DE69402331T2 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Formung von fotohärtbarem Harz - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Formung von fotohärtbarem Harz

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Formung von photohärtbarem Harz in ein dreidimensionales Harzmodell nach jeweils dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5.
  • Bis in unsere Zeit wurden Versuche angestellt, die Oberfläche einer in einem Tank gespeicherten, mit UV-Licht härtbaren Harzlösung mit einem ultravioletten Laserstrahl abzutasten und währenddessen den ultravioletten Laserstrahl an- und auszuschalten, um eine abgetastete gehärtete Schicht eines mit UV-Licht härtbaren Harzes zu erzeugen und solche abgetasteten gehärteten Schichten sukzessiv übereinander in ein dreidimensionales gewünschtes Harzmodell zu stapeln. Ein solches Harzmodell wird typischerweise als Vorgenmodell für die Fertigung von Produkten verwendet. Daher ist es notwendig, die Genauigkeit, mit der der mit UV-Licht härtbare Harz geformt wird, die Bindungsstärke zwischen benachbarten abgetasteten gehärteten Schichten und die Effizienz, mit der der mit UV-Licht härtbare Harz gebildet wird, zu erhöhen.
  • Gemäß einem optischen Formungsprozeß, der aus der EP-A-0388129 bekannt ist, wird ein ultravioletter Laserstrahl von einem ultravioletten Laseroszillator erzeugt und unter der Steuerung eines optischen Systems, welches einen Galvanometerspiegel und einen Unterbrecher aufweist, an- und ausgeschaltet und auf die Obertläche einer in einem Tank gespeicherten UV-härtbaren Harzlösung gerichtet. Der Tank beinhaltet in seinem Inneren ein vertikal bewegliches Hebewerk, welches den ultravioletten Laserstrahl blockieren kann. Eine Harzlösungsschicht, die zwischen der Oberfläche der UV-härtbaren Harzlösung und dem Hebewerk eingesetzt ist, wird gehärtet, indem sie mit dem ultravioletten Laserstrahl beaufschlagt wird.
  • In dem optischen Formungsprozeß ist das Hebewerk in einer angehobenen Position und eine Harzlösungsschicht, die vorhanden ist zwischen der Oberfläche der UV-härtbaren Harzlösung und dem Hebewerk, wird gehärtet, indem sie mit dem ultravioletten Laserstrahl beaufschlagt wird, wodurch eine erste abgetastete gehärtete Schicht gebildet wird. Dann wird das Hebewerk um eine Distanz abgesenkt, die der ersten abgetasteten gehärteten Schicht entspricht, und der abtastende ultraviolette Laserstrahl wird eingesetzt, um eine zweite abgetastete gehärtete Schicht oberhalb der ersten abgetasteten gehärteten Schicht zu bilden. Nachfolgend werden sukzessiv abgetastete gehärtete Schichten nach nnten gebildet, bis eine letzte abgetastete gehärtete Schicht gebildet wird. Nachdem die letzte abgetastete gehärtete Schicht gebildet wurde, wird das Hebewerk angehoben, um ein gewünschtes Harzmodell, welches aus dem Stapel von abgetasteten gehärteten Schichten zusammengesetzt ist, aus der Harzlösung zu entfernen. Um das Harzmodell final zu härten, wird das mit W in Fig. 10 der beigefügten Zeichnungen bezeichnete Harzmodell mit einer von einer ultravioletten Lampe 50 emittierten ultravioletten Strahlung für eine lange Zeitperiode bestrahlt.
  • Eine horizontale Ebene in der UV-härtbaren Harzlösung innerhalb jeder vertikalen Distanz, die das Hebewerk bei seiner vertikalen Bewegung durchläuft, wird nachfolgend als isometrische Sektion bezeichnet. Eine isometrische Sektion enthält eine Region (gehärtete Region), wo die Harzlösung gehärtet werden soll, und eine Region (ungehärtete Region), wo die Harzlösung nicht gehärtet werden soll, abhängig von der dreidimensionalen Form des zu fertigenden Harzmodells W.
  • Der von dem ultravioletten Laseroszillator erzeugte ultraviolette Laserstrahl wird entlang einer Abtastungslinie über die Harzlösungsschicht in jeder isometrischen Sektion durch das optische System gescannt. Der ultraviolette Laserstrahl wird eingeschaltet, d.h. ein Unterbrecher (AOM) wird geöffhet, innerhalb der gehärteten Region, und er wird ausgeschaltet, d.h. der Unterbrecher (AOM) wird geschlossen, innerhalb der ungehärteten Region. Wenn das Abtasten (Scannen) entlang einer Abtastungslinie beendet ist, wird der ultraviolette Laserstrahl um einen Abtastungs- oder Scanningabstand verschoben und dann entlang der nächsten Abtastungslinie über die Harzlösungsschicht gescannt.
  • Wenn der ultraviolette Laserstrahl auf die UV-härtbare Harzlösung gerichtet wird, wird seine Strahlungsenergie schrittweise reduziert, so wie er in die UV-härtbare Harzlösung eintritt. Somit enthält die Region der UV-härtbaren Harzlösung, welche mit dem ultravioletten Laserstrahl bestrahlt wird, d.h. die abgetastete gehärtete Schicht in einer mikroskopischen Sicht scharfe untere Kanten des gehärteten Harzes.
