DE68928485T2

DE68928485T2 - Profilierung eines Strahlungsbündels für Stereolithographie

Info

Publication number: DE68928485T2
Application number: DE68928485T
Authority: DE
Inventors: Thomas Almquist; Stuart Thomas Spence; Harry L Van Tarnoff
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1989-04-17
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2009-04-18
Also published as: DE375097T1; EP0375097A3; DE68929541T2; HK1003490A1; DE68929348T2; EP0375097A2; EP0375097B1; DE68929348D1; DE68928485D1; CA1334052C; DE68929541D1; WO1989011085A1; ATE160968T1; IL89976A0; ATE208702T1; CA1341214C; ATE308414T1

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Ortes eines Reaktionsmittels einer stereolithographischen Vorrichtung und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Profilieren eines Reaktionsmittels einer stereolithographischen Vorrichtung.

Allgemeiner Stand der Technik

In den vergangenen Jahren sind "stereolithographische" Systeme zum Einsatz gekommen, wie beispielsweise solche, die in dem US-Patent Nr. 4 575 330 mit dem Titel "Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch Stereolithographie" beschrieben werden. Die Offenlegung von US-Patent Nr. 4 575 330 wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen, als wenn sie hier umfassend dargestellt würde. Die Stereolithographie ist im Grunde ein Verfahren zum automatischen Bauen von komplizierten Kunststoffteilen durch aufeinanderfolgendes Drucken van Querschnitten von lichthärtbarem Polymer oder dergleichen aufeinander, bis alle dünnen Schichten miteinander verbunden sind und so ein Ganzes bilden. Mit dieser Technologie werden die Teile buchstablich in einer Wanne aus flüssigem Kunststoff gezüchtet. Dieses Herstellungsverfahren ist für das schnelle Reduzieren von Entwurfsideen in ihre physische Form und zur Herstellung von Prototypen besonders leistungsstark.
Lichthärtbare Polymere ("Photopolymere") wechseln bei Vorliegen von Licht vom flüssigen in den festen Zustand, und ihre Lichtempfindlichkeit gegenüber ultraviolettem Licht (UV) ist groß genug, um sie für Modellbaumaterialien praktisch verwendbar zu machen. Das Material, das bei Herstellung eines Teils nicht polymerisiert ist, läßt sich weiterhin verwenden und bleibt bei der Herstellung aufeinanderfolgender Teile in der Wanne. Es kann ein Ultraviolettlaser eingesetzt werden, der einen kleinen intensiven Fleck van UV-Licht erzeugt. Dieser Fleck wird mit einem galvanometrischen X- Y-Spiegelscanner über die Flüssigkeitsoberfläche bewegt.
Der Scanner wird über von einem Rechner erzeugte Vektoren oder dergleichen angesteuert. Mit diesem Verfahren können präzise und komplizierte Muster schnell hergestellt werden.
Der Laserscanner, die Photopolymerwanne und eine Hebevorrichtung bilden zusammen mit einem Steuercomputer eine Stereolithographievorrichtung, die mit "SLA" (stereolithography apparatus) bezeichnet wird. Eine SLA ist so programmiert, daß sie ein Kunststoffteil automatisch herstellt, indem sie jeweils einen Querschnitt "zeichnet" und das Teil Schicht für Schicht aufbaut.
Stereolithographie stellt ein völlig neuartiges Verfahren dar, um schnell komplizierte oder einfache Teile ohne Werkzeugausrüstung herzustellen. Da diese Technologie die Verwendung eines Computers erfordert, um ihre Querschnittsmuster zu erzeugen, ist eine natürliche Datenverbindung zu CAD/CAM vorhanden.
Um wirksam zu sein,muß ein Stereolithographiesystem Informationen über den Brennpunkt, den Laserstrahlschwingungsmodus, die Strahlleistung, die Intensitätsverteilung bzw. das Intensitätsprofil und die Drift des Abtastsystems des zeichnenden Lasers haben, um Teile präzise und effizient herstellen zu können (durch Stereolithographie hergestellte Objekte sind als "Teile" bekannt). Der Strahl muß sich an der Oberfläche der Photopolymerarbeitsflüssigkeit in einem relativen Brennpunkt befinden. Für die Tiefe und Breite des Aushärtens der Arbeitsflüssigkeit sind der Lasermodus, die Intensitätsverteilung und die Strahlleistung sowie die Abtastgeschwindigkeit wichtig. Die "Drift" des Abtastsystems muß periodisch gemessen und korrigiert werden.
Messungen des Strahlprofils (ein Profil der Intensität des Strahls) liefern nützliche Informationen über den Strahl, da sie dazu beitragen können, die folgenden Aufgaben zu bewerkstelligen: 1. Fokussieren der Optik und Korrektur des Astigmatismus und anderer Abbildungsfehler; 2. Messen der Leistung des Strahls (muß jeden Tag erfolgen); 3. Untersuchung des Lasermodus und der Veränderungen des Modus; 4. Kompensation der Drift des Laserabtastsystems; 5. Ermöglichen des Aufzeichnens der Drift für spätere Analyse der Anderungen; 6. Automatisches Kalibrieren der Scanner; 7. Gestatten der einfachen Steuerung der Strahlposition zur Durchführung anderer Messungen (um zum Beispiel die Strahlleistung unabhängig zu messen, um den Leistungskalibrierungsfaktor des Systems zu finden) und 8. Zulassen der Vorhersage der Größe und Form der gehärteten Kunststoffspur.
Aus dem Artikel "Laser beam distribution in the focal region", APPLIED OPTICS, Band 17, Nr. 17, 1. September 1978, Seiten 2673 und 2674 ist eine Versuchsanordnung bekannt, mit der die Intensitätsverteilung eines fokussierten Laserstrahls gemessen werden kann. Die Anordnung besteht aus einer Fokussierlinse, die den Laserstrahl durch eine Lochblende lenkt, und einer hinter der Lochblende montierten Fotodiode. Die Fotodiode und die Lochblende wiederum sind auf einer Bühne montiert, die in drei orthogonalen Richtungen verschoben werden kann, um eine Aufzeichnung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls über seinen Querschnitt hinweg zu gestatten.
Aus JP-A-62-163 933 ist eine weitere Vorrichtung zum Messen der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einem ersten Lichtabschirmmittel mit einer vertikal zur optischen Achse des Laserstrahls angeordneten Lochblende, einem dahinter plazierten Lichtdämpfungsmittel, einem zweiten dahinter plazierten Abschirmmittel und einer Fotodiode, die das durch die Lochblende des zweiten Lichtabschirmmittels tretende Licht empfängt. Schließlich ist für das Verschieben der oben erwähnten Elemente vertikal zur optischen Achse eine bewegliche Bühne vorgesehen. Bei einer derartigen Anordnung kann eine gewünschte Dämpfung erzielt werden, indem die Kombination der Bohrungsdurchmesser der Lochblenden verändert oder der Abstand zwischen dem ersten Lichtabschirmmittel und dem Lichtdämpfungsmittel justiert wird.
Ein weiterer Ansatz des Standes der Technik, um die räumliche Charakterisierung eines Laserstrahls zu erhalten, wird in einem Artikel "Laser beam spatial profile analysis using a two-dimensional photodiode array", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, Band 54, Nr. 7, Juli 1983, Seiten 856 - 860 beschrieben. Diesem Artikel zufolge wird die Verwendung einer Bild erzeugungseinrichtung vorgeschlagen, die aus einem zweidimensionalen Array von Detektorelementen besteht, die auf sichtbares Licht unabhängig reagieren und auf die durch entsprechende Ausleseelektronik seriell zugegriffen wird. Der zu untersuchende Strahl wird über die Detektorfläche hinweg gerastert, um das räumliche Profil des Strahls in der zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Ebene zu liefern.
In einem Artikel "Linearizing Resonant Scanners", aus LASERS & APPLICATIONS, August 1985, Seiten 65 - 69, werden verschiedene Verfahren des Linearisierens resonanter Scanner erörtert. Im Zusammenhang mit digitalen Linearisierern wird vorgeschlagen, in der Bildebene des Scanners außerhalb des aktiven Benutzerbereichs, aber innerhalb der kleinsten Scannerablenkungsamplitude einen "Scanbeginnsensor" (SOS = start-of scan sensor) zu plazieren. Der SOS-Detektor besteht aus einem Zweizellenfotodetektor, dessen Ausgangssignale mit einem festen externen Pegel und miteinander verglichen werden. Gemäß einer weiteren erörterten Ausführungsform ist auch vorgesehen, einen "Scanendesensor" (EOS = end of scan) vorzusehen. Mit Hilfe der Detektoren werden Start- und Endesignale für eine Abtastsequenz des Scanners versandt. Aus EP-B-0 148 138 sind ein Verfahren und ein System bekannt zum Kalibrieren eines Wandlersystems, das sich für Maschinen zum Zusammenbau von Bauteilen, Bohrmaschinen, Zeigesysteme und Zeichenmaschinen eignet.
Das Positioniersystem enthält ein Steuermittel, das zum Senden von Befehlssignalen ausgelegt ist, die das Positioniermittel aktivieren sollen, um einen Gegenstand (z.B. einen Scanner) bezüglich eines Arbeitsbereichs zu lokalisieren, von dem ein Teil als Arbeitsfläche definiert ist. Außerdem sind Mittel vorgesehen (d.h. Wandler) zum Erfassen der Ausrichtung des Scanners, um ein Istwertsignal zu erhalten, das von dem Steuermittel verwendet werden kann. Zum Kalibrieren des Wandlers wird der abgelenkte Lichtstrahl auf den Arbeitsbereich gerichtet, wo eine Anzahl Löcher mit einer bekannten winkelmäßigen Beabstandung vorgesehen sind, unter denen jeweils ein lichtempfindlicher Detektor angeordnet ist. Der Steuercomputer sendet Befehle an den Scanner und empfängt Ausgangssignale vom Wandler und interpretiert die auf die Detektoren auf treffende Lichtintensität. Aufgrund der somit verfügbaren Daten kalibriert der Steuercomputer den Wandler in geeigneten regelmäßigen Abständen, indem er den Strahl die Detektoren abtasten läßt.
Angesichts des oben gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren zum schnellen Bestimmen des Profils eines Strahls in einer stereolithographischen Vorrichtung bereitzustellen und eine stereolithographische Vorrichtung zu kalibrieren und zu normieren und die Drift ihres Spiegelpositionierungssystems zu korrigieren.
Diese Aufgaben werden durch die Vorrichtung gemäß Ansprüche 1 und 2 und den Verfahren von Ansprüchen 21 und 22 gelöst.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen offenbart.
Im einzelnen stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Profilieren eines Strahls bereit. Die Vorrichtung umfaßt ein Mittel zum Messen der Intensität eines Teils des Strahls, wenn der Strahl auf das Meßmittel auftrifft, und ein Mittel zum Verändern der relativen senkrechten Verschiebung des Meßmittels von einem von dem Strahl durchlaufenen Lichtweg, um die Intensität einiger oder aller Teile des Strahls entlang einer Oberfläche zu messen, die zu dem von dem Strahl durchlaufenen Lichtweg im wesentlichen senkrecht ist. Das Verfahren zum Profilieren eines Strahls umfaßt den Schritt, die Intensität eines Querschnittsteils des Strahls mit vorgewählter Größe entlang einer Fläche zu messen, die zu dem von dem Strahl durchlaufenen Lichtweg im wesentlichen senkrecht ist, und den Meßschritt für andere Teile des Strahls entlang der Oberfläche zu wiederholen. Die Meßmittel sind an einer Stelle montiert, die durch die Oberfläche des Arbeitsmediums der stereolithographischen Vorrichtung definiert ist.
Die Vorrichtung und das Verfahren entwickeln eine Intensitätszuordnung des Strahls entlang einer Oberfläche, die zu dem von dem Strahl durchlaufenen Lichtweg im wesentlichen senkrecht ist. Die Intensitätszuordnung gibt die Intensitätswerte an für jedes der Teile des Querschnitts des Strahls, wobei die Teile eine vorgewählte Größe aufweisen. Mit dem so gewonnenen Intensitätsprofil können der Brennpunkt des Strahls bestimmt und justiert werden sowie die Leistung des Strahls berechnet werden (bei einem gegebenen, bekannten Leistungskonvertierungsfaktor). Das Profil des Strahls kann dazu verwendet werden, vorauszusagen,mit welcher Tiefe und Breite der Kunststoff auf der Arbeitsflüssigkeit aushärten wird. Mit der Strahlprofilierungsvorrichtung kann eine Drift der den Strahl abtastenden Vorrichtung erfaßt werden, indem sie als fester Bezugspunkt dient und die Abtastvorrichtungskoordinaten der Strahlmitte bestimmt, mit denen die "Positionierungszuordnung" bzw. Positionierungstabelle neu justiert werden kann, die die Abtastvorrichtung beim Übersetzen von computer-erzeugten Entwürfen in tatsächliche Abmessungen auf der Oberfläche der Flüssigkeit lenkt, die sich verfestigt, um das Objekt zu bilden.
Die derzeit bevorzugte Version des Strahlprofilierungssystems weist einen bedeutsamen ökonomischen Vorteil auf, da sie das Rechensystem und das Lichtstrahlpositionierungssystem nutzt, die in der stereolithographischen Vorrichtung bereits vorliegen.
Obwohl in dem vorliegenden System auf "Laserstrahl" und "galvanometrisches X-Y--Abtastsystem" Bezug genommen wird, ist offensichtlich, daß diese Vorteile auch auf andere mögliche Systeme mit anderen Energiequellen oder Positionierungsmitteln oder Kombinationen aus diesen zutreffen.
Die vorliegende Erfindung liefert auch eine entsprechende neue und verbesserte Vorrichtung und ein entsprechendes neues und verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Ortes eines Reaktionsmittels einer stereolithographischen Vorrichtung auf einer bestimmten Oberfläche eines Arbeitsmediums. Die Vorrichtung und das Verfahren eignen sich zum Normieren und Kalibrieren der stereolithographischen Vorrichtung und zum Korrigieren der Drift eines seiner Spiegelpositionierungssystems.
Bei einer Vorrichtung für die Herstellung von Teilen durch Stereolithographie ist es nützlich, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Normieren und Kalibrieren der Projektion des Reaktionsmittels (bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Laserstrahl) auf ein Arbeitsmedium (bei einer bevorzugten Ausführungsform eine bestimmte Oberfläche eines Photopolymers) zu haben. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine präzise Positionierung des Reaktionsmittels auf dem Arbeitsmedium ermöglicht, indem mindestens ein Sensor vorgesehen wird, der bei oder in der Nähe der bestimmten Oberfläche des Arbeitsmediums positioniert werden kann. Der Sensor ist für das Vorliegen des Reaktionsmittels empfindlich. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind Speichermittel vorgesehen, um Informationen zu speichern, zu denen Positionierungsinformationen zählen, die bewirken, daß das Reaktionsmittel präzise auf den Sensor gerichtet wird, und es wird eine Speichernachschlagetabelle bzw. -zuordnung vorbereitet, die für jeden einer Anzahl spezieller Orte auf der Oberfläche des Arbeitsmediums spezielle Positionierungsinformationen enthält. Mit einer standardmäßigen linearen Interpolationstechnik werden Positionierungsinformationen bestimmt, mit denen sich das Reaktionsmittel auf Punkte zwischen denen in der Nachschlagetabelle richten läßt.
Wärmeeffekte, Abnutzungseffekte und andere Effekte können zum "Driften" des Positionierungsmittels zum Positionieren des Reaktionsmittels führen, so daß das Reaktionsmittel nicht mehr wiederholt auf den gleichen Ort gerichtet werden kann. Durch die obige Vorrichtung und das obige Verfahren werden auch derartige Driftfehler gelindert. Vorzugsweise wird wieder ein Speichermittel verwendet, um zurückliegende Sensorortinformationen zu enthalten, wozu ein vorausgegangener scheinbarer Ort des Sensormittels zählt. Mittel zum Vergleichen der gegenwärtigen Sensorortinformationen und der zurückliegenden Sensorortinformationen ist vorgesehen und kann eine Driftkorrektur zur Verwendung beim Justieren des Positionierungsmittels bestimmen, um Driftfehlereffekte beim Ausrichten des Reaktionsmittels zu eliminieren.
Obige und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden, ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen von Ausführungsbeispielen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figuren 1, 2 und 3 sind Flußdiagramme, die die grundlegenden Konzepte darstellen, die bei der Ausübung des Verfahrens der Stereolithographie eingesetzt werden;
Figur 4 ist eine Kombination aus einem Blockschaltbild, einem Schemadiagramm und einem Aufrißschnitt eines stereolithographischen Systems;
Figur 5 ist ein Blockschaltbild eines stereolithographischen Systems;
Figuren 6 und 7 sind auseinandergezogene perspektivische Ansichten der hauptsächlichen Komponentengruppen in einem stereolithographischen System;
Figur 8 ist eine perspektivische Ansicht des Laser- und Optiksystems in einem stereolithographischen System, das die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
Figur 9A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Strahlprofilierungssensors der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 9B ist eine Draufsicht auf eine Lochblendenplatte für einen Strahlprofilierungssensor der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 10 ist ein Blockschaltbild, das die Vorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 11A ist ein Funktionsblockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen eines Intensitätsprofils eines Strahls;
Figur 11B ist ein Funktionsblockschaltbild eines Verfahrens zum Bewegen eines Strahls beim Durchführen des in Figur 11A beschriebenen Verfahrens;
Figur 11C ist ein Funktionsschaltbild eines Verfahrens zum Lesen der Intensität eines Teils eines Strahls beim Durchführen des in Figur 11A beschriebenen Verfahrens;
Figur 12 ist ein Funktionsschaltbild, das einen Prozeß und Analysen zeigt, die mit dem in Figur 11A beschriebenen Verfahren gekoppelt werden können;
Figur 13 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes Intensitätsprofil für einen von einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugten Strahl zeigt;
Figur 14 zeigt vorausgesagte Härtungstiefenprofile entlang zweier Ächsen, die aus Strahlprofilinformationen von einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden;
Figur 15 zeigt einen Querschnitt einer gehärteten Photopolymerspur, die durch Belichten mit einem Strahl erzeugt wurde;
Figur 16A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kalibrierungsplatte; und
Figur 16B zeigt einen Querschnittsaufriß einer Kalibrierungsplatte.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Das stereolithographische System, bei dem die Vorrichtung und das Verfahren der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, generiert dreidimensionale Objekte durch Schaffen eines Querschnittsmusters des auszubildenden Objekts an einer ausgewählten Fläche eines flüssigen Mediums, z.B. einer UV-härtbaren Flüssigkeit oder dergleichen, die als Reaktion auf entsprechende synergistische Stimulation wie beispielsweise auftreffende Strahlung oder Beshuß mit Elektronen oder anderen Teilchen ihren physischen Zustand verändern kann. Aufeinanderfolgende benachbarte Objektschichten, die entsprechende aufeinanderfolgende benachbarte Querschnitte des Objekts darstellen, werden automatisch ausgebildet und miteinander integriert, um einen schrittweisen laminaren bzw. dünnschichtigen Aufbau des Objekts zu liefern, wodurch während des Ausbildungsprozesses aus einer im wesentlichen ebenen bzw. flächenförmigen Oberfläche des flüssigen Mediums ein dreidimensionales Objekt ausgebildet und gezogen wird. Die Technik wird in den Flußdiagrammen und Schaltbildern der Figuren 1-5 allgemein beschrieben.
In Figur 4 wird ein stereolithographisches System im Aufrißquerschnitt gezeigt. Ein Behälter 21 ist mit einer UV-härtbaren Flüssigkeit 22 oder dergleichen gefüllt, um eine bestimmte Arbeitsfläche 23 zu liefern.
Eine programmierbare Quelle ultravioletten Lichtes 26 oder dergleichen erzeugt in der Ebene der Oberfläche 23 einen Fleck aus ultraviolettem Licht 27. Der Fleck 27 läßt sich durch Bewegen von Spiegeln oder anderen in Figur 4 nicht gezeigten optischen oder mechanischen Elementen, die zusammen mit der Lichtquelle 26 verwendet werden, über die Oberfläche 23 bewegen. Die Position des Flecks 27 auf der Oberfläche 23 wird durch ein Computersteuersystem 28 gesteuert. Das System 28 kann von CAD-Daten gesteuert werden, die von einem Generator 20 in einem CAD Designsystem oder dergleichen erzeugt und in PHIGS-Format oder seinem Äquivalent zu einem computerisierten Konvertierungssystem 21 geleitet werden, wo das Objekt definierende Informationen besonders verarbeitet werden, um Beanspruchung, Curl und Verzerrung zu reduzieren und Auflösung, Festigkeit und Präzision der Reproduktion zu steigern.
Eine bewegliche Hebevorrichtungsplattform 29 innerhalb des Behälters 21 kann selektiv hoch- und hinunterbewegt werden, wobei die Position der Plattform durch das System 28 gesteuert wird. Wenn die Einrichtung arbeitet, erzeugt sie durch schrittweisen Aufbau integrierter Objektschichten wie beispielsweise 30a, 30b, 30c ein dreidimensionales Objekt 30.
Die Oberfläche der UV-härtbaren Flüssigkeit 22 wird in dem Behälter 21 auf einem konstanten Niveau gehalten, und der Fleck aus UV-Licht 27, oder eine andere geeignete Form reaktiver Stimulation mit einer Intensität, die ausreicht, die Flüssigkeit zu härten und sie in ein festes Material umzuwandeln, wird auf programmierte Weise über die Arbeitsfläche 23 bewegt. Wenn die Flüssigkeit 22 härtet und sich festes Material ausbildet, wird die Hebevorrichtungsplattform 29, die sich anfänglich unmittelbar unterhalb der Oberfläche 23 befand, durch ein beliebiges geeignetes Stellglied auf programmierte Weise von der Oberfläche aus nach unten bewegt. Auf diese Weise wird das feste Material, das sich anfänglich gebildet hat, unter die Oberfläche 23 gebracht, und neue Flüssigkeit 22 strömt über die Oberfläche 23. Ein Teil dieser neuen Flüssigkeit wird wiederum durch den programmierten UV- Lichtfleck 27 in festes Material umgewandelt und das neue Material verbindet sich adhäsiv mit dem Material unter ihm. Dieser Prozeß wird solange fortgesetzt, bis das gesamte dreidimensionale Objekt 30 ausgebildet ist. Das Objekt 30 wird dann aus dem Behälter 21 entfernt, und die Vorrichtung ist bereit, ein weiteres Objekt zu produzieren. Es kann dann ein weiteres Objekt produziert werden, oder es kann durch Verändern des Programms im Computer 28 ein neues Objekt hergestellt werden.
Bei der Lichtquelle 26 eines stereolithographischen Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich typischerweise um einen Helium-Cadmium-Ultraviolettlaser wie beispielsweise den von der Firma Liconix aus Sunnyvale, Kalifornien, USA hergestellten HeCd-Multimodenlaser vom Modell 4240-N.
Ein handelsübliches stereolithographisches System wird zusätzlich zu denjenigen Komponenten und Teilsystemen, die zuvor im Zusammenhang mit den schematisch gezeigten Systemen von Figuren 1-5 gezeigt wurden, weitere Komponenten und Teilsysteme aufweisen. Das handelsübliche System würde beispielsweise auch einen Rahmen und ein Gehäuse sowie eine Steuertafel aufweisen.
Es sollte Mittel zum Abschirmen des Bedieners gegenüber übermäßigem UV- und sichtbarem Licht aufweisen, und es kann auch Mittel aufweisen, um das Betrachten des Objekts 30 zu gestatten, während es ausgebildet wird. Handelsübliche Einheiten werden Sicherheitsmittel zum Beherrschen von Ozon und gesundheitsschädlichen Dämpfen sowie herkömmliche Hochspannungssicherheitsmaßnahmen und Verriegelungen aufweisen. Einige handelsübliche Einheiten werden auch Mittel aufweisen, um die empfindliche Elektronik gegenüber Quellen elektronischen Rauschens wirksam abzuschirmen.
Die kommerziell umgesetzte SLA ist ein in sich abgeschlossenes System, das direkt an das CAD-System des Benutzers angeschlossen wird. Eine kommerziell umgesetzte SLA, die die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält, wie sie in Figuren 6 und 7 gezeigt ist, besteht aus vier hauptsächlichen Komponentengruppen: das SLICE-Computerterminal, die Elektronikschrankbaugruppe, die Optikbaugruppe und die Kammerbaugruppe. Ein Schaltbild der kommerziell umgesetzten SLA ist in Figur 5 gezeigt.
Die Elektronikschrankbaugruppe enthält den Prozeßcomputer, die Tastatur, den Monitor, Stromversorgungen, die Wechselstromleistungsverteilertafel und die Steuertafel. Die Computerbaugruppe enthält steckbare Leiterplatten zum Steuern des Terminals, der Hochgeschwindigkeitsabtastspiegel und der vertikalen Hebevorrichtung (z-Tisch). Die Stromversorgungen für den Laser, die dynamischen Spiegel und der Hebevorrichtungsmotor sind im unteren Teil des Schranks montiert.
Die Schalttafel enthält einen beleuchteten Hauptschalter, einen beleuchteten Schalter für das Kammerlicht, eine Laserkontrollampe und eine Kontrolllampe für die offene Blende.
Auf dem Monitor werden in der Regel auch Betriebs- und Wartungsparameter einschließlich Fehlerdiagnose- und Laserleistungsinformationen angezeigt. Der Betrieb wird über Tastatureingaben gesteuert. Die Arbeitsflächen um die Tastatur und den Computer herum sind zum Zweck der leichten Reinigung und für lange Haltbarkeit mit Resopal oder dergleichen beschichtet.
Unter Bezugnahme auf Figur 8 sind der Helium- Cadmium-Laser (HeCd) 100 und die optischen Bauteile auf der Elektronikschrank- und Kammeranordnung 102 montiert. Zur Wartung ist die Laser- und Optikplatte zugänglich, indem getrennte Abdeckungen entfernt werden. Aus Sicherheitsgründen ist ein Spezialwerkzeug erforderlich, um die Abdeckungsverschlüsse zu entriegeln, und Verriegelungsschalter werden aktiviert, wenn die Abdeckungen entfernt werden. Die Verriegelungen aktivieren eine von einem Elektromagneten gesteuerte Blende, die den Laserstrahl blockiert, wenn eine der Abdeckungen entfernt wird.
Wie in Figur 8 gezeigt, sind die Blendenanordnung 104, zwei den Strahl ablenkende Neunzig-Grad-Spiegel 106, 108, ein Strahlspreizer 110, eine X-Y- Abtastspiegelanordnung 112 und ein optisches Präzisionsfenster 114 auf der Optikplatte montiert. Die von einem Elektromagneten betätigten Drehblenden sind am Ausgang des Lasers installiert und drehen sich zur Blockierung des Strahls, wenn eine Sicherheitsverriegelung geöffnet wird. Die den Strahl ablenkenden Neunzig-Grad-Spiegel 106, 108 reflektieren den Laserstrahl zu dem nächsten optischen Bauteil. Der Strahlspreizer 110 vergrößert und fokussiert den Laserstrahl auf die Oberfläche der Flüssigkeit. Die Hochgeschwindigkeitsabtastspiegel lenken den Laserstrahl so, daß er Vektoren auf der Harzoberfläche nachzeichnet. Für diesen Zweck haben sich die von der Firma General Scanning Inc., Watertown, Massachusetts, USA vertriebenen galvanometrischen Abtastköpfe mit zwei Spiegeln und zwei Achsen als zufriedenstellend erwiesen, und in einer bevorzugten Ausführungsform werden ihre X-Y-Servo-Abtastköpfe Modell DX-2005 und ihre galvanometrischen X-Y- Abtastköpfe Modell XY-0507 eingesetzt. Durch ein Quarzfenster 114 zwischen der Optikumhüllung und der Reaktionskammer kann der Laserstrahl in die Reaktionskammer gelangen, ansonsten aber sind die beiden Bereiche voneinander durch das Quarzfenster getrennt. Die Kammeranordnung enthält eine Kammer mit kontrolliertem Klima, in der eine Plattform, eine Harzwanne, eine Hebevorrichtung und Strahlprofilierer untergebracht sind.
Die Kammer, in der das Objekt ausgebildet wird, ist mit Blick auf die Bedienersicherheit und zur Sicherstellung einheitlicher Betriebsbedingungen ausgelegt. Die Kammer kann auf etwa 40ºC (104ºF) erwärmt werden, und die Luft wird umgewälzt und gefiltert. Ein Deckenlicht beleuchtet die Reaktionswanne und die Arbeitsflächen. Eine Verriegelung an der Zugangstür aktiviert beim Öffnen eine Blende, die den Laserstrahl blockiert.
Die Harzwanne ist so ausgelegt, daß sie die Handhabung des Harzes auf ein Minimum reduziert. Sie ist in der Regel in der Kammer auf Führungen installiert, die sie zu der Hebevorrichtung und der Plattform ausrichten.
Das Objekt wird auf einer Plattform ausgebildet, die an der Vertikalachsenhebevorrichtung bzw. dem Z-Tisch befestigt ist. Die Plattform wird in die Harzwanne eingetaucht, und sie wird während der Ausbildung des Objektes schrittweise nach unten justiert. Zum Entfernen des ausgebildeten Teils wird sie in eine Position über der Wanne angehoben. Die Plattform wird dann von der Hebevorrichtung getrennt und zur Nachverarbeitung aus der Kammer entfernt. Gewöhnlich sind Handhabungsschalen vorgesehen, um tropfendes Harz aufzufangen.
Zwei Strahlprofilierungssensoren 116, 118 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind an den Seiten der Harzwanne montiert, und der Brennpunkt des Laseroptiksystems wird an die radialen Sensorpositionen angepaßt (d.h., sie sind unter einem radialen Abstand von den galvanometrischen Scannern montiert, der dem Abstand von den Galvanometern zu einem Punkt entspricht, der 7,62 mm (0,3 Zoll) unter der Oberfläche der Flüssigkeit liegt). (Siehe Figur 7). Der Abtastspiegel wird periodisch angewiesen, den Laserstrahl auf die Strahlprofilierungssensoren zu richten, die das Strahlintensitätsprofil messen. Die Daten können auf dem Terminal entweder als ein Profil mit einer Darstellung von Intensitätswerten oder als eine einzelne Zahl, die die (integrierte) Gesamtintensität des Strahls darstellt, angezeigt werden. Mit diesen Informationen wird bestimmt, ob die Spiegel gereinigt und ausgerichtet werden sollten, ob der Laser gewartet werden sollte, ob die Abtastspiegel gedriftet sind und welche Parameterwerte Vektoren ergeben werden, die mit der gewünschten Dicke und Breite härten.
Die Strahlprofilierungssensoren 116, 118 sind bezüglich der Mitte der Harzwanne symmetrisch angeordnet. (Siehe Figur 7). Vorzugsweise sollten sie von der Wannenmitte aus gemessen ähnliche X- und Y-Offsets (mit entgegengesetzten Werten) aufweisen, doch ist dies nicht erforderlich; das heißt, sie liegen auf einer Diagonale der stereolithographischen Vorrichtung. In Figur 7 sind die Strahlprofilierungssensoren 116, 118 in den Ecken der Kammeranordnung zu sehen. Der Abstand zwischen dem zweiten Abtastspiegel auf der Optikplatte über der Kammeranordnung und der Öffnung jedes Strahlprofilierungssensors ist die Brennweite, die gleich der gewünschten Entfernung der Flüssigkeit von dem Abtastspiegel plus ein kleines Inkrement ist. In der von 3D Systems, Inc. vertriebenen SLA-1 (die in Figuren 6 und 7 gezeigt ist) beträgt diese Entfernung der Flüssigkeit von dem Abtastspiegel etwa 68,6 cm (27 Zoll), und das kleine Inkrement ist ein zusätzliches 7,62 mm (0,3 Zoll), wodurch die Brennweite etwa 69,36 cm (27,3 Zoll) beträgt. Die Strahlprofilierungssensoren 116, 118 von dem zweiten Spiegel um die gewünschte Brennweite zu entfernen, hat den Effekt, daß der beste durchschnittliche Brennpunkt für die vorbestimmte Oberfläche des Photopolymers in der Harzwanne der SLA-1 entdeckt wird. Wenn sich das Photopolymer auf dem gewünschten Niveau befindet, hat der Laserstrahl in der Mitte der Harzwanne eine Brennweite von 7,62 mm (0,3 Zoll) unter der Oberfläche des Photopolymers. Der Brennpunkt des Strahls an der Oberfläche des Photopolymers in der Mitte der Harzwanne wird nur gering schwanken. In der Ecke der 30,48 cm (12 Zoll) großen Harzwanne der SLA-1 wird die Brennweite ungefähr 2,54 cm (1 Zoll) über der Oberfläche des Photopolymers sein. Die Brennweite wird sich auf einem Kreis mit einem Radius von 10,67 cm (4,2 Zoll) um die Mitte der Oberfläche des Photopolymers herum an der Oberfläche des Photopolymers befinden. Durch das Anordnen des Strahlprofilierungssensors bei der Brennweite soll ein optimales Strahlprofil erhalten werden, wenn man berücksichtigt, daß sich die Oberfläche des Photopolymers zum größten Teil nicht bei der Brennweite des Lasers befindet.
Figur 9A ist eine Querschnittsansicht eines Strahlprofilierungssensors 35 einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, und Figur 9B ist eine Draufsicht auf eine in dem Strahlprofilierungssensor verwendete Lochblendenplatte. Der Strahlprofilierungssensor weist eine dünne Metallplatte 40 aus rostfreiem Stahl mit vier geätzten Löchern 45 unterschiedlicher Größe auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben diese Löcher die Durchmesser 0,0127 mm (0,0005 Zoll), 0,0254 mm (0,001 Zoll), 0,0508 mm (0,002 Zoll) und 0,1016 mm (0,004 Zoll). Durch diese Lochblenden kann jeweils ein kleiner Bruchteil des auf die Lochblende auf treffenden Laserstrahls 50 auf einen Fotodetektor 55 unter der Platte 40 fallen. Es sind mehrere Löcher vorgesehen, damit Strahlen mit einem großen Bereich an einfallender Leistung profiliert werden können. Eines der Löcher wird sich am besten zum Messen des Intensitätsprofils eines Strahls gegebener Einfallsleistung eignen. Für die in der SLA-1 eingesetzten HeCd-Laser hat sich eine Lochblende mit einem Durchmesser von 0,0508 mm (2/1000 bzw. 0,002 Zoll) als zufriedenstellend herausgestellt. Der Strahl wird über eine ausgewählte Lochblende in einem X-Y--Array gescannt, um ein zweidimensionales Profil der Strahlintensität aufzubauen.
Wie aus Figur 7 und insbesondere Figur 9A ersichtlich ist, weist der Strahlprofilierungssensor 35 ein zweiteiliges Gehäuse 60 auf. In Figur 9A tritt der Lichtstrahl 50 von rechts aus ein und bewegt sich nach links. Der Strahlprofilierungssensor ist in den Ecken des Raums der Kammeranordnung derart montiert, daß verhindert wird, daß die Harzwanne an den Strahlprofilierungssensor anstößt, wenn sie aus dem Raum heraus- und in diesen hineinbewegt wird (siehe Figur 7).
Nunmehr unter Bezugnahme auf Figur 9A umfaßt der Strahlprofilierungssensor 35 ein geteiltes, zweiteiliges Gehäuse 60, eine Lochblendenplatte 40, einen UV durchlassenden Filter 70, der sichtbares Licht absorbiert und falsche Ablesungen aufgrund sichtbaren Lichts verhindert. Das Filter 70 ist ein zwei Millimeter dickes Filterglas von Schott UG-11, das sich bei einer bevorzugten Ausführungsform für diesen Zweck als annehmbar herausgestellt hat. Die Eigenschaften dieses Filters stellen eine annehmbare Transmission von Licht im Wellenlängenbereich von 300-370 Nanometern bereit, mit beträchtlich weniger Transmittanz bei anderen Wellenlängen. Das Filtermaterial HOYA U-350 mit einer Stärke von einem Millimeter wäre ebenfalls annehmbar. Unterhalb des Filters 70 in dem Strahlprofilierungsgehäuse ist ein Fotodiodensensor 55, der das ultraviolette Licht erfaßt, das von der Lochblende 45 aus durch das Filter 70 geht. Es hat sich herausgestellt, daß eine Vactec VTS 3072 Fotodiode Superblau, verstärkt, der Firma EG&G annehmbar ist. Das Ausgangssignal dieser Fotodiode wird zu einem nicht gezeigten Strom-Spannungs- Verstärker weitergeleitet. Es hat sich herausgestellt, daß ein Strom-Spannungs-Verstärker OP07, dessen Umsetzung dem Fachmann wohlbekannt ist, annehmbar ist.
Die Lochblendenplatte 40 des Strahlprofilierungssensors 35 ist von einem nicht gezeigten Quarzfilter bedeckt. Der Quarzfilter läßt sich reinigen und schützt den Strahlprofilierungssensor vor Staub und Photopolymertropfen. Das Quarzfilter sollte beschichtet sein, um interne Reflexionen zu verhindern, wenn der Fotosensor nicht senkrecht zum Strahl steht, so daß Messungen falscher Formen verhindert werden. Zwischen den Lochblenden kann wahlweise ein nicht gezeigter Diffusor verwendet werden, um dem Filter beim Schützen der optischen Bauteile vor Beschädigung zu helfen.
Figur 10 ist ein Blockschaltbild, das die Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Erfindung liegt ein Steuer- und Analysecomputer zugrunde. Dieser Computer empfängt Eingangssignale von einem Programm, einer Tastatur oder dergleichen und kann Ergebnisse über einen Drucker oder ein Terminal oder dergleichen wiedergeben.
Der Steuer- und Analysecomputer sendet Positionierbefehle an ein Spiegelpositioniersystem, das die X-Y- Scannerspiegel steuert. Der Laserstrahl wird von der in Figur 8 gezeigten Optik fokussiert, so daß er die X-Y- Scannerspiegel erreicht, und wird von diesen Spiegeln zu einem der Strahlprofilierungssensoren gelenkt. Zum Zweck der Driftkorrektur wird die Verwendung zweier Strahlprofilierungssensoren empfohlen. Das Sensorsignal von den Strahlprofilierungssensoren wird in ein Signal umgewandelt, das von dem Computer gelesen werden kann, und das dann zu dem Steuer- und Analysecomputer zurückgeschickt wird, um bearbeitet zu werden, wie im folgenden beschrieben wird.
Physikalisch ausgedrückt bewirkt das Strahlprofilierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, daß der Strahl zu jeder der Punkte eines Arrays auf der Lochblendenplatte bewegt wird, wobei der Strahl in der besten bekannten Position der Lochblende zentriert ist. Unterschiedliche Sektoren des Strahls fallen infolgedessen auf die Lochblende und gehen durch diese hindurch, um von der Fotodiode erfaßt und in ein numerisches Signal umgewandelt zu werden, das von dem Computer analysiert werden kann. Von dem Computer wird ein Profil der Intensität verschiedener Sektoren des Strahls aufgebaut (siehe Figur 13). Dies ist das "Intensitätsprofil" des Strahls.
Figur 11A ist ein Funktionsblockschaltbild, das zeigt, wie ein Strahlprofil gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entwickelt wird. Der beste bekannte Ort einer Lochblende auf dem Strahlprofilierungssensor wird von dem Steuer- und Analysecomputer aus dem Speicher abgerufen und zu dem Spiegelpositionierungssystem geschickt, um die X-Y- Scannerspiegel so zu positionieren, daß sie den Strahl auf diesen besten bekannten Ort lenken. Der Steuer- und Analysecomputer bewegt den Strahl mit Hilfe des Strahlpositionierungssystems zu der ersten Zeile in der ersten Spalte eines quadratischen Arrays, das an dem besten bekannten Ort zentriert ist. Die von dem Strahlprofilierungssensor erfaßte Intensität desjenigen Teils des Strahls, der in die Lochblende eintritt, wird dann gelesen und wird gespeichert, sowie die Spiegelpositionsbefehle, die dieser Intensität zugeordnet sind. Der Strahl wird dann nacheinander von dem ersten bis zu dem letzten Arraypunkt in einer bestimmten Zeile oder Spalte bewegt, und die Schritte des Lesens und des Speicherns von Intensitätswerten werden wiederholt. Der Strahl wird dann nacheinander von der ersten bis zur letzten Arrayspalte bzw. -zeile bewegt, und die Schritte des Bewegens und Lesens werden dann entlang jeder Spalte oder Zeile ausgeführt. Das Ergebnis dessen ist, daß Strahlintensitätsmeßwerte für jede der Positionen auf dem Array genommen werden (dem Computer ist eine "Position" als eine Menge von Spiegelpositionierungsbefehlen bekannt). Eine von dem Steuer- und Analysecomputer durchgeführte Standardanalyse des Arrays von Intensitätswerten wird gewöhnlicherweise durchgeführt, um einen neuen besten bekannten Ort der Lochblende zu generieren (zur Verwendung bei der Durchführung des ersten Schrittes des Abtastprofils beim nächsten Mal), und zwar ungeachtet der gerade tatsächlich analysierten detaillierten Funktion (siehe Figur 12). Mit diesem Mittel kann diese berechnete beste bekannte Position mit großer Präzision gefunden werden, und zwar mit einer Genauigkeit, die viel größer ist als die Größe der Lochblende. Wenn eine angemessene Anzahl von Orten gefunden und gespeichert worden sind, kann das Steuersystem diese Werte mit zweiachsiger linearer Interpolation verwenden, um den Strahl zu diesen oder beliebigen dazwischenliegenden Orten zu bewegen.
Figur 11b ist ein Funktionsschaltbild eines Verfahrens zum Bewegen eines Strahls und Ausführen des im Zusammenhang mit Figur 10A beschriebenen Verfahrens. Um den Strahl zu bewegen, besteht der erste Schritt darin, die den gewünschten Ort betreffenden Strahlpositionierungsinformationen zu dem Servomechanismus der X-Y-Scannerspiegel zu senden. Der Servomechanismus (der analog oder digital sein kann) sendet dann ein Signal an die Spiegelantriebe, um die X-Y-Scannerspiegel an einem neuen Ort zu positionieren. Der Servomechanismus der X-Y- Scannerspiegel mißt die Istposition der Spiegelantriebe und vergleicht die Istposition mit der Sollposition und stellt die Antriebssignale entsprechend nach. Das Nachstellen wird innerhalb der Spezifikationswerte des Sollortes fortgeführt.
Figur 11C ist ein Funktionsblockschaltbild eines Verfahrens zum Lesen der Intensität eines Teils eines Strahls und Ausführen des Verfahrens der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der erste Schritt besteht darin, die Gesamtlichtmenge, die durch die Lochblende geht, in ein Signal umzuwandeln, das dieser Lichtmenge proportional ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird dieser Prozeß von der Fotodiode durchgeführt, die das durch die Lochblende und das Filter kommende Licht mißt. Der Strom von der Fotodiode wird zu einem Strom-Spannungs-Verstärker gesendet, der ein Signal erzeugt, das zu der von der Fotodiode empfangenen Lichtmenge proportional ist. Die Verstärkung des Signals (das proportional zu der Intensität ist) ist wichtig, um einen breiten dynamischen Meßbereich zu schaffen, damit für den Rand des Strahls, der ansonsten verlorenginge, kleine, aber wesentliche Meßwerte erhalten werden. Der nächste Schritt besteht darin, das Signal zu messen, das proportional zu der empfangenen Lichtmenge ist, wonach das Signal zur numerischen Analyse in eine digitale Form umgewandelt wird.
Figur 12 ist ein Punktionsblockschaltbild, das die Prozesse und Analysen zeigt, die mit dem in Figur 11A beschriebenen Verfahren gekoppelt werden können. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, können aus einem Menü verschiedene Prozesse und Analysen ausgewählt werden, wobei die ersten fünf mit der Abtastprofilroutine von Figur 11A in Verbindung stehen. Der erste Schritt besteht darin, das Intensitätsprofil des Strahls gemäß dem im Zusammenhang mit Figur 11A beschriebenen Verfahren abzutasten. Das Intensitätsprofil kann numerisch bzw. in Form einer graphischen Darstellung wiedergegeben werden. Aus dem Intensitätsprofil können aber auch die Leistung sowie ein neuer bester bekannter Ort für die verwendete Lochblende berechnet werden. Ein weiterer möglicher Prozeß besteht darin, die im Zusammenhang mit dem Strahlintensitätsprofil generierten Daten einer Ereignisdatei hinzuzufügen, wobei die Möglichkeit besteht, die Ereignisdatei wiederzugeben. Ein weiterer möglicher Prozeß besteht darin, Driftinformationen für das Spiegelpositionierungssystem zu berechnen und wiederzugeben, wobei im allgemeinen ein zweiter, getrennter Sensor (im Fall der bevorzugten Ausführungsform ein weiterer Strahlprofilierungssensor) abgetastet wird und danach die Offset- und Steigungsterme der Drift berechnet und wiedergegeben werden. Bei einem weiteren Prozeß wird die Leistung des Strahls berechnet und wiedergegeben, wobei die Intensitäten eines Profils summiert und mit einem Leistungsumwandlungsfaktor multipliziert werden. Der Leistungsumwandlungsfaktor kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, daß der Prozeß mit einem Strahl bekannter Leistung zur Anwendung kommt oder daß die berechnete Leistung mit der eines kalibrierten Sensors verglichen und der erforderliche Steigungsfaktor bestimmt wird. Eine weitere Funktion stellt die Berechnung und die Wiedergabe von Brennpunkt-informationen dar, mit e 4 C 4 C 4 4 cce c
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einer möglichen Option, eine besondere Transformation der verwendeten Intensitätsdaten zum Berechnen von Brennpunktinformationen zu verwenden, und mit bekannten Harzeigenschaften die Form und Größe der gehärteten Spuren aus Photopolymer vorauszusagen. Eine weitere mögliche Funktