Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 9.
Eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mittels Stereolithographie ist beispielsweise aus der JP-A-61-114818 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung wird ein UV-Laser zum Aushärten eines lichtaushärtbaren Harzes verwendet, wobei der Laserstrahl mittels eines ablenkbaren Spiegel - Systems über eine auszuhärtende Schicht des Harzes gescannt wird. Die bekannte Vorrichtung ist jedoch hinsichtlich der bei dem Objekt erzielten Strukturauflösung beschränkt. Objekte mit Abmessungen im Mikrometerbereich sind nicht oder nur mit beschränkter Qualität herzustellen.
Aus der DE 43 06 797 Cl und der DE 196 45 976 Cl ist jeweils eine Vorrichtung mit einem Laser und einem Bildschirm zum Abbilden von Bildern bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung ist es möglich, Bilder mittels eines Laserstrahls auf einem Bildschirm zu erzeugen, wobei der Laserstrahl ähnlich wie ein Elek- tronenstrahl einer Fernsehbildröhre über den Bildschirm gerastert wird. Die Bilder werden durch Ansteuern von drei Lasern in den Grundfarben rot, grün und blau derart erzeugt, daß jeder
Bildpunkt (Pixel) des auf dem Bildschirm darzustellenden Bildes aus einer Mischung der Laserstrahlen der drei Laser erzeugt wird, wobei die Mischung entsprechend der gewünschten Farbe und Helligkeit vorgenommen wird. Diese bekannte Vorrichtung wird als Laserprojektor bezeichnet und die ihr zugrundeliegende Technik ist auch als Laser-TV bzw. Laserprojektionstechnik bekannt .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bereitzustellen, welche es erlauben, Objekte mit verbesserter Strukturauflösung, insbesondere Objekte mit Abmessungen im Mikrometerbereich zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Patentanspruch 9.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zu bildenden Objekts.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, weist die Vorrichtung einen an seiner Oberseite offenen Behälter 1 mit einem oberen Rand 2 auf. In dem Behälter ist ein Träger 3 zum Tragen eines zu bildenden Objektes 4 mit einer im wesentlichen ebenen und hori-
zontal ausgerichteten Bauplattform 5 angeordnet, die mittels einer schematisch angedeuteten Höheneinstellvorrichtung 6 in dem Behälter 1 auf und ab verschoben und positioniert werden kann.
Der gesamte Behälter 1 ist bis zu einem Niveau bzw. einer
Oberfläche 7a unterhalb des oberen Randes 2 mit einem im sichtbaren Licht aushärtbarem flüssigen Kunststoff 7 gefüllt.
Oberhalb des Behälters 1 ist eine Belichtungseinrichtung 10 angeordnet. Die Belichtungseinrichtung weist drei Laser 11, 12, 13 auf, die jeweils Licht der Wellenlänge der Primärfarben rot, grün, blau zum Erzeugen der Bildpunkte eines Videobildes aussenden. Die von den Lasern 11, 12, 13 ausgehenden Lichtbündel 11', 12', 13' sind in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel durch Modulatoren 14, 15, 16, die im Lichtweg der Lichtbündel 11 ' , 12 ' , 13 ' angeordnet sind, intensitätsmodu- lierbar. Die Modulatoren sind beispielsweise aus DKDP- Kristallen gebildet, mit denen die Polarisationsrichtung der Lichtbündel 11', 12', 13* geändert wird, so daß die Lichtbündel durch ein nachfolgendes Polarisationsfilter in Abhängigkeit einer Ansteuerspannung intensitätsmoduliert werden. Die Lichtbündel werden durch ein Spiegelsystem 20 zu einem Gesamt- lichtbündel 30 vereinigt, welches sich durch das weitere System fortpflanzt.
