eine oder mehrere aufeinanderfolgende Schichten der polymerisierbaren Flüssigkeit darauf aufgebracht werden können. Die Gegenstandstrageplattform mit der teilweise ausgehärteten festen Schicht darauf wird dann weiter abgesenkt weg von der Oberfläche des Bades, so dass die polymerisierbare Flüssigkeit auf die feste Schicht fließen und der Zyklus wiederholt werden kann.
  • Der Prozeß setzt sich fort mit der Bildung einer Vielzahl aufeinanderfolgend gebildeter Schichten, wobei diese Schichten zusammen verbunden werden, bis der gewünschte dreidimensionale Gegenstand gebildet worden ist. Das Endprodukt der Stereolithographie muß eine ausreichende Festigkeit für die darauffolgende Handhabung haben. Gewöhnlicherweise wird dem Gegenstand eine letzte Aushärtung nach dem Formen gegeben.
  • Sorgfalt sollte während der Verfahren ausgeübt werden, um zu gewährleisten, daß das Niveau der polymerisierbaren Flüssigkeit in dem Bad bei einem konstanten Niveau gehalten wird, insbesondere, wenn die nivellierte Schicht von polymerisierbarer Flüssigkeit in das Bad abgesenkt und durch Strahlung ausgehärtet wird, weil die Flüssigkeit in dem Bad im wesentlichen die Grenzen der nivellierten Flüssigkeitsschichten bildet. In einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Badniveau auf eine geeignete Weise erfaßt, das Niveau wird mit dem gewünschten Niveau verglichen und in Antwort auf einen Unterschied zwischen ihnen wird ein Kolben oder ein Eintauchkolben in dem Bad angehoben oder in dem Bad abgesenkt, um das Niveau an dem gewünschten Einstellpunkt zu steuern.
  • Die Bildung des dreidimensionalen Gegenstandes erfolgt, indem eine horizontale Schicht auf einmal gebildet wird, durch Bewegen eines Strahles, wie z. B. ultraviolettem Licht von einem Helium-Cadmium-Laser, über die Oberfläche des photon-aushärtbaren Harzes, wobei er die Flüssigkeit verfestigt, wo er sie trifft. Absorption in dem Harz hindert das Laserlicht daran, tief einzudringen und erlaubt, daß eine dünne Schicht gebildet wird.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch eine neue und verbesserte Vorrichtung zum Messen des Niveaus eines Fluides bereit, die ein Mittel zum Erzeugen eines Strahles elektromagnetischer Strahlung und einen Sensor aufweist, der ein elektrisches Signal in Antwort auf Änderungen der Position des elektromagnetischen Strahles, der auf den Sensor auftrifft, variiert. Der Strahlsensor ist in einem Abstand senkrecht zu dem Niveau des Fluides montiert. Der Strahl ist längs eines ersten optischen Pfades (der Begriff "optischer Pfad" wird verwendet, obwohl der Strahl nicht aus sichtbarem Licht sein muß) gegen die Oberfläche des Fluides gerichtet, in einem Winkel zur Oberfläche des Fluides, so daß ein erfaßbarer Abschnitt des Strahles von der Oberfläche des Fluides längs eines zweiten optischen Pfades zu dem Sensor reflektiert wird. Änderungen des Fluidniveaus ändern den Punkt, bei dem der Strahl auf den Sensor auftrifft und werden demgemäß Variationen in dem elektrischen Signal des Sensors verursachen. Dieses Signal kann dazu benutzt werden, Vorrichtungen zu steuern, die wiederum das Niveau des Fluides regeln, wie z. B. Pumpen, Diaphragmen oder Eintauchkolben.
  • Es wird angenommen, daß die Oberfläche des Fluides eben ist, oder daß sie im gleichen Winkel zu dem Strahl bleibt, auch wenn die Höhe der Oberfläche des Fluides variieren kann. Demgemäß wird der Winkel, unter dem der Strahl von der Oberfläche des Fluides reflektiert wird, nicht variieren. Wenn die Oberfläche nicht eben ist, kann der Strahl nicht reflektiert werden, oder kann unter unvorhersehbaren Winkeln reflektiert werden. Wenn Wellen oder Turbulenzen zu erwarten sind, dann kann ein bespiegelter Schwimmer, der gewichtet ist, um Gieren, Neigen und Rollen zu vermeiden, auf der Oberfläche des Fluides plaziert werden, um den Strahl zu reflektieren.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles elektromagnetischer Strahlung ein Laser und der Sensor wird aus einer Vielzahl von verbundenen Photozellen gebildet, die von der Oberfläche des Fluides längs einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Fluides versetzt angeordnet sind. Die Strahlung von dem Laser sollte bevorzugterweise nicht den Zustand des Fluides ändern. Elektronische Schaltungen sind bereitgestellt, um den elektrischen Ausgang jeder der Photozellen zu vergleichen und demgemäß Bewegungen in der Position des Strahles zu erfassen, wenn er auf die Photozellen auftrifft. Wenn sich das Niveau des Fluides ändert, wird der Strahl nicht länger an dem gleichen Ort auf die Photozellen auftreffen. Eine Photozelle wird mehr als zuvor von dem Strahl empfangen und eine andere wird weniger als zuvor empfangen. Dies wird den elektrischen Ausgang von jeder der betroffenen Photozellen ändern. Eine Vergleichsschaltung wird diese Differenz erfassen und entweder ein Instrument, das das Niveau des Fluides anzeigt, oder eine Vorrichtung zum Ändern des Niveaus des Fluides (wie z. B. einen Eintauchkolben) antreiben, oder beides.
  • Die Vorrichtung zum Messen des Niveaus des Fluides der vorliegenden Erfindung ist schnell, zuverlässig und sehr empfindlich. Sie ist in der Lage, sehr präzise das Niveau des Fluides zu bestimmen und konsequenterweise dieses Niveau sehr präzise zu halten. Derzeit kann die Vorrichtung zum Messen des Niveaus eines Fluides, die gemäß der Erfindung gebildet wird, das Niveau des Fluides auf zumindests innerhalb plus oder minus 0,0127 mm (0,5 mil plus oder minus, 0,000 Inches) genau messen (und halten).
  • Zusammenfassend sorgt das Stereolithographieverfahren und -system der vorliegenden Erfindung für eine beträchtliche Reduktion der Zykluszeit für jede gebildete Schicht, Verbesserungen in der dimensionalen Genauigkeit und Erhöhungen in der Grünfestigkeit, sowie der ausgehärteten Endfestigkeit. Außerdem befriedigt das Niveaumeß- und Steuermittel der vorliegenden Erfindung ein seit langem existierendes Bedürfnis nach einem System, das in der Lage ist, schnell, zuverlässig und genau das Niveau eines Fluides zu messen.
  • Das obige und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung von veranschaulichenden Ausführungsbeispielen deutlich.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Stereolithographiesystems, das Merkmale der Erfindung verkörpert;
  • Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Systems, das in Fig. 1 gezeigt ist, die weiter das Ausführungsbeispiel, gezeigt in Fig. 1, veranschaulicht;
  • Fig. 3 bis 6 sind vereinfachte Querschnittsansichten des Behälters, gezeigt in Fig. 1, bei verschiedenen Stufen des Stereolithographieverfahrens;
  • Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines dreidimensionalen Gegenstandes, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gemacht worden ist;
  • Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes eines Stereolithographiemittels mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Fluidniveau-Meßmittels der vorliegenden Erfindung, das darauf montiert ist;
  • Fig. 9 ist eine Seitenschnittansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 10 ist eine Seitenschnittansicht des optischen Pfades, der von dem Laserstrahl des bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung genommen wird unter Bedingungen von sich änderndem Fluidniveau und Einfallwinkel;
  • Fig. 11 ist eine Frontschnittansicht eines Bi-Zellen-Photosensors, der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung benutzt wird;
  • Fig. 12 ist ein Blockdiagramm der mit dem Bi-Zellen-Photosensor verbundenen Elekronik des bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung;
  • Fig. 13 veranschaulicht das Problem des eingeschlossenen Volumens;
  • Fig. 14 veranschaulicht mit Gewinde versehene, zurückziehbare Stifte zum Einstellen des Glättgliedspaltes;
  • Fig. 15 stellt eine vergrößerte Ansicht des Stiftes, der in das Glättglied montiert ist, dar;
  • Fig. 16 veranschaulicht einen Querschnitt eines Glättglieds, die einen Angriffswinkel in der Richtung der Glättgliedbewegung hat;
  • Fig. 17 bis 19 veranschaulichen alternative Querschnittsformen für das Glättglied von Fig. 16;
  • Fig. 20 veranschaulicht eine alternative Form für einen Niveauerfassenden Schwimmer;
  • Fig. 21 veranschaulicht ein Niveauerfassungsmittel einschließlich einem Schwimmer;
  • Fig. 22 ist ein Diagramm des optischen Detektors des Mittels von Fig. 21; und
  • Fig. 23 ist ein Flußdiagramm der wiederbeschichtenden Software, die in der SLA-250 verwendet wird.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen schematisch das Stereolithographiesystem zum Bilden dreidimensionaler Gegenstände, das Merkmale der Erfindung verkörpert. Wie in diesen Zeichnungen gezeigt, ist ein Behälter oder eine Wanne 10 bereitgestellt, um ein Bad 11 eines polymerisierbaren Fluides zu enthalten. Eine Gegenstandstrageplattform 12 ist in dem Behälter 10 angeordnet und ist angepaßt durch Rahmenelemente 13 und 14, um in dem Tank durch einen Motor (nicht gezeigt) gehoben und abgesenkt zu werden. Die Plattform 12 hat eine horizontale Oberfläche 15, auf der die dreidimensionalen Gegenstände gemäß der Erfindung gebildet werden. Der Behälter 10 hat eine Zuflußrinne 16 in dem oberen Abschnitt einer Seitenwand des Behälters 10, und ein Eintauchkolben oder ein Kolben 17 ist in der Zuflußrinne angeordnet, um durch einen Motor 18 gehoben und gesenkt zu werden, um das Niveau der oberen Oberfläche 20 der polymerisierbaren Flüssigkeit in dem Behälter 10 zu steuern.
  • Das Niveau der oberen Oberfläche 20 des Bades 11 wird mittels einer Strahlungsquelle 21, wie z. B. einem HeNe-Laser, erfaßt, der gegen die obere Oberfläche 20 auf einen Winkel- und Strahlungssensor 22 gerichtet ist, der ein Bi-Zellen-Detektor sein kann. Die Position des Sensors 22 ist eingestellt, um in einem komplementären Winkel bezüglich der oberen Oberfläche 20 zu stehen, um die Strahlung vom HeNe-Laser zu empfangen. Ein Steuersystem 23 ist bereitgestellt, um die Bewegung des Eintauchkolbens 7 durch den Motor 18 zu steuern.
  • Eine computergesteuerte Strahlungsquelle 24 ist über dem Bad 11 angeordnet, um Aushärtungsmedien, wie z. B. ultraviolette Strahlung oder andere Typen von aushärtender Strahlung, in einem vorbestimmten Muster über die obere Oberfläche 20 des Bades 11 zu richten, um die polymerisierbare Flüssigkeit in der Schicht über der Plattform dort auszuhärten, wo solche Strahlung darauf auftrifft. Die Bewegung und der Betrieb der Strahlungsquelle 24 und das Heben und Senken der Gegenstandstrageplattform 12 sind integrale Teile der Computersteuerung 25 des Systemes, wie es hierin nachfolgend beschrieben wird.
  • Ein Glättglied 26 ist auf dem Oberteil des Behälters 1(1 montiert und angepaßt, um sich horizontal über dem Oberteil des Behälters zu bewegen. Ein Glättgliedträger 27 ist gleitbar auf Schienen 30 und 31 montiert, die längs einer Seite des Behälters 10 angeordnet sind. Eine mit einem Gewinde versehene Antriebswelle 32 passiert durch einen mit einem Gewinde versehenen Durchgang (nicht gezeigt) in dem Glättgliedträger 27 und ihre Rotation durch einen Motor 33 bewegt den Glättgliedträger 27 und demgemäß das Glättglied 26 horizontal über das Oberteil des Behälters 10.
  • Der Betrieb des Stereolithographiesystems, gezeigt in Fig. 1 und 2, ist am besten in der Folge von Fig. 3 bis 6 gezeigt. Beginnend mit Fig. 3 wird das stereolithographische Verfahren mit der Gegenstandstrageplattform 12 initiiert, die in dem Bad 11 von polymerisierbarer Flüssigkeit positioniert ist, so daß die horizontale Oberfläche 15 darauf in einem kleinen Abstand von der oberen Oberfläche 20 des Bades angeordnet ist. Dieser Abstand ist größer als die gewünschte Dicke der Schicht von polymerisierbarer Flüssigkeit, die ausgehärtet werden soll. Die Schicht von polymerisierbarer Flüssigkeit direkt über der Oberfläche 15 bildet die erste feste Schicht des dreidimensionalen Gegenstandes, wenn sie ausgehärtet ist.
  • Der nächste Schritt in dem Prozeß ist in Fig. 4 gezeigt. Die Gegenstandstrageplattform 12 wird angehoben, so daß die Schicht 34 der polymerisierbaren Flüssigkeit auf der Oberfläche 15 über die obere Oberfläche 20 des Bades 11 gehalten wird. Die polymerisierbare Flüssigkeit ist ein relativ viskoses Fluid, so daß die Flüssigkeit nicht sofort über die Kanten der Oberfläche 15 auf der Plattform 12 läuft, wenn die Schicht aus dem Bad gehoben wird. Das Glättglied 26 wird horizontal bewegt, so daß ihre untere Kante 35 überschüssige polymerisierbare Flüssigkeit von der Schicht 34 abstreift und dadurch die obere oder Arbeitsoberfläche 36 glättet. Geeignete Glättgliedgeschwindigkeiten werden empirisch bestimmt, um ein gewünschtes Niveau zu der Arbeitsoberfläche 36 bereitzustellen. Außerdem können ein oder mehrere Durchgänge des Glättglieds 26 bei einer besonderen Geschwindigkeit benötigt werden, um eine glatte Niveauoberfläche 36 bereitzustellen. Typische Glättgliedgeschwindigkeiten können von ungefähr 1-25,4 cm/sec (10 Inches pro Sekunde) reichen. Wenn polymerisierbare Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität verwendet werden, können periphere Dämme angewendet werden, um die Flüssigkeit zu halten, bis sie polymerisiert ist.
  • Nachdem die Arbeitsoberfläche 36 der Schicht 34 durch das Glättglied 26 nivelliert ist, wird die Gegenstandstrageplattform 12 in das Bad 11 abgesenkt, wie in Fig. 5 gezeigt, so daß die geglättete Arbeitsoberfläche 36 der Schicht 34 eben mit oder in der gleichen horizontalen Ebene wie die obere Oberfläche 20 des Bades 11 liegt. Das polymerisierbare Fluid des Bades 11, das die Schicht 34 umgibt, bildet eine Schnittstelle 37, die im wesentlichen eine Wand ist, die die äußere Peripherie der Schicht 36 trägt. Jegliche Störungen in der Arbeitsoberfläche 36 oder der oberen Oberfläche 20 des Bades 11, die durch das Eintauchen der Gegenstandstrageplattform 12 und der Schicht 34 in das Bad 11 verursacht werden, sind relativ gering und gleichen sich schnell aus.
  • Die computergesteuerte Strahlungsquelle 24 wird nach einer kurzen Verzögerung betätigt, um jegliche Störungen in der oberen Oberfläche zu eliminieren, um Aushärtungsmedien, vorzugsweise UV-Strahlung oder andere geeignete Strahlung, über die Arbeitsoberfläche 36 der Schicht 34 in einem vorbestimmten Muster zu richten, um die polymerisierbare Flüssigkeit, auf die die Strahlung auftrifft, auszuhärten. Die Schicht 34 ist ausreichend ausgehärtet, so daß sie die notwendige Grünfestigkeit hat, um zusätzliche Schichten zu tragen, die darauffolgend auf eine ähnliche Weise aufgebracht werden, und um die Handhabung des gebildeten Gegenstandes nach der Stereolithographie, aber vor der Endaushärtung, zu erleichtern.
  • Nach der Bestrahlung der Schicht 34 wird die Gegenstandstrageplattform 12 weiter abgesenkt, wie in Fig. 6 gezeigt, so daß die polymerisierbare Flüssigkeit von dem Bad 11 über die zuvor ausgehärtete Schicht 34 fließt, um eine neue Schicht 38 zu bilden, um dadurch einen weiteren Zyklus des Prozesses zu initialisieren.
  • Eine Serie von polymerisierten Schichten wird auf die zuvor genannte Weise aufgebaut, wie in Fig. 1 gezeigt, wobei jede Schicht tatsächlich ein dünner Querschnitt des gewünschten dreidimensionalen Gegenstandes 40 ist. Die Dicke der individuellen Schichten kann abhängig von der Zusammensetzung und der Viskosität der polymerisierbaren Flüssigkeit und der Natur und der Intensität des aushärtenden Strahlungsmediums variieren. Typische Dicken reichen jedoch von ungefähr 0,127 mm bis ungefär 0,254 mm (ungefär 0,005 bis ungefähr 0,01 Inch). Der endgültige dreidimensionale Gegenstand 40, der durch das zuvor beschriebene Stereolithographiesystem gebildet ist, wird von dem Behälter 10 entfernt und dann einer weiteren Behandlung unterworfen, um das Aushärten von nicht ausgehärtetem Material zu vervollständigen, das in den gebundenen Oberflächen des dreidimensionalen Gegenstandes verbleibt. Oberflächenendbearbeiten, wie z. B. Schmirgeln und ähnliches, kann auch angewandt werden, wenn benötigt.
  • Eine große Vielzahl von polymerisierbaren Flüssigkeiten kann mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, genauso wie ein breiter Bereich von aushärtenden Medien. Jedoch werden photon-polymerisierbare Flüssigkeiten, wie z. B. Acryle, derzeit gemeinsam mit UV-Strahlung bevorzugt, um sie auszuhärten. Bevorzugterweise sollte die Viskosität der polymerisierbaren Flüssigkeit 100 Centipoise überschreiten und bevorzugterweise von ungefähr 1000 bis ungefähr 6000 Centipoise reichen.
  • Ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein computergesteuertes Stereolithographiesystem, das von dem gegenwärtigen Anmelder entwickelt worden ist, und das schematisch in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wurde verwendet, um den dreidimensionalen Gegenstand, der in Fig. 7 gezeigt ist, zu bilden. Die Basis des Gegenstandes war 25 · 25 cm (8,25 · 8,25 Inches), die maximale Höhe war ungefähr 10,16 cm (4 Inches), und die minimale Höhe war ungefähr 2,54 cm (1 Inch). Die Wanddicke war ungefähr 0,63 cm (0,25 Inch). Das polymerisierbare Harz, das angewendet wurde, war ein relativ viskoses Harz von Desoto Chemical Company, als 4112-65-Harz bezeichnet. Die Temperatur des Bades davon war bei ungefähr 30ºC gehalten. Die Dicke jeder aufgebrachten Schicht war ungefähr 0,508 mm (0,02 Inch). Die folgenden Verfahren, die die Merkmale der vorliegenden Erfindung verkörpern, wurden für jede aufgebrachte Schicht verfolgt. Die Gegenstandstrageplattform des Stereolithographiesystems wurde in das Bad von 4112-65-Harz abgesenkt, um zu erlauben, daß das Flüssigkeitsharz auf ihre Oberfläche fließt, um eine anfängliche Schicht von polymerisierbarer Flüssigkeit zu bilden, die dicker als gewünscht war. Die Plattform wurde dann gehoben, so daß die anfängliche Schicht darauf über das Bad gehoben wurde. Ein Glättlied, das sich mit ungefähr 2,54 cm/sec (einem Inch pro Sekunde) bewegte, strich ungefähr 2,54 mm (0,1 Inch) von polymerisierbarer Flüssigkeit in einem Durchgang ab, ungefähr 0,508 mm (0,02 Inch) von polymerisierbarer Flüssigkeit auf der Trägeroberfläche auf der Plattform zurücklassend. Die Plattform wurde dann abgesenkt, so daß die geglättete Arbeitsoberfläche der Schicht mit der oberen Oberfläche des Bades nivelliert war. Die Schicht wurde einer ultravioletten Strahlung von einem HeCd-Laser unterworfen, der eine Strahlung bei einer Wellenlänge von ungefähr 325 nm bei ungefäh - 15 Milliwatt Leistung bereitstellt. Die Gesamtzeit für jeden Schichtzyklus war ungefähr 35 Sekunden. Die Zeit, um ein derartiges Teil mit früheren Verfahren herzustellen, würde ungefähr 165 Sekunden pro Schichtzyklus gewesen sein. Die Gesamtzeit, die durch Verwendung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in diesem Beispiel eingespart wurde, war ungefähr 7,5 Stunden.
  • Bezüglich Fig. 8 der Zeichnung ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des nivellierenden Gesichtspunktes der vorliegenden Erfindung gezeigt, angebracht an ein Stereolithographiemittel 10, um das Niveau des Arbeitsfluides 20 (einem UV aushärtbaren Photopolymer, wie z. B. DeSoto #65) in einer Harzwanne 30 zu messen. Das Stereolithographiemittel, dargestellt in Fig. 8 hat, abgesehen von der Hinzufügung des bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung und verwandter Ausrüstungen, das Grundformat, das in dem US-Patent Nr. 4,575,330 (früher durch Referenz eingebunden) gezeigt ist, und das in dem kommerziellen Stereolithographiemittel, das von 3D-Systems, Inc. unter dem Namen "SLA-1." verkauft wird, gefunden werden kann.
  • Das Stereolithographiemittel 10 hat einen Seitenbehälter 40, der ihm hinzugefügt ist, und der mit einer Harzwanne 30 mittels eines Durchgangs 50 in der Wand 60 der Harzwanne 30 in Verbindung steht. Die Dimensionen des Seitenbehälters sind 17,78 cm (7 Inches) zu 10,16 cm (4 Inches) in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Arbeitsfluid 20 füllt die Harzwanne 30 und den Seitenbehälter 40. Das Arbeitsfluid ist frei, um von dem Seitentank zu der Harzwanne und umgekehrt zu fließen. Das Niveau des Arbeitsfluides in der Harzwanne (und demgemäß in dem Seitenbehälter) muß präzise zu einem voreingestellten Niveau gesteuert werden, um eine stereolithographische Produktion von Teilen (Gegenstände, die durch Stereolithographie gemacht werden, werden "Teile" genannt) auszuführen. Das Mittel der vorliegenden Erfindung, das in der Form des bevorzugten Ausführungsbeispieles gezeigt ist, erfüllt diesen Zweck.
  • Ein Helium-Neon-Laser 100 ist auf die Harzwanne 30 unter und zu der Seite des Seitenbehälters 40 montiert. Der Laser ist ausgerichtet, so daß sein Ausgangsstrahl gerade längs dem Seitenbehälter ausgestrahlt wird. Ein Uniphase-108-Laser wurde in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft befunden. Der Uniphase-1508- Laser wurde gewählt aufgrund seiner niedrigen Kosten, der Kompaktheit und niedriger Leistungserfordernisse. Das Licht, das von diesem Laser ausgestrahlt wird, wird das Arbeitsfluid nicht polymerisieren.
  • Der Ausgangsstrahl 110 des Helium-Neon-Lasers ist nach oben auf einen Spiegel 120 (einem Rolyn Optics # 60.21), der auf einem Träger über dem Seitenbehälter montiert ist, gerichtet. Dieser lenkt den Strahl längs einem ersten optischen Pfad 112 auf die Oberfläche 70 des Arbeitsfluides in dem Seitenbehälter 40 ab, wie es am besten in Fig. 9 zu sehen ist. Der Strahl trifft auf die Oberfläche des Arbeitsfluides in einem Winkel β bezüglich der Oberfläche 70 (der Einfallswinkel ist gleich 90º minus β). Der Winkel β hat einen Wert, bei dem eine erfaßbare Komponente des Strahles längs einem zweiten optischen Weg 114 reflektiert wird. Ein variierender Bereich von Winkeln wird das letztere Erfordernis erfüllen, abhängig von der Eigenschaft des Fluides und des Laserlichtes, und den Dimensionen des Behälters. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das hier beschrieben ist, beträgt dieser Winkel 15º.
  • Das hier beschriebene Mittel mißt das Niveau des Harzes in dem Seitenbehälter gegenüber der Wanne. Dies ist vorteilhaft, da Blasen oder andere Oberflächenstörungen sich in der Hauptwanne bilden können, wenn das Teil oder der Träger durch die Harzoberfläche bei jedem Zyklus des Teilaufbauens passiert. Diese Blasen oder andere Oberflächenstörungen, wenn sie von dem Strahl getroffen werden, können den Strahl dazu veranlassen, von der Harzoberfläche bei einem fehlerhaften Winkel zu reflektieren. Andere Oberflächenstörungen können sich über dem Oberteil eines eingetauchten Teiles bilden, was eine fehlerhafte Strahlablenkung verursachen kann, wobei die Störungen eine lange Zeit benötigen, um sich auszugleichen. Diese umfassen Harzbuckel oder Bereiche, wo zuviel Harz des Glättglieds während dem Wiederbeschichten wegen eines Glättgliedreißens abgestoßen worden ist. Diese Probleme können besonders im Falle von bestimmten Teilgeometrien schwerwiegend sein, die eingeschlossene Volumen, oder große, flache, horizontale Oberflächen haben, wobei diese Geometrien später detaillierter beschrieben werden. Durch Messen des Niveaus des Harzes in einem Seitenbehälter werden die obigen Probleme minimiert oder eliminiert.
  • Nach Reflexion von der Oberfläche 70 des Arbeitsfluides kehrt der Strahl längs des zweiten optischen Pfads 114 im gleichen Winkel bezüglich der Oberfläche des Fluides zurück, in dem der Strahl auf die Oberfläche 70 des Fluides auftraf. Der Strahl scheint dann auf den Bi- Zellen-Photodetektor 130, der auf dem Eintauchkolbengehäuse 85 auf der anderen Seite des Seitenbehälters 40 von dem Spiegel 120 montiert ist. Der Spiegel ist so eingestellt, daß der Strahl auf den Bi-Zellen-Detektor 130 auftrifft, wenn das Niveau des Arbeitsfluides auf der gewünschten Höhe ist. Der Spiegel wird nicht bewegt oder gedreht, wenn er einmal eingestellt worden ist, um den Strahl von der Oberfläche des Arbeitsfluides weg zu dem Bi-Zellen-Photodetektor zu reflektieren, wenn das Niveau des Arbeitsfluides auf der gewünschten Höhe ist.
  • Ein befriedigender Bi-Zellen-Photodetektor, gezeigt in Fig. 11, wird von der Silicon Detektor Corporation gemacht, und ist durch ihre Nr. SD113- 24-21-021 bekannt. Andere Marken und Größen von Bi-Zellen-Photodetektoren würden ausreichen. Linearpositionsempfindliche Detektoren ("PSD"), wie z. B. der zweidimensionale PSD (S1544) von Hamamatsu oder die zweidimensionale laterale Zelle (S1B52) würden akzeptierbar sein und könnten bevorzugt sein, wenn das Mittel gedacht ist, um eine Ausgangsgröße in Längeneinheiten zu messen und anzuzeigen. Der Bi- Zellen-Photodetektor weist Seite an Seite zwei Photozellen 140 auf. Der Bi-Zellen-Photodetektor 130 ist auf das Eintauchkolbengehäuse 85 montiert, so daß die Photozellen 140 eine über der anderen und gleichzeitig beide Photozellen über dem Niveau des Arbeitsfluides sind. Der Photodetektor kann geneigt sein, so daß er den zweiten optischen Pfad 114 in einem rechten Winkel unterbricht, wie es am besten in den Fig. 9 und 12 zu sehen ist. Dies gewährleistet, daß das Profil des Strahles bei dem Photodetektor ein Kreis ist, nicht ein Oval, wenn der Strahl ursprünglich ein kreisförmiges Profil hatte.
  • Wenn das Niveau des Fluides aufgrund von Schrumpfen durch Aushärten, Erhitzen und ähnlichem ansteigt oder abfällt, wird der Strahl die Oberfläche 70 an einem unterschiedlichen Punkt treffen. Demgemäß wird der Strahl den Bi-Zellen-Photodetektor an einem unterschiedlichen Punkt treffen. Diese Wirkung auf den Strahl ist in Fig. 9 gestrichelt gezeigt, wo ein niedrigeres Niveau 80 des Arbeitsfluides den Strahl längs dem zweiten optischen Pfad 150 reflektiert, damit er an einem niedrigeren Punkt bezüglich des Bi-Zellen-Photodetektors auftrifft. Die Änderung des Arbeitsfluidniveaus ist übertrieben dargestellt, um diese Wirkung zu veranschaulichen; das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung mißt das Niveau des Arbeitsfluides, um dieses Niveau auf einer vorbestimmten Höhe zu halten. Die Niveauänderungen sind klein, da sie schnell korrigiert werden, wie unten beschrieben wird.
  • Eine gegebene Änderung in dem Niveau des Arbeitsfluides wird die gleiche Verschiebung in dem Punkt verursachen, in dem der Strahl auf den Bi-Zellen-Photodetektor auftrifft, unabhängig von dem Wert von β. Fig. 10 veranschaulicht das Ergebnis einer Änderung in dem Arbeitsfluidniveau vom Niveau 82 zu einem höheren Niveau 84. Der Unterschied zwischen den Niveaus 82 und 84 ist der vertikale Abstand d. Zwei unterschiedliche Strahlen sind gezeigt, die längs ersten optischen Pfaden 151 und 152 auftreffen und die Oberfläche des Fluides in Winkeln ß&sub1; bzw. ß&sub2; treffen. Die zweiten optischen Pfade 153 und 154 (für das erste Niveau 82) sind so gewählt, um auf der Senkrechten P in dem gleichen Punkt Y&sub1; aufzutreffen. Wenn das Niveau des Arbeitsfluides zu dem Niveau 84 ansteigt, folgen die Strahlen der zweiten optischen Pfade 155 bzw. 156. Einfache trigonometrische Berechnungen ergeben, daß beide der zweiten optische Pfade 155 und 156 die Senkrechte P in dem gleichen Punkt Y&sub2; schneiden, und daß der vertikale Abstand zwischen Y&sub1; und Y&sub2; zweimal dem Wert von d entspricht, der vertikalen Änderung im Niveau des Arbeitsfluides. Demgemäß wird das Variieren von β die Genauigkeit des Meßverfahrens des Niveaus eines Fluides gemäß der Erfindung nicht beeinflussen. Der zu wählende Wert von β hingt hauptsächlich davon ab, welcher Winkel eine ausreichende Reflexion des Strahles innerhalb der Beschränkungen des Mittels erreichen wird.
  • Die Änderung im Arbeitsfluidniveau führt zu einer Änderung in dem elektrischen Signal, das von dem Bi-Zellen-Photodetektor ausgesandt wird. Die Photozellen 140 in dem Bi-Zellen-Photodetektor sind durch einen Schlitz 160 getrennt (siehe Fig. 11), der eng, d. h. kleiner als 0,0254 mm (ein mil) dick ist. Die Ausgabe von beiden Photozellen ist gleich, wenn der Bi-Zellen-Photodetektor nicht von dem Laser beleuchtet ist, oder wenn der Laserstrahl exakt auf dem Schlitz 160 zwischen den Photozellen 140 zentriert ist. Die Ausgaben sind ungleich, wenn der Strahl sich bewegt, so daß er auf eine der Zellen mehr als auf die andere auftrifft. Ein Vergleich der ungleichen Ausgaben durch eine Vergleichsschaltung, wie unten beschrieben, resultiert in einem Signal, das zu dem Schrittmotor 90 gesandt wird, um den Eintauchkolben 95 anzutreiben. Der Eintauchkolben 95 (siehe Fig. 9) wird nach oben oder nach unten gehen, wie benötigt, um das Niveau des Arbeitsfluides zu halten.
  • Der Eintauchkolben hält das Arbeitsfluidniveau auf einem im wesentlichen konstanten Niveau im Raum. Dies ist vorteilhaft, da es den Laserstrahl im Brennpunkt hält. Wenn dem Niveau erlaubt wäre sich zu ändern, wie es der Fall für bestimmte harzausgebende Systeme ist, die frisches Harz der Wanne bei jedem Zyklus des Teileaufbauens zuführen, müßte der Laser für das neue Niveau wieder fokussiert werden.
  • Bezüglich jetzt Fig. 12 werden die Stromausgaben 205 und 207 der Photozellen 140 zu einem Strom/Spannung-Umwandler 200 geliefert, der die Ausgabe jeder Photozelle zu einer Spannung zwischen 0 und -2,5 V umwandelt. Die beiden Spannungsausgaben 215 und 217 des Strom/Spannung-Umwandlers 200 (jede Photozelle 140 hat ihre eigene Ausgabe) werden dem Subtrahierer zugeführt, wo die Spannungsausgaben subtrahiert werden. Mit der Addition einer Referenzspannung (nicht gezeigt) bildet den Unterschied zwischen den Spannungsausgaben 215 und 217 ein Signal 225, das zwischen 0 und +5 V liegt. Wenn das Fluid auf seinem gewünschten Niveau ist, liegt das Signal 225 bei +2,5 V.
  • Das Signal 225 wird zu einem Analog/Digital-Umwandler 230 gesandt, wo das Signal zu einem digitalen Signal 235 umgewandelt wird, das dann zu einem Computer 240 geht. Der Computer 240 vergleicht das Signal 235 mit dem vorbestimmten digitalen Signal für das gewünschte Fluidniveau und aktiviert ein Schrittmotorsteuermittel 245. Das Schrittmotorsteuermittel 245 wiederum aktiviert den Schrittmotor 90 (in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Schrittmotor von Minarik-Electric Co., LAS 3802-001), der den Eintauchkolben 95 auf- und abbewegt, um Flüssigkeit zu verschieben, um das Fluidniveau zu dem gewünschten Wert zurückkehren zu lassen.
  • Der Computer ist programmiert, um ein Fluidniveau kurz nach einer ersten Eintauchoperation, bei der das Teil durch Bewegen des Hebewerkes tiefer in das Fluid eingetaucht wird, und bevor die Anhebevorrichtung wieder hochgehoben wird zu messen, um die nächste Schicht auf das Teil "zu schreiben". Das Niveau des Arbeitsfluides wird nur zu diesem spezifischen Zeitpunkt in dem Aufbauprozess gemessen und gesteuert. Der Computer vergleicht das Signal 233 mit dem Referenzwert nur zu diesem spezifischen Zeitpunkt und erzeugt das Signal 242 zu dem Schrittmotorsteuermittel 245, das bestimmt, wie lange und in welcher Richtung das Schrittmotorsteuermittel 245 den Schrittmotor 90 aktiviert.
  • Bei einem zusätzlichen Ausführungsbeispiels des wiederbeschichtenden Mittels des Gegenstandes der Erfindung ist die Möglichkeit gegeben, verschiedene Parameter, die mit dem Glättgliedwiederbeschichtungsprozeß verbunden sind, zu variieren, wobei die Parameter den Glättgliedspalt, der der Abstand zwischen dem Glättglied und der Oberfläche des Harzbades in der Wanne ist, und das Glättgliedspiel, das der Abstand zwischen dem Glättglied und dem oberen Teil des Teiles ist, umfassen. Typischerweise wird das Glättgliedspiel das gleiche wie die Schichtdicke der nächsten zu formenden Schicht sein, muß es aber nicht.
  • Die optimale Größe des Glättgliedspaltes hängt von dem Abwägen verschiedener Betrachtungen ab. Ein großer Glättgliedspalt ist problematisch, da er zu Knittern in der Oberfläche des Harzbades führen kann, wozu Zeit zum Ausgleichen benötigt wird. Dies liegt daran, daß der Glättgliedspalt das Ausmaß bestimmt, in dem das Oberteil des Teiles über die Harzoberfläche beim Überstreifen gehoben werden muß, und ebenso das Ausmaß bestimmt, in dem das Oberteil des Teiles danach abgesenkt werden muß, bevor das Aushärten der nächsten Schicht beginnen kann. Für einen Glättgliedspalt von z. B. 3.175 mm (125 mil) und ein gewünschtes Glättgliedspiel von 0,508 mm (20 mil) muß das Oberteil des Teiles 2,667 mm (105 mil) über die Harzoberfläche gehoben werden, bevor das Überstreichen beginnen kann, und muß dann um 3.175 mm (125 mil) abgesenkt werden, bevor das Aushärten beginnen kann, so daß das Oberteil des Teiles 0,508 mm (20 mil) unter der Harzoberfläche liegen wird. Je größer die Bewegung des Oberteiles des Teiles ist, desto mehr Störung wird an der Harzoberfläche durch die Bewegung der Plattform und des Trägers und des restlichen Teiles in und aus dem Flüssigkeitsharz verursacht werden. Diese Störung stellt dar, was oben mit Knittern bezeichnet worden ist. Dieses Knittern wird sich typischerweise an den Schnittstellen zwischen dem Harz und dem Teil bilden.
  • Ein kleiner Glättgliedspalt ist ebenso problematisch, da je kleiner der Glättgliedspalt ist, desto mehr Harz muß, das Glättglied typischerweise bei einem gegebenen Überstreifen abstreifen. Für einen 0 mm Glättgliedspalt z. B., wobei das Glättglied gerade an der Oberfläche des Bades gehalten wird, ist es, obwohl das Knitterproblem, auf das sich oben bezogen wurde, reduziert werden kann, erforderlich, daß das Glättglied Harz von der gesamten Wannenoberfläche abstreift. Dies kann eine kleine Strömungswelle von Harz erzeugen, die über die Seiten der Wanne auslaufen, und die "zerplatzen" kann und Blasen auf der Harzoberfläche bilden kann.
  • Es wurde festgestellt, daß ein Glättgliedspalt von 0,63 mm (25 mil) einen guten Kompromiß zwischen den beiden Problemen, auf die oben Bezug genommen wurde, liefert. Typischerweise wird der Glättgliedspalt einmal eingestellt, bevor ein Teil aufgebaut wird, und er wird danach während des Teilaufbauens konstant gehalten.
  • Ein anderer Parameter, den man vorteilhaft variiert, ist das Glättgliedspiel. Unähnlich dem Glättgliedspalt jedoch ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, das Glättgliedspiel während des Teilaufbauens zu variieren, statt nur ein einziges Mal vor dem Teilaufbauen.
  • Eine variables Glättgliedspiel ist vorteilhaft, weil es ein gestuftes Wiederbeschichten möglich macht. Gestuftes Wiederbeschichten ist dann vorteilhaft, wenn vielfache Überstreifungen des Glättglieds zum Wiederbeschichten einer gegebenen Schicht mit unterschiedlichen Glättgliedspielen und möglicherweise Glättgliedgeschwindigkeiten bei jedem Überstreifen verwendet werden. Unter der Annahme einer Schichtdicke von 0,508 mm (20 mil) für die nächste Schicht z. B. bei einem gestuften Wiederbeschichtungsprozeß kann das Glättgliedspiel für das erste Überstreifen 1,524 mm (60 mil) sein, für das zweite 1,016 mm (40 mil) und für das dritte 0,508 mm (20 mil) betragen. Als Ergebnis wird bei jedem Überstreifen eine geringere Menge von Harz weggestreift, als es bei der Verwendung eines einzelnen Überstreifens zum Wiederbeschichten geschehen würde, und ein kleinerer Harzbuckel wird sich vor dem Glättglied aufbauen, als es bei der Verwendung eines einzelnen Überstreifens zum Wiederbeschichten geschehen würde. Ein großes Buckelaufbauen vor dem Glättglied ist problematisch, wenn ein eingeschlossenes Volumen von Harz von dem Glättglied getroffen wird. Wenn ein eingeschlossenes Volumen getroffen wird, kann aufgrund der Gravitationskraft ein großer Harzbuckel unter das Glättglied fließen und die gewünschte Schichtdicke der glatten Schicht, die sich im Kielwasser des Glättglieds bildet, unterbrechen. Wenn dem Buckel nicht erlaubt wird, sich im ersten Augenblick aufzubauen, dann kann dieses Problem erleichtert werden. Dieses Problem kann veranschaulicht werden mit Fig. 13, die ein Glättglied 300 in der Mitte eines Durchlaufs zeigt. Teil 304 ist unter das Glättglied um einen Abstand 303 abgesenkt, welcher das Glättgliedspiel bildet. Eine glatte Harzoberfläche 301 wird in dem Kielwasser des Glättglieds gebildet, während ein Buckel von überschüssigem Harz, identifiziert durch das Bezugszeichen 302, vor dem Glättglied gebildet wird. Wenn das Glättglied ein eingeschlossenes Volumen von Harz trifft, das mit dem Bezugszeichen 305 identifiziert ist, kann das Harz, wenn der Buckel 302 groß genug ist, wie angezeigt unter das Glättglied fließen, um die Bildung der glatten Oberfläche 301 zu unterbrechen. Dieser Effekt ist weniger ausgeprägt, wo das Glättglied sich über eine flache, horizontale Oberfläche eines Teiles bewegt, da dort weniger Raum für das Harz ist, um unter das Glättglied zu fließen.
  • Ein anderer Parameter, der variiert werden kann, ist die Geschwindigkeit des Glättglieds, besonders während dem abgestuften Überstreichen, wo eine unterschiedliche Geschwindigkeit für jedes Überstreichen spezifiziert werden kann. Es ist vorteilhaft, in der Lage zu sein, das Glättgliedgeschwindigkeit der Teilgeometrie anzupassen. Wenn das Glättglied über einen großen, horizontalen flachen Bereich eines Teiles passiert, kann, wenn das Glättglied zu schnell wandert, zuviel Harz weggestrichen werden, aufgrund des Mitreißens, das Harz unter dem Glättglied dazu veranlasst werden, sich mit einer besonderen Geschwindigkeit zu bewegen. Wenn das Glättglied z. B. mit 12,7 cm/sec (5 Inch pro Sekunde) bewegt wird, kann Harz 0,02 mm (1 mil) unter dem Glättglied dazu veranlaßt werden, sich mit 10,16 cm/sec (4 Inch pro Sekunde) zu bewegen, und Harz unter dem Glättglied kann dazu veranlaßt werden, sich mit 7,62 cm/sec (3 Inch pro Sekunde) zu bewegen. Bei einigen Beispielen kann das Mitreißen über flache Bereiche so stark sein, daß das gesamte flüssige Harz von dem Glättglied weggestrichen wird. Daher kann es über große flache Bereiche wünschenswert sein, die Glättgliedgeschwindigkeit zu verlangsamen, so daß das obige Problem nicht auftritt.
  • Auf der anderen Seite, wenn das Glättglied zu langsam über eingeschlossenem Volumen bewegt wird, kann dies dem Harz in dem Buckel mehr Zeit geben unter das Glättglied zu fließen. Daher kann es wünschenswert sein, über eingeschlossenen Volumen die Geschwindigkeit des Glättglieds zu erhöhen, so daß Harz keine Zeit hat, darunter zu fließen.
  • Die Geschwindigkeit kann jedoch nicht zu stark erhöht werden, da, wenn sie zu stark erhöht wird, eine Welle von Harz vor dem Glättglied gebildet werden kann, die zerplatzen und Blasen bilden kann.
  • Unglücklicherweise ist es schwierig, die Geschwindigkeit des Glättglieds dynamisch abhängig von der Teilgeometrie während dem Teilaufbauen zu variieren. Wenn jedoch eine variable Geschwindigkeit für jedes Überstreichen des abgestuften Wiederbeschichtens bereitgestellt ist, kann die Geschwindigkeit des Glättglieds bei jedem Überstreichen und die Anzahl von Überstreichungen gewählt werden, um die obigen Probleme für ein typisches Teil zu minimieren. Zum Beispiel kann es wünschenswert für bestimmte Teile sein, wo große flache Bereiche und eingeschlossene Volumen getroffen werden, eine große Anzahl von Überstreichungen pro Schicht in dem Bereich von 5 bis 10 zu verwenden, mit einer relativ niedrigen Glättgliedgeschwindigkeit bei jedem Überstreichen. Wegen der großen Anzahl von Überstreichungen wird nur eine geringe Menge von Harz bei jedem Überstreichen weggestrichen werden, so daß ein Buckel nicht in der Lage sein wird, sich aufzubauen und unter das Glättglied zu fließen, wenn ein eingeschlossenes Volumen getroffen wird. Auf der 20 anderen Seite, wird wegen der langsamen Glättgliedgeschwindigkeit das Problem des Wegstreichens von zuviel Harz von einer großen, flachen horizontalen Teiloberfläche minimiert. Das liegt daran, daß das Glättglied nicht in der Lage ist, genug Mitreißen zu erzeugen, um das gesamte Harz wegzustreichen. Außerdem wird die niedrige Glättgliedgeschwindigkeit kein Problem über eingeschlossenen Volumen sein, da es einem großen Buckel nicht erlaubt ist, sich aufzubauen, so daß kaum oder kein Problem auftreten wird, daß Harz auch bei der niedrigen Glättgliedgeschwindigkeit unter das Glättglied fließt.
  • Es ist ebenso vorteilhaft in der Lage zu sein, das Ausmaß zu variieren, zu dem das Teil in das Harz übermäßig eingetaucht wird, bevor das Überstreichen beginnt. Wie zuvor beschrieben ist das Teil typischerweise unter die Oberfläche des Harzes um mehr als die gewünschte Schichtdicke der nächsten Schicht eingetaucht. Zum Beispiel sind bei einem kommerziellen Ausführungsbeispiel einer SLA, bekannt als die SLA-250, hergestellt von 3D Systems, dem Anmelder der vorliegenden Erfindung, bevorzugte Schichtdicken ¹/&sub2; mm oder niedriger. Bei der SLA-250 wird das Teil typischerweise in das Harz um 8 mm übermäßig eingetaucht, was ein Vielfaches einer typischen Schichtdicke ist. Daher ist es wünschenswert in der Lage zu sein diesen Paramter abhängig von der Schichtdicke zu variieren. Ein typischer Wiederbeschichtungszyklus weist die folgenden Schritte auf: (1) tiefes übermäßiges Eintauchen des Teiles; (2) Erfassen und Einstellen des Harzoberflächenniveaus; (3) Auftauchen; (4) Überstreichen; und (5) Verzögern, so daß die Oberfläche sich absetzt. Übermäßiges Eintauchen um mehr als eine Schichtdicke gewährleistet nicht nur, daß ein Buckel von Harz sich auf dem Oberteil des Teiles bilden wird, der während des Überstreifens geglättet werden kann, sondern es gewährleistet auch, daß Oberflächenstörungen, die sich mit der Erfassung des Harzniveaus in Schritt 2) überlagern können, sich schneller ausgleichen. Wenn das Teil nahe der Oberfläche eingetaucht wäre, würde jede Oberflächenstörung, die sich über dem Teil bilden könnte, länger brauchen, um sich auszugleichen. Das liegt daran, daß der "Kanal" zwischen dem Oberteil des Teiles und der Harzoberfläche kleiner wäre und die Bewegung des Harzes, die zum Ausglätten der Störungen benötigt wird, beschränken würde. Daher wird wegen dem übermäßigen Eintauchen um mehr als eine Schichtdicke die Niveauerfassung entsprechend genauer gemacht. Außerdem, würden, wenn übermäßiges Eintauchen auf eine Schichtdicke beschränkt wäre, dann dünne Schichtdicken von einem halben Millimeter (ungefähr 0,508 mm (20 mils)) oder weniger weniger wünschenswert sein. Aber diese Schichtdicken können notwendig sein, um bestimmte Teile mit hoher Auflösung aufzubauen. Daher macht tiefes übermäßiges Eintauchen es auch leichter, dünne Schichten in diesem Bereich zu verwenden.
  • Zusammenfassend, in diesem Ausführungsbeispiel stellt die Möglichkeit den Glättgliedspalt, das Glättgliedspiel, die Tiefe des übermäßigen Eintauchens und die Glättgliedgeschwindigkeit zu variieren und die Möglichkeit, gestuftes Wiederbeschichten zu verwenden, Mittel bereit, um besser das Wiederbeschichten durch das Glättglied an spezifische Teilgeometrien anzupassen, so daß spezifische Probleme verbunden mit diesen Geometrien überwunden werden können.
  • In einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel kann das Glättglieddesign variiert werden, um es noch effizienter zu machen. In der SLA-250 ist der Querschnitt des Glättglieds ein Quadrat, das eine Breite von 3,17 mm (1/8 Inch) hat. Zusätzlich wird das Glättglied nur an einem Ende mit einer Trageschiene getragen, die die Bewegung des Glättglieds führt, so daß das Glättglied und ihr Träger einem Ausleger ähneln. Dies kann ein Problem verursachen, das als Flattern und Verdrehen bekannt ist, wodurch das ungetragene Ende des Glättglieds flattert und sich verdreht, das dadurch zu Fehlern bei dem Wiederbeschichtungsprozeß führt, wie z. B. einer nichtgleichförmigen Schichtdicke. Das Ausmaß, zu dem das ungetragene Ende sich verdrehen und flattern wird, ist proportional zu dem Quadrat der Glättgliedlänge. Ein zusätzliches Problem, das auftreten kann, ist das Einstellen des Glättgliedspaltes mit diesem Glättglied. Dieser Prozeß benötigt viele Schritte, von denen jeder für Fehler anfällig und auch zeitaufwendig ist. Außerdem erfordert er das Drehen von Schrauben, was ein Drehmoment ausüben und daher das Glättglied verbiegen kann.
  • In einem neueren kommerziellen Ausführungsbeispiel eines Stereolithographiesystemes, bekannt als die SLA-500, ebenfalls von 3D Systems entwickelt, ist das Glättglied neu entworfen worden bezüglich dem, das in der SLA-250 verwendet wird.
  • Zuerst, um zu ermöglichen, daß das Glättgliedspalteinstellen einfacher ausgeführt werden kann, sind Mikrometerschrauben an jedem Ende des Glättglieds bereitgestellt, die erlauben, die Höhe jedes Endes des Glättglieds über der Harzoberfläche unabhängig von dem bekannten Wert in einer Toleranz von 0,0127 mm (¹/&sub2; mil) ohne Ausüben eines Drehmomentes auf das Glättglied einzustellen.
  • Zusätzlich sind mit Gewinde versehene zurückziehbare Nadeln, eine an jedem Ende des Glättglieds, bereitgestellt, wobei jede von ihnen sich um einen bekannten Abstand von dem Unterteil des Glättglieds erstreckt, welcher Abstand gleich dem zu erwarteten Glättgliedspalt ist. Gegenwärtig erstrecken sich die Nadeln 0,635 mm (25 mil) über das Unterteil des Glättglieds. Wenn ein unterschiedlicher Glättgliedspalt erwünscht ist, können Nadeln, die sich um einen unterschiedlichen Betrag erstrecken, verwendet werden.
  • Die Nadeln sind in Fig. 14 und 15 dargestellt. Fig. 14 zeigt ein Glättglied 400 mit Nadeln 401 und 402, die an jedem Ende bereitgestellt sind. Fig. 15 zeigt eine Vergrößerung einer der Nadeln die in das Glättglied montiert ist. Wie gezeigt, hat die Nadel einen ausgedehnten Abschnitt 403, der sich um einen Abstand 404 über das Unterteil des Glättglieds erstreckt. In der SLA 500 ist der Abstand 0,63 mm (25 mit) ±0,0127 mm (0,5 mils). Wie gezeigt, hat die Nadel einen mit einem Gewinde versehenen Abschnitt 405, der vorzugsweise ein Mikrometergewinde ist, das 23,62 Umdrehungen/cm (60 Umdrehungen/inch) hat.
  • Die Nadelhalterung in dem Glättglied ist mit dem Bezugszeichen 409 identifiziert. Wie gezeigt, hat die Halterung einen mit einem Gewinde versehenen Abschnitt 406, in den der mit einem Gewinde versehene Abschnitt der Nadel eingeschraubt werden kann, und Anschläge 407 zum Steuern des Ausmaßes, zu dem die Nadel über das Ende des Glättglieds hervorragen kann.
  • Um den Glättgliedspalt einzustellen, werden die Nadeln durch Einschrauben in das Glättglied montiert, bis sie um den geeigneten Betrag hervorstehen, und dann wird die Mikrometerschraube an einem Ende des Glättglieds gedreht, bis die Nadel an diesem Ende die Harzoberfläche berührt. Dies kann leicht visuell bestimmt werden, da die Spitze der Nadel einen großen leicht beobachtbaren Miniskus mit der Harzoberfläche bilden wird, wenn sie innerhalb von 0,0063-0,0127 mm (1/4-1/2 mil) von ihr liegt. Demgemäß kann die Nadel an der Oberfläche innerhalb einer Toleranz von 0,00635-0,0127 mm (1/4-1/2 mil) angeordnet werden. Dann wird die Mikrometerschraube an dem anderen Ende des Glättglieds eingestellt, bis die Nadel an diesem Ende die Harzoberfläche berührt. Dann wird das Glättglied gehoben und dann abgesenkt, um zu sehen, ob beide Nadeln die Oberfläche zur gleichen Zeit berühren. Wenn nicht, werden weitere Schritte des obigen Zyklus durchgeführt, bis dies der Fall ist. Wenn dies der Fall ist, wird angenommen, daß der Glättgliedspalt eingestellt ist, und dann werden die Nadeln herausgeschraubt, so daß sie nicht länger hervorstehen. Sie werden jedoch in den Halterungen verbleiben, so daß die Glättgliedmasse die gleiche bleibt.
  • Andere Mittel zum Anbringen der Nadeln an dem Glättglied sind möglich, einschließlich der Verwendung von Sperrnadeln und Auslöseknöpfen, ähnlich zu denen, die bei einem Sperrklinkenmittel verwendet werden.
  • Um Verdrehen und Flattern des Glättglieds zu reduzieren, wird ein zweiter Schienenträger hinzugefügt, so daß jedes Ende des Glättglieds von einer derartigen Schiene getragen wird. Dies wird Verdrehung und Flattern an dem ungetragenen Ende des Glättglieds reduzieren oder eliminieren.
  • Aufgrund des doppelten Schienenträgers kann das Glättglied dicker für eine erhöhte Festigkeit gemacht werden, und auch, um Flattern in der Mitte des Glättglieds zu reduzieren. Ein dickeres Glättglied mit nur einem Träger kann nicht möglich sein, da das Glättglied mehr durchhängen würde. Derzeit sind SLA-500-Rakel mit Breiten von 0,00317 mm (1/8 inch), 0,0048 mm (3/16 inch) und 0,0063 mm (1/4 inch) verfügbar.
  • Schließlich, wie in Fig. 16 gezeigt, kann der Glättgliedquerschnitt geändert werden, so daß er nicht länger rechtwinklig ist. Zuerst kann das Unterteil des Glättglieds so konstruiert sein, daß die nichthorizontalen Kanten des Glättglieds nahe dem Unterteil Winkel bilden, mit den Bezugszeichen 506 und 507 identifiziert, bekannt als die Angriffs- bzw. Trennwinkel mit der Harzoberfläche. Der Angriffswinkel ist der Winkel in der Richtung der Glättgliedbewegung, während der Trennwinkel der Winkel an dem anderen Ende ist. Diese Winkel werden hinzugefügt, um den Harzfluß unter dem Glättglied noch mehr zu verbessern. Ohne diese Winkel können Turbulenzen unter dem Glättglied erzeugt werden, die Blasen erzeugen können. Diese Blasen sind problematisch, da sie gemeinsam mit dem Glättglied unter ihr wandern und an der Oberfläche des Teiles verbleiben, nachdem das Glättglied über sie gewandert ist. Als ein Ergebnis können sie als ein Fehler in dem Teil zum Vorschein kommen. Durch Abwinkeln der Kanten des Glättglieds werden die Druckgradienten unter dem Glättglied reduziert, was zu geringerer Fluidtrennung führt und daher zu weniger Turbulenz und weniger Blasenbildung. Es ist festgestellt worden, daß abhängig von der Teilgeometrie diese Winkel von zwischen ungefähr S und 8 Grad reichen können, und zusätzlich kann der Angriffswinkel von dem Trennwinkel unterschiedlich sein. Für die SLA-500 wird ein Angriffswinkel von 6º verwendet.
  • Das Glättglied in Fig. 16 ist als bisymmetrisch gezeigt, so daß es in jeder Richtung überstreichen kann. Alternativ können zwei asymmetrische Glättglieder abwechselnd verwendet werden, um in jeder Richtung mit Angriffswinkeln in der Richtung der Bewegung überstreifen zu können. Andere Glättgliedkonfigurationen sind möglich.
  • Fig. 17 zeigt das Glättglied von Fig. 16, wobei jeder Scheitelpunkt gerundet ist. Dies kann weiter Turbulenz reduzieren. Fig. 18 zeigt eine Version, wo das gesamte Unterteil gerundet ist. Fig. 19 zeigt eine Version, wo das Unterteil ein scharfer Scheitel ist.
  • Das nivellierende Mittei der SLA-500 wird nachfolgend beschrieben. Dieses Mittel überwindet ein Problem, das mit dem Bizellen-Detektor- Mittel auftreten kann, das oben beschrieben wurde. Wie oben diskutiert wurde, kann das Bi-Zellen-Mittel empfindlich für Blasen sein. Um dieses Problem in diesem Mittel zu überwinden, wird ein Seitenbehälter hinzugefügt, in dem Blasen nicht gebildet werden, und das Harzniveau wird in der Seitenwanne erfaßt. Wenn jedoch eine Schicht von Harz auf einem schweren unvermischbaren Fluid getragen wird, wie es in der US Patentanmeldung Nr. 365,444 beschrieben ist, kann das Harzniveau in dem Seitenbehälter eine nicht genaue Bestimmung des Harzniveaus in der Hauptwanne sein, wie es angenommen wird. Dies ist der Fall, da während dem Teilaufbauen Harz in der Hauptwanne unproportional verbraucht werden kann, verglichen mit dem Seitenbehälter. Wellen dieser Disproportionalität kann die Flüssigkeit in dem Seitenbehälter, wenn als Ganzes gesehen, nicht so dicht sein, wie die in der Hauptwanne. Dies kann dazu führen, daß das Harzniveau in dem Seitenbehälter fälschlich als zu hoch gelesen wird.
  • Um dieses Problem zu überwinden, wird ein Mittel, das einen Schwimmer umfaßt, in der SLA-500 eingesetzt, um das Harzniveau in der Hauptwanne zu erfassen anstelle des Bi-Zellen-Mittels, das oben beschrieben worden ist. Der Schwimmer hat den Vorteil, daß er relativ unempfindlich gegenüber Blasen ist, und so verwendet werden kann, um das Niveau des Harzes in der Hauptwanne gegenüber einem Seitenbehälter zu erfassen. Das liegt daran, daß eine Blase, die an der Seite des Schwimmers hängt, nicht seine Masse ändern wird, und daher auch nicht das Niveau, auf dem er schwimmt. Daher wird ein Seitenbehälter nicht benötigt und der Schwimmer wird genau das Harzniveau erfassen, auch wenn eine Harzschicht auf einem schweren, undurchmischbaren Fluid schwimmt.
  • Der Schwimmer kann viele Formen haben. Für die SLA-500 ist der Schwimmer derzeit in der Form einer kleinen Dose, die ein Volumen von ungefähr 50 cc oder mehr hat. Zusätzlich ist der Schwimmer vorteilhaft Teflon-beschichtet, so daß jedes Harz, das auf das Oberteil kommt, oder die Seiten des Schwimmers benetzt, schnell abtropfen oder abgleiten wird und nicht wesentlich die Masse des Schwimmers für eine nennenswerte Zeitperiode verändern wird.
  • Wenn eine Blase in der Lage wäre, sich selbst unter dem Schwimmer anzubringen, würde dies eine fehlerhafte Niveaumessung verursachen, da es das Ausmaß, zu dem der Schwimmer untergetaucht ist, verändern könnte. In diesem Beispiel sind, um dieses Problem zu bekämpfen, andere Schwimmerentwürfe möglich, wie in Fig. 20 gezeigt, die Blasen nicht ermöglichen würden, sich unter dem Schwimmer anzubringen.
  • Das Schwimmermittel, das derzeit in dem SLA-500 verwendet wird, ist in Fig. 21 veranschaulicht. Wie veranschaulicht weist die eine Richtung einen Schwimmer 602, einen Tragebalken 603, ein Lager 604 und eine optische Erfassungsschaltung 605 auf. Wie gezeigt ist der Tragebalken mit dem Schwimmer gekoppelt, der auf der Harzoberfläche 601 schwimmt, die in der Wanne 600 angeordnet ist. Der Balken ist auch um ein Lager 604 vertikal drehbar. In der SLA-500 ist das Lager 604 vorzugsweise ein Lager der Klasse 9.
  • Die optische Erfassungsschaltung 605 ist im Detail in Fig. 22 gezeigt. Wie veranschaulicht, umfaßt die Schaltung ein Glied 6051, das an den Balken 603 gekoppelt ist, lichtausstrahlende Dioden ("LEDs") 6052 und 6053, die Lichtstrahlen 606 bzw. 6057 aussenden, und optische Detektoren 604 und 605, die die ununterbrochene Anwesenheit von Lichtstrahlen 606 bzw. 607 erfassen. Die optischen Detektoren sind elektronisch mit einem Tauchkolben oder einem anderen Mittel (nicht gezeigt), das früher beschrieben wurde, zum Heben oder Absenken des Harzniveaus in Antwort auf elektrische Signale von den optischen Detektoren gekoppelt.
  • Jede Änderung in dem Niveau des Fluides wird eine entsprechende vertikale Verschiebung des Schwimmers verursachen. Dies wiederum wird den Balken 603 dazu veranlassen, sich um das Lager 604 zu drehen, das das Glied 6051 dazu veranlaßt wird, vertikal um einen Abstand, der eine Vergrößerung der Fluidverschiebung ist; sich zu verschieben.
  • Solange wie das Glied 6051, wie gezeigt, dazwischen angeordnet ist, und keinen der beiden Lichtstrahlen 606 und 6057 blockiert, deren ununterbrochene Anwesenheit durch die optischen Detektoren 6054 bzw. 6055 erfaßt wird, wird angenommen, daß das Harzniveau auf der korrekten Höhe ist. Nur wenn das Glied 6051 ausreichend abgelenkt wird, um den Durchgang eines der Lichtstrahlen zu seinem entsprechenden optischen Detektor zu blockieren, was durch den Ausfall des optischen Detektors irgendwelches Licht von seiner entsprechenden LED aufzunehmen, erfaßt wird, wird angenommen werden, daß das Harz auf einem inkorrekten Niveau ist. In diesem Beispiel werden ein Eintauchkolben oder andere Mittel, die elektrisch mit den optischen Detektoren gekoppelt sind, entweder gehoben oder abgesenkt, um das Harzniveau und daher den Schwimmer, auf der korrekten Höhe zu positionieren. Wenn der Strahl 6056 durch das Glied blockiert ist, was durch den optischen Detektor 6054 erfaßt wird, wird angenommen, daß das Harzniveau zu niedrig ist, in welchem Falle ein Eintauchkolben oder ähnliches abgesenkt werden kann, bis das Harzniveau zu der korrekten Höhe angehoben ist. Wenn der Strahl 6057 durch das Glied blockiert ist, was durch den optischen Detektor 6055 erfaßt wird, wird angenommen, daß das Harzniveau zu hoch ist, in welchem Falle ein Eintauchkolben oder ähnliches gehoben werden kann, bis das Harzniveau zu der korrekten Höhe erniedrigt ist. Es sei bemerkt, daß sowohl die Strahlen 6056 als auch 6057 nicht gleichzeitig durch das Glied 6051 blockiert werden können. Daher wird es selten, wenn überhaupt, eine Zweideutigkeit bei diesem Mittel geben, in dem Beispiel, wo das Harzniveau an einer inkorrekten Höhe ist, hinsichtlich ob die richtige Antwort darauf ist, das Harzniveau zu erhöhen oder abzusenken.
  • Die in der SLA-250 verwendete Wiederbeschichtungssoftware wird nachfolgend beschrieben. Eine Spezifikation für die Software in der Form eines Flußdiagrammes ist in Fig. 23 veranschaulicht. Vor der Verwendung der Software muß ein Benutzer zuerst bestimmte Parameter spezifizieren, die verwendet werden, um die Bewegung der Plattform zu steuern. Diese Parameter sind ZA, ZV, ZW und ZD. Wie detaillierter in der US Patentanmeldung S. N. 331,644 beschrieben, ist die Plattform unter der Steuerung eines Computers, der als der PROZESS-Computer bekannt ist. ZA ist der Betrag, um den der Prozeß-Computer erlauben wird, die Plattform zu beschleunigen oder abzubremsen, ZV ist die maximale Geschwindigkeit, die der Plattform zu erreichen erlaubt wird, und ZD ist die Tiefe, um die die Plattform veranlaßt wird in das flüssige Harz vor dem Überstreichen übermäßig einzutauchen. Wie oben diskutiert worden ist, ist ZD typischerweise viel größer als eine Schichtdicke. ZW ist die Absetzverzögerung, die den abzuwartenden Zeitbetrag darstellt, auf den der Prozeß-Computer eingestellt ist, nachdem die Plattform nach dem Überstreichen abgesenkt worden ist, um die obere Oberfläche der Harzschicht auf dem Oberteil des Teiles bei dem gleichen Niveau wie das Harz in der Wanne zu plazieren. Der Prozeß- Computer wird den Zeitbetrag abwarten, der durch ZW vor dem Aushärten des Harzes auf dem Oberteil des Teiles spezifiziert worden ist.
  • Neben diesen Parametern kann der Benutzer andere Variablen für jede Schicht oder Bereich von Schichten einschließlich S. N. spezifizieren, was die Anzahl von Überstreichungen pro Schicht ist, und GV, was für globale Geschwindigkeit sieht, und anzeigt, daß alle Überstreichungen bei der spezifizierten Geschwindigkeit gemacht werden sollen. Der Benutzer kann auch V1-V7 spezifizieren, was individuelle Geschwindigkeiten, verbunden mit jeweiligen Überstreichungen 1-7, sind. Durch Einstellen dieser Werte zeigt der Benutzer an, daß er oder sie wünscht, daß die Geschwindigkeit beim Überstreichen variieren soll.
  • Der Prozeß beginnt in Schritt 700, wenn die Schicht N gezeichnet wird. Als nächstes, in Schritt 701, wird die Plattform unter die Harzoberfläche um ZD abgesenkt bei einer Geschwindigkeit, die durch ZA und ZV bestimmt ist. In Schritt 703 ist eine Nach-Eintauch-Verzögerung implementiert, um das Absetzen des Harzes zu erlauben, da die Plattform gerade bewegt worden ist.
  • In Schritt 704 wird ein Auslesen von dem Bi-Zellen-Detektor genommen und für eine Vorspannung korrigiert, die von der Schaltung (identifiziert als BCVAL-BIAS) eingeführt wird. Die Ablesung wird dann mit einer oberen Grenze, als UPLIM identifiziert, und einer unteren Grenze, als LOWLIM identifiziert, verglichen. Wenn er zwischen diesen beiden Werten liegt, wird angenommen, daß das Harzniveau auf der korrekten Höhe ist.
  • Angenommen das Niveau ist in Schritt 705 auf der korrekten Höhe, dann wird ein Flag getestet, um zu sehen, ob er gesetzt ist. Das Flag wird gesetzt in Antwort auf eine Taste, die von dem Benutzer gedrückt wird, die anzeigt, daß der Benutzer manuell Harz hinzugefügt oder aus der Wanne entnommen hat. Unter der Annahme, das das Flag nicht gesetzt ist, in Schritt 708, wird eine Kontrolle gemacht, um zu bestimmen, daß das SN, die Anzahl von Überstreichungen für die Schicht N+1, größer als 0 ist, und daß die Plattform noch in einer sicheren Position ist, so daß das Glättglied sie während des Überstreichens nicht berühren wird. Die obere Grenze für die Plattformposition ist durch das Mnemonic NOSWEEP identifiziert.
  • Unter der Annahme, daß diese Bedingungen in Schritt 709 erfüllt sind, wird ein interner Zähler SWEEP, zuerst auf 0 initialisiert und dann inkrementiert. In Schritt 712 wird eine Kontrolle durchgeführt, um zu bestimmen, ob das Glättglied an der Vorderseite oder Hinterseite der Wanne ist. Unter der Annahme, daß es in Schritt 713 die Vorderseite für den Augenblick ist, wird das Glättglied zu der Hinterseite der Wanne streichen gelassen (was ein Abstand ist, der mit SWEEPDIST spezifiziert ist) bei einer Geschwindigkeit, die von dem derzeitigen Wert von SWEEP abhängen kann.
  • Wenn das Glättglied das hintere Ende der Wanne erreicht hat, wird sie bei dem gewöhnlichen Beispiel einen Schalter triggern, der mit dem Mnemonic LIMIT SWITCH identifiziert ist. Unter der Annahme, daß der Grenzschalter in Schritt 727 aktiviert worden ist, wird eine Kontrolle durchgeführt, um zu bestimmen, ob alle die Überstreichungen, die durch SN spezifiziert sind, für die Schicht durchgeführt worden sind. Unter der Annahme, daß dies nicht der Fall ist, wird ein Sprung zurück zu Schritt 709 gemacht und der obige Zyklus wiederholt.
  • Zurückkehrend zu Schritt 714, in dem Fall, wo der Grenzschalter nicht aktiviert worden ist, wird das Glättglied langsam nach hinten mit der Geschwindigkeit von 12,7 mm/sec (0,5 inch/sec) bewegt, und unter der Annahme, daß der Grenzschalter innerhalb zwei Sekunden aktiviert wird, wird ein Sprung zu Schritt 722 gemacht. Unter der Annahme, daß er nicht aktiviert ist, wird der Prozeß in Schritt 721 abgebrochen.
  • Zurückkehrend zu Schritt 712, unter der Annahme, daß das Glättglied in Schritt 717 an dem hinteren Ende der Wanne ist, wird dem Glättglied erlaubt, nach vorne mit einer Geschwindigkeit zu überstreichen, die eine Funktion der derzeitigen Überstreichungsanzahl sein kann, und in Schritt 718 wird eine Kontrolle durchgeführt, um zu sehen, ob der Grenzschalter aktiviert worden ist. Unter der Annahme, daß dies der Fall ist, wird ein Sprung zu Schritt 725 gemacht. Falls dies in Schritt 719 nicht der Fall ist, wird das Glättglied langsam nach vorne mit einer Geschwindigkeit von 12,7 mm/sec (0,5 inches/sec) bewegt, und wenn der Grenzschalter innerhalb von zwei Sekunden aktiviert wird, wird ein Sprung zu Schritt 722 gemacht. Wenn dies nicht der Fall ist, wird der Prozeß in Schritt 721 abgebrochen.
  • Zurückkehrend zu Schritt 704, was direkt nachdem die Plattform (und das Teil) übermäßig unter die Harzoberfläche eingetaucht worden ist, geschieht, wenn das Harzniveau nicht auf der geeigneten Höhe ist, wird eine Kontrolle in Schritt 723 durchgeführt, um zu sehen, ob es zu hoch oder zu niedrig ist. Wenn BCVAL-BIAS größer als UPLIM ist, ist das Harzniveau zu niedrig und der Eintauchkolben muß dann abgesenkt werden. In Schritt 724 wird eine Kontrolle durchgeführt, um zu sehen, ob der Eintauchkolben schon auf dem Boden der Wanne ist, und unter der Annahme daß dies in den Schritten 725 und 726 nicht der Fall ist, wird der Eintauchkolben abgesenkt, und die Eintauchkolbenposition, identifiziert mit dem Mnemonic PLUNGPOS, aktualisiert. In Schritt 727 wird eine Verzögerung eingeleitet, um dem Harz zu erlauben sich abzusetzen, und ein Sprung wird zu Schritt 704 gemacht, um das Harzniveau wieder zu kontrollieren. Der obige Zyklus wiederholt sich dann.
  • Zurückkehrend zu Schritt 724, unter der Annahme, daß der Eintauchkolben auf dem Boden der Wanne ist, ist der einzige Weg, um das Niveau zu erhöhen, Harz in die Wanne hinzuzufügen. In Schritt 732 wird das Niveau wieder kontrolliert und unter der Annähme, daß es in den Schritten 733 bis 734 noch zu niedrig ist, wird der Benutzer aufgefordert, auf eine Taste zu drücken, die anzeigt, daß er manuell Harz hinzufügen wird. Bis die Taste gedrückt wird, wird der Prozeß leerlaufen. Wenn die Taste gedrückt ist, wird ein Flag gesetzt (das gleiche Flag, das in Schritt 705 getestet wird). Während der Benutzer in Schritt 739 vermutlich Harz zu der Wanne hinzufügt, wird der Prozeß leerlaufen bis das Harzniveau auf dem derzeitigen Niveau ist. Wenn dies der Fall ist, wird in Schritt 740 eine Nachricht zu dem Benutzer gesandt, die anzeigt, daß genug Harz hinzugefügt worden ist, und ein Sprung wird zu Schritt 704 gemacht. Zurückkehrend zu Schritt 705 muß das Flag zurückgesetzt werden, nachdem das Harz hinzugefügt worden ist, so daß das Harzniveau auf der korrekten Höhe ist. Diese Bedingung wird in den Schritten 705 und 706 erfaßt, und in Schritt 707 wird das Flag zurückgesetzt.
  • Zurückkehrend zu Schritt 723, in dem Falle wo BCVAL-BIAS kleiner als LOWLIM ist, was anzeigt, daß das Harzniveau zu hoch ist, muß der Eintauchkolben gehoben werden. Eine Kontrolle wird durchgeführt in Schritt 728, um zu sehen, ob der Eintauchkolben schon an seiner höchstmöglichen Position ist, angezeigt durch 0. Unter der Annahme, daß dies nicht der Fall ist, wird in den Schritten 729-730 der Eintauchkolben angehoben und die Eintauchkolbenposition, identifiziert als PLUNGPOS, aktualisiert. Dann wird in Schritt 731 eine Absetzverzögerung eingeleitet, und ein Sprung wird zurück zu Schritt 704 gemacht.
  • Zurückkehrend zu Schritt 728, unter der Annahme, daß der Eintauchkolben schon an seiner höchsten Position ist und nicht mehr angehoben werden kann, muß dem Benutzer angezeigt werden, etwas Harz aus der Wanne zu entfernen. In Schritt 741 wird eine Kontrolle durchgeführt, um zu bestimmen, daß das Harzniveau noch zu hoch ist, und in den Schritten 742-743 wird dem Benutzer eine Nachricht gesandt, die ihn auffordert, das Harz zu entfernen, und er wird aufgefordert, eine Taste zu drücken, um die Nachricht zu bestätigen. Bis die Taste gedrückt wird, wird der Prozeß leerlaufen. Wenn die Taste gedrückt wird, wird in Schritt 744 ein Flag gesetzt und in Schritt 745, während der Benutzer das Harz entfernt, wird das Harzniveau kontrolliert, bis es auf der geeigneten Höhe ist.
  • Bis dies der Fall ist, wird der Prozeß leerlaufen. Wenn das Niveau auf seiner korrekten Höhe ist, wird in Schritt 746 dem Benutzer angezeigt, aufzuhören Harz zu entfernen, und ein Sprung zurück zu Schritt 704 wird gemacht. In den Schritten 705-707 wird, wie oben diskutiert, das Flag zurückgesetzt.
  • Man bemerke, daß das Nivellieren nicht bei jeder Schicht durchgeführt werden muß, sondern nur, wenn das Niveau sich geändert haben kann, aufgrund irgendeines der folgenden Gründe: 1) thermische Ausdehnung; 2) Schrumpfen; und 3) Änderung der Verschiebung, verursacht durch Plattformträger. Wenn keiner dieser Gründe vorliegt, muß das Nivellieren nicht für eine Schicht durchgeführt werden.
  • Zu Schritt 749 zurückkehrend, wenn alle die Überstreichungen für die Schicht aus N + 1 durchgeführt worden sind, wird eine Absetzerzögerung gleich ZW eingeleitet werden, und in den Schritten 750-751 werden die Vektoren für die Schicht N + 1 berechnet, und die Schicht, die diese Vektoren verwendet, in Schritt 751 gezeichnet. Das Berechnen der Vektoren und Zeichnen der Schichten ist in der US Patentanmeldung S. N. 331,644 detaillierter dargestellt.
  • Der obige Zyklus wird dann für den gesamten Rest der Schichten des Teiles wiederholt.
  • Während die Erfindung, wie hier beschrieben, auf spezifische Ausführungsbeispiele gerichtet war, können vielfältige Modifikationen dazu angewandt werden. Zum Beispiel während überschüssige polymerisierbare Flüssigkeit hierin als von einer Abstreifklinge abgestreift beschrieben worden ist, können offensichtlich andere Einrichtungen für solches Entfernen angewandt werden, wie z. B. Rechen oder ähnliches. Als ein anderes Beispiel, eine Strahlungsquelle und ein Sensor sind hierin als Einrichtungen beschrieben worden, um das Niveau der oberen Oberfläche des Bades von polymerisierbaren Fluid zu erfassen, wobei eine große Vielzahl von mechanischen, elektronischen, pneumatischen und anderen Vorrichtungen verwendet werden kann, um dieses Niveau zu erfassen. Zum Beispiel ist eine Einrichtung beschrieben worden, die einen Schwimmer verwendet. Andere Modifikationen und Verbesserungen können verwendet werden, ohne von dem Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen, wie er von den anhängenden Ansprüchen definiert wird. Demgemäß ist es nicht beabsichtigt, dass die Erfindung beschränkt ist, außer durch die beigefügten Ansprüche.

Claims (12)

1. Ein Verfahren zur Bildung eines dreidimensionalen Objektes durch Stereolithographie aufweisend:
Enthalten eines Körpers einer Arbeitsflüssigkeit, wobei die Arbeitsflüssigkeit polymerisierbar oder geeignet ist, ihren physikalischen Zustand über die Anwendung eines aushärtenden Mediums bzw. synergistischer Stimulation umzuwandeln;
Messen des Oberflächenniveaus (70, 80) der Arbeitsflüssigkeit; und
Anwenden eines aushärtenden Mediums oder synergistischer Stimulation in einem vorausgewählten Muster auf aufeinanderfolgende Schichten an der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden;
dadurch gekennzeichnet, dass
das aushärtende Medium oder die synergistische Stimulation auf eine erste Region der Oberfläche angewandt wird, die von einer zweiten Region der Oberfläche durch eine Wand (60) getrennt ist, wobei eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der ersten Region und der zweiten Region der Oberfläche mittels eines Durchgangs (50) besteht und wobei das Messen des Oberflächenniveaus der Arbeitsflüssigkeit in der zweiten Region der Oberfläche ausgeführt wird.
2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (50) unterhalb der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit angeordnet ist.
3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Wand (60) einen seitlichen Tank von einem Haupttank trennt, wobei das Messen des Oberflächenniveaus der Arbeitsflüssigkeit an der Arbeitsflüssigkeit ausgeführt wird, die in dem seitlichen Tank enthalten ist.
4. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das bestimmte Oberflächenniveau der Arbeitsflüssigkeit auf ein gewünschtes Arbeitsniveau eingestellt wird.
5. Das Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Oberflächenniveau der Arbeitsflüssigkeit im Wesentlichen konstant gehalten wird.
6. Das Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Messen des Oberflächenniveaus die folgenden Schritte umfasst:
Erzeugen eines Strahls elektromagnetischer Strahlung;
Ausrichten des Strahls elektromagnetischer Strahlung entlang eines ersten optischen Weges (112) zu der zweiten Region der Oberfläche (70, 80) der Arbeitsflüssigkeit, so dass ein detektierbarer Bereich des Strahls von der Oberfläche entlang eines zweiten optischen Weges (114; 150) reflektiert wird; und
Erkennen der Versetzung des zweiten optischen Weges in einer Entfernung rechtwinklig zu dem Niveau (70, 80) der Flüssigkeit aufgrund der Änderungen des Niveaus der Flüssigkeit.
7. Ein System zur Bildung eines dreidimensionalen Objektes durch Stereolithographie aufweisend:
Mittel zum Aufnehmen einer Arbeitsflüssigkeit, wobei die Arbeitsflüssigkeit polymerisierbar oder geeignet ist, um ihren physikalischen Zustand über die Anwendung eines aushärtenden Mediums bzw. synergistischer Stimulation umzuwandeln;
Mittel zur Messung des Oberflächenniveaus (70, 80) der Arbeitsflüssigkeit;
und
Mittel zum Anwenden eines aushärtenden Mediums oder synergistischer Stimulation in einem vorausgewählten Muster auf aufeinanderfolgenden Schichten an der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden;
dadurch gekennzeichnet, dass:
das System weiter eine Wand (60) umfasst, die eine erste Region der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit von einer zweiten Region der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit trennt, wobei eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der ersten Region und der zweiten Region der Oberfläche mittels eines Durchgangs (50) besteht,
wobei das Mittel zum Anwenden eines aushärtenden Mediums oder einer synergistischen Stimulation angeordnet ist, um das aushärtende Medium oder die synergistische Stimulation auf die erste Region der Oberfläche anzuwenden, und wobei die Mittel zur Messung des Oberflächenniveaus der Arbeitsflüssigkeit angeordnet sind, um diese Messung in der zweiten Region der Oberfläche auszuführen.
8. Das System gemäß Anspruch 7, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (50) unterhalb der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit angeordnet ist.
9. Das System gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die Wand (60) einen seitlichen Tank von einem Haupttank trennt, wobei das Messen des Oberflächenniveaus der Arbeitsflüssigkeit an der Arbeitsflüssigkeit ausgeführt wird, die in dem seitlichen Tank enthalten ist.
10. Das System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, weiter umfassend Mittel zum Einstellen des detektierten Oberflächenniveaus der Arbeitsflüssigkeit auf ein gewünschtes Arbeitsniveau.
11. Das System gemäß Anspruch 10, wobei das gewünschte Arbeitsniveau im Wesentlichen konstant ist.
12. Das System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Mittel zum Messen des Oberflächenniveaus aufweisen:
Mittel zum Erzeugen eines Strahls elektromagnetischer Strahlung;
Mittel zum Ausrichten des Strahls elektromagnetischer Strahlung entlang eines ersten optischen Weges (112) zu der zweiten Region der Oberfläche (70, 80) der Arbeitsflüssigkeit, so dass ein detektierbarer Bereich des Strahls von der Oberfläche entlang eines zweiten optischen Weges (114, 150) reflektiert wird; und
Mittel zum Erkennen der Versetzung des zweiten optischen Weges in einer Entfernung rechtwinklig zu dem Niveau (70, 80) der Flüssigkeit aufgrund der Änderungen des Niveaus der Flüssigkeit.
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