DE69022274T2

DE69022274T2 - Raumbildformendes System.

Info

Publication number: DE69022274T2
Application number: DE69022274T
Authority: DE
Inventors: John Alan Lawton
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: DSM IP Assets BV
Priority date: 1989-04-21
Filing date: 1990-04-19
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2010-04-20
Also published as: JP3294240B2; JP2003094526A; EP0393677B1; JP2001225393A; CN1038069C; EP0393677A2; JP3167601B2; JP2003094527A; JP3476451B2; JP2003053848A; KR0122467B1; JP3344420B2; JPH0661847B2; JP3676325B2; JP2003326608A; JP3668726B2; JP3672917B2; AU615613B2; JPH0321432A; CN1046615A

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände durch Photohärtung und insbesondere die gesteuerte Anwendung von Strahlungsquellen relativ hoher Energie wie Hochleistungs-Laser, um diese Herstellung direkt mit einer relativ hohen Geschwindigkeit und Genauigkeit erfolgreich durchzuführen.

2. Hintergrund der Erfindung

Es wurden viele Systeme zur Herstellung dreidimensionaler Nachbildung durch Photohärtung vorgeschlagen. Die europäische Patentanmeldung (Veröffentlichungs-Nr. 250 121, die am 6. Juni 1987 von der Scitex Corp. Ltd. angemeldet wurde), stellt eine gute Zusammenfassung von Druckschriften bereit, die dieses Fachgebiet betreffen, einschließlich verschiedener Versuche, die von Hull (z.B. EP-A-0 171 069), Kodama und Herbert stammen. Die obige EP-A-0-171 069 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines integralen, dreidimensionalen starren Gegenstandes aus aufeinanderfolgenden Schichten von photohärtbaren Zusammensetzungen, umfassend die Stufen:
a) Einbringen der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung in ein Gefäß,
b) Bildung eines Bestrahlungsstrahls mit einer spezifischen Intensität durch Anwendung von Bestrahlungsvorrichtungen,
c) gesteuertes Ablenken des Bestrahlungsstrahls in einem Vektor-Abtastmodus zu vorbestimmten Positionen auf den aufeinanderfolgenden dünnen Schichten, um Photohärtung vorher ausgewählter Bereiche der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung zu einer Tiefe der Photohärtung zu induzieren, wobei auch unvermeidbar der Bestrahlungsstrahl mit einer Beschleunigung vom Null-Niveau zu einer maximalen Beschleunigung und mit einer Geschwindigkeit vom Null-Niveau bis zu einer maximalen Geschwindigkeit unter Verwendung des Mittels zur Ablenkung abgelenkt wird,
d) Speicherung graphischer Daten, die der Form des starren Gegenstandes entsprechen,
e) Stützen des starren Gegenstandes auf einer beweglichen, im wesentlichen flachen Platte innerhalb des Gefäßes,
f) gesteuertes Bewegen der flachen Platte durch Verwendung eines Mittels zur Einstellung, wobei das Mittel zur Einstellung durch das Mittel zur Steuerung durch einen Rechner gesteuert wird, und
g) Bilden der aufeinanderfolgenden dünnen Schichten der flüssigen photohärtbaren Zusammensetzung durch Mittel zur Schichtbildung, wobei das Mittel zur Schichtbildung durch das Mittel zur Steuerung durch einen Rechner gesteuert wird.
Zusätzlicher Hintergrund wird in US Patent Nr. 4 752 498, erteilt am 21. Juni 1988 an Fudim, beschrieben.
Weiterhin offenbart EP-A-0 206 880 eine Belichtungsvorrichtung, worin ein Lichtstrahl in einen Lichtmodulator eindringt, der durch ein elektrisches Signal vom Rechner gesteuert wird, so daß die Lichtintensität, die durch die Gitterplatte erhalten wird, im wesentlichen konstant ist; und US-A- 4 196 461 offenbart eine Muster-bildende Unterhaltungsvorrichtung für projizierte Bilder, umfassend:
eine ausgeblendete Lichtquelle, die einen Strahl erzeugt; eine Vielzahl von Spiegeln, die so angeordnet sind, daß sie den Strahl abfangen und nacheinander reflektieren;
wobei jeder Spiegel um eine zentrale Achse in einer im allgemeinen senkrechten Ebene zu dem Strahl drehbar ist, wobei die reflektierende Seite jedes Spiegels in einem Winkel im Bereich von 1º bis 5º zu der senkrechten Ebene geneigt ist; wobei die Spiegel so angeordnet sind und eine derartige Größe haben, daß sie sowohl den Strahl als auch die Muster, die beim Drehen von einem oder mehreren der Spiegel gebildet werden, abfangen und reflektieren;
Motorantrieb und Mittel zur präzisen Geschwindigkeitssteuerung für jeden Spiegel, wobei jeder Spiegel mit einer präzise steuerbaren Geschwindigkeit gedreht werden kann;
wobei eine der Antriebsvorrichtungen die Drehrichtung umkehrende Mittel einschließt, wobei jedes gebildete Muster umgekehrt werden kann, und
Strahl-unterbrechendes Mittel, das den Strahl mit einer steuerbaren Frequenz vor der Reflektion durch irgendeinen der Spiegel abfangen kann, wobei Linien-folgende-Muster gebildet werden können.
Diese Ansätze beziehen sich auf die stufenweise Bildung fester Sektoren dreidimensionaler Gegenstände durch aufeinanderfolgende Bestrahlung von Bereichen oder Volumina, die verfestigt werden sollen. Verschiedene Maskierungstechniken werden ebenso beschrieben wie die Verwendung des direkten Laser-Schreibens, d.h. Belichten einer photohärtbaren Zusammensetzung mit einem Laserstrahl gemäß einem erwünschten Muster und schichtweiser Aufbau eines dreidimensionalen Modells.
Alle diese Ansätze vernachlässigen es jedoch, praktische Wege zur Anwendung der Vorteile des Vektor-Abtastens in Kombination mit Mitteln zur Aufrechterhaltung einer konstanten Belichtung aufzuzeigen, und erreichen im wesentlichen konstante Enddicke aller gehärteten Anteile jeder Schicht im ganzen Körper des dreidimensionalen Gegenstandes.
Weiterhin vernachlässigen sie es, sehr wichtige Beziehungen innerhalb spezifischer Bereiche des Verfahrens zu erkennen, die das Verfahren und Parameter der Vorrichtung beherrschen, um sie praktikabel und brauchbar zu machen. Derartige Bereiche sind solche der konstanten Belichtungs-Niveaus, in Abhängigkeit von der photohärtenden Antwort des Materials, solche der minimalen Entfernung, die der Strahl bei maximaler Beschleunigung in Abhängigkeit von der Auflösung und Tiefe der Photohärtung durchwandert sowie solche der maximalen Strahlintensität in Abhängigkeit von der Lichtempfindlichkeit der photohärtbaren Zusammensetzung.
Die Patentanmeldung von Scitex schlägt zum Beispiel die Verwendung von Photomasken oder der Rasterabtastung vor, um eine gleichmäßige Belichtung zu erreichen, schlägt jedoch keine Lösung vor, um die Belichtung im Falle der Vektorabtastung konstant zu halten. Durch die Verwendung von Photomasken werden solche Techniken übermäßig zeitaufwendig und teuer. Im Vergleich zur Vektorabtastung ist die Rasterabtastung außerdem aus mehreren Gründen nicht wünschenswert, umfassend:
- die Notwendigkeit, den gesamten Bereich abzutasten, auch wenn der herzustellende Gegenstand nur einen sehr kleinen Teil des Gesamtvolumens darstellt,
- die beträchtlich größere Datenmenge, die in den meisten Fällen gespeichert werden muß,
- die insgesamt schwierigere Handhabung der gespeicherten Daten und
- die Notwendigkeit, auf CAD basierende Vektordaten in Rasterdaten umzuwandeln.
Andererseits müssen im Falle der Vektorabtastung nur die Bereiche abgetastet werden, die der Gestalt des starren Gegenstands entsprechen, die zu speichernde Datenmenge ist geringer, die Daten können leichter manipuliert werden, und "mehr als 90% der auf CAD beruhenden Maschinen erzeugen und verwenden Vektordaten" (Lasers & Optronics, Januar 1989, Vol. 8, Nr. 1, S. 56). Der Hauptgrund, warum die Laservektorabtastung bisher keine weitreichende Verwendung fand, ist die Tatsache, daß sie trotz ihrer Vorteile Probleme einführt, die mit der Trägheit der optischen Glieder, wie Spiegeln, der verfügbaren Umlenkungssysteme für die zur Zeit zweckmäßigsten Strahlungsquellen wie Laser, zusammenhängen. Da diese Systeme von elektromechanischer Natur sind, ist zum Erreichen irgendeiner Strahlgeschwindigkeit eine endliche Beschleunigung miteingeschlossen. Diese unvermeidbare Ungleichmäßigkeit der Geschwindigkeit führt zu unannehmbaren Dickenschwankungen in der belichteten, photohärtbaren Zusammensetzung. Insbesondere im Falle von Teilen von Schichten, die keine unmittelbar vorhergehenden Belichtungsniveaus bei der hohen Intensität aufweisen, wird es notwendig, hohe Strahlgeschwindigkeiten und daher längere Beschleunigungszeiten zu verwenden, die wiederum zu ungleichmäßigen Dicken bei der belichteten Zusammensetzung führen. Die Verwendung von Lasern geringer Intensität stellt keine gute Lösung bereit, da sie die Herstellung eines festen Gegenstands übermäßig zeitaufwendig macht. Außerdem wird die Eignung der Vektorabtastung weiterhin minimiert, wenn nicht wenigstens die oben genannten Beziehungen zwischen Tiefe und Belichtungsgrad der photohärtbaren Zusammensetzung beobachtet werden, wie es in der ausführlichen Beschreibung der Erfindung der Fall ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum direkten Laserschreiben in einem Vektormodus auf eine unbelichetete, photohärtbare Zusammensetzung durch Abtasten und Bilden aufeinanderfolgender Schichten dreidimensionaler Art von präzis-gesteuerter Tiefe und Auflösung bereitzustellen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur direkten schichtweisen Herstellung dreidimensionaler, photogehärteter Modelle unter Verwendung von Lasern hoher Intensität für direktes Laserschreiben in einem Vektormodus, worin die Tiefe der sich ergebenden Belichtungsspuren in der photohärtbaren Zusammensetzung präzis gesteuert wird, und sie kann wie folgt zusammengefaßt werden: Verfahren zur Herstellung eines integralen dreidimensionalen, starren Gegenstandes aus aufeinanderfolgenden dünnen Schichten aus einer flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung, umfassend die Stufen:
Speichern graphischer Daten entsprechend der Form des starren Gegenstandes, der hergestellt werden soll, in einem ersten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner, Einbringen der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung in ein Gefäß,
Bildung eines Bestrahlungsstrahls, der eine Intensität hat, durch Verwendung des ersten Mittels zur Steuerung durch einen Rechner,
gesteuertes Ablenken des Bestrahlungsstrahls in einem Vektor-Abtast-Modus zu vorherbestimmten Positionen auf den aufeinanderfolgenden dünnen Schichten, um Photohärten von vorher ausgewählten Anteilen der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung zu einer Tiefe des Photohärtens zu induzieren, und auch Ablenken des Bestrahlungsstrahls mit einer Beschleunigung vom Null-Niveau zu einer maximalen Beschleunigung, und mit einer Geschwindigkeit vom Null-Niveau bis zu einer maximalen Geschwindigkeit, unter Verwendung des Mittels zur Ablenkung, Stützen des starren Gegenstandes auf einer beweglichen, im wesentlichen flachen Platte innerhalb des Gefäßes, gesteuertes Bewegen der flachen Platte durch Verwendung eines Mittels zur Einstellung, wobei das Mittel zur Einstellung durch das erste Mittel zur Steuerung durch einen Rechner gesteuert wird, und
Bilden der aufeinanderfolgenden dünnen Schichten der flüssigen photohärtbaren Zusammensetzung durch Mittel zur Schichtbildung, wobei das Mittel zur Schichtbildung ebenfalls durch das erste Mittel zur Steuerung durch einen Rechner gesteuert wird, gekennzeichnet durch die Stufe: Kopplung eines zweiten Mittels zur Steuerung durch einen Rechner mit dem Mittel zur Ablenkung und dem ersten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner, wobei das zweite Mittel zur Steuerung durch einen Rechner in Verbindung mit einem Mittel zur Modulierung verwendet wird, um die Intensität des Bestrahlungsstrahls von einem im wesentlichen Null-Niveau auf eine maximale Intensität, im Verhältnis zu der Geschwindigkeit des Strahls steuerbar zu modulieren, wodurch eine im wesentlichen konstante Belichtungsmenge - wobei die Belichtungsmenge im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit des Strahls ist - auf den vorher bestimmten Anteilen der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung bereitgestellt wird, um im wesentlichen konstante Tiefe des Photohärtens innerhalb jeder aufeinanderfolgenden dünnen Schicht zu erreichen.
Eine Vorrichtung zur präzisen Herstellung eines integralen, dreidimensionalen, starren Gegenstandes aus aufeinanderfolgenden dünnen Schichten einer flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung umfaßt:
ein Gefäß, das die flüssige, photohärtbare Zusammensetzung enthält,
Mittel zur Bestrahlung zum Bereitstellen eines Bestrahlungsstrahls, wobei der Bestrahlungsstrahl eine Intensität hat,
Mittel zur Modulation, um die Intensität des Bestrahlungsstrahls von einem Intensitätsniveau, das im wesentlichen null ist, zu einer maximalen Strahlungsintensität zu modulieren, Mittel zum Ablenken zum gesteuerten Ablenken des Bestrahlungsstrahls in einem Vektor-Abtast-Modus zu vorherbestimmten Positionen auf den aufeinanderfolgenden dünnen Schichten, um Photohärten von vorher ausgewählten Anteilen der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung zu einer Tiefe des Photohärtens zu induzieren, wobei das Mittel zum Ablenken auch in steuerbarer Weise den Strahl mit einer Beschleunigung vom Null-Niveau zu einer maximalen Beschleunigung und mit einer Geschwindigkeit vom Null-Niveau bis zu einer maximalen Geschwindigkeit ablenkt,
erstes Mittel zur Steuerung durch einen Rechner zum Speichern graphischer Daten entsprechend der Form des starren Gegenstandes, eine im wesentlichen flache, bewegliche Platte in dem Gefäß zum Stützen des starren Gegenstandes,
Mittel zur Einstellung, das durch das erste Mittel zur Steuerung durch einen Rechner gesteuert wird, um eine Bewegung zu der beweglichen Platte bereitzustellen, um genau die Einstellung der beweglichen Platte in dem Gefäß zu steuern, und Schicht-bildendes Mittel, das über dem beweglichen Tisch angeordnet ist, wobei das Schicht-bildende Mittel auch durch das erste Mittel zur Steuerung durch einen Rechner gesteuert wird, um die aufeinanderfolgenden, dünnen Schichten der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung zu bilden, gekennzeichnet durch:
eine zweites Mittel zur Steuerung durch einen Rechner, das mit dem Mittel zur Modulation, dem Mittel zur Ablenkung und dem ersten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner gekoppelt ist, wobei das zweite Mittel zur Steuerung durch einen Rechner vorliegt, um ein im wesentlichen konstantes Belichtungs- Niveau bereitzustellen, das Belichtungs-Niveau im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit des Strahls auf die vorherbestimmten Anteile der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung ist, um eine im wesentlichen konstante Tiefe der Photohärtung in jeder aufeinanderfolgenden dünnen Schicht zu erreichen.
Der Oberbegriff der Ansprüche basiert auf EP-A-0 171 069.

Beschreibung der Zeichnungen

Das Verständnis des Lesers für die praktische Durchführung bevorzugter Ausführungsformen dieser Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung verbessert, zusammengenommen mit der Durchsicht der Figuren der Zeichnung:
Figur 1 ist ein Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der Apparatur der vorliegenden Erfindung.
Figuren 2 und 3 illustrieren die Aufteilung der Oberflächen und Volumina in Bildrasterpunkte (pixel) bzw. Volumen-Bild- Elemente (voxel).
Figur 4 zeigt die Beziehung zwischen der Tiefe einer photogehärteten Schicht der photohärtbaren Zusammensetzung des Beispiels 1 als eine Funktion der Belichtung durch Bestrahlung.
Figur 5 zeigt einen Vergleich normalisierter Kurven des Belichtungsprofils gegenüber berechneter und tatsächlicher Dicke durch eine Abtastlinie.
Figur 6 zeigt den Vergleich zwischen zwei berechneten Kurven, die die Dicke der Photohärtung durch drei aufeinanderfolgende Abtastlinien vorherbestimmen sollen.
Figur 7 zeigt die tatsächliche Dicke gegenüber der berechneten Dicke durch Abtastlinien.
Figur 8 zeigt die Wirkung des Abtastabstandes auf die Querschnittsdicke der Photohärtung.
Figur 9 illustriert die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Bildung von Abtastlinien gegenüber dem Abtastabstand.
Figuren 10 und 11 illustrieren den großen Unterschied, den die Strahlintensität auf die Vektor-Abtast-Entfernung ausmacht, die notwenig ist, um eine minimale konstante Tiefe der Photohärtung unter maximaler Beschleunigung von einem Anhalten aus zu erreichen, wenn keine Vorkehrungen getroffen werden, um ein konstantes Belichtungs-Niveau beizubehalten.
Figur 12 zeigt die Tiefe der Photohärtung gegenüber der Entfernung entlang der Abtastrichtung, wenn Vorkehrungen getroffen werden, um ein im wesentlichen konstantes Belichtungs- Niveau beizubehalten.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände durch Photohärtung und insbesondere auf die gesteuerte Verwendung von Lasern von relativ hoher Energie, um diese Herstellung direkt bei einer relativ hohen Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erreichen.
Bezugnehmend nun auf Figur 1, wird dort ein Mittel zur Bestrahlung 10 wie ein Laser bereitgestellt, das einen Bestrahlungsstrahl 12 bildet. Da es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, feste Gegenstände 11 bei hoher Geschwindigkeit herzustellen, verwendet die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Mittel zur Bestrahlung 10 mit relativ hoher Leistung wie Laser hoher Leistung, die Hauptbanden im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Bereich haben können. Als eine hohe Leistung wird eine Leistung von mehr als 20 mW und vorzugsweise mehr als 100 mW - wie sie durch die Leistung des Bestrahlungsstrahls 12 gemessen wird - angesehen. Dies betrifft die vorliegenden Lichtempfindlichkeiten der photohärtbaren Zusammensetzungen. Wenn jedoch empfindlichere Zusammensetzungen erhalten werden, werden die Werte von 20 mW und 100 mW für die Leistung des Strahls demgemäß niedriger, da Lichtempfindlichkeit der Zusammensetzung und Intensität des Bestrahlungsstrahls sich umgekehrt zueinander verhalten, um die gleichen Ergebnisse zu erhalten. Die Auswahl eines bestimmten Lasertyps sollte mit der Auswahl der photohärtbaren Zusammensetzung auf eine Weise koordiniert werden, daß die Empfindlichkeit der photohärtbaren Zusammensetzung auf vernünftige Weise gut mit der Wellenlänge der Emission des Lasers übereinstimmt. Andere Typen von Bestrahlungsmitteln können ebenfalls verwendet werden wie Elektronenstrahlen und Röntgenstrahlen; so lange die Art ihrer Energie an die Empfindlichkeit der photohärtbaren Zusammensetzung angepaßt ist, wird ein Strahl bereitgestellt, und die geeigneten Bedingungen für ihre Handhabung werden gemäß den eingeführten, gemäß dem Stand der Technik bekannten, Wegen beobachtet. Obwohl Mittel bereitgestellt werden können, um die Form des Strahlenquerschnitts zu jeder gewünschten Form zu modifizieren, ist die gebräuchliche Form kreisförmig und das Profil der Intensität des Strahls ist gaußartig, mit einem Maximum im Zentrum der kreisförmigen Form.
Der Bestrahlungsstrahl 12 geht durch den Modulator 14 hindurch, wobei der Modulator vorzugsweise ein akustisch-optischer Modulator ist. Der modulierte Bestrahlungsstrahl 12 geht dann wieder durch das Mittel zur Ablenkung 16 hindurch, das zwei Spiegel 20 und 22 umfaßt, wobei jeder Spiegel eine Achse (nicht dargestellt) aufweist, wodurch die Reflektion des Strahls auf die Oberfläche 46 in X- und Y-Richtung ermöglicht wird, wobei die X- und die Y-Richtung senkrecht zueinander und parallel zu Oberfläche 46 sind. Die Spiegel 20 und 22 können mit den Motoren 24 bzw. 26 rotierend um ihre entsprechenden Achsen bewegt werden, wodurch der Strahl steuerbar in einem Vektor-Abtastmodus in X- und Y-Richtung in vorbestimmte Positionen einer flüssigen, photoformbaren Zusammensetzung 40 abgelenkt wird, die in Behälter 44 enthalten ist. Beispiele für geeignete photoformbare Zusammensetzungen werden in einem späteren Abschnitt dieser Beschreibung angegeben. Wenn der Strahl durch das Mittel zur Ablenkung 16 abgelenkt wird, erfährt er eine Beschleunigung vom Niveau Null auf eine maximale Beschleunigung und eine Geschwindigkeit vom Niveau Null auf eine maximale konstante Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit und die Intensität des Strahls bleiben proportional zueinander, so daß die Belichtung im wesentlichen konstant bleibt. Der Strahl verursacht Photohärtung vorbestimmter Teile der Zusammensetzung bis zu einer im wesentlichen konstanten Tiefe. Tiefe der Photohärtung ist definiert als die maximale Dicke oder Spitzendicke zwischen Oberfläche 46 und der entgegengesetzten Seite der photogehärteten dünnen Schicht, wenn sie auf einem Querschnitt gemessen wird, der normal zu der Richtung des Abtastens vorliegt. Wie später aus der Beschreibung ersichtlich werden wird, kann die Dicke jeder einzelnen, photogehärteten Schicht, oder eines Teils derselben, von Punkt zu Punkt auf einer Abtastlinie variieren. So bezieht sich, um Verwirrung zu vermeiden, die Dicke der Photohärtung auf die Dicke an jedem Punkt der Schicht, während die Tiefe der Photohärtung auf die obige Definition beschränkt bleibt. Im Gefäß 44 sind eine bewegliche Platte 41 und Mittel zur Einstellung wie ein Aufzugsmotor 42 bereitgestellt, um eine Bewegung der beweglichen Platte 41 bereitzustellen, um genau die Einstellung der beweglichen Platte 41 in dem Gefäß 44 zu steuern. Die Bewegung der Platte 41 kann fortschreitend, rotationsförmig, zufällig oder eine Kombination derselben sein. Ein schichtbildendes Mittel wie eine Rakel 43 ist oberhalb der Platte 41 in dem Gefäß 44 angeordnet, um aufeinanderfolgende dünne Schichten der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung zu bilden. Es ist auch ein erstes Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 30 und ein zweites Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 bereitgestellt. Das erste Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 30 ist mit dem Mittel zur Bestrahlung 10, dem Mittel zur Einstellung 42, dem Mittel zur Schichtbildung 43 und dem zweiten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 durch die jeweiligen Steuerungs/Rückkopplungsleitungen 52, 60, 62 und 58 gekoppelt. Das zweite Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 ist zusätzlich mit dem ersten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 30 durch Leitung 58 gekoppelt, und auch mit dem Modulator 14 und Mittel zur Ablenkung 16 jeweils durch Steuerungs/Rückkopplungsleitungen 50 und 54 gekoppelt. Zusätzliche und selbstverständliche Vorrichtungen werden aufgrund der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann die Modulation des Bestrahlungsstrahls sowohl analog als auch digital sein, um konstante Belichtung zu erreichen. Ein im Handel erhältliches Greyhawk -System (hergestellt von Greyhawk Sytems, Inc., 1557 Centre Point Drive, Milpitas, CA 95035) , das, wie nachstehend erklärt wird, modifiziert ist, kann als Teil des zweiten Mittels zur Steuerung durch einen Rechner 34 in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um das Belichtungs-Niveau auf einen konstanten Wert zu steuern. Das Greyhawk -System wandelt Impuls-Signale um, die von Codiereinrichtungen (nicht gezeigt), welche an den Achsen von Motoren 24 und 26 befestigt sind, erzeugt werden, wobei die Codiereinrichtungen Rotation der Achse und so Bewegung des Laserstrahls, der von den Spiegeln reflektiert wird, in der abbildenden Oberfläche 46 anzeigen, die proportional ist zu einem elektrischen Impuls-Signal, welches digital verarbeitet wird, wobei das Vorliegen von Bildraum und Menge der erwünschten Belichtung berücksichtigt wird, wodurch der Laser direkt moduliert wird. Auf wirksame Weise wird der Laser digital moduliert, entsprechend einer diskreten Entfernung, die der Strahl in der Bildebene zurückgelegt hat. Da die Modulation des Lasers erfordert, daß der Laser auf eine spezifische Zeitspanne pro Impuls eingeschaltet ist, ist das Ergebnis eine beträchlich gleichmäßigere Belichtung pro Distanz, die der Laserstrahl in der Bildebene zurückgelegt hat.
Direkte digitale Modulation eines Lasers, der nicht im Festzustand vorliegt, ist zur Zeit nicht praktikabel, da typischerweise derartige Laser nicht bei ausreichend hohen Geschwindigkeiten digital moduliert werden können, um für Festabbildung brauchbar zu sein. Diese Laser können nur kontinuierlich (CW) betrieben werden, da, falls gepulst, die Puls- Repetitionsgeschwindigkeit und/oder Pulszeitbreite nicht den Modulationssignalen, die durch das Greyhawk electronics- System erzeugt werden, folgen kann. Die erzeugt ungleichförmige Belichtung in der Bildebene. Um den Strahl eines Lasers im nichtfesten Zustand bei den hohen Geschwindigkeiten, die bei Systemen wie dem Greyhawk - System erforderlich sind, zu modulieren, müssen die elektrischen Signale, die angemessen sind, um einen Laser im festen Zustand zu betreiben, sehr stark modifiziert werden, um einen Lichtschalter in dem Strahlungsweg eines CW-Lasers zu bedienen. Der Lichtschalter und die angewendeten modifizierenden elektronischen Vorrichtungen müssen befähigt sein, den elektrischen Modulationssignalen zu folgen, und sie müssen angemessene Durchlässigkeits-Wirkung in dem "eingeschalteten Zustand" haben, um brauchbare Strahlungsenergie, wo erforderlich, in der Bildoberfläche 46 bereitzustellen. Derartige Lichtschalter können analog oder digital sein. Der am meisten bevorzugte Schalter ist einer vom akustisch-optischen Typ.
Beispiele anderer verwendbarer Schalter sind:
elektrisch-optische Schalter, die auf einem Kristall basieren, der optische Polarität verändert, wenn Spannungen angelegt werden;
flüssig-kristalline Gatter-Schalter, wie ein solcher, der im sichtbaren Bereich verwendet werden kann, hergestellt von Meadowlark Optics (7460 East County Line Road, Longmont, Colorado 80501) , der Beam Gate genannt wird. Er basiert ebenfalls auf einem Wechsel der Polarisation des flüssig-kristallinen Materials;
piezoelektrische Zellen, die Diaphragmen wie eine kleine Lochblende bewegen können;
die sogenannten auf PLZT (Pb 0,9, La 0,1, Zr 0,65, Ti 0,35) basierenden Schalter, die auf der Polarisation beruhen. Zwei Polarisationplatten werden mit ihren Achsen 900 zueinander angeordnet, wobei ein ferroelektrischer PLZT-Kristall dazwischen eingebaut wird. Der PLZT-Kristall ist fähig, die Polarität des Lichts zu drehen, das in Abhängigkeit davon hindurchgeht, ob ein elektrisches Feld an das PLZT angelegt wird oder nicht. So wird nun in der ausgeschalteten Stellung (PLZT hat kein elektrisches Feld) Licht, das durch den ersten Polarisator hindurchgeht, durch das PLZT nicht verändert, und durch den zweiten Polarisator blockiert. Wenn jedoch das PLZT unter elektrischem Feld steht, wird Licht, das durch den ersten Polarisator hindurchgeht, durch das PLZT gedreht, und kann durch den zweiten Polarisator hindurchgehen.
Es ist gemäß dem Stand der Technik wohlbekannt, daß es für praktische Zwecke, besserers Verständnis und bessere Beschreibung wünschenswert ist, ein Bild, das auf einer zweidimensionalen Oberfläche aufliegt, in kleine Flächeneinheiten aufzuteilen, die Bildelemente (pixel) genannt werden, wie P1, P2, P3,...Pn, wie in Figur 2 gezeigt wird. Die Bildelemente sind gewöhnlich von quadratischer Form; sie haben somit die gleichen Ausmaße sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung. Der Hauptgrund für die Auswahl der quadratischen anstelle einer rechteckigen oder anderen Form ist der, daß in der Mehrzahl der Fälle die gleiche Auflösung in beiden Richtungen sowohl angetroffen wird als auch erwünscht ist. Aufähnliche Weise kann, wenn ein Feststoff betrachtet wird, das Volumen des Feststoffs in kleine imaginäre Würfel, Volumenbildelemente (voxel) genannt, wie V1, V2, V3. . .Vn, aufgeteilt werden wie in Figur 3 illustriert ist. Aus den gleichen wie oben beschriebenen Gründen ist der Würfel die bevorzugte Form eines Volumenbildelements, wobei so das Volumenbildelement die gleichen Ausmaße in allen drei Richtungen X, Y und Z haben kann.
Es wird für das Produkt dieser Vorrichtung und dieses Verfahrens bevorzugt, daß es durch kubische Volumenbildelemente beschrieben wird, die Kantendimensionen haben, die gleich dem Abtast-Linienabstand sind, das heißt dem Abstand der Zentren irgendwelcher zwei aufeinanderfolgender Abtast- Linien des Strahls 12" auf der Oberfläche 46 der photohärtbaren Zusammensetzung 40, wobei die Linien im wesentlichen parallel zueinander sind.
Man würde erwarten, daß man bei Anwendung einfacher Extrapolationen der Lehren zweidimensionaler Abbildung befähigt wäre, die Eigenschaften des Verhaltens von fester oder dreidimensionaler Abbildung wie z.B. optimaler Abstand der Abtastlinien, vorhersagen könnte. Dies ist alles andere als richtig, und die Dinge sind weit komplizierter, insbesondere da eine neue Komplexvariable wie die Tiefe und Dicke der Photohärtung im allgemeinen vorliegt, die bei zweidimensiona der Abbildung kleine und konstante Werte haben und aktiv bei der festen Abbildung beteiligt sind. Bei einem einzelnen Abtasten (Monoscan) eines fokussierten Laserstrahls entlang einer Linie auf der Oberfläche einer photohärtbaren Zusammensetzung würde man zuerst erwarten, einen linearen Feststoff mit rechteckigem Querschnitt zu erhalten. Überlegungen von Fachleuten könnten zu der Erwartung führen, daß ein derartiger Querschnitt von Gauß'scher Form wäre, wie sie sich aus einem Bestrahlungsstrahl mit Gauß'scher Querschnittsverteilung ergibt. Es sind jedoch beide Vorhersagen nicht richtig. Die Anmelder haben gefunden, daß der Querschnitt des so gebildeten linearen Feststoffs unerwarteterweise im wesentlichen von Nicht-Gauß'scher Form ist. Mit anderen Worten, wenn ein linearer Feststoff, der auf diese Weise gebildet wird, normal zu seiner Länge zerschnitten wird, nimmt die Breite, ausgehend von der flüssigen Oberfläche, beinahe linear mit dem Abstand von der Oberfläche 46 bis nahe an die Spitze des gebildeten Feststoffs ab. Diese Querschnitts- Eigenschaft ist eine wichtige Information für abgetastetes festes Abbilden, da normalerweise, wenn Schichten abgetastet werden, um teilweise Bereiche jeder Querschnitts-Schicht aufzufüllen, das Abtasten aus Linien oder Vektoren besteht, die im wesentlichen auf derartige Weise parallel zueinander getrennt sind, daß eine vollständige, feste Ebene gebildet wird. Die Kenntnis, daß die Breite jedes Vektors im wesentlichen linear mit dem Abstand von der Oberfläche 46 abnimmt, erlaubt es, den geeigneten Abstand zwischen den Vektorlinien zu bestimmen, um gleichförmige Belichtung und gleichförmige Tiefe der Photohärtung bereitzustellen. Bei geeignetem Linienabstand wird Welligkeit, d.h. die Dickenvariation am Boden jeder dünnen Schicht, minimiert, die Neigung zum Kräusein der Schicht reduziert, Teil-Auflösung und Toleranzen werden beibehalten, die Schichten werden größere Festigkeit bei geringeren Richtungs-Festigkeitsunterschieden haben, die Haftung ist von Schicht zu Schicht verbessert und die Anzahl der Abtastlinien kann minimiert werden. Die Anmelder schlagen vor, daß der Querschnitt der monoabgetasteten festen Linie im wesentlichen von Nicht-Gauß'scher Art ist, da die Ränder des Gauß'förmigen Energieprofils des Bestrahlungsstrahls beim Abtasten hinsichtlich ihrer Fähigkeit die entsprechenden Anteile der photohärtbaren Zusammensetzung photozuhärten, wegen einer Vielzahl von Gründen unwirksam werden, wie:
Geringere Belichtungen fallen in einen Bereich, in dem keine Photohärtung auftreten kann: dem Induktionsbereich, der gemäß dem Stand der Technik wohlbekannt ist.
Während des Mono-Abtastens (Einzel-Abtasten) eines kreisförmigen Gauß'schen Strahls werden die Teile zum Ort des Zentrums des sich bewegenden Flecks hin, wobei der Fleck der Schnittpunkt des Strahls mit der Oberfläche der photohärtbaren Zusammensetzung ist, notwendigerweise höhere Belichtung als die Teile, die weiter entfernt von diesem Ort liegen, in einem Gauß'schen Modus erhalten, der sich umgekehrt zu der Geschwindigkeit des Flecks ändert. Das gleiche trifft in entsprechender Weise auf jede Schicht zu, die durch den Strahl beeinflußt wird. Die Kombination der Gauß'schen Funktion mit der S-förmigen Beziehung der Dicke der Photohärtung zur Belichtung, die beim Fest-Abbilden als die Tiefen-und-Belichtungs-Kurve definiert werden kann und für die ein Beispiel in Figur 4 abgebildet ist, das das Verhalten einer unserer bevorzugten Zusammensetzungen, die in Beispiel 1 beschrieben ist, betrifft, erklärt die Nicht- Gauß'sche Form einer mono-abgetasteten Linie.
Es ist sehr wichtig, die Tatsache zu bemerken, daß die Tiefe der Photohärtung und die Dicke der Photohärtung nicht nur Funktionen der Natur der photohärtbaren Zusammensetzung, der Strahlintensität und der Zeitspanne des direkten Auftreffens des Strahls sind, sondern auch von anderen Parametern und sekundären Wirkungen abhängen, wie Abtast-Überlappen und sekundäre Belichtung, die vom Belichten benachbarter Teile herrühren. Z.B. ist die Tiefe der Photohärtung einer einzelnen Abtastlinie wesentlich geringer als die Tiefe der Photohärtung einer Vielzahl eng überlappender Abtastlinien, die einen kontinuierlichen Film erzeugen. Gleichermaßen ist die Tiefe der photohärtung umso größer, je größer die Anzahl der abgetasteten Linien ist und je näher sie zueinander angeordnet sind, wenn alles andere konstant gehalten wird. Auch können Kanten, da sie benachbarte Belichtungsabtastvorgänge nur auf einer Seite haben, niedrigere Gesamtbelichtung erhalten, und sie ergeben daher geringere Tiefe der Photohärtung als mittlere Anteile während der Photohärtung, falls keine Korrekturstufen vorgenommen werden.
Aufgrund der obigen Phänomene ergibt sich ein zweiter bedeutsamer Unterschied von selbst, der später ausführlicher diskutiert werden wird, zwischen gebräuchlichem zweidimensionalem Abbilden und Fest-Abbilden. Um Abtastbilder in gebräuchlichen zweidimensionalen Abbildungssystemen zu bilden, ist es gemäß dem Stand der Technik bekannt, daß der optimale Abtastlinien-Abstand zwischen Linien zur Eliminierung von visuell erkennbaren Wellungen in dem Bild vorliegt, wenn der Abstand zwischen den Linien etwa gleich oder geringer ist als der 1/e² Durchmesser des abbildenden Strahls, der ein Gauß'-sches Intensitätsprofil hat. Zum Fest-Abbilden würde die Anordnung von Abtastlinien bei diesem Abstand eine merkliche Wellung auf der unteren Oberfläche jeder Schicht im Fall der Zusammensetzung, die in Beispiel 1 beschrieben ist, bilden. Der Grund dafür ist der, daß die Nicht-Gauß'schen Formen der Material-Antwort auf die Belichtung nicht ausreichend überlappen würden, um gleichförmige Dicke der photogehärteten, dünnen Schicht zu ergeben.
So ist die Bestimmung des Abtastabstandes sehr wichtig, da er direkt zur Defintion der Dimensionen eines Volumenbildelements führt, und daher zum Auflösungsvermögen des fest-abbildenden-Systems (Solid Imaging System), um die Toleranz- Erfordernisse des starren, herzustellenden Gegenstandes zu erfüllen.
Es wurde gefunden, daß die Beziehung zwischen der detaillierten Dicke der Photohärtung an jedem Punkt des Querschnitts einer Einzel-Abtastlinie und der Belichtung zu dem entsprechenden Gauß'förmigen Intensitätsprofils der Strahllinie der Gleichnung:
photogehärtete Dicke:
G{E} = G{ 2Pexp[-2((Y/r&sub0;)² )]/( π v r&sub0;)] [1]
folgt, worin G{E} eine Funktion darstellt, die gut mit der Materialtiefe bei Belichtungs-E (mJ/cm²) -Antwort übereinstimmt (es wurde ein natürlich logarithmisches Polynom zweiter Ordnung für die Zusammensetzung des Beispiels 1 verwendet,
G{E} (mm) = -0,66 + 0,446 ln[E]-0,0356 (ln[E])²); P ist der Strahlungsfluß des Strahls (mW) an der Bildebene; Y ist die variable Entfernung vom Abtastzentrum hinweg, r&sub0; ist der 1/e² Strahlradius des Gauß'schen Strahls und v ist die Geschwindigkeit des Strahlabtastens quer über die Oberfläche. Es ist überraschend, daß die Übereinstimmung ausgezeichnet ist, obwohl die Belichtungseinheiten in der Gleichung, die sich auf G{E} mit einem natürlich logarithmischen Polynom zweiter Ordnung bezieht, nicht dimensionslos sind.
Figur 5 zeigt die normalisierte Gauß'sche Belichtung um das Zentrum des Strahlflecks herum, die senkrecht zu einer einzelnen Abtastlinie mit konstanter Geschwindigkeit geschnitten wurde, wenn der Strahl kontinuierlich eingeschaltet ist, und die normalisierte tatsächliche Dicke des photogehärteten Materials (mit einer Zusammensetzung des Beispiels 1), das mit einem einzelnen Vektor von konstanter Geschwindigkeit abgetastet wurde und senkrecht zur Abtastrichtung geschnitten wurde, und
die normalisierte vorhergesagte Dicke der Photohärtung, die unter den gleichen Bedingungen abgetastet wurde.
Die Kurven wurden auf einen gemeinsamen maximalen Relativwert 1 normalisiert, um die Unterschiede der Profile besser herauszuheben.
Es ist zu bemerken, daß das Profil der mathematischen Vorhersage der Dicke der Photohärtung um das Zentrum einer einzelnen Abtast-Belichtung herum im wesentlichen dem Profil der tatsächlich gemessenen Dicke des Materials entspricht, und beträchtlich verschieden ist von dem, was man basierend auf der Form des Belichtungsprofils vorhersagen würde.
Die Bestimmung der Antwort der Zusammensetzung auf die Belichtung ist für Fest-Abbilden wesentlich, da sie zu der Definition der Fähigkeit des gesamten Systems führt, Gegenstände fit erwünschten Toleranzen herzustellen, basierend auf der Auslösung des Systems und der Anwort der Zusammensetzung. Es ist die Fähigkeit des optischen Systems, die Laserenergie auf eine gegebene Zeit/Leistungs-Auflösung zu steuern, die zu der Fähigkeit führt, Linie- Schicht- und nachfolgend Teil- Toleranzen beizubehalten. Ein optimales Abtastsystem kann ausgezeichnete Auflösung haben, indem es die Laserenergie zu der gewünschten Größe und dem erwünschten Ort leitet und fokussiert. Es wird jedoch die Antwort des Materials auf die absorbierte Energie sein, die die Toleranz einer Linie, einer Schicht und eines hergestellten Teils bestimmt.
Kenntnis des Profils einer einzelnen Linie kann zu der Annahme führen, daß eine Schicht, die durch parallele Linien gebildet wird, die in einer Weise überlappen, die geeignet ist, Haftung zwischen den Linien zu erzeugen und die Bereiche zwischen den Enden der Linien aufzufülllen, durch die einfache Zugabe der Dicken-Antwort einer Reihe von einzelnen Linien, die mit einem kontinuierlich eingeschalteten Strahl abgetastet werden, modelliert werden kann. Ein derartiges mathematisches Modell würde die folgende mathematische Formel haben: photogehärtete Dicke:
worin Y den Abstand vom Zentrum des ersten Abtast-Vektors in einer Richtung, die normal zur Abtastrichtung und parallel zur Bildebene ist, darstellt, wobei die Bildebene die Oberfläche 46 in Figur 1 ist; Yk stellt den Ort des Zentrums jedes Vektor-Abtastens in bezug auf Y=0 in seiner Wirkung über benachbarte Linien summiert, dar.
Es wurde bei unseren Untersuchungen jedoch gefunden, daß dieses mathematische Modell einem Modell weit unterlegen ist, das auf einer Summierung der kontinuierlichen Abtastbelichtungen beruht, die anschließend durch Belichtungs-Antwort der Zusammensetzung in Bezug auf die Dicke der Photohärtung durchgeführt werden. Ein derartiges mathematisches Modell hat die folgende Gleichung:
photogehärtete Dicke: Gt{ΣE} =
worin der Belichtungsbeitrag von jedem Vektorabtasten, entlang der Orte Yk gelegen, zuerst für jeden einzelnen Ort Y summiert wird; dann wird die Belichtungsantwort G{ } auf diese Belichtungssumme angewendet.
Die Bestimmung der Genauigkeit der Gleichung [3] gegenüber Gleichung [2] ist leicht verständlich, indem man aus der graphischen Abbildung der Figur 6 entnimmt, daß ein mathematisches Modell basierend auf Gleichung [2], in dem drei kontinuierliche Abtastlinien mit einem spezifischen Abstand gezogen werden, fälschlicherweise vorhersagt, daß Wellungen am Boden der photohärtbaren Zusammensetzung die doppelte Frequenz haben werden, gegenüber derjenigen, die Gleichung [3] für das Ziehen der drei Linien mit dem gleichen Abstand vorhersagt. Messungen, die an Mikrophotographien von Schichten gemacht wurden, die durch Abtasten von Linien parallel zueinander bei einem gleichwertigen Abstand auf der Oberfläche der in Beispiel 1 beschriebenen Zusammensetzung gebildet wurden, bestätigen, daß die Welligkeitsfrequenz, die durch Gleichung [3] vorhergesagt wird, der tatsächlichen Antwort der Zusammensetzung entspricht.
Ein weiterer Beweis dafür, daß das mathematische Modell der Gleichung [3] auf genaue Weise die Antwort der photohärtbaren Zusammensetzung vorhersagt, wird in Figur 7 gezeigt, worin demonstriert wird, daß das Modell im wesentlichen die Dicke der Photohärtung vorhersagt.
Wie vorher ausgeführt wurde, zeigt sich von selbst ein zweiter signifikanter Unterschied zwischen gebräuchlichem zweidimensionalem Abbilden und Fest-Abbilden auf der unteren Oberfläche jeder Schicht. Beim zweidimensionalen Abtasten, wie es bei Silberhalogenidfilmen verwendet wird, ist es übliche Praxis, daß der Abtastabstand (d.h. der Abstand zwischen Abtastlinien beim Abbilden des Films) so groß wie der 1/e²-Durchmesser des Strahlortes an der Abbildungsebene ist. Einige Abtastvorrichtungen (Scanner) stellen engeren Linienabstand bereit, jedoch selten weniger als den 1/e&sup0;,&sup6;&sup9;³- Durchmesser des Strahls. Beim zweidimensionalen Abbilden ist dieser relativ große Abstand aus verschiedenen Gründen angemessen. Einer der Hauptgründe ist der, daß das unbewaffnete menschliche Auge für die Veränderungen der Bild-Dunkel-Dichte nicht empfindlich ist, die durch engere Abtastabstände verringert werden würden. Fest-Abbilden benötigt andererseits, insbesondere wenn hochauf lösende Teile hergestellt werden sollen, engeren Abtastabstand als den, der beim zweidimensionalen Abbilden verwendet wird. Dies ist deshalb so, weil die Nicht-Gauß'sche Materialdicken-Antwort auf die Belichtung nicht genug überlappen würde, um gleichförmige Tiefe der Photohärtung in der photohärtbaren Zusammensetzung zu ergeben. Beim Fest-Abbilden sollte der Abtastabstand vorzugsweise gleich der vollständigen Breite oder weniger als die vollständige Breite des halben Maximums sein oder der 1/e&sup0;,&sup6;&sup9;³-Durchmesser des Bestrahlungsstrahls an der Abbildungsebene, um die Wellung der Bodenseite zu minimieren. Die Kurven der Figur 8, abgeleitet von einer Vorhersage basierend auf dem mathematischen Modell der Gleichung [3], zeigen die Änderung der Wellung aufgrund von Änderungen des kontinuierlichen Strahl-Abtastabstandes auf der Bodenseite einer Abbildungsschicht der Zusammensetzung des Beispiels 1, worin maximale Dicken der Schicht 0,127 mm betragen sollen. Es ist zu bemerken, daß bei einem Abtastabstand, der gleich dem 1/e- Fleckdurchmesser ist, ein bedeutsamer Teil der Schicht zwischen den Abtast-Mittellinien segmentiert ist.
Die Wirkung einer derartigen Segmentierung zwischen den Abtast-Mittellinien ist eine ausführlichere Diskussion wert. Charakteristischerweise variiert die Steifigkeit einer Schicht gemäß der dritten Potenz der Dicke. D.h., wenn die Dicke um den Faktor zwei abnimmt, wird die Steifigkeit dieser Schicht auf einachtel ihres vorhergehenden Werts abnehmen. In Figur 8 hat das Material, das kontinuierlich mit einem Abstand von 1/e-Strahldurchmesser abgetastet wird, Bereiche, in denen die Dicke auf 30% der maximalen Dicke abnimmt. Für eine derartige Schicht wird die relative Steifigkeit in diesem niedrigen Bereich, und demgemäß die Steifigkeit in der Richtung normal zu den Abtastlinien, um einen Faktor von 98,7% abnehmen. Selbst bei einem Abtastabstand von 1/e&sup0;,&sup6;³&sup9;- Strahldurchmesser kann erwartet werden, daß die Steifigkeit der Schicht in der Richtung normal zum Abtasten, nur 36% der Stärke gegenüber der der Abtastrichtung aufweist. Bei einem Abtastabstand von 1/e&sup0;,&sup5; reduziert sich die Steifigkeit auf 65% des Maximums in dieser Richtung. Dieser Steifigkeits- Unterschied führt zum Versagen der selbsttragenden Schicht, induziert Kräuselung in der Schicht aufgrund der Variabilität der Spannungen in dem Material, und kann als ein Verlust an Toleranz in dem fertigen Teil angesehen werden, wenn die gebildete Schicht keinen Anteil des Teils darunter aufweist (d.h. es ist ein freitragender oder Überbrückungsbereich).
Wenn man jedoch zu einem engeren Abtastabstand übergeht, ist ein Kompromiß mitinbegriffen. Da dort eine höhere Dichte der Abtastlinien vorliegt, benötigt man mehr Zeit für die Bildung der Schicht. Diese Extra-Zeit wird glücklicherweise weniger signifikant, da Abtasten entlang der Linie beschleunigt werden muß, um die gleiche Tiefe der Photohärtung beizubehalten. Die Kurve der Figur 9 zeigt die Änderung der Geschwindigkeit der Schichtbildung in der Richtung senkrecht zum Abtasten als eine Funktion des Abtastabstandes. Es ist zu bemerken, daß wenn der Abtastabstand enger wird, die Schichtbildungs-Geschwindigkeit tatsächlich abflacht. Tatsächlich sollte diese Geschwindigkeit Zeitverlusten Rechnung tragen, die beim Vektor-Spiegel-Abklingen am Ende jeder Vektor-Abtastlinie auftreten.
Bestimmung des Abtastabstandes ist wichtig, da er direkt zur Definition der Ausmaße für ein Volumenbildelement - wie vorstehend erwähnt wurde - und somit der Auflösungs- und Toleranz-Fähigkeit des fest-abbildenden-Systems führt. Durch diese Definition sind die X-, Y- und Z-Dimensionen eines Volumenbildelements zueinander gleich und gleich der Abtastlienienabstands-Entfernung. Die Tiefe und Breite der Photohärtung wird in Abhängigkeit von den Material-Belichtungs- Eigenschaften und den Strahleigenschaften variieren. Es wird bevorzugt, daß die Tiefe der Photohärtung vergleichbar ist mit der - oder in anderen Worten in der gleichen Größenordnung liegt wie die - Breite der Photohärtung im Fall einer einzelnen abgetasteten Linie. Im Fall des Überlappens von mehrfach abgetasteten Linien, sollte die Belichtung der Photohärtung in Abhängigkeit von der Abstands-Entfernung zwischen den abgetasteten Linien demgemäß geändert werden. Es wird bevorzugt, daß die Abtastabstands-Entfernung einen Wert hat, der geringer oder gleich dem 1/e&sup0;,&sup6;&sup9;³-Fleckdurchmesser des Belichtungsstrahls an der Bildebene ist.
Wie vorstehend erwähnt wurde, ist bei den bekannten Ablenkungssystemen zum Vektorabtasten von Bestrahlungsstrahlen wie Lasern und dergleichen eine Massebeschleunigung zum Erreichen jeder Strahlgeschwindigkeit mitbeteiligt. Diese unvermeidbare Nicht-Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit ergibt nicht akzeptierbare Variationen der Dicke, insbesondere im Fall von Anteilen von Schichten, die kein Substrat unmittelbar unter sich haben. Dies ist deshalb so, weil, um vernünftige Belichtungs-Niveaus bei der hohen Intensität beizubehalten, es notwendig wird, hohe Strahl-Geschwindigkeiten und deshalb längere Bechleunigungszeiten zu verwenden, was wiederum Nicht-Gleichförmigkeit der Dicke ergibt, wenn die Belichtungsenergie nicht in geeigneter Weise während der Beschleunigungs-Zeiträume gesteuert wird. Obwohl bei Lasern mit geringer Leistung die Dicken- Ungleichförmigkeit während der Beschleunigungs-Periode bis zu einem gewissen Grade vernachlässigbar wird, stellt die Verwendung von Lasern mit geringer Leistung keine gute Lösung bereit, da die Zeitspanne zur Herstellung eines festen Gegenstandes übermäßig lang wird.
Beim Betrachten der Abtast-Belichtung und der Material-Antwort, indem man einen Schnitt parallel zur Abtastrichtung und senkrecht zur Abbildungsebene macht, anstatt senkrecht zur Abtastrichtung zu schneiden, findet man, daß für ein kontinuierliches Abtasten mit einem Strahl konstanter Leistung, das bei konstanter Geschwindigkeit durchgeführt wird, die Tiefe der Photohärtung des Materials konstant ist und keine Wellung aufweist. Wenn jedoch gebräuchliche Vektor-Scanner verwendet werden, wird die Geschwindigkeit des Abtastens im allgemeinen beträchtlich variieren, wenn nicht besondere Maßnahmen getroffen werden. Die Geschwindigkeitsänderungen erfolgen zu Beginn jedes Vektors, wenn die Scanner-Spiegel zur maximalen Winkelgeschwindigkeit beschleunigen, und dann von der maximalen Winkelgeschwindigkeit zu einem Stopp an dem Ende eines Vektors beschleunigen. Die Fleck-Geschwindigkeit variiert linear mit dem Radius des Abtastens, der der Abstand der Abtast-Spiegel von der Bildebene ist, und nicht-linear im Verlauf der Oberfläche 46 der photohärtbaren Zusammensetzung 40 in Figur 1, da die Bildebene üblicherweise beim Fest- Abbilden flach ist, und der Vektor-Scanner üblicherweise an einem Punkt angeordnet ist, der in einer Entfernung oberhalb der Bildebene zentriert ist. Um diese Auswirkungen zu vermeiden, wird der Scanner üblicherweise in einem angemessen langen Abstand von der Eintitts-Oberfläche 46 angeordnet, so daß die nicht-linearen Variationen der Geschwindigkeit für alle praktischen Zwecke vernachlässigbar werden. Die Optik wird auch derartig ausgewählt, daß die Tiefe des Brennpunkts des Belichtungsstrahls genügend lang ist- um zu erlauben, daß der Strahl 12" im wesentlichen an allen Punkten in der Eintritts-Oberfläche 46 gesammelt wird.
Die Optik in dem bevorzugten System ist für optimale Durchlässigkeit des Laserstrahls, der vorzugsweise im Ultraviolettbereich arbeitet, vollkommen beschichtet. Zuerst geht der Laserstrahl 12 durch eine mechanische Verschlußblende hindurch, die als ein Mittel zum Abblocken des Strahls in dem Fall verwendet wird, daß eine Sicherheitssperre geöffnet wird. Danach wird er fokussiert und zu einem Durchmesser kollimiert, der optimal für das statische und dynamische Arbeiten des akustisch-optischen Modulators ist. Nach der Strahl-Kollimations-Optik wird das Licht durch einen Keil geleitet, der es erlaubt die Strahlrichtung horizontal zu verändern, um zu veranlassen, daß er in den akustisch-optischen Modulator-Kristall unter dem Bragg-Winkel eintritt. Der Strahldurchmesser ist beim Hindurchgehen durch den akustischoptischen Modulator in etwa gleichförmig und von einer Größe, die maximale Brechungswirksamkeit der ersten Ordnung in dem statischen, eingeschalteten Zustand erlaubt, während er ausgezeichnete Modulationswirksamkeit bei der Umschalt-Geschwindigkeit ergibt, die durch das zweite Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 vorgegeben ist. Die Umschalt-Geschwindigkeit liegt gewöhnlich im Bereich von zwei bis zwanzig MHz bei der Herstellung dünner Schichten. Nach dem Hindurchgehen durch den akustisch-optischen Modulator wird der Strahl nullter Ordnung, wenn keine Belichtung vorliegen soll, (oder die Strahlen nullter, erster und typischerweise anderer Ordnungen, wenn Belichtung vorliegen soll), durch einen anderen Keil geleitet, der wieder den(die) Strahl(en) horizontal auf den verbleibenden optischen Pfad ausrichtet. Nach dem Keil wird(werden) der(die) Strahl(en) durch eine Konkavlinse vergrößert. Dann werden die vergrößerten Strahlen von nullter oder anderer Ordnung, mit Ausnahme des Strahls erster Ordnung, für weitere Durchlässigkeit in den optischen Pfad nach unten blockiert. Der Strahl erster Ordnung, falls er vorliegt, kann unten im optischen Pfad weiterlaufen, wobei er durch eine Linse mit langer Brennweite hindurchgeht, und dann durch die X-Y-Abtastspiegel 20 und 22 gerichtet wird, wobei die Spiegel ihn als Strahl 12" zu der Oberfläche 46 der photohärtbaren Zusammensetzung 40 herunter reflektieren. Der Abstand von den Spiegeln zu der Oberfläche 46 ist etwas geringer als die Brennweite der letzten Linse. Die Brennweite der letzten Linse ist groß und deshalb ist der Abtastradius lang, um zu gewährleisten, daß das optische System ziemlich gleichförmigen Brenndurchmesser in der gesamten Bild-Oberfläche und der Strahl geringen Astigmatismus aufgrund des Abtastwinkels hat. Berechnungen für den optimalen Durchmesser des Strahls, der durch den akustisch-optischen Modulator hindurchgeführt wird, für eine gegebene Umschaltfrequenz, sind gemäß dem Stand der Technik wohlbekannt und werden deshalb hier nicht weiter aus Gründen der Kürze ausführlicher aufgeführt.
Wenn diese Bedingungen erfüllt werden, überträgt sich die Veränderung der Fleck-Geschwindigkeit eines kontinuierlichen Strahlabtastens direkt auf eine Veränderung der Dicke und Tiefe der Photohärtung in der Abtastrichtung (X-Richtung) und senkrecht zu der Abtastrichtung (Y-Richtung) . Fleck ist wie oben erklärt die Schnittstelle des Strahls 12" mit Oberfläche 46. Wenn der Abtaststrahl kontinuierlich ist, kann Gleichung [3] verwendet werden, um die Dicke der Photohärtung an jedem Ort 1(X,Y,t) auf der Oberfläche 46 zu berechnen, vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeit des Flecks an diesem Punkt bekannt ist und die Geschwindigkeit nicht entlang der Y-Richtung variiert (d.h. die Abtastgeschwindigkeit hat unendlichen Krümmungsradius in der Bildebene).
Im Fall des Vektor-Abtastens und insbesondere im Fall der Vorrichtung, die verwendet wird, um die vorliegende Erfindung zu demonstrieren, wird eine maximal zulässige Beschleunigung des Mittels zur Ablenkung (wobei ein Spiegel rotiert) auf einen spezifizierten Wert eingestellt, und es wird ein entsprechend geeigneter Abtastradius angewendet. Einige typische System-Spezifizierungen sind die folgenden:
die Volumenbildelemente, die durch das Mittel zur Ablenkung gebildet werden, sind in den X-, Y- und Z-Dimensionen gleich, und die erwünschte Größe für jedes Volumenbildelement ist 0,0127 cm (0,005") in diesen Dimensionen;
die Tiefe der Photohärtung (cm), die unter Verwendung eines Materials mit einer Belichtung erreicht wird, wird als eine Funktion der Strahl-Belichtung G{ΣE(mJ/cm²)} durch den Funktions-Operator:
GΣ{E}(cm) = -0,066 + 0,0446 ln{ΣE} - 0,00356 (ln{ΣE}² [4]
ausgedrückt.
Für ein Material einer Empfindlichkeit G{ΣE} zur Herstellung eines Volumenbildelements einer Tiefe von D = 0,0127 cm mit 300 mW Laser-Leistung in einem 1/e&sup0;,&sup6;&sup9;³-Durchmesser-Fleck von 0,0127 cm (oder r&sub0; = 0,0108 cm 1/e²) an der Bildebene und abgetastet in einer einzelnen Linie, ist die maximale Geschwindigkeit (Vxmax) des Abtastens durch Kombination von Gleichung [1] mit Gleichung [4] und lösen der sich ergebenden quadratischen Gleichung bestimmt:
worin A, B und C die Materialkoeffizienten in der Material- Antwort-Gleichnung G{ΣE} (d.h. A = -0,066..., B = 0,0446... und c = -0,00356...) darstellen.
Wir können nun auf einfache Weise die Zeit und die Entfernung berechnen, die der Scanner benötigt, um die maximale Geschwindigkeit zu erreichen. In diesem Fall benötigt er etwa 7,02 Millisekunden, er muß aber 4,65 cm wandern, bis die geeignete Belichtung erreicht wird. Während dieser Zeitspanne und des Zurücklegens der Entfernung wird das Material stark überbelichtet und die Tiefe der Photohärtung ist wesentlich tiefer als erwünscht. Mit anderen Worten stellt das Abtastsystem keine geeignete Auflösung der Belichtungsenergie bereit, um ein Teil (in diesem Fall eine Linie) mit geeigneter Toleranz herzustelllen, wenn keine zuzsätzlichen Vorkehrungen getroffen werden.
Figuren 10 und 11 zeigen die Überbelichtung und den Verlust an Tiefe der Photohärtungstoleranz während dieser Beschleunigungsperiode. Es ist zu bemerken, daß für ein Vektor-Abtastsystem wie dem beschriebenem, ein Strahl wie Strahl 12" in Figur 1, der eine Leistung von 300 mW hat, welcher potentiell stark verbesserte Abtastgeschwindigkeit bereitstellen würde, wenn er während des Abtastens kontinuierlich eingeschaltet wäre, nicht das erwünschte Belichtungs-Niveau und somit Tiefe der Photohärtung in dem lichtempfindlichen Material bis zu einer Wanderung von etwa 4,65 cm erzeugen würde. Da diese übermäßige Belichtung zum Schluß des Abtastens und auch beim Verlangsamen des Scanners bis zu einem Anhalten erfolgt, ist das Scanner-System mit einem 300 mW-Strahl unfähig eine Schicht von erwünschter Dicke in allen Bereichen der Bildebene abzutasten, wobei die Bildebene die Oberfläche 46 in Figur 1 ist. Figur 11, die eine Vergrößerung des anfänglichen Teils der in Figur 10 gezeigten Kurve darstellt, zeigt, daß selbst der 15 mW-Strahl, der während des Abtastens kontinuierlich eingeschaltet ist, etwa ein Volumenbildelement bei Überbelichtung zu Beginn jeder Abtastlinie verliert. Eine ähnliche Überbelichtung würde auch am Ende jedes Vektors erfolgen. Es ist nicht nur die Tiefe der Photohärtung an den erwünschten Punkten der Belichtung, die beinträchtigt wird, sondern auch die Dicke der Photohärtung in Bereichen, die die Abtastlinie umgeben.
Dieser Toleranzverlust am Anfang und Ende einzelner Vektoren wäre auch in einer Reihe von Vektoren ersichtlich, die nebeneinander angeordnet sind, um eine Schicht zu füllen, die den Teil-Querschnitt darstellt. Diese Schicht würde Extra-Tiefe der Photohärtung an den Kanten erreichen, die dein Anfang und Ende der Vektor-Füllung entsprechen. Die Tatsache, daß diese Extra-Tiefe der Photohärtung an den Kanten erfolgt, führt zu einem Toleranzverlust des gesamten Teils oder starren Gegenstandes, da ein Teil gebräuchlicherweise auf Toleranz-Einhaltung an seiner Außenoberfläche gemessen wird. So würde das Teil dazu neigen, breiter als erwünscht an jedem Querschnitt zu sein, Löcher wären kleiner im Durchmesser als erwünscht (da beim Vektor-Abtasten das Loch einen anderen Anfang und ein anderes Ende eines Vektors darstellt) und tiefer als erwünscht in vorspringenden, überbrückenden oder gewinkelten Bereichen. Wenn auch in dem beispielhaften Fall des oben beschriebenen 15 mW-Strahls der so hergestellte starre Gegenstand gemäß den Toleranzsoll-Begrenzungen gerade noch annehmbar wäre, wäre das Teil oder der starre Gegenstand - hergestellt mit dem 300 mW-Strahl - sicherlich übermäßig und stark verbogen.
Anwendung der Belichtungssteuerung erlaubt andererseits die Verwendung von Lasern höherer Leistung und deshalb größerer Abtast-Geschwindigkeiten mit wesentlich verbesserter Belichtungsauflösung und somit der Möglichkeit wesentlich engerer Toleranzen des Teils zu erreichen. Grundsätzlich stellt in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Belichtungssteuerung gleiche Belichtung über den Abtastvektor bereit, indem gewährleistet wird, daß der Laserstrahl für eine gegebene Zeitspanne pro Entfernung eingeschaltet ist, während der Fleck sich auf der Oberfläche der photohärtbaren Zusammensetzung bewegt. Wie vorstehend erklärt wurde, wird der Strahl moduliert, um die Belichtung in eine Vielzahl von Belichtungen für jedes Volumenbildelement aufzuspalten. Die Leistung oder Intensität des Strahls während jeder Belichtung ist die gleiche, und die Zeitspanne des Belichtungsimpulses ist die gleiche (außer am Anfang und Ende jedes Vektors, wie später erklärt werden wird), wodurch wesentlich gleichmäßigere Belichtung entlang der Vektor-Abtastlinie bereitgestellt wird.
Die verallgemeinerte Gleichung der Belichtung für ein derartiges Modulations-Vektor-Abtastsystem, die digitale Quadratwellen-Zeit-Impulse von gleicher Zeitbreite (w) und Beschleunigung von einem Stopp bis zu einer maximalen Geschwindigkeit verwendet, ist:
worin t die Zeit zu Beginn eines Vektors darstellt; Yk die Mittellinien jedes Abtastens bei einer Entfernung, die senkrecht zur Abtastrichtung ausgehend von der Abtastlinie Yo ist, darstellt; Xp die Entfernung darstellt, bei der jeder Puls entlang der Abtastlinie ausgehend von X&sub0; vorliegt und "a" die Beschleunigung des Flecks in der Abtastrichtung darstellt.
Das Integral der Gleichung [4] ist bezüglich der X-Ausdrücke etwas leichter zu handhaben, und kann wiederum durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
Typischerweise muß man, wenn das Integral der Gleichung [7] anstelle des Integrals der Gleichung [6] zur Berechnung der Belichtung an einem Punkt innerhalb der Bildebene verwendet wird, den Belichtungsbeitrag der Impulse, die beim Eineinhalb- bis Zweifachen des 1/e²-Radius (drei bis vier ) von dem Punkt vorliegen, summieren. Sobald die gesamte Belichtung um diesen Punkt herum berechnet ist, kann die in Gleichung [4] beschriebene Operator-Funktion verwendet werden, um den Wert der Belichtung an diesem Punkt vorherzusagen.
Die Dicke der Photohärtung wurde unter Verwendung von digitalen Rechner-Annäherungs-Methoden für eine Vektor-Abtastung, die von anderen Vektor-Abtastungen umgeben ist, bei einem Abstand des 1/e&sup0;,&sup6;&sup9;³-Durchmessers des Strahlungsflecks, der Volumenbildelement-Größen von 0,0127 cm in jeder Dimension hatte, und wobei die Impulse des Flecks viermal pro Volumenbildelement erfolgten, wenn der Strahl von einem Stopp an beschleunigte, berechnet. Der Radius des Abtastens wurde vergrößert, was eine Fleck-Beschleunigung von 1,27.106 cm/s² ergab. Der Fleck wurde mit w=3,93 10&sup6; s pro Puls digital gepulst; und die Leistung des Strahls an der Bildebene war 150 mW.
Figur 12 zeigt die vorhergesagte Tiefe der Photohärtung für ein derartiges Abtasten. Die Kurve zeigt die vorhergesagte Tiefe entlang der Mitte der Abtastlinie, die gemäß Definition die Tiefe der Photohärtung ist. Es ist zu bemerken, daß die Tiefe der Photohärtung entlang der Abtastlinie den erwünschten konstanten Wert nach der Wanderung von etwa einem Volumenbildelement oder einer Entfernung, die gleich dem Abtastabstand ist, erreicht. Ein Längenverlust von einem Volumenbildelement zu Beginn oder am Ende jedes Vektors oder zu Beginn und am Ende jeder vollen Ebene - wenn Belichtungssteuerung angewendet wird - stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem dar, was erhalten wird, wenn ein kontinuierliches Strahlabtasten angewendet wird. Es können Belichtungsstrahlen höherer Leistung mit Belichtungssteuerung verwendet werden, wobei wesentlich schnellere Abtast-Geschwindigkeiten möglich sind. Jedoch bewirkt der Verlust eines Volumenbildelements zu Beginn und am Ende noch einen Verlust in diesem Ausmaß hinsichtlich einer vorgegebenen Toleranz in den erwünschten Dimensionen für ein Teil.
Es muß ein klares Verständnis des Grundes für den Verlust des ersten Volumenbildelements erreicht werden, um weiterhin die Fähigkeit eines Vektor-Abtastsystems unter Verwendung von Belichtungssteuerung zum Erreichen einer vorgegebenen Toleranz zu verbessern. Bezüglich Gleichung [6] und der Tatsache, daß die Belichtungen benachbarter Flecken summiert werden müssen, um die Gesamt-Belichtung an einem Punkt zu berechnen, kann man sich vorstellen, daß zu Beginn eines Vektors die benachbarten Belichtungen nicht hinter sondern nur vor der Abtastung bestehen. Dies bedeutet, daß das erste Volumenbildelement einer Abtastung etwa die Hälfte der Belichtung erhält, die von den ihm nachfolgenden Volumenbildelementen erhalten wird. Dies wird weiterhin durch die Tatsache verdichtet, daß die Codiereinrichtung, die am Spiegel befestigt ist, wobei die Codiereinrichtung Informationen zur Bildung der Impulse bereitstellt, sich etwa einen Impuls bewegen muß, bevor ein Signal erzeugt wird. So würde typischerweise das erste Volumenbildelement in dem oben in Figur 12 gezeigten Fall ein Viertel weniger Belichtung erhalten als berechnet worden ist.
Es wäre möglich, die Menge der Impulse pro Volumenbildelement zu erhöhen, und so den prozentualen Anteil an Impuls-Belichtungsverlust aufgrund des Impulsverlusts in der Codiereinrichtung zu reduzieren. Dies würde eine Zunahme an Impulsdichte auf der Codiereinrichtung erfordern, die schließlich die Geschwindigkeit des Scanners aufgrund von Impuls-Drehgeschwindigkeitsbeschränkungen begrenzen würde. Dies würde es auch erforderlich machen, daß die Impulszeitbreite proportional dazu reduziert werden würde, was schließlich die optische Wirksamkeit des Strahlschalters verschlechtern würde, die Gesamtleistung in dem Strahl reduzieren und die maximale Strahl-Geschwindigkeit oder Abtast-Geschwindigkeit reduzieren würde.
Verminderung des Abtastradius (Länge des Strahls 12" in Figur 1) würde die Impulsdichte vergrößern, würde jedoch nicht das Abtasten eines so großen Feldes erlauben und wäre schließlich sich-selbst-zerstörend aufgrund des Verlusts an optischer Wirksamkeit in dem System, wenn die Impulszeitbreiten proportional reduziert werden, um die Belichtung zu reduzieren.
Die bevorzugte Lösung ist es, den ersten wenigen Impulsen innerhalb des ersten Volumenbildelements zu Beginn der Abtastlinie und dem letzten Volumenbildelement am Ende der Abtastlinie eine erhöhte Impulszeitspanne zu geben. Dies würde das Abtastsystem nicht verlangsamen und würde keinerlei negative Auswirkungen auf irgendeinen anderen Teil des Abtastsystems haben, sondern würde erlauben, Volumenbildelemente zu Beginn und am Ende jedes Vektors zurückzugewinnen.
Bei Betrieb stellt das in Figur 1 gezeigte Mittel zur Bestrahlung 10, das vorzugsweise ein Laser mit hoher Leistung ist, einen Bestrahlungsstrahl 12 mit der vorstehend erwähnten Intensität bereit. Der Bestrahlungsstrahl 12 geht durch einen Modulator 14 hindurch, wo seine Intensität von einem Null- Intensitäts-Niveau zu einer maximalen Strahl-Intensität moduliert werden kann, die einen geringeren Wert als dem der nicht-modulierten Strahl-Intensität aufgrund von Energieverlusten hat. Es können unterschiedliche Arten von Modulatoren verwendet werden, einschließlich sowohl digitaler als auch analoger Typen. Der digitale Typ wird bevorzugt, da er dem System höhere elektronische Stabilität und Flexibilität verleiht, wobei akustisch-optische Modulatoren bevorzugt werden. Für hochenergetische Laser im Nicht-Feststoffzustand müssen spezielle Anordnungen gemacht werden, wie oben erwähnt wurde. Der modulierte Bestrahlungsstrahl 12, der etwas verringerte Intensität aufgrund von Verlusten aufweist, geht wiederum durch das Mittel zum Ablenken 16 wie einem Vektor- Scanner in Form einer Doppel-Spiegel-Anordnung 20 und 22 hindurch, wobei jeder Spiegel separat durch verschiedene Motoren 24 bzw. 26 angetrieben wird. Spiegel 20, angetrieben durch Motor 24, lenkt den Strahl in einer X-Richtung ab, während Spiegel 22 den Strahl in einer Y-Richtung ablenkt, wobei die X-Richtung senkrecht zu der Y-Richtung ist. Der Bestrahlungsstrahl 12", der auch etwas geringer in seiner Intensität aufgrund von zusätzlichen Verlusten ist, wird gegen eine dünne Schicht 48 äußerst nahe an der Oberfläche 46 einer photohärtbaren Zusammensetzung 40 geleitet, die in einem Gefäß 44 enthalten ist, wo er Photohärtung von vorher ausgewählten Anteilen der dünnen Schicht 48 induziert. Die zusammengesetzte Bewegung des Strahls ist eine Bewegung vom Vektortyp, und man sagt, daß der Strahl sich in einem Vektor- Modus bewegt oder abgetastet wird. Aufrund der Trägheit des elektromechanischen Mittels zur Ablenkung 16, ist auch die Geschwindigkeit des Strahls 12" auf der dünnen Schicht 48 durch die Trägheit und die elektromechanische Natur des Mittels zur Ablenkung 16 eingeschränkt.
Die Ablenkung der zwei Spiegel 20 und 22 durch die Motoren 24 bzw. 26 wird durch das zweite Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 gesteuert, während die graphischen Daten, die der Form des starren Gegenstandes, der hergestellt wird, entsprechen, in dem ersten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 30 gespeichert werden.
Das zweite Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 ist mit dem Modulationsmittel 14, dem Mittel zum Ablenken 16 und dem ersten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 30 durch Steuerungs/Rückkopplungs-Leitungen 50, 54 bzw. 58 gekoppelt. Die graphischen Daten, die in dem Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 30 gespeichert sind, werden zum Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 geleitet, und verursachen, nachdem sie verarbeitet worden sind, daß sich die Motoren drehen und demgemäß Spiegel 20 und 22 bewegen, um den Bestrahlungsstrahl gegen vorher bestimmte Positionen der dünnen Schicht 48 hin abzulenken. Elektrische Rückkopplung bezüglich der relativen Bewegungen der Spiegel 20 und 22 wird durch das Mittel zum Ablenken dem zweiten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 durch Leitung 54 zur Verfügung gestellt. Diese Rückkopplung, die in Beziehung gesetzt werden kann zu der Geschwindigkeit und durchschnittlichen Verweilzeit des Strahls auf den vorher bestimmten Bereichen der dünnen Schicht 48, wird durch das zweite Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 verarbeitet, und wird als ein Steuerungsbefehl durch Leitung 50 zum Modulations-Mittel 14 geleitet, um die Intensität des Strahls 12 zu modulieren, so daß das Produkt aus der Intensität des Strahls 12 und der durchschnittlichen Verweilzeit an jeder Stelle der vorherbestimmten Bereiche der Schicht 48 im wesentlichen konstant bleibt. So bleibt das Belichtungs-Niveau, das per Definition das Produkt dieser zwei Parameter ist, im wesentlichen konstant.
Indem man das Belichtungs-Niveau über die vorherbestimmten Bereiche jeder aufeinanderfolgenden dünnen Schicht konstant hält, bleibt auch die Tiefe der Photohärtung im wesentlichen konstant. Diese Beziehung oder Kompensation ist sehr wichtig, insbesondere bei nichtgestützten Bereichen der dünnen Schichten, wo gequollene Kanten als ein Ergebnis von Überbelichtung aufgrund der geringen anfänglichen Geschwindigkeit an den Kanten beim Vektor-Abtasten - wie oben erklärt wurde - erscheinen werden. Je höher die Intensität des Strahls 12" ist, oder je höher die Lichtempfindlichkeit der photohärtbaren Zusammensetzung ist, um so ernsthafter wird dieses Problem bei Abwesenheit von Mitteln, um das Belichtungs- Niveau konstant zu halten. Ebenfalls wird, je größer die Empfindlichkeit der Zusammensetzung 40 ist, das Problem ohne einige Mittel zur Belichtungs-Steuerung größer.
Die bewegbare Platte 41 ist anfänglich innerhalb der photohärtbaren Zusammensetzung 40 in einem geringen vorherbestimmten Abstand von der Oberfläche 46 entfernt angeordnet, wodurch eine dünne Schicht 48 zwischen der Oberfläche 46 und der Platte 41 bereitgestellt wird. Dieses Einstellen der Platte wird durch das Mittel zum Einstellen 42 bereitgestellt, das wiederum durch das erste Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 30 gemäß den darin gespeicherten Daten gesteuert wird. Die graphischen Daten, die der ersten Schicht der Form des starren Gegenstandes entsprechen, werden von dem Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 30 zum Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 geleitet, wo sie zusammen mit Rückkopplungsdaten, die vom Mittel zum Ablenken 16 erhalten wurden, verabeitet werden und zum Modulator 14 zur Steuerung desselben geleitet, so daß, wenn der Strahl in einem Vektor-Modus auf vorherbestimmten Bereichen der dünnen Schicht 48 wandert, die Belichtung konstant bleibt.
Wenn die erste Schicht des starren Gegenstandes vervollständigt ist, wird die bewegliche Platte mit einer geringen, vorherbestimmten Entfernung durch das Mittel zum Einstellen 42 durch einen Befehl vom ersten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 30 abgesenkt. Gemäß einem ähnlichen Befehl vom Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 30 überstreicht ein Mittel zur Schichtbildung wie eine Rakel 43 die Oberfläche 46 für Nivellierungszwecke. Die gleiche Verfahrensweise wird dann zur Herstellung der zweiten, dritten und der folgenden Schichten angewendet, bis der starre Gegenstand vervollständigt ist.
Wie vorstehend erwähnt wurde moduliert der Modulator die Intensität des Bestrahlungsstrahls von einem im wesentlichen Null-Intensitäts-Niveau aus zu einer maximalen Intensität in einem analogen oder digitalen Modus. Es gibt einige optische Verluste in dem Modulator-System und auch einige zusätzliche Verluste in dem Mittel zur Ablenkung. Die maximale Intensität ist gleich der Intensität des nicht-modulierten Strahls minus der gesamten opptischen Verluste. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übersteigt die maximale Strahl-Intensität in Abhängigkeit von der Lichtempfindlichkeit der photohärtbaren Zusammensetzung und anderen Parametern einen bestimmten Wert. Demgemäß wird es bevorzugt, daß die maximale Intensität des Bestrahlungsstrahls eine Tiefe der Photohärtung bereitstellt, die größer ist als:
Photogehärtete Dicke = G {ΣE} =
worin G{ΣE} eine Funktion G{ } darstellt, die auf die Summe der Belichtung E wirkt, wobei ein derartiger Funktions- Operator eine spezifische photogehärtete Materialtiefen- Antwort (cm) zu der Summe der Belichtung (mJ/cm²), die an einem spezifischen Punkt oder Bereich erhalten wird, in Bezug setzt. Üblicherweise ist dieser Funktions-Operator ein natürlich logarithmischer Polynom-Ausdruck zweiter Ordnung der folgenden Form:
G{ΣE} = photohärtbare Tiefe = A + B ln[E] + c (ln[E])²,
worin A, B und C Koeffizienten für ein spezifisches Material sind, das eine gute mathematische Übereinstimmung für die Beziehung bereitstellt.
Y stellt irgendeinen interessanten Ort (cm) in einer Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung in der Bildebene dar.
Yk stellt irgendeinen zentralen Ort (cm) einer Abtastlinie in Bezug auf Ort Y=0 in der Bildebene dar.
r&sub0; ist der 1/e² Radius (cm) des Strahls am Schnittpunkt des Strahls und der Bildebene des photohärtbaren Materials.
v ist die Geschwindigkeit (cm/s) des Strahlflecks auf der Oberfläche in der Bildebene.
Die Vektoren des Vektor-Abtastens können eine Vielzahl von Abtastlinien umfassen. Diese Vielzahl von Abtastlinien kann eine oder mehrere Gruppen von Abtastlinien umfassen, wobei die Linien jeder Gruppe parallel zueinander sind. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Linien innerhalb einer Gruppe ist der Abtastabstand zwischen den zwei Linien, wenn der Abtastabstand konstant ist. Jedoch kann der Abtastabstand in bestimmten Fällen von Linie zu Linie in weiten Umfang variieren. In dem letzteren Fall ist, wenn der Strahl irgendeine erste Linie abtastet, der Abtastabstand in Bezug auf diese erste Linie gleich dem Abstand zwischen der ersten Linie und der zweiten Linie, die unter anderen benachbarten Linien die der ersten Linie nächstliegende ist, und die abgetastet wird, nachdem die erste Linie abgetastet worden ist.
Es wird bevorzugt, daß die Entfernung, die der Bestrahlungsstrahl auf einer Abtastlinie bei maximaler Beschleunigung des Strahls wandert, um konstante, maximale Geschwindigkeit vom Null-Geschwindigkeitss-Niveau aus zu erreichen, größer ist als das einfache des Abtastabstandes, mehr bevorzugt das fünffache des Abtastabstandes, und sogar noch mehr bevorzugt das zehnfache des Abtastabstandes.
Modulator 14 kann vorzugsweise durch das zweite Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 gesteuert werden, um den Bestrahlungsstrahl in einer Weise von im wesentlichen quadratischen Impulsen ein- und auszuschalten, wobei jeder Impuls üblicherweise im wesentlichen die gleiche Amplitude oder Intensität und die gleiche Zeitspanne hat wie der Rest der Impulse. Wenn der Strahl die Oberfläche 46 der photohärtbaren Zusammensetzung 40 abtastet, wird die Pulsfrequenz durch das Mittel zur Steuerung durch einen Rechner 34 und Mittel der Rückkopplung 54 des Mittels zum Abtasten 16 derartig gesteuert, daß sie proportional zu der Geschwindigkeit ist, mit der der Strahl auf der Oberfläche 46 wandert.
photogehärtete Dicke = G{ΣE} =
worin G{ΣE} eine Funktion { } darstellt, die auf die Summe der Belichtung E wirkt, wobei ein derartiger Funktions-Operator eine spezifische photogehärtete Materialtiefen-Antwort (cm) zu der Summe der Belichtung (mJ/cm²), die an einem spezifischen Punkt oder Bereich erhalten wird, in Bezug setzt. Üblicherweise ist dieser Funktions-Operator ein natürlich logarithmischer Polynom-Ausdruck zweiter Ordnung der folgenden Form:
G{ΣE} = photohärtbare Tiefe = A + B ln[E] + c (ln[E])², worin A, B und C Koeffizienten für ein spezifisches Material sind, das eine gute mathematische Übereinstimmung für die Beziehung bereitstellt.
r&sub0; ist der 1/e-Radius (cm) des Strahls an dem Schnittpunkt des Strahls mit der Bildebene des photohärtbaren Materials.
P ist die Leistung (mW) des Strahls an der Bildebene, wobei der Strahl eine größere Tiefe der Polymerisation als erwünscht unter den Bedingungen, die durch die anderen Parameter bestimmt werden, bereitstellen würde, falls er nicht auf eine Weise moduliert werden würde, die durch das Zeitintegral bestimmt ist.
X und Y stellen irgendeinen Ort (cm, cm) auf der Oberfläche der photohärtbaren Flüssigkeit in der Bildebene dar.
Yk stellt irgendeinen zentalen Ort (cm) einer Abtastlinie in Bezug auf Ort Y=0 in der Bildebene dar.
Xp stellt irgendeinen anfänglichen Ort (cm) entlang einer Abtastlinie in Bezug auf Ort X=0 in der Bildebene dar, der einen Strahlimpuls erhält.
t stellt die Zeit (s) dar, bei der ein Impuls in der Bildebene zu belichten beginnt.
w stellt die Zeitspanne (s) dar, während der ein Belichtungsimpuls in der Bildebene verbleibt.
"a" stellt die Beschleunigung (cm/s²) des Flecks in der Bildebene dar, die durch das Winkelbeschleunigungs-Vermögen des(der) Spiegel(s)-Scanner(s) und den Radius des Abtastens bestimmt wird.
Steuerung der Toleranzen der Photohärtung in den Umfangsbereichen einer abgetasteten Schicht durch das Mittel zur Steuerung der Belichtung ist von besonderer Bedeutung. Die Umfangsbereiche, die aus dem Anfang und Ende von Vektoren und/oder Vektoren mit geringerem Belichtungsbeitrag von benachbarten parallelen Vektoren bestehen, erhalten weniger Belichtung und haben deshalb geringere Tiefe der Photohärtung in der Z-Richtung, sowie geringere Tiefe der Photohärtung in der X- und Y-Richtung. In einem wie beschrieben fest-abbildenden Verfahren, worin Gegenstände schichtweise gebildet werden, führt geringere Tiefe der Photohärtung direkt zu Verlust an Dimensions-Toleranzen in der X-, Y- und Z-Richtung. Zusätzlich dazu erhöht jedoch Verlust an Tiefe der Photohärtung in der Z-Richtung die Möglichkeit zur Delaminierung zwischen Schichten des Gegenstandes.
Diese Delaminierung erfolgt deshalb, weil die Bildung des photohärtbaren Materials in der Z-Richtung nicht angemessen ist, um eine Bindung mit der vorhergehenden Schicht zu bilden. In einem fest-abbildenden-Verfahren wird die Bildung der Bindung zwischen Schichten bewirkt, indem man Belichtungen einwirken läßt, die geringfügig höher sind als solche, die notwendig sind, um eine photogehärtete Schicht einer Tiefe herzustellen, die gleich der Tiefe der flüssigen Schicht oberhalb der zuvor photogehärteten Bereiche ist, wie in Figur 1, Position 48 dargestellt ist. Diese Delaminierung erfolgt an den Umfängen von Gegenständen und hat eine bedeutsame Wirkung bei der Laminierung von Schichten, die dünne Wandbereiche bilden.
Die Variablen, die gesteuert werden müssen, um Delaminierung zu verhindern, sind die Strahlleistung P (mW) in der Bildebene, die Zeit (s) der Belichtung, die Fleckgröße r&sub0; (cm), der Abtastabstand Y(k+1)-Yk (cm), der Abstand zwischen Impulsen X(P+1)-Xp (cm) und Wiederabtast-Techniken.
Um Delaminierung und Toleranz-Verlust zu verhindern, könnte die Strahl-Intensität durch analoge Mittel erhöht werden, wie einem oben beschriebenen akustisch-optischen Modulator, um den Verlust an Netto-Belichtung in Bereichen auszugleichen, in denen der Belichtungsbeitrag von benachbarten Belichtungen gering ist. Oder es könnte die Belichtungszeit durch Erhöhen der Zeitbreite der einzelnen Impulse der Strahlleistung durch digitale Mittel zur Steuerung erhöht werden, wie einem vorher beschriebenen digital gepulsten akustisch-optischen Modulator, um den Verlust der Netto-Belichtung in Bereichen auszugleichen, in denen der Belichtungsbeitrag benachbarter Belichtungen gering ist. Wiederabtast-Techniken, wie das Abtasten irgendeines Umfangs der photogehärteten Schicht, bevor oder nachdem die Schicht durch parallele Abtastlinien gebildet worden ist, würden die geringere Belichtung ausgleichen, die an jedem Umfang eines Gegenstandes oder einer Schicht erhalten wurde.
Zunahme der Fleckgröße, Verminderung des Abtastabstandes oder Verminderung des Impulsabstandes wird die Haftung zwischen Schichten verbessern, da die Belichtung gleichförmiger ist und mehr Haftungsfläche erreicht werden wird, jedoch kann die Anwendung dieser Methoden in Umfangsbereichen zur Verhinderung von Delaminierung eine negative Auswirkung auf Gegenstand-Toleranzen haben.
In der bevorzugten Ausführungform der Erfindung wird der Verlust an Toleranz und Haftung zwischen Schichten in Bereichen, in denen der Belichtungsbeitrag von benachbarten Belichtungen geringer ist, sei es, daß dies auf Wirkungen am Anfang und Ende von Vektoren - wie oben beschrieben - zurückzuführen ist, oder auf Abtastlinien, die keinen Belichtungsbeitrag von benachbarten Vektor-Abtastungen erhalten, durch Belichtungszeitbreiten-Impulssteuerung des digital gepulsten akustisch-optischen Modulators ausgeglichen.
Obwohl die bevorzugte Art der Modulation des Bestrahlungsstrahls 12 digital ist, liegen Modulation in einem analogen Modus oder Kombinationen von analogen und digitalen Modi innerhalb der Grenzen des Bereichs der vorliegenden Erfindung.
Der Strahl 12 umfaßt vorzugsweise Ultraviolett-Strahlung. Er kann jedoch auch Infrarot-Strahlung, sichtbare Strahlung und deren Kombinationen mit ultraviolletter und anderer Strahlung wie Röntgenstrahlung, Elektronenstrahl und Ionenstrahl umfassen.
Schließlich kann die Bewegung der Platte 41 translatorisch, rotationsförmig, zufällig oder eine Kombination derselben sein.
Eine photohärtbare Zusammensetzung zum Fest-Abbilden sollte wenigstens ein photohärtbares Monomer oder Oligomer und wenigstens einen Photoinitiator umfassen. Für die Zwecke der Erfindung haben die Ausdrücke Monomer und Oligomer im wesentlichen die gleiche Bedeutung und sie werden austauschbar verwendet.
Beispiele geeigneter Monomerer, die allein oder in Kombination mit anderen Monomeren verwendet werden können, umfassen t-Butylacrylat und -methacrylat, 1,5-Pentandiol-diacrylat und -dimethacrylat, N,N-Diethylaminoethylacrylat und -methacrylat, Ethylenglycoldiacrylat und -dimethacrylat, 1,4-Butandioldiacrylat und -dimethacrylat, Diethylenglycol-diacrylat und -dimethacrylat, Hexamethylenglycoldiacrylat und -dimethacrylat, 1,3-Propandioldiacrylat und -dimethacrylat, Decamethylenglycoldiacrylat und -dimethacrylat, 1,4-Cyclohexandioldiacrylat und -dimethacrylat, 2,2-Dimethylolpropandiacrylat und -dimethacrylat,Glycerindiacrylat und -dimethacrylat, Tripropylenglycoldiacrylat und -dimethacrylat, Glycerintriacrylat und -trimethacrylat, Trimethylolpropantriacrylat und -trimethacrylat, Pentaerythritoltriacrylat und -trimethacrylat, polyoxyethyliertes Trimethylolpropantriacrylat und -trimethacrylat und ähnliche Verbindungen wie sie in US-Patent. Nr. 3 380 831 offenbart sind, 2,2-Di(p-hydroxyphenyl) -propandiacrylat, Pentaerythritoltetraacrylat und -tetramethacrylat, 2,2-Di-(p-hydroxyphenyl) -propandimethacrylat, Triethylenglycoldiacrylat, Polyoxyethyl-2,2-di(p- hydroxyphenyl)propan-dimethacrylat, Di-(3-methacryloxy-2- hydroxypropyl) ether von Bisphenol-A, Di- (2-methacryloxyethyl)ether von Bisphenol-A, Di-(3-acryloxy-2-hydroxypropyl) ether von Bisphenol-A, Di-(2-acryloxyethyl)ether von Bisphenol-A, Di-(3-methacryloxy-2-hydroxypropyl)ether von 1,4-Butandiol, Triethylenglycoldimethacrylat, Polyoxypropyltrimethylol-propantriacrylat, Butylenglycoldiacrylat und -dimethacrylat, 1,2,4-Butantrioltriacrylat und -trimethacrylat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-diacrylat und -dimethacrylat, 1-Phenylethylen-1,2-dimethacrylat, Diallylfumarat, Styrol, 1,4-Benzoldioldimethacrylat, 1,4-Diisopropenylbenzol und 1,3,5-Triisopropenylbenzol. Ebenfalls brauchbar sind ethylenisch ungesättigte Verbindungen mit einem Molekulargewicht von wenigstens 300, z.B. Alkylen- oder Polyalkylenglycoldiacrylat, hergestellt aus einem Alkylenglycol mit 2 bis 15 Kohlenstoffatomen oder einem Polyalkylenetherglycol mit 1 bis 10 Etherbindungen, und solche, die in US-Patent Nr. 2 927 022 offenbart sind, z.B. solche, die eine Vielzahl von Additions-polymerisierbaren ethylenischen Bindungen aufweisen, insbesondere- wenn sie als terminale Bindungen vorliegen. Besonders bevorzugte Monomere sind polyoxyethyliertes Trimethylolpropantriacrylat, ethyliertes Pentaerythritoltriacrylat, Dipentaerythritol-monohydroxypentaacrylat und 1,10-Decandioldimethacrylat.
Beispiele von Photoinitiatoren, die zum Gebrauch in der vorliegenden Erfindung allein oder in Kombination nützlich sind, sind in US-Patent Nr. 2 760 863 beschrieben und umfassen vicinale Ketaldonylalkohole wie Benzoin, Pivaloin, Acyloinether, z.B. Benzoinmethylether und -ethylether, Benzildimethylketal, α-Kohlenwasserstoff-substitutierte aromatische Acyloine, einschließlich α-Methylbenzoin, α-Allylbenzoin and α-Phenylbenzoin. Photoreduzierbare Farbstoffe und Redutionsmittel, offenbart in U.S.-Patenten Nrn. 2 850 445, 2 875 047, 3 097 096, 3 074 974, 3 097 097 und 3 145 104, ebenso wie Farbstoffe der Phenazin-, Oxazin- und Chinon- Klassen, Michlers Keton, Benzophenon, Acryloxybenzophenon, 2,4,5-Triphenylimidazolyl-Dimere mit Wasserstoff-Donatoren, einschließlich Leucofarbstoffen und deren Mischungen, wie in in U.S.-Patenten Nrn. 3 427 161, 3 479 185 und 3 549 367 beschrieben ist, können als Initiatoren verwendet werden. Ebenso brauchbar mit Photoinitiatoren und Photoinhibitoren sind Sensibilisierungsmitel, die in U.S.-Patenten Nr.
4 162 162 beschrieben sind. Andere geeignete Photoinitiierungs-Systeme, die thermisch inaktiv sind, jedoch freie Radikale beim Belichten mit actinischem Licht bei oder unterhalb 185ºC bilden, umfassen die substituierten oder nichtsubstituierten polynuclearen Chinone, die Verbindungen sind, die zwei intracyclische Kohlenstoffatome in einem konjugierten carbocyclischen Ringsystem aufweisen, z.B. 9,10-Anthrachinon, 2-Methylanthrachinon, 2-Ethylanthrachinon, 2-tert-Butylanthrachinon, Octamethylanthrachinon, 1,4-Naphthochinon, 9,10-Phenanthrachinon, Benz(a)anthracen-7,12-dion, 2,3-Naphthacen-5,12-dion, 2-Methyl-1,4-naphthochinon, 1,4-Dimethyl-anthrachinon, 2,3-Dimethylanthrachinon, 2-Phenylanthrachinon, 2,3-Diphenylanthrachinon, Retenchinon, 7,8,9,10- Tetrahydronaphthacen-5, 12-dionund 1,2,3,4-Tetrahydrobenz(a)anthracen-7,12-dion. Der Photoinitiator oder das Photoinitiatorsystem liegt in 0.05 bis 10% Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der photohärtbaren Zusammensetzung vor.
Obwohl der bevorzugte Mechanismus der Photohärtung eine Photopolymerisation über freie Radikale ist, liegen auch andere Mechanismen der Photohärtung im Bereich der Erfindung. Solche anderen Mechanismen umfassen - sind jedoch nicht darauf beschränkt - kationische Polymerisation, anionische Polymerisation, Kondensations-Polymerisation und Additions- Polymerisation.
Eine bevorzugte photohärtbare Zusammensetzung ist in Beispiel 1 angegeben.

Beispiel 1

Novacure 3704 (Bisphenol A-bis(2-hydroxypropyl)diacrylat) 29,6
TMPTA (Trimethylolpropantriacrylat) 29,6
Plasthall 4141 (CP Hall Company) 14,8
Triton-X-100 (Octylphenol-polyetheralkohol) 0,78
Irgacure 651 (2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon) 1,6
Kern-Hülle-Polymer* (RCP-1674) 26,0
* Das Kern-Hülle-Polymer hat einen Kein aus:
Butylacrylat 70%
Butylengylcoldiacrylat 5%
Allylmethacrylat 25%
und eine Hülle aus 100% Methylmethacrylat.
Das Kern-Hülle-Polymer wurde wie folgt hergestellt:

Kern:

2388 g entionisiertes Wasser und 37,5 g einer 30 proz. wäßrigen Lösung aus Natriumdodecylsulfonat wurden in einen Vierhals-51-Kolben, versehen mit einem mechanischen Rührer, Kühler, Heizmantel, Zugabetrichter, Thermometer und Stickstoff-Einlaß, gegeben. Der Inhalt des Kolbens wurde bei Raumtemperatur 30 Minuten mit Stickstoff gespült und dann auf 80ºC aufgeheizt. Bei dieser Temperatur wurde 1/8 einer Monomercharge, bestehend aus 1046 g Butylacrylat, 279 g Allylmethacrylat und 70 g 1,4-Butylenglycoldiacrylat in einem Zuge zugegeben. Unmittelbar darauf erfolgten die Zugaben in einem Zug von 19 ml einer 7 proz. Lösung aus Natriumhydrogenphosphat und 20 ml einer 5 proz. Lösung aus Ammoniumpersulfat (beide Lösungen waren wäßrig). Die Wärmezuführung wurde abgeschaltet und die Reaktionsmischung wurde exotherm reagieren gelassen. Wenn die exotherme Reaktion eine Spitzen- Temperatur von 84ºC erreicht hatte, wurde der Rest der Monomercharge während einer 90 Minuten-Periode mit intermittierendem Erwärmen zugegeben, um die Reaktionstemperatur zwischen 80ºC und 85ºC zu halten. Nach Beenden der Monomer- Zugabe wurde die Reaktionsmischung während zusätzlicher 2,5 Stunden auf 80-85ºC erwärmt. Das Endprodukt war eine bläuliche Emulsion mit 35,1% Feststoffen, und es hatte eine Teilchengröße von 0,097 um.

Hülle:

2000 g der wie oben beschriebenen Kern-Emulsion wurden in einen 5 1-Kolben gegeben, der ähnlich dem ausgerüstet worden war, der für Kern-Synthese verwendet worden war. Der Inhalt des Kolbens wurde bei Raumtemperatur 30 Minuten mit Stickstoff gespült. Nach der Stickstoff-Spülung wurde der Kolben unter Rühren mit einer Mischung, bestehend aus 1,45 g Ammoniumpersulfat, 2,9 g einer 30 proz. wäßrigen Lösung aus Natriumdodecylsulfonat und 332 g entionisiertem Wasser während einer 30 Minuten-Periode beschickt. Der Inhalt des Kolbens wurde dann auf 85ºC erwärmt und es wurden 179 g Methylmethacrylat während 60 Minuten zugegeben. Nachdem das gesamte Monomer zugegeben worden war, wurde die Reaktionsmischung zusätzliche 2 Stunden erwärmt. Das Endprodukt war eine bläuliche Emulsion mit 36,2% Feststoffen, und es hatte eine Teilchengröße von 0,107 um. Das Kern-zu Hülle-Verhältnis war im wesentlichen 4:1.
Die bläuliche Emulsion wurde 3 Tage in einer Gefrierapparatur aufbewahrt, dann aufgetaut, filtriert, mit entionisiertem Wasser gewaschen und bei Raumtemperatur etwa 3 Tage getrokknet. Für große Proben wie im Fall von Ansätzen für Pilotanlagen oder Fertigungsanlagen, können Sprühtrocknungs-Techniken, die Heißluft von 100 bis 150ºC umfassen, angewendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines integralen dreidimensionalen, starren Gegenstandes aus aufeinanderfolgenden dünnen Schichten aus einer flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung (40), umfassend die Stufen:

Speichern graphischer Daten entsprechend der Form des starren Gegenstandes, der hergestellt werden soll, in einem ersten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (30),

Einbringen der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung (40) in ein Gefäß (44),

Bildung eines Bestrahlungsstrahls (12), der eine Intensität hat, durch Verwendung des ersten Mittels zur Steuerung durch einen Rechner (30);

gesteuertes Ablenken des Bestrahlungsstrahls (12) in einem Vektor-Abtast-Modus zu vorherbestimmten Positionen auf den aufeinanderfolgenden dünnen Schichten, um Photohärten von vorher ausgewählten Anteilen der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung (40) zu einer Tiefe des Photohärtens zu induzieren, und auch Ablenken des Bestrahlungsstrahls (12) mit einer Beschleunigung vom Null-Niveau zu einer maximalen Beschleunigung und mit einer Geschwindigkeit vom Null-Niveau bis zu einer maximalen Geschwindigkeit, unter Verwendung des Mittels zur Ablenkung (16),

Stützen des starren Gegenstandes auf einer beweglichen, im wesentlichen flachen Platte (41) innerhalb des Gefäßes (44),

gesteuertes Bewegen der flachen Platte (41) durch Verwendung eines Mittels zur Einstellung (42), wobei das Mittel zur Einstellung (42) durch das erste Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (30) gesteuert wird, und

Bilden der aufeinanderfolgenden dünnen Schichten der flüssigen photohärtbaren Zusammensetzung (40) durch Mittel zur Schichtbildung (43), wobei das Mittel zur Schichtbildung (43) ebenfalls durch das erste Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (30) gesteuert wird, gekennzeichnet durch die Stufe:

Kopplung eines zweiten Mittels zur Steuerung durch einen Rechner (34) mit dem Mittel zur Ablenkung (16) und dem ersten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (30), wobei das zweite Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (34) in Verbindung mit einem Mittel zur Modulierung (14) verwendet wird, um die Intensität des Bestrahlungsstrahls (12) von einem im wesentlichen Null-Niveau auf eine maximale Intensität, im Verhältnis zu der Geschwindigkeit des Strahls (12), steuerbar zu modulieren, wodurch eine im wesentlichen konstante Belichtungsmenge - wobei die Belichtungsmenge im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit des Strahls (12) ist - auf den vorher bestimmten Anteilen der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung (40) bereitgestellt wird, um im wesentlichen konstante Tiefe des Photohärtens innerhalb jeder aufeinanderfolgenden dünnen Schicht zu erreichen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die maximale Intensität des Bestrahlungsstahls (12) eine Tiefe der Photohärtung erzeugt, die größer ist als ein Wert, der gegeben ist durch:

worin G{Σ} eine Gleichung ist, die mathematisch die Ansprech-Kurve der photogehärteten Materialtiefe zur Belichtung E (mJ/cm²) erfüllt, Yk (cm) das Zentrum jeder Abtastlinie darstellt, das sich relativ zu Y=0 in der Bildebene befindet, Y (cm) ein variabler Ort mit einer normal zur Abtastrichtung verlaufenden Achse ist, P die Bestrahlungsstärke (mW) in dem belichtenden Strahl an der Bildebene ist, v die Geschwindigkeit (cm/s) des Strahlflecks an der Bildebene ist und r&sub0; der 1/e² Radius (cm) eines Gauß'schen Strahlflecks ist, der die Bildebene kreuzt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin das Vektor-Abtasten mehrfache Abtastlinien umfaßt, die im wesentlichen parallel zueinander vorliegen, wobei die Linien einen Abtastabstand aufweisen und worin die Entfernung, die durch den Strahl (12) auf einer Abtastlinie bei maximaler Beschleunigung des Strahls (12) zurücklegt wird, um maximale konstante Geschwindigkeit von einem Geschwindigkeits-Niveau von null aus zu erreichen, größer als der Abtastabstand ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, worin die Entfernung, die durch den Strahl (12) auf einer Abtastlinie bei maximaler Beschleunigung des Strahls (12) zurückgelegt wird, um die spezifizierte maximale konstante Geschwindigkeit von einem Geschwindigkeits-Niveau von null aus zu erreichen, größer ist als das fünffache des Abtastabstandes.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, worin die durch den Strahl (12) auf einer Abtastlinie bei maximaler Beschleunigung des Strahls (12) zurückgelegte Entfernung, um die spezifizierte maximale konstante Geschwindigkeit von einem Geschwindigkeits-Niveau von null aus zu erreichen, größer ist als das zehnfache des Abtastabstandes.

6. Verfahren gemäß Anspruch 3, worin die Intensität des Bestrahlungsstrahls (12) zu Impulsen bei einer spezifizierten Frequenz moduliert wird, wobei jeder Impuls eine spezifizierte Dauer und Intensität hat.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, worin die Impulse von im wesentlichen gleicher Dauer, im wesentlichen gleicher Intensität und von variierender Frequenz, proportional zu der Geschwindigkeit des Strahls, sind.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, worin die Intensität des Bestrahlungsstrahls (12) während der Beschleunigung des Strahls eine Dicke des Photohärtens bereitstellt, die im wesentlichen gleich ist:

worin G{Σ} eine Gleichung ist, die mathematisch die Ansprech-Kurve der photogehärteten Materialtiefe zur Belichtung E (mJ/cm²) erfüllt, r&sub0; der 1/e² Radius (cm) eines Gauß'schen Strahlflecks ist, der die Bildebene kreuzt, Yk (cm) den Beginn jeder Abtastlinie darstellt, der sich relativ zu Y=0 in der Bildebene befindet, Xp (cm) das Zentrum jedes Strahlimpulses darstellt, das sich relativ zu X=0 in der Bildebene befindet, X (cm) ein variabler Ort ist, mit Achsen, die parallel zur Abtastrichtung verlaufen, Y (cm) ein variabler Ort ist, mit Achsen, die normal zur Abtastrichtung verlaufen, t (s) die Zeit ist, bei der, relativ zu einer beliebigen Zeit t=0, ein individueller Strahlimpuls in der Bildebene beginnt, w (s) die Zeitdauer jedes Impulses ist, P die Leistung (mW) in dem belichtenden Strahl (12) jedes Impulses an der Bildebene ist und "a" die Beschleunigung (cm/s²) des Strahlflecks in der Bildebene ist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin die Intensität des Bestrahlungsstrahls (12) auf analoge Weise moduliert wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin der Strahl (12) Infrarotstrahlung umfaßt.

11. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin der Strahl (12) sichtbare Strahlung umfaßt.

12. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin der Strahl (12) Ultraviolettstrahlung umfaßt.

13. Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die Abtastlinien einen Anfang und ein Ende haben, und worin die Dauer der Strahlimpulse innerhalb einer Entfernung, die gleich dem zweifachen des 1/e²-Fleckradius am Anfang und am Ende der Abtastlinien ist, größer ist als die des Rests der Impulse.

14. Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die Abtastlinien innerhalb einer Entfernung, die gleich dem zweifachen des 1/e²-Fleckradius von jedem Umfang einer Schicht ist, Strahlimpulse einer Dauer haben, die größer ist als die des Rests der Impulse.

15. Verfahren gemäß Anspruch 8, worin jeder Umfang einer Schicht zusätzlich zu einem parallelen Linienabtasten der Schicht abgetastet wird.

16. Verfahren gemäß Anspruch 3, worin die Bestrahlungsstärke auf analoge Weise durch ein Mittel zur Modulation gesteuert wird, um stärkere Belichtung als die des Rests einer Schicht, innerhalb des zweifachen des 1/e² Fleckradius jedes Umfangs einer Schicht, die in der Bildebene gebildet wird, bereitzustellen.

17. Vorrichtung zur exakten Herstellung eines integralen dreidimensionalen, starren Gegenstandes aus aufeinanderfolgenden dünnen Schichten aus einer flüssigen, photohärbaren Zusammensetzung (40), umfassend:

ein Gefäß (44), zur Aufnahme der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung (40)

Mittel zur Bestrahlung (10), um einen Bestrahlungsstrahl (12) bereitzustellen, wobei der Bestrahlungsstrahl (12) eine Intensität hat,

Mittel zur Modulation (14) , um die Intensität des Bestrahlungsstrahls (12) von einem im wesentlichen Intensitäts-Niveau von null aus zu einer maximalen Strahlintensität zu modulieren,

Mittel zur Ablenkung (16), um steuerbar den Bestrahlungsstrahl (12) in einem Vektor-Abtast-Modus auf vorherbestimmte Positionen auf den aufeinanderfolgenden dünnen Schichten abzulenken, um Photohärten auf vorher ausgewählten Anteilen der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung (40) zu einer Tiefe des Photohärtens zu induzieren, wobei auch das Mittel zur Ablenkung (16) den Bestrahlungsstrahl (12) mit einer Beschleunigung vom Null- Niveau zu einer maximalen Beschleunigung und mit einer Geschwindigkeit vom Null-Niveau bis zu einer maximalen Geschwindigkeit steuerbar ablenkt,

erstes Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (30) zum Speichern graphischer Daten, entsprechend der Form des gewünschten starren Gegenstandes,

eine im wesentlichen flache Platte (41) in dem Gefäß (44) zum Stützen des starren Gegenstandes,

Mittel zur Einstellung (42), gesteuert durch das erste Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (30), um ein Bewegen der flachen Platte (41) bereitzustellen, um exakt das Einstellen der beweglichen Platte in dem Gefäß (44) zu steuern, und

Mittel zur Schichtbildung (43), das oberhalb der beweglichen Platte angeordnet ist, wobei das Mittel zur Schichtbildung (43) ebenfalls durch das erste Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (30) gesteuert wird, um die aufeinanderfolgenden dünnen Schichten der flüssigen photohärtbaren Zusammensetzung (40) zu bilden, gekennzeichnet durch:

ein zweites Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (34), das mit dem Mittel zur Modulation (14), dem Mittel zur Ablenkung (16) und dem ersten Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (30) gekoppelt ist, wobei das zweite Mittel zur Steuerung durch einen Rechner (34) vorliegt, um eine im wesentlichen konstante Belichtungsmenge - wobei die Belichtungsmenge im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit des Strahls (12) ist - auf die vorher bestimmten Anteile der flüssigen, photohärtbaren Zusammensetzung (40) bereitzustellen, um im wesentlichen konstante Tiefe des Photohärtens innerhalb jeder aufeinanderfolgenden dünnen Schicht zu erreichen.

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, worin der Strahl (12) Infrarotstrahlung umfaßt.

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, worin der Strahl (12) sichtbare Strahlung umfaßt.

20. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, worin der Strahl (12) Ultraviolettstrahlung umfaßt.