Das Gesamtlichtbündel 30 wird durch eine aus einem drehbaren Polygonspiegel 31 und einem Schwenkspiegel 32 bestehende Ablenkeinrichtung zeilen- und bildmäßig auf die Oberfläche 7a des Kunststoffes 7 in dem Behälter 1 abgelenkt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Polygonspiegels 31 bestimmt die Ablenkgeschwindigkeit des Gesamtlichtbündeis in einer horizontalen- bzw. Zeilenrichtung, während die Frequenz, mit der der Schwenkspiegel 32 geschwenkt wird, die Ablenkgeschwindigkeit des Gesamtlichtbündeis in einer vertikalen Richtung, also die Geschwindigkeit mit der die Zeilen aufeinanderfolgen, be-
stimmt. In dem Strahlengang des Gesamtlichtbündels 30 kann eine Aufweitungsoptik vorgesehen sein, um bei kleinen Ablenkwinkeln trotzdem ein großes Bild auf der Oberfläche 7a des Kunststoffes möglich zu machen. Alternativ kann auch eine Verkleinerungsoptik vorgesehen sein.
Es ist ferner eine Abschattungseinrichtung 40 vorgesehen, die in den Strahlengang des Gesamtlichtbündels 30 nach Ablenkung durch die Spiegel mittels einer schematisch angedeuteten Schwenkvorrichtung hinein- und wieder herausschwenkbar.
In dem Strahlengang ist ferner ein halbdurchlässiger Spiegel 45 unter 45° zur optischen Achse angeordnet, wodurch ein Teil der Lichtstrahlen des Abbildungsstrahlenganges ausgeblendet wird. Es ist ferner ein Detektor 46 vorgesehen, mit dem das über den halbdurchlässigen Spiegel 45 ausgeblendete Licht aufgefangen wird. Der Detektor ist beispielsweise als Digitalkamera ausgebildet .
Die gesamte Belichtungseinrichtung 10 ist über einen nicht dargestellten Antrieb in vertikaler Richtung verschiebbar, so daß der Abstand relativ zu dem Behälter einstellbar ist.
Es ist ferner eine Steuerung 60 vorgesehen zum voneinander unabhängigen oder zum koordinierten Steuern der Höheneinstellvorrichtung 6, der Belichtungseinrichtung 10 und der Blende 40. Die Steuerung 60 ist derart ausgebildet, daß sie in Abhängigkeit von Videodaten, die jeweils das in einer Schicht auf der Oberfläche 7a des Kunststoffes zu erzeugende aus Bildpunkten (Pixeln) zusammengesetzte Bild kennzeichnen und die den Querschnittsdaten des Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechen, die Belichtungseinrichtung 10 derart ansteuert, daß das über die Modulatoren 14, 15, 16 bildpunkt- bzw. pixelweise intensitätsmodulierte Gesamtlichtbündel 30 zeilenweise mit einer Frequenz, die den üblichen Videonormen entspricht, über
die Kunststoffoberfläche 7a abgelenkt wird und dort ein für das menschliche Auge stehendes Bild erzeugt, welches dem Querschnitt des Objekts in der jeweiligen Schicht entspricht. Ferner ist die Steuerung 60 so ausgebildet, daß die Bauplattform 5 schrittweise um das einer Schichtdicke entsprechende Maß absenkbar ist und daß die Blende 40 in den Strahlengang eingeschwenkt wird, wenn keine Belichtung der Oberfläche des Kunststoffes stattfinden soll bzw. aus dem Strahlengang herausgeschwenkt wird, bevor die Belichtung einer Schicht beginnt.
Im Betrieb werden zuerst aus vorgegebenen Objektdaten, beispielsweise CAD-Daten, in bekannter Weise Schichtdaten für den Querschnitt des Objekts in jeder Schicht erzeugt und diese Schichtdaten in die oben genannten Videodaten zur Ansteuerung der Belichtungseinrichtung 10 transformiert. Dann wird über die Höheneinstellvorrichtung 6 der Träger 3 derart in dem mit flüssigem Kunststoff 7 gefüllten Behälter verschoben, daß sich die Oberfläche der Bauplattform 5 um das der gewünschten Schichtdicke entsprechende Maß unterhalb der Oberfläche 7a des Kunststoffes befindet.
Anschließend erfolgt die Belichtung der ersten Schicht. Entsprechend den Videodaten werden die Modulatoren 14, 15, 16 für die einzelnen Laser 11, 12, 13 bildpunktweise derart angesteuert, daß das Gesamtlichtbündel 30 an jedem Bildpunkt eine Intensität, die durch den Bildinhalt vorgegeben ist, aufweist. Das Gesamtlichtbündel 30 wird dann zeilenweise mit der beispielsweise beim Fernseher üblichen Videofrequenz auf die Oberfläche 7a abgelenkt, um sequentiell einzelne Bildpunkte des zu erzeugenden Videobildes auf der Oberfläche 7a zu beleuchten, wobei beim Auftreffen des Laserstrahls der Kunststoff aushärtet. Die Frequenz mit der das Gesamtlichtbündel über die Oberfläche 7a geführt wird ist dabei so groß, daß sich für das Auge ein stehendes Bild ergibt. Die Belichtung
einer Schicht erfolgt so lange, bis die Schicht an den im Ob¬ jekt entsprechenden Stellen ausgehärtet ist. Die erforderliche Belichtungszeit für eine Schicht ist sehr kurz, im allgemeinen kleiner als 5 Sekunden. Es ist sogar möglich, eine Schicht mit einer Sekunde Belichtungszeit auszuhärten. Durch die aufgrund des stehenden Bildes, das der Laserstrahl auf der zu belichteten Fläche erzeugt, nahezu gleichmäßig flächenhafte Belichtung mit großer Lichtenergie ist auch eine Belichtung und Verfestigung großer Flächen in kurzer Zeit möglich.
Das Intensitätsprofil einer Schicht wird nach Ausblenden durch den halbdurchlässigen Spiegel 45 über den Detektor 46 erfaßt und zur Steuerung der Belichtung der darauf folgenden Schicht oder nachfolgender Objekte verwendet. Anhand des gemessenen Intensitätsprofils kann das tatsächlich auf die Schicht auftreffende Intensitätsprofil ermittelt werden und anschließend entweder die Belichtungszeit oder die Lichtintensität gesteuert werden. Damit läßt sich die Verfestigungstiefe auf einfache Weise steuern.
Nach der Belichtung einer Schicht wird die Blende 40 in den Strahlengang geschwenkt, um zu verhindern, daß während der Einstellung der nächsten Schicht Licht auf das Kunststoffmaterial in dem Behälter fällt und dieses an nicht gewünschten Stellen verfestigt wird. Anschließend wird die Bauplattform 5 um das einer Schichtdicke entsprechende Maß abgesenkt, so daß sich oberhalb der zuletzt verfestigten Schicht eine neue flüs¬ sige Kunststoffschicht bildet.
Durch die Farblaser in den drei Grundfarben und die Möglichkeit diese in praktisch jedem beliebigen Mischungsverhältnis zu dem Gesamtlichtbündel 30 zusammenzuführen, kann auch weißes Licht und durch eine Intensitätsmodulation des weißen Lichts eine Graustufenbelichtung durchgeführt werden. Das bedeutet,
daß mittels Variation der Intensität des Gesamtlich bundeis die Verfestigungstiefe gesteuert werden kann. Die Verfestigungstiefe kann nicht nur von Schicht zu Schicht variiert werden, sondern auch innerhalb innerhalb von zu belichtenden Bereichen einer Schicht. Ein Bauprogramm für das zu bildende Objekt erzeugt zu den Schichtdaten des Querschnitts des zu bildenden Objekts in jeder Schicht eine Zusatzinformation, m der, wie in Fig. 2 ersichtlich ist, angegeben ist, welche Bereiche 50, 50' der zu verfestigenden Schicht mit darunterliegenden verfestigten Bereichen einer vorherigen Schicht zu verbinden sind und welche Bereiche 51, 51' über nicht verfestigten Bereichen zu bilden sind. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines im Aufbau befindlichen Objektes 4, bei dem m der obersten verfestigten Schicht 4' der Bereich 51 einen darunterliegenden Hohlraum des zu bildenden Objekts überbr ckt, der während des Aufbaus unverfestigtes Material enthalt und bei dem der Bereich 51' den Beginn eines überhangenden bzw. auskragenden Teils des zu bildenden Objekts darstellt. Anhand der Zusatzinformation m den Schichtdaten und damit m dem zu pro Izierenden Videobild werden die Intensi- tatsmodulatoren der Belichtungsemrichtung derart angesteuert, daß Bereiche 50, 50', die sich über bereits verfestigten Bereichen befinden mit einer Lichtmtensitat 10 belichtet werden, die ausreicht, daß das Gesamtlichtbündel diesen Bereich der Schicht durchdringt und ihn mit dem darunterliegenden Bereich bei der Verfestigung verbindet. Die Bereiche 51, 51' werden mit einer Intensität II belichtet, die im Vergleich zu 10 um bis zu 50% reduziert ist. Damit wird gewährleistet, daß der zu verfestigende Bereich 51, 51' nur bis zur Tiefe, die einer Schichtdicke entspricht, ausgehärtet wird. Es lassen sich durch die Graustufenbelichtung aber auch beliebige andere Intensitäten auf einfache Weise einstellen. Auch bei der Graustufenbelichtung kann eine Messung des Intensitatsproflls wie oben beschrieben durchgeführt werden.
Mittels der Auflösung der Videodaten läßt sich ferner die Strukturauflösung des herzustellenden Objekts steuern. Die Auflösung kann softwaremäßig dadurch gesteuert werden, daß die Anzahl der Pixel in Zeilen- bzw. Spaltenrichtung in dem Videobild eingestellt wird.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich zu den drei Lasern, die im sichtbaren Bereich in den drei Grundfarben emittieren, einen UV-Laser auf und eine Umschalteinrichtung, mittels der zwischen einem Modus der Belichtung durch den UV-Laser oder einem Modus der Belichtung durch das Gesamtlichtbündel der drei Laser, die im sichtbaren emittieren, umgeschaltet werden kann. Eine derartige Umschalteinrichtung kann im einfachsten Fall aus einem Abschatter bestehen, der den nicht benötigten Strahl abschattet. Die Vorrichtung weist so den Vorteil auf, daß sie variabel für verschiedene auf jeweils unterschiedliche Teile des elektromagnetischen Spektrums empfindliche Materialien zum Bilden des Objekts verwendbar ist.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform weist die Vorrichtung eine an dem Behälter 1 gelagerte und in die Oberfläche des Bades aus flüssigem Kunststoffmaterial 7 eintauchende, horizontal ausgerichtete Platte auf, die aus einem Material gebildet ist, das für die zur Verfestigung verwendete Strahlung durchlässig ist. Durch die Verwendung der Platte ist gewährleistet, daß zwischen der Oberfläche der Bauplattform 5 bzw. einer zuletzt verfestigten Schicht eine gleichmäßige Schicht an unverfestigtem Material beim Absenken des Trägers 3 gebildet wird.
Die Vorrichtung und das Verfahren sind nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Als Strahlungsquelle, die einen gerichteten Energiestrahl abgibt kann auch ein einzelner intensitätsmodulierbarer Laser, der nicht notwendigerweise ein
UV-Laser sein muß, beispielsweise in Form eines Gaslasers oder eines Festkörperlasers verwendet werden. Auch die Verwendung einer LED oder eine Elektronenquelle ist möglich, sofern der Strahl so gut fokussiert wird, daß sich eine bildpunktmäßige Auflösung realisieren läßt. Das verwendete Material wird dann in Abhängigkeit von der verwendeten Energiequelle und den gewünschten Objekteigenschaften gewählt. Wichtig ist, daß die Ablenkung derart erfolgt, daß ein stehendes Bild des Objektquerschnitts auf die Schicht projiziert wird.
Die Vorrichtung und das Verfahren haben den Vorteil, daß die Belichtungseinrichtung eine sehr hohe Lichtausbeute hat, der Kontrast größer als 1000:1 ist und die Tiefenschärfe fast unbegrenzt ist. Ein optisches Skalieren ist völlig problemlos und die Auflösung ist für Objekte im Millimeterbereich oder im Bereich von mehreren Zentimetern dieselbe. Die Auflösung wird nur noch durch die Lichtbeugung begrenzt.