DE4416988A1

DE4416988A1 - Three=dimensional object mfr and process equipment

Info

Publication number: DE4416988A1
Application number: DE4416988A
Authority: DE
Inventors: Juergen Serbin; Johannes Reichle; Hans J Dr Langer
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 1994-05-13
Filing date: 1994-05-13
Publication date: 1995-11-16

Abstract

Equipment for prodn. of an object in a material which is solidified in layers (1) using irradiation has an irradiation source (3) for prodn of an electromagnetic beam and a diverting device (5) for directing the beam (4) at appropriate areas of the layers (1). Light beam (4) efficiency is enhanced by a sensor (9) located between the diverter (5) and the material layer (1) and measuring beam parameters which are fed to a control unit (6) for subsequent variation of the beam (4). In a claimed process for mfg. a three-dimensional object, the object is built up in solidified layers and the beam (4) position, output and dia. are measured at points just above the layer (1) being hardened.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.The invention relates to a device for producing a three-dimensional object according to the preamble of the claim 1 or a method according to the preamble of claim 9.

Eine derartige Vorrichtung bzw. ein derartiges Verfahren ist unter dem Begriff "Stereographie" bekannt und kann, wie beispielsweise in der EP-A-0 171 069 beschrieben, durch schichtweises Verfestigen eines flüssigen, photopolymeri sierbaren Materials mittels eines gebündelten Laserstrahls erfolgen. Ebenso kann dieses Verfahren auch durch Sinterung von Pulver mittels des Laserstrahls durchgeführt werden (siehe EP-A-0 287 657). In allen Fällen tritt das Problem auf, daß beispielsweise durch Erschütterungen, Alterung des Lasers oder sonstige Einwirkungen eine Dejustierung des Strahls oder eine Verschlechterung der Strahlqualität und stattfindet und damit die Herstellungsgenauigkeit verschlechtert wird.Such a device or such a method is known under the term "stereography" and can, like described, for example, in EP-A-0 171 069 layer-by-layer solidification of a liquid, photopolymeri sizable material by means of a bundled laser beam respectively. This method can also be done by sintering of powder can be carried out by means of the laser beam (see EP-A-0 287 657). In all cases the problem occurs on that, for example, due to vibrations, aging of the Laser or other effects a misalignment of the Beam or a deterioration in beam quality and takes place and thus the manufacturing accuracy is deteriorating.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine konstante Qualität bei der Herstellung des Objekts sicherzustellen.It is therefore an object of the invention to ensure constant quality ensure in the manufacture of the object.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.This object is achieved by a device with the features of claim 1 or by a method with solved the features of claim 9.

Erfindungsgemäß wird der zur Verfestigung verwendete Strahl möglichst unmittelbar über der Oberfläche der Materialschicht, also unmittelbar vor der Einwirkung auf das Material, vorzugsweise an einer Mehrzahl von über die Schicht verteilten Stellen gemessen und mit Referenzwerten verglichen. Damit kann eine eventuelle Verstaubung oder Dejustierung der Optik, ein Defekt der optischen oder elektronischen Komponenten zur Einstellung des Strahls und eine Strahländerung aufgrund von Alterungserscheinungen festgestellt, angezeigt und gegebenenfalls korrigiert werden.According to the beam used for solidification as directly as possible above the surface of the Layer of material, i.e. immediately before acting on it Material, preferably a plurality of over the layer distributed points measured and with reference values compared. This can be a possible dust or Misalignment of the optics, a defect in the optical or electronic components for adjusting the beam and a beam change due to signs of aging determined, displayed and corrected if necessary.

Die Erfindung wird im weiteren anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezug auf die Figuren beschrieben. Von den Figuren zeigen:The invention is further illustrated by exemplary embodiments len described with reference to the figures. From the figures demonstrate:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 1 is a schematic representation of the device according to the invention;

Fig. 2 eine perspektivische, schematische Darstellung einer Positioniervorrichtung für einen erfindungsgemäßen Sensor; Fig. 2 is a perspective, schematic representation of a positioning device for a sensor of the invention;

Fig. 3 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform des Sensors; und Fig. 3 is an illustration of a first embodiment of the sensor; and

Fig. 4 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Sensors. Fig. 4 shows a second embodiment of the sensor.

Die Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Fig. 1 zeigt eine Schicht 1 eines mittels elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials, beispielsweise einer polymerisierbaren Flüssigkeit oder Paste oder eines sinterbaren Pulvermaterials, sowie eine über dieser Schicht 1 angeordnete Vorrichtung 2 zum Verfestigen des Materials der Schicht 1 an dem herzustellenden Objekt entsprechenden Stellen. Die Verfestigungsvorrichtung 2 weist eine Strahlungsquelle 3 in Form eines Lasers auf, die einen gebündelten Lichtstrahl 4 auf eine Ablenkeinrichtung 5 richtet, mittels der der Lichtstrahl 4 auf die gewünschten Stellen der Schicht 1 abgelenkt werden kann. Zu diesem Zweck ist die Ablenkeinrichtung mit einer Steuereinheit 6 zur entsprechenden Steuerung der Ablenkeinrichtung 5 verbunden.The representation of the device according to the invention in Fig. 1 shows a layer 1 of a solidifiable by electromagnetic radiation material, such as a polymerizable liquid or paste or a sinterable powder material, and a disposed over this layer 1 device 2 for solidifying the material of the layer 1 in the produced Corresponding positions. The consolidation device 2 has a radiation source 3 in the form of a laser, which directs a bundled light beam 4 onto a deflection device 5 , by means of which the light beam 4 can be deflected to the desired locations of the layer 1 . For this purpose, the deflection device is connected to a control unit 6 for the corresponding control of the deflection device 5 .

Zwischen der Strahlungsquelle 3 und der Ablenkeinrichtung 5 ist im Lichtstrahl 4 nacheinander ein Modulator 7 und eine variable Fokuseinheit 8 angeordnet, die ebenfalls mit der Steuereinheit 6 verbunden sind. Der Modulator kann beispielsweise als akusto-optischer, elektro-optischer oder mechanischer Modulator ausgebildet sein und dient als "Schalter" zum Durchschalten bzw. Unterbrechen des Strahls 4. Die variable Fokuseinheit 8 dient dazu, die Bündelung des Strahls 4 zu verändern.Between the radiation source 3 and the deflection device 5 , a modulator 7 and a variable focus unit 8 are arranged in the light beam 4 , which are also connected to the control unit 6 . The modulator can be designed, for example, as an acousto-optical, electro-optical or mechanical modulator and serves as a "switch" for switching through or interrupting the beam 4 . The variable focus unit 8 serves to change the bundling of the beam 4 .

Zwischen der Ablenkeinrichtung 5 und der Schicht 1 ist ferner ein Sensor 9 angeordnet, der mittels der in Fig. 2 näher dargestellten Positioniervorrichtung 10 in einer Ebene paral lel zu und vorzugsweise unmittelbar oberhalb der Schicht 1 an jede Stelle oberhalb der Schicht 1 verschoben werden kann. Die Positioniervorrichtung 10 ist als x,y-Positioniervorrich tung ausgebildet, wobei der Sensor 9 in einer ersten X-Richtung entlang der Oberseite eines sich in X-Richtung über die Schicht 1 erstreckenden Abstreifers 11 verschiebbar ist, der wiederum in Y-Richtung über die Schicht 1 zum einstellen einer gewünschten Schichtdicke des Materials verschoben werden kann. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Sensor 9 aber auch unabhängig vom Abstreifer positioniert werden. Der Ausgang des Sensors ist mit der Steuereinheit 6 verbunden.Between the deflecting device 5 and the layer 1 there is also a sensor 9 which can be moved in a plane parallel to and preferably directly above the layer 1 to any point above the layer 1 by means of the positioning device 10 shown in FIG. 2. The positioning device 10 is designed as an x, y positioning device, the sensor 9 being displaceable in a first X direction along the top of a stripper 11 extending in the X direction over the layer 1 , which in turn is in the Y direction over the Layer 1 can be shifted to set a desired layer thickness of the material. According to another embodiment, the sensor 9 can also be positioned independently of the wiper. The output of the sensor is connected to the control unit 6 .

Eine erste Ausführungsform des Sensors 9 ist in Fig. 3 dargestellt. Der Sensor 12 nach Fig. 3 ist als Quadrantensensor mit einer in jedem Quadranten angeordneten lichtempfindlichen Element in Form einer Photodiode 12, 13, 14, 15 ausgebildet. Die Photodiode 15 eines Quadranten ist mittels einer strahlungsundurchlässigen Abdeckung, beispielsweise eines Metallplättchens 16, abgedeckt, in deren Mitte sich eine Blendenöffnung 17 befindet. Gemäß einer in Fig. 4 gezeigten zweiten Ausführungsform ist der Sensar 9 als Einzelsensor mit nur einem einzigen Feld ausgebildet, wobei in dem Feld ein lichtempfindliches Element in Form einer Photodiode 18 angeordnet ist, die wiederum mit einer strahlungsundurchlässigen Abdeckung, beispielsweise einem Metallplättchen 19, bis auf eine zentrale Blendenöffnung 20 abgedeckt ist. Der Durchmesser der Blendenöffnungen 17, 20 ist etwa 20 bis 50 µm, vorzugsweise etwa 35 µm.A first embodiment of the sensor 9 is shown in FIG. 3. The sensor 12 according to FIG. 3 is designed as a quadrant sensor with a light-sensitive element arranged in each quadrant in the form of a photodiode 12 , 13 , 14 , 15 . The photodiode 15 of a quadrant is covered by a radiation-impermeable cover, for example a metal plate 16 , in the middle of which there is an aperture 17 . According to a second embodiment shown in FIG. 4, the sensor 9 is designed as a single sensor with only a single field, a light-sensitive element in the form of a photodiode 18 being arranged in the field, which in turn has a radiation-opaque cover, for example a metal plate 19 , to is covered on a central aperture 20 . The diameter of the diaphragm openings 17 , 20 is approximately 20 to 50 μm, preferably approximately 35 μm.

Im Betrieb wird zunächst der Laserstrahl 4 bezüglich seiner Position, Leistung und seines Durchmessers gemessen. Die Positionsbestimmung erfolgt dabei beispielsweise mittels des in Fig. 3 gezeigten Sensors 9 dadurch, daß der Sensor 9 an einer bestimmten definierten X,Y-Stelle positioniert wird und die Ablenkeinrichtung 5 von der Steuereinheit 6 so gesteuert wird, daß der abgelenkte Strahl 4 den Sensor 9 überstreicht und dabei vom Feld der Photodiode 12 zu dem der Photodiode 13 wandert. Dabei werden die von beiden Photodioden abgegebenen Ausgangssignale verglichen; bei Gleichheit entspricht die Po sition des Strahls 4 genau dem Übergang zwischen den beiden Photodiodenfeldern und damit der Mittenposition des Sensors 9. Dieselbe Messung wird auch für den Übergang von der Photodiode 12 zur Photodiode 14 vorgenommen. Durch Vergleich der erhaltenen Positionsdaten mit der entsprechenden Posi tionsvorgabe für die Ablenkeinrichtung 5 wird festgestellt, ob die Steuerung für den Strahl 4 korrekt ist oder ob eine Dejustierung vorliegt. Im letzteren Fall wird eine Korrekur der Steuerung in der Steuereinheit 6 oder auch eine Neujusta ge der Vorrichtung vorgenommen. In operation, the laser beam 4 is first measured in terms of its position, power and its diameter. The position is determined, for example, by means of the sensor 9 shown in FIG. 3 in that the sensor 9 is positioned at a specific defined X, Y position and the deflection device 5 is controlled by the control unit 6 so that the deflected beam 4 detects the sensor 9 sweeps and thereby migrates from the field of photodiode 12 to that of photodiode 13 . The output signals emitted by both photodiodes are compared; in the case of equality, the position of the beam 4 corresponds exactly to the transition between the two photodiode arrays and thus the center position of the sensor 9 . The same measurement is also carried out for the transition from photodiode 12 to photodiode 14 . By comparing the position data obtained with the corresponding position specification for the deflection device 5 , it is determined whether the control for the beam 4 is correct or whether there is a misalignment. In the latter case, a correction of the control in the control unit 6 or a new adjustment of the device is carried out.

Die beschriebene Positionsmessung wird durch Verfahren des Sensors 9 an über die Schichtoberfläche 1 verteilte Posi tionen mittels der Positioniervorrichtung 10 an beliebigen Stellen innerhalb des Belichtungsfeldes vorgenommen, so daß die Positioniergenauigkeit der Verfestigungsvorrichtung 2 exakt bestimmbar ist. Ebenso ist es allerdings auch möglich, nur an ausgewählen Punkten, beispielsweise an 2 Punkten, zu messen, um eine globale Drift beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen festzustellen. Diese kann wiederum durch entsprechende Korrektur der Steuereinheit 6 bzw. der darin gespeicherten Steuersoftware kompensiert werden.The described position measurement is carried out by moving the sensor 9 to positions distributed over the layer surface 1 by means of the positioning device 10 at any point within the exposure field, so that the positioning accuracy of the hardening device 2 can be determined exactly. However, it is also possible to measure only at selected points, for example at 2 points, in order to determine a global drift, for example due to temperature changes. This can in turn be compensated for by appropriate correction of the control unit 6 or the control software stored therein.

Die Leistung des Strahls 4 wird durch direkte Auswertung der Ausgangssignale der Photodioden 12, 13 und 14, deren Ampli tude der Leistung entspricht, vorgenommen. Durch Vergleich mit Sollwerten kann wiederum ein Fehler in der Verfesti gungsvorrichtung 2 festgestellt werden, beispielsweise eine Verstaubung der Optik, eine Alterung oder auch ein Ausfall von optischen oder elektronischen Komponenten.The power of the beam 4 is made by direct evaluation of the output signals of the photodiodes 12 , 13 and 14 , the amplitude of which corresponds to the power. By comparison with target values, an error in the solidification device 2 can again be determined, for example dusting of the optics, aging or even failure of optical or electronic components.

Für die Messung des Durchmessers bzw. des Fokus des Strahls 4 wird die Ablenkeinrichtung 5 und/oder die Positioniervor richtung 10 so gesteuert, daß der abgelenkte Strahl 4 die Blendenöffnung 17 des Sensors nach Fig. 3 oder die Blenden öffnung 20 des Sensors nach Fig. 4 in zwei Koordinatenrich tungen überstreicht. Dadurch wird das Intensitätsprofil des Strahls 4 abgetastet und aus den gewonnenen Intensitätsdaten des Profils der Fokus bzw. Durchmesser der Strahls 4 berechnet. Diese Messung kann im gesamten Belichtungsfeld oder auch nur an ausgewählten Punkten, beispielsweise in Verbindung mit der Leistungsmessung, durchgeführt werden. Durch Vergleich mit entsprechenden Sollwerten kann wiederum eine Abweichung beispielsweise aufgrund der Alterung des La sers oder einer Dejustage des optischen Systems festgestellt werden. In diesem Fall kann in gewissem Rahmen eine Korrektur durch Veränderung des Fokus mittels Ansteuerung der variablen Fokuseinheit 8 über die Steuereinheit 6 vorgenommen werden. For the measurement of the diameter or the focus of the beam 4 , the deflection device 5 and / or the Positioniervor device 10 is controlled so that the deflected beam 4, the aperture 17 of the sensor of FIG. 3 or the aperture 20 of the sensor of FIG. 4 sweeps in two coordinate directions. As a result, the intensity profile of the beam 4 is scanned and the focus or diameter of the beam 4 is calculated from the intensity data obtained from the profile. This measurement can be carried out in the entire exposure field or only at selected points, for example in connection with the power measurement. By comparison with corresponding target values, a deviation can again be determined, for example, due to the aging of the laser or a misalignment of the optical system. In this case, a correction can be made to a certain extent by changing the focus by actuating the variable focus unit 8 via the control unit 6 .

Bei Verwendung des in Fig. 4 gezeigten Sensors 9 wird die Position und Leistung des Strahls 4 aufgrund von Berechnungen ermittelt, und zwar die Position durch Bestimmung des Intensitätsmaximums und die Leistung durch Integration des Profils. Derartige Rechenverfahren sind bekannt, so daß sie hier nicht näher erläutert werden müssen.When using the sensor 9 shown in FIG. 4, the position and power of the beam 4 is determined on the basis of calculations, specifically the position by determining the intensity maximum and the power by integrating the profile. Such calculation methods are known so that they do not have to be explained in more detail here.

Nach der Einstellung und Messung des Strahls 4 wird eine Materialschicht 1 aufgetragen und durch gezieltes Bestrahlen der Schicht 1 mittels des abgelenkten Strahls 4 an den dem Objekt entsprechenden Punkten in der üblichen Weise verfestigt.After the setting and measurement of the beam 4 , a material layer 1 is applied and solidified in the usual way by targeted irradiation of the layer 1 by means of the deflected beam 4 at the points corresponding to the object.

Die Messung des Strahls in der oben beschriebenen Weise kann vor der Herstellung eines Objekts, aber auch zwischen der Verfestigung einzelner Schichten oder auch in größeren Abständen, z. B. tageweise, vorgenommen werden. Festgestellte Abweichungen von zulässigen Werten können auch auf einer Anzeigevorrichtung dargestellt werden.The measurement of the beam in the manner described above can before the creation of an object, but also between the Solidification of individual layers or in larger ones Distances, e.g. B. on a daily basis. Ascertained Deviations from permissible values can also occur on a Display device are shown.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials, mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Schicht (1) des Materi als, einer Strahlungsquelle (3) zur Erzeugung eines gebündelten Strahls (4) der elektromagnetischen Strahlung und einer Ablenkvorrichtung (5) zum Ablenken des gerichteten Strahls (4) auf dem Objekt entsprechende Stellen der Schicht (1), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ablenkeinrich tung (5) und der Schicht (1) ein Sensor (9) zur Messung des Strahls (4) angeordnet ist.1. Device for producing a three-dimensional object by successively solidifying layers of a material that can be solidified by the action of electromagnetic radiation, with a device for producing a layer ( 1 ) of the material as, a radiation source ( 3 ) for generating a bundled beam ( 4 ) of the electromagnetic Radiation and a deflection device ( 5 ) for deflecting the directed beam ( 4 ) on the object corresponding points of the layer ( 1 ), characterized in that between the deflection device ( 5 ) and the layer ( 1 ) a sensor ( 9 ) for measurement the beam ( 4 ) is arranged.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) mit einer Positioniervorrichtung (10) zum Positionieren des Sen sors an einer Mehrzahl von Stellen in einer Ebene paral lel zur Schicht (1) verbunden ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the sensor ( 9 ) is connected to a positioning device ( 10 ) for positioning the sensor at a plurality of locations in a plane parallel to the layer ( 1 ).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (10) als x,y-Positioniervorrichtung ausgebildet ist.3. Device according to claim 2, characterized in that the positioning device ( 10 ) is designed as an x, y positioning device.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich in einer ersten Richtung (X) quer über die Schicht (1) erstreckende und in einer zweiten Richtung (Y) über die Schicht (1) verfahrbare Abstreifvorrichtung (11) vorgesehen ist und daß der Sensor (9) an der Abstreifvorrichtung (11) in der ersten Richtung (X) verschiebbar angeordnet ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a in a first direction (X) across the layer ( 1 ) extending and in a second direction (Y) over the layer ( 1 ) movable stripping device ( 11th ) is provided and that the sensor ( 9 ) on the stripping device ( 11 ) is arranged displaceably in the first direction (X).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) zur Messung der Position, der Leistung und/oder des Durchmessers des Strahls (4) ausgebildet ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor ( 9 ) is designed to measure the position, the power and / or the diameter of the beam ( 4 ).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) als Quadrantendetektor mit mindestens drei Detektorsektoren (12, 13, 14) ausgebildet ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sensor ( 9 ) is designed as a quadrant detector with at least three detector sectors ( 12 , 13 , 14 ).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) einen Einzeldetektor mit einer bis auf eine Blendenöffnung (20) strahlungsundurchlässig abgedeckten, strahlungsempfindlichen Detektorfläche (18) aufweist.7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sensor ( 9 ) has a single detector with a radiation-opaque, except for an aperture ( 20 ) covered, radiation-sensitive detector surface ( 18 ).

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzeldetektor in einem der Quadranten angeordnet ist.8. The device according to claim 6 and 7, characterized in that the single detector in one the quadrant is arranged.

9. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, bei dem aufeinanderfolgende Schichten eines durch elektromagnetische Strahlung verfestigbaren Ma terials aufgetragen und durch Bestrahlung mittels eines gebündelten Strahls an den dem Objekt entsprechenden Stellen der Schichten verfestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Position, die Leistung und/oder der Durchmesser des Strahls an einer Stelle vorzugsweise unmittelbar oberhalb der zu verfestigenden Schicht gemessen wird. 9. Method of making a three-dimensional Object in which successive layers of a Ma solidifiable by electromagnetic radiation terials applied and by irradiation using a focused beam at the object corresponding to the object Places of the layers are solidified characterized in that the position, the performance and / or the diameter of the beam at one point preferably immediately above that to be solidified Layer is measured.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßergebnis mit vorgegebenen Referenzwerten verglichen wird und aufgrund des Vergleichs eine Fehleranzeige oder Korrektur des Strahls vorgenommen wird.10. The method according to claim 9, characterized in that the measurement result with predetermined reference values and is compared an error display or correction of the comparison Beam is made.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung an einer Mehrzahl von Stellen oberhalb der Materialschicht vorgenommen wird.11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the measurement on a Multiple places above the material layer is made.