  • Um einen Stapel aus sukzessiv abgetasteten gehärteten Schichten UV-härtbaren Harzes zu bilden, wird eine obere abgetastete gehärtete Schicht von einem ultravioletten Laserstrahl erzeugt, dessen Strahlungsenergie stark genug ist, um eine untere Harzlösungsschicht zu bestrahlen, so daß die Tiefe, bis zu der die Harzlösung durch die isometrische Sektion der oberen Schicht gehärtet wird, größer ist als die aktuelle Dicke der oberen abgetasteten gehärteten Schicht. Auf diese Weise werden die sukzessiv abgetasteten gehärteten Schichten UV-härtbaren Harzes mit einer großen Bindungsstärke aneinander gebunden.
  • Falls die abgetastete gehärtete Schicht in einer isometrischen Sektion von einer geschlossenen Region ist, die von einer Konturlinie umgeben ist, wie in Fig. 11 der beigefügten Zeichnungen gezeigt, dann wird sie entsprechend dem konventionellen optischen Formungsprozeß wie folgt gebildet: Zuerst wird die in Fig. 11 gezeigte Konturlinie OL erkannt. Dann, wie dargestellt in Fig. 12 der beigefügten Zeichnungen, wird die Harzlösungsschicht entlang einer zu einer Kante OL1 parallelen Abtastungslinie von einem Abtastungsstartpunkt P0 bis zu einem Abtastungsendpunkt P1 abgetastet. Danach wird das optische System gesteuert, um den abtastenden ultravioletten Laserstrahl um einen Abtastungsabstand zu verschieben, und dann wird die Harzlösungsschicht entlang einer nächsten Abtastungslinie von einem Abtastungsstartpunkt P2 abgetastet.
  • Ein solcher Abtastungsmodus wird als Rasterabtastungsmodus bezeichnet. In dem konventionellen optischen Formungsprozeß, welcher den Rasterabtastungsmodus verwendet, wird der ultraviolette Laserstrahl als kreisförmiger Strahlfleck auf die UV-härtbare Harzlösung gerichtet. Somit, wie gezeigt in Fig. 12, wird die abgetastete gehärtete Schicht nicht exakt entlang der Konturlinie bei den Kanten OL2, OL3 gebildet, wo die Abtastungslinien beginnen und enden. Folglich gibt es bei dem konventionellen optischen Formungsprozeß Probleme bei der Erzeugung sehr genauer Harzmodelle.
  • Um ein dreidimensionales Harzmodell bei dem konventionellen optischen Formungsprozeß sehr genau zu erzeugen, ist es notwendig den Durchmesser des ultravioletten Laserstrahlflecks zu verringern und ebenso den Abtastungsabstand zu verringern, wie offenbart in der EP-A-04065 13 oder der EP-A-0484 183. Die Verringerung des Fleckdurchmessers und des Abtastungsabstands resultiert jedoch in einer Zunahme in der Zeit, die benötigt wird, um das Harzmodell zu erzeugen, oder erfordert eine striktere Strahlpositionskontrolle an den Abtastungsstart- und -endpunkten.
  • Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen ein photohärtbarer Harz in einer von einer Konturlinie umfaßten, geschlossenen Region hochgenau geformt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur optischen Formung eines photohärtbaren Harzes in ein dreidimensionales Harzmodell angegeben durch Abtasten von aufeinanderfolgenden Harzlösungsschichten einer photohärtbaren Harzlösung mit einem Strahlungsbündel, um einen Stapel von abgetasteten, gehärteten Schichten des photohärtbaren Harzes durch Betätigen von Hebemitteln zwischen den Schichten zu bilden, wobei jede der aufeinanderfolgenden Harzlösungsschichten eine geformte Region einer isometrischen Sektion aufweist, und das Verfahren die Verfahrensschritte aufweist: a) Abtasten oder Scannen des Strahlungsbündels in einer Schicht entlang einer Konturlinie, und b) Abtasten oder Scannen des Strahlungsbündels in derselben Schicht in einem Raster-Abtastungsmodus, um die geformte Region innerhalb der Konturlinie zu härten, und Konstanthalten der Höhe der Hebemittel während der Abtastungsschritte a) und b). Besondere Ausfuhrungsformen des Verfahrens nach Anspruch 1 sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 enthalten.
  • Das Strahlungsbündel kann entlang einer Linie gescannt werden, welche von der Konturlinie um einen Abstand r1 nach innen beabstandet ist.
  • Alternativ kann das Strahlungsbündels entlang einer ersten Linie gescannt werden, welche von der Konturlinie um einen ersten Abstand nach innen beabstandet ist, um somit die geformte Region entlang der ersten Linie zu härten, und das Strahlungsbündels kann innerhalb einer zweiten Linie gescannt werden, welche von der Konturlinie um einen zweiten Abstand nach innen beabstandet ist, um somit die geformte Region innerhalb der zweiten Linie zu härten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ebenso eine Vorrichtung zur optischen Formung eines photohärtbaren Harzes in ein dreidimensionales Harzmodell gemäß Anspruch 5 angegeben. Besondere Ausführungsformen der Vorrichtung nach Anspruch 5 sind in den abhängigen Ansprüchen 6 und 7 angegeben.
  • Die Steuermittel umfassen Mittel zum Steuern der optischen Abtastmittel, um die abgetastete, gehärtete Schicht mit dem Strahlungsbündel in einem Vektor-Abtastungsmodus auf der Basis der durch den Informationsextraktor für die gehärtete Kontur berechneten Pfadinformation und in einem Raster-Abtastungsmodus auf der Basis der durch den Informationsextraktor für die innere Region extrahierten inneren Region abzutasten.
  • Der erste Abstand kann kleiner als der zweite Abstand sein.
  • Um den photohärtbaren Harz mit dem Strahlungsbündel abzutasten, wird die abgetastete gehärtete Schicht auf der Basis der extrahierten Konturlinieninformation abgetastet und sie wird ebenso abgetastet auf der Basis der extrahierten umschlossenen Region. Insbesondere wird die abgetastete gehärtete Region in dem Vektorabtastungsmodus entlang der Konturlinie und in dem Rasterabtastungsmodus innerhalb der Konturlinie abgetastet.
  • Der Vektorabtastungsmodus kann vor dem Rasterabtastungsmodus durchgeführt werden oder umgekehrt. In dem Vektorabtastungsmodus wird das Strahlungsbündel entlang entlang der Linie gescannt, die um den ersten Abstand (r1) nach innen von der Konturlinie beabstandet ist. In dem Rasterabtastungsmodus wird das Strahlungsbündel innerhalb der Linie geseannt, die um den zweiten Abstand (r2) nach innen von der Konturlinie beabstandet ist.
  • Genauer gesagt, erzeugen die optischen Abtastungsmittel ein Strahlungsbündel mit einer Wellenlänge, die für die Photohärtung der photohärtbaren Harzlösung geeignet ist, und verwenden das Strahlungsbündel, um die in einem Tank gespeicherte photohartbare Harzlösung abzutasten. Wenn das Abtasten der photohärtbaren Harzlösung in einer isometrischen Sektion beendet ist, wird eine durch die Bestrahlung mit dem Strahlungsbündel erzeugte, abgetastete gehärtete Schicht photohärtbaren Harzes durch die Hebemittel abgesenkt. Dann wird der obige Prozeß wiederholt, um einen Stapel von sukzessiv abgetasteten gehärteten Schichten zu erzeugen.
  • Zuerst wird Information bezüglich einer durch Verwendung und Abtastung des Strahlungsbündels ohne Bewegung der Hebemittel zu formenden abgetasteten gehärteten Schicht aus dem dreidimensionalen Forminformationsspeicher durch den Informationsextraktor für die abgetastete gehärtete Schicht extrahiert.
  • Auf der Basis der von dem Informationsextraktor für die abgetastete gehärtete Schicht erzeugten Information über die abgetastete gehärtete Schicht detektiert der Konturliniendetektor die Konturlinie der abgetasteten gehärteten Schicht, und der Informationsextraktor für die gehärtete Kontur berechnet die um den ersten Abstand (r1) von der Konturlinie nach innen beabstandete Linie als Pfadinformation.
  • Die Pfadinformation wird an die optischen Abtastungsmittel ausgegeben, und der Vektorabtastungsmodus wird entlang der Konturlinie durchgeführt. Da sich das Strahlungsbündel entlang der Konturlinie bewegt, wird die abgetastete gehärtete Schicht hochgenau entlang der Konturlinie geformt, ohne daß der Fleckdurchmesser des Strahlungsbündels und der Abtastungsabstand reduziert werden müssen.
  • Der Formationsextraktor für die innere Region extrahiert Information bezüglich der geschlossenen Region, die um den zweiten Abstand (r2) von der von dem Konturliniendetektor detektierten Konturlinie nach innen beabstandet ist. Die extrahierte Information wird an die optischen Abtastungsmittel ausgegeben. Als Resultat wird der Rasterabtastungsmodus in der von der Konturlinie umfaßten geschlossenen Region durchgefuhrt.
  • Falls der erste Abstand kleiner ist als der zweite Abstand, wird ein Überlapp zwischen einer durch den Vektorabtastungsmodus entlang der Konturlinie erzeugten abgetasteten gehärteten Schicht und einer durch den Rasterabtastungsmodus erzeugten abgetasteten gehärteten Schicht minimiert. Wenn somit die photohärtbare Harzlösung gehärtet wird, schrumpft sie mit einem relativ gleichförmigen Schrumpfungsfaktor und das erzeugte Harzmodell wird daran gehindert, übermäßig verformt zu werden.
  • Wie oben beschrieben, um eine geformte Region in eine isometrische Sektion zu formen, wird die geformte Region gehärtet, indem sie mit einem Strahlungsbündel entlang einer Konturlinie der geformten Region abgetastet wird, und eine innere Region innerhalb der Konturlinie wird gehärtet, indem sie mit dem Strahlungsbündel in dem Rasterabtastungsmodus abgetastet wird. Insoweit alle Kanten der geformten geschlossenen Region sich entlang der Richtung erstrecken, in welcher das Strahlungsbundel gescannt wird, wird die geformte Region hochgenau in der isometrischen Region geformt.
  • Falls das Strahlungsbündel in dem Vektorabtastungsmodus entlang der Linie gescannt wird, die um den ersten Abstand (r1) von der Konturlinie nach innen beabstandet ist, um die geformte Region entlang der Konturlinie zu härten, und in dem Rasterabtastungsmodus innerhalb der Linie gescannt wird, die um den zweiten Abstand (r2) von der Konturlinie nach innen beabstandet ist, um die Region innerhalb der Konturlinie zu härten, wird ein Überlapp der von dem Vektorabtastungsmodus und dem Rasterabtastungsmodus erzeugten gehärteten Regionen minimiert, wodurch das Harzmodell daran gehindert wird, aufgrund der Schrumpfung durch das Härten unmäßig verformt zu werden.
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nun folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, welche bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielhaft erläutern.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Blockdiagramm einer optischen Formungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig.2 eine Ansicht einer Skizze zur Erläuterung eines ersten Schrittes eines optischen Formungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig.3 eine Ansicht einer Skizze zur Erläuterung eines zweiten Schrittes des optischen Formungsverfahrens;
  • Fig.4 eine Ansicht einer Skizze zur Erläuterung eines dritten Schrittes des optischen Formungsverfahrens;
  • Fig.5 ein Flußdiagramm eines Arbeitsablaufs eines Steuerungssystems der optischen Formungsvorrichtung;
  • Fig.6 eine Ansicht einer Skizze zur Erläuterung eines ersten Schrittes eines optischen Formungsverfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig.7 eine Ansicht einer Skizze zur Erläuterung eines zweiten Schrittes eines optischen Formungsverfahrens gemäß der anderen Ausführungsform;
  • Fig. 8 eine Ansicht einer Skizze zur Erläuterung eines dritten Schrittes des optischen Formungsverfahrens gemäß der anderen Ausführungsform;
  • Fig.9 eine Ansicht einer Skizze zur Erläuterung eines vierten Schrittes des optischen Formungsverfahrens gemäß der anderen Ausführungsform;
  • Fig. 10 eine seitliche Frontansicht zur Erläuterung eines finalen Härtungsschrittes, nachdem abgetastete gehärtete Schichten gestapelt wurden, eines konventionellen optischen Formungsprozesses;
  • Fig. 11 eine Ansicht einer Skizze zur Erläuterung eines ersten Schrittes des konventionellen optischen Formungsprozesses; und
  • Fig. 12 eine Ansicht einer Skizze zur Erläuterung eines zweiten Schrittes des konventionellen optischen Formungsprozesses.
  • Wie gezeigt in Fig. 1, umfaßt eine optische Formungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Tank 2 enthaltend eine photohärtbare Harzlösung 1, welche durch zusätzliche Polymerisation gehärtet werden kann, wenn sie mit Licht LB bestrahlt wird. Zum Beispiel polymerisiert ein Vinylpolymer wie Styren, Methylmethacrylat und Vinylacetat sogar bei Abwesenheit eines Photopolymerisations-Initiators oder bei Vorhandensein eines Sensibilisators oder Farbstoffs, welcher ultraviolette Strahlung absorbiert.
  • Die photohärtbare Harzlösung 1, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, ist nicht auf bestimmte Materialien beschränkt, kann aber ein Harz sein, welcher auch dann in einen festen Zustand gehärtet werden kann, wenn er in einem flüssigen Zustand ist, wenn er nicht gehärtet ist. Das Licht LB kann eine ultraviolette Strahlung oder ein anderes Licht sein, das abhängig von der photohärtbaren Harzlösung 1 ausgewählt ist.
  • Der Tank 2 beinhaltet darin ein Hebewerk 4a mit einem Tisch zum Unterstutzen der gehärteten Harzschichten darauf, wobei der Tisch in der Lage ist Licht gegen Transmission zu blockieren. Das Hebewerk 4a kann vertikal in dem Tank 2 durch einen Heber 4b bewegt werden, der außerhalb des Tanks 2 positioniert ist. Der Heber 4b kann das Hebewerk 4a mechanisch anheben und absenken und die vertikale Bewegung des Hebewerkes 4a steuern. Das Hebewerk 4a und der Heber 4b wirken als ein Hebesystem 4 zusammen. Der Heber 4b wird mit einem Befehlssignal von einer Hauptsteuereinrichtung 5a eines Steuersystems 5 versorgt. Die Hauptsteuereinrichtung 5a führt dem Heber 4b ein Befehlssignal auf der Basis der Information zu, die einem optischen Abtastungssystem 3 zugeführt oder von diesem erhalten wird.
  • Zum Beispiel, wenn die Hauptsteuereinrichtung 5a die Fertigstellung der Abtastung über eine isometrische Sektion auf der Basis der von dem optischen Abtastungssystem 3 zugeführten Information detektiert, legt die Hauptsteuereinrichtung 5a ein Befehlssignal an den Heber 4b an, um den Heber 4b zu veranlassen das Hebewerk 4a um eine Distanz oder einen Abstand abzusenken, die gleich ist der Dicke T einer abgetasteten gehärteten Schicht, die in der isometrischen Sektion geformt wurde.
  • Das optische Abtastungssystem 3 umfaßt einen Laseroszillator 3a für die Erzeugung eines Laserstrahls wie eines ultravioletten Laserstrahls, ein optisches System 3b für das Abtasten des von dem Laseroszillator 3a erzeugten Laserstrahls über die Oberfläche der photohärtbaren Harzlösung 1 in einem vorbestimmten Abtastungsmuster, und eine optische Systemsteuereinrichtung 3c zur Steuerung des optischen Systems 3b. Das optische System 3b enthält einen Unterbrecher (AOM) für das selektive Passierenlassen und Blockieren des Laserstrahls, und eine Spannungszuführung und einen galvanometrischen Spiegel für das Ändern der Richtung des Laserstrahls, und kann den Laserstrahl an- und ausschalten, die Intensität oder Strahlungsenergie des Laserstrahls variieren, den Pfad oder die Richtung des Laserstrahls verändern, und die Geschwindigkeit steuern, mit der der Laserstrahl gescannt wird. Die optische Systemsteuereinrichtung 3c versorgt das optische System 3b mit einem Befehlssignal bezüglich der Abtastungsbedingungen gemäß des vorbestimmten Abtastungsmusters.
  • Das optische Abtastungssystem 3 arbeitet im wesentlichen auf der Grundlage von Grundmusterdaten, die vorher der Hauptsteuereinrichtung 5a zugeführt wurden. Spezifische Abtastungsbedingungen, die von der optischen Systemsteuereinrichtung 3c an das optische System 3b geliefert werden, können durch Befehlssignale modifiziert werden, die von dem Steuersystem 5 an die optische Systemsteuereinrichtung übermittelt wurden.
  • Die Hauptsteuereinrichtung 5a des Steuersystems 5 steuert das Hebesystem 4 und das optische Abtastungssystem 3 in einer gegenseitig aufeinanderbezogenen Weise auf der Grundlage der vorher zugefürten Daten abhängig von einem zu formenden Harzmodell. Das Steuersystem 5 enthält, zusätzlich zu der Hauptsteuereinrichtung 5a, einen dreidimensionalen Forminformationsspeicher 5b, einen Informationsextraktor 5c für gehärtete Schichten, einen Konturliniendetektor 5d, einen Informationsextraktor 5e für die gehärtete Kontur und einen Informationsextraktor 5e für die innere Region.
  • Der Heber 4b, die optische Systemsteuereinrichtung 3c und das Steuersystem 5 sind in Fig. 1 für ein leichteres Verständnis ihrer Funktionen getrennt voneinander dargestellt. Der Heber 4b, die optische Systemsteuereinrichtung 3c und das Steuersystem 5 können jedoch in einem Informationsverarbeitungssystem kombiniert werden, insoweit deren Funktionen darin enthalten sind.
  • Die jeweiligen Verarbeitungsabläufe des dreidimensionalen Forminformationsspeichers 5b, des Informationsextraktors 5c für abgetastete gehärtete Schichten, des Konturliniendetektors 5d, des Informationsextraktors 5e für die gehärtete Kontur und des Informationsextraktors 5f für die innere Region werden nachfolgend bezüglich der Formung einer von einer Konturlinie umschlossenen Region, wie dargestellt in Fig. 11, innerhalb einer isometrischen Sektion durch beispielhafte Erläuterung beschrieben.
  • Der dreidimensionale Forminformationsspeicher 5b speichert alle Informationen bezüglich der dreidimensionalen Form eines zu formenden Harzmodells W, oder zumindest Informationen bezüglich der dreidimensionalen Formen aller isometrischen Sektionen, in denen geformte Regionen von Konturlinien umschlossen sind.
  • Der Informationsextraktor 5c für abgetastete gehärtete Schichten extrahiert nur die Informationen bezüglich einer abgetasteten gehärteten Schicht, welche eine geformte Region in einer isometrischen Sektion ist, von der in dem dreidimensionalen Forminformationsspeicher 5b gespeicherten dreidimensionalen Information. Insbesondere unterscheidet die Hauptsteuereinrichtung 5a eine gehärtete Region von einer ungehärteten Region in einer bestimmten isometrischen Sektion für die Steuerung des An- und Ausschaltens des Laserstrahls in dem optischen System 3b, und der Informationsextraktor 5c für abgetastete gehärtete Schichten wählt aus und liest nur Informationen bezüglich einer solchen gehärteten Region. Die von dem Informationsextraktor 5c für abgetastete gehärtete Schichten extrahierten Informationen werden als Basisinformationen in dem weiter unten beschriebenen Formungsprozeß verwendet.
  • Der Konturliniendetektor 5d liest die Informationen bezüglich der von dem Informationsextraktor 5c für abgetastete gehärtete Schichten extrahierten gehärteten Region und erkennt eine Konturlinie OL der gehärteten Region in der isometrischen Sektion auf der Grundlage der somit gelesenen Information.
  • Der Informationsextraktor 5e für die gehärtete Kontur berechnet eine Konturlinie OLA (siehe Fig.2), die um einen Abstand r1 von der von dem Konturliniendetektor 5d gelesenen Konturlinie OL nach innen innerhalb der geschlossenen Region beabstandet ist. Die berechnete Konturlinie OLA dient als eine zentrale Linie für die Vektorabtastung entlang der Konturlinie, wie später beschrieben. Der Abstand r1 sollte vorzugsweise gleich sein dem Radius des ultravioletten Laserstrahls LB, oder strikter dem Radius eines kreisförmigen Flecks gehärtet durch den ultravioletten Laserstrahl LB.
  • Der Informationsextraktor 5f für die innere Region berechnet eine andere Konturlinie OLB (siehe Fig.2), die um einen Abstand r2 von der Konturlinie OL nach innen innerhalb der geschlossenen Region beabstandet ist. Die berechnete Konturlinie OLB dient als ein Abtastungsstartpunkt, ein Abtastungsendpunkt oder eine zentrale Linie für die Rasterabtastung in der geschlossenen Region, wie später beschrieben. Der Abstand r2 sollte vorzugsweise derart ausgewählt werden, daß die Konturlinie OLB um einen Abstand von der Konturlinie OLA nach innen beabstandet ist, der gleich ist dem Radius des ultravioletten Laserstrahls LB, oder strikter dem Radius eines kreisförmigen Flecks gehärtet durch den ultravioletten Laserstrahl LB. In dieser Ausführungsform ist der Abstand r2 größer als der Abstand r1.
  • Die von dem Informationsextraktor 5e für die gehärtete Kontur erzeugte Konturlinieninformation wird an die optische Systemsteuereinrichtung 3c ausgegeben. Der ultraviolette Laserstrahl LB wird auf der Basis der von dem Informationsextraktor 5e für die gehärtete Kontur erzeugten Konturlinieninformation in einem Vektorabtastungsmodus entlang der Konturlinie OLA gescannt. In dem Vektorabtastungsmodus, wie gezeigt in Fig.3, zeichnet der ultraviolette Laserstrahl LB nur die Konturlinie OLA nach und ein Abtastungsstartpunkt, ein Abtastungsendpunkt und eine Abtastungslinie sind für das Scannen des ultravioletten Laserstrahls LB nicht definiert.
  • Die Information bezüglich der geschlossenen Region, erzeugt von dem Informationsextraktor 5f für die innere Region, wird ebenso an die optische Systemsteuereinrichtung 3c ausgegeben. Der ultraviolette Laserstrahl LB wird auf der Grundlage der von dem Informationsextraktor 5f für die innere Region erzeugten Information in einem Rasterabtastungsmodus in einer oder in entgegengesetzten Richtungen entlang der Konturlinie OLB gescannt.
  • Die Arbeitsweise der optischen Formungsvorrichtung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig.2 bis 5 beschrieben, welche für ein optisches Formungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustrativ sind. In dem konventionellen optischen Formungsprozeß, wie gezeigt in Fig. 12, wird die ganze geschlossene, von einer Konturlinie umgebene Region in dem Rasterabtastungsmodus abgetastet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Konturlinie OL in dem Vektorabtastungsmodus abgetastet und die von der Konturlinie OL umschlossene innere Region wird in dem Rasterabtastungsmodus abgetastet. Insbesondere, wie gezeigt in den Fig.2 bis 4, ist die zentrale Linie für den Vektorabtastungsmodus die Konturlinie OLA, die um den Abstand r1 nach innen von der Konturlinie beabstandet oder versetzt ist. Abtastungsstart- und Abtastungsendpunkte für den Rasterabtastungsmodus sind um den Abstand r2 nach innen von der Konturlinie OL beabstandet oder versetzt.
  • Das optische Abtastungssystem 3 erzeugt einen ultravioletten Laserstrahl LB mit einer Wellenlänge, die für das Härten der photohärtbaren Harzlösung 1 geeignet ist, und verwendet den ultravioletten Laserstrahl LB, um die photohärtbare Harzlösung 1 in dem Tank 2 abzutasten. Wenn das Abtasten der photohärtbaren Harzlösung 1 in einer isometrischen Sektion beendet ist, wird eine durch Bestrahlung mit dem ultravioletten Laserstrahl LB erzeugte abgetastete gehärtete Schicht 51 des photohärtbaren Harzes von dem Hebesystem 4 abgesenkt. Dann wird der obige Prozeß wiederholt, um einen Stapel von sukzessiv abgetasteten gehärteten Schichten 51 zu erzeugen. Der obige Prozeß des Erzeugens einer abgetasteten gehärteten Schicht 51 des photohärtbaren Harzes wird nachfolgend im Detail beschrieben.
  • Zuerst wird Information bezüglich einer durch Beaufschlagen und Scannen des ultravioletten Laserstrahls LB ohne Bewegen des Hebewerkes 4a zu formenden abgetasteten gehärteten Schicht 51 von dem dreidimensionalen Forminformationsspeicher 5b durch den Informationsextraktor 5c für abgetastete gehärtete Schichten in einem Schritt S1 (siehe Fig.5) extrahiert. Zu derselben Zeit liest der Informationsextraktor 5c für abgetastete gehärtete Schichten Versetzungsabstände r1, r2 in einem Schritt S2.
  • Auf der Basis der von dem Informationsextraktor 5c für abgetastete gehärtete Schichten erzeugten Information über abgetastete gehärtete Schichten detektiert der Konturlinien detektor 5d die Konturlinie OL der abgetasteten gehärteten Schicht 51 und der Informationsextraktor 5e für die gehärtete Kontur berechnet die um einen Abstand r1 nach innen von der Konturlinie OL beabstandete Konturlinie OLA als Pfadinformation in einem Schritt S3 (siehe Fig.2). Die Pfadinformation wird an die optische Systemsteuereinrichtung 3c in einem Schritt 56 ausgegeben und der Vektorabtastungsmodus wird entlang der Konturlinie OLA in einem Schritt S7 durchgefürt (siehe Fig.3). Da sich der ultraviolette Laserstrahl LB entlang der Konturlinie OL bewegt, wird die abgetastete gehärtete Schicht hochgenau entlang der Konturlinie OL geformt, ohne daß der Fleckdurchmesser des ultravioletten Laserstrahls LB und der Abtastungsabstand verringert werden mussen.
  • Der Informationsextraktor 5f für die innere Region extrahiert Information bezüglich der geschlossenen Region, die um den Abstand r2 nach innen von der von dem Konturliniendetektor 5d detektierten Konturlinie OL beabstandet ist, in einem Schritt S4 (siehe Fig.2). Meßbereichsdaten werden durch Berechnen der Schnittmenge zwischen der umschlossenen Region und den Abtastungslinien in einem Schritt 55 erzeugt. Die extrahierte Information wird an die optische Systemsteuereinrichtung 3c in einem Schritt S8 ausgegeben. Ms Resultat wird der Rasterabtastungsmodus in der geschlossenen, von der Konturlinie OLB umgebenen Region in einem Schritt S9 durchgeführt (siehe Fig.4).
  • Da der Abstand r1 kleiner ist als der Abstand r2 wird ein Überlapp zwischen einer durch den Vektorabtastungsmodus entlang der Konturlinie erzeugten abgetasteten gehärteten Schicht und einer durch den Rasterabtastungsmodus erzeugten abgetasteten gehärteten Schicht minimiert. Somit, wenn die photohärtbare Harzlösung gehärtet ist, schrumpft sie mit einem relativ gleichförmigen Schrumpfungsfaktor und das erzeugte Harzmodell wird daran gehindert unmäßig verformt zu werden.
  • Falls eine photohärtbare Harzlösung, deren Volumenschrumpfungsfaktor klein ist zu der Zeit, zu der sie durch die Bestrahlung mit ultravioletter Strahlung gehärtet wird, verwendet wird, ist es möglich, eine versetzte Konturlinie zum Gebrauch in dem Rasterabtastungsmodus in einer geschlossenen Region innerhalb der Konturlinie wegzulassen, wie gezeigt in Fig.6 bis 9, welche ein optisches Formungsverfahren gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustrieren.
  • In dieser Ausführungsform ist die zentrale Linie für den Vektorabtastungsmodus eine Konturlinie OLA, die um eine Distanz r1 nach innen von der Konturlinie OL beabstandet oder versetzt ist, und Abtastungsstart- und -endpunkte für den Rasterabtastungsmodus sind in Bezug auf die Konturlinie OLA definiert.
  • In dem optischen Formungsverfahren gemäß der in den Fig.6 bis 9 gezeigten Ausfürungsform wird Information bezüglich einer durch Beaufschlagen und Scannen des ultravioletten Laserstrahls LB ohne Bewegen des Hebewerkes 4a zu formenden abgetasteten gehärteten Schicht 51 von dem dreidimensionalen Forminformationsspeicher 5b durch den Informationsextraktor 5c für abgetastete gehärtete Schichten (siehe Fig. 6) extrahiert. Zu derselben Zeit liest der Informationsextraktor 5c für abgetastete gehärtete Schichten einen Versetzungsabstand r1.
  • Auf der Basis der von dem Informationsextraktor 5c für abgetastete gehärtete Schichten erzeugten Information detektiert der Konturliniendetektor 5d die Konturlinie DL der abgetasteten gehärteten Schicht 51 und der Informationsextraktor 5e für die gehärtete Kontur berechnet die um einen Abstand r1 von der Konturlinie DL beabstandete Konturlinie OLA als Pfadinformation (siehe Fig.7). Die Pfadinformation wird an die optische Systemsteuereinrichtung 3c ausgegeben und der Vektorabtastungsmodus wird entlang der Konturlinie OLA auf dieselbe Weise wie bei der vorhergehenden Ausführungsform durchgeführt (siehe Fig.8). Da der ultraviolette Laserstrahl LB sich entlang der Konturlinie DL bewegt, wird die abgetastete gehärtete Schicht hochgenau entlang der Konturlinie DL geformt, obne daß der Fleckdurchmesser des ultravioletten Laserstrahls LB und der Abtastungsabstand verringert werden müssen.
  • Während die von dem Informationsextraktor 5e für die gehärtete Kontur erzeugte Pfadinformation verwendet wird, wird der Rasterabtastungsmodus in der geschlossenen, von der Konturlinie OLA umgebenen Region durchgeführt (siehe Fig. 9). Eine durch den Vektorabtastungsmodus entlang der Konturlinie erzeugte abgetastete gehärtete Schicht und eine durch den Rasterabtastungsmodus erzeugte abgetastete gehärtete Schicht überlappen sich teilweise. Falls der Schrumpfungsfaktor des photohärtbaren Harzes klein ist, ist eine Deformation des erzeugten Harzmodells bei der Aushärtung nicht problematisch und somit wird die Zeit, die benötigt wird, um die Konturlinie OLA zu berechnen, reduziert.
  • Die Versetzungsabstände r1, r2 von der Konturlinie DL sind nicht auf die Größenordnungen in den illustrierten Ausführungsbeispielen beschränkt und die Konturlinien OLA, OLB können um Abstände versetzt sein, die in verschiedenen Positionen variieren.

Claims (7)

1. Verfahren zur optischen Formung von photohärtbarem Harz in ein dreidimensionales Harzmodell durch Abtasten von aufeinanderfolgenden Harzlösungsschichten einer photohärtbaren Harzlösung (1) mit einem Strahlungsbündel, um einen Stapel von abgetasteten, gehärteten Schichten des photohärtbaren Harzes durch Betätigen von Hebemitteln (4) zwischen den Schichten zu bilden, wobei jede der aufeinanderfolgenden Harzlösungsschichten eine geformte Region einer isometrischen Sektion aufweist, das Verfahren gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
a) Abtasten oder Scannen des Strahlungsbündels in einer Schicht entlang einer Konturlinie (OL), und
b) Abtasten oder Scannen des Strahlungsbündels in derselben Schicht in einem Raster- Abtastungsmodus, um die geformte Region innerhalb der Konturlinie (OL) zu härten, und Konstanthalten der Höhe der Hebemittel während der Abtastungsschritte a) und b).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Abtastungsschritt a) den Verfahrensschritt des Abtastens oder Scannens des Strahlungsbündels entlang einer Linie (OLA) aufweist, welche von der Konturlinie (OL) um einen Abstand (r1) nach innen beabstandet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Abtastungsschritt a) den Verfahrensschritt des Abtastens oder Scannens des Strahlungsbündels entlang einer ersten Linie (OLA) aufweist, welche von der Konturlinie (OL) um einen ersten Abstand (r1) nach innen beabstandet ist, um somit die geformte Region entlang der ersten Linie (OLA) zu härten, und der Abtastungsschritt b) ferner den Verfahrensschritt des Abtastens oder Scannens des Strahlungsbündels innerhalb einer zweiten Linie (OLB) aufweist, welche von der Konturlinie (OL) um einen zweiten Abstand (r2) nach innen beabstandet ist, um somit die geformte Region innerhalb der zweiten Linie (OLB) zu härten.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der erste Abstand (r1) kleiner als der zweite Abstand (r2 ) ist.
5. Vorrichtung zur optischen Formung von photohärtbarem Harz in ein dreidimensionales Harzmodell, umfassend:
einen Tank (2) enthaltend eine photohärtbare Harzlösung (1);
optische Abtastmittel (3) zum Erzeugen nnd Abtasten oder Scannen eines Strahlungsbündels mit einer zum Photohärten der photohärtbaren Harzlösung (1) geeigneten Wellenlänge über die photohärtbare Harzlösung (1), um darin eine abgetastete, gehärtete Schicht zu erzeugen;
Hebemittel (4a, 4b) zum vertikalen Bewegen der abgetasteten, gehärteten Schicht, die erzeugt wurde, als die photohärtbare Harzlösung (1) von dem Strahlungsbündel abgetastet wurde; und
Steuermittel (5) umfassend:
einen Informationsspeicher (5b) für dreidimensionale Formen zum Speichern mindestens eines Teils der dreidimensionalen Forminformation des zu formenden dreidimensionalen Harzmodells;
einen Informationsextraktor (5c) für abgetastete, gehärtete Schichten zum Extrahieren von Information bezüglich einer abgetasteten, gehärteten, durch das Strahlungsbündel zu formenden Schicht, von der in dem dreidimensionalen Forminformationsspeicher (5b) gespeicherten Forminformation;
einen Konturliniendetektor (5d) zum Detektieren einer Konturlinie der abgetasteten, gehärteten Region auf der Basis der durch den Informationsextraktor (5c) für abgetastete, gehärtete Schichten extrahierten Information,
gekennzeichnet durch
einen Informationsextraktor (5e) für die gehärtete Kontur zum Berechnen, als Pfadinformation, einer Linie, welche von der durch den Konturliniendetektor (5d) detektierten Konturlinie (OL) um einen ersten Abstand (r1) nach innen beabstandet ist;
einen Informationsextraktor (5f) für die innere Region zum Extrahieren einer geschlossenen Region innerhalb einer Linie, welche von der durch den Konturliniendetektor (5d) detektierten Konturlinie um einen zweiten Abstand (r2) nach innen beabstandet ist, wobei
die Steuermittel (5) zum Steuern der optischen Abtastmittel (3) derart vorgesehen sind, um die abgetastete, gehärtete Schicht mit dem Strahlungsbündel abzutasten auf der Basis der Pfadinformation, die durch den Informationsextraktor (5e) für die gehärtete Kontur berechnet und der geschlossenen Region, die durch den Informationsextraktor (5f) für die innere Region extrahiert wurde,
wobei die Höhe der Hebemittel (4a, 4b) während des Abtastens der Konturlinie (OL) und der geschlossenen Region der Schicht konstant gehalten wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Steuermittel (5) Mittel zum Steuern der optischen Abtastmittel (3) aufweisen, um die abgetastete, gehärtete Schicht mit dem Strahlungsbündel in einem Vektor-Abtastungsmodus auf der Basis der durch den Informationsextraktor (5e) für die gehartete Kontur berechneten Pfadinformation und in einem Raster-Abtastungsmodus auf der Basis der durch den Informationsextraktor (5f) für die innere Region extrahierten inneren Region abzutasten.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher der erste Abstand (r1) kleiner als der zweite Abstand (r2) ist.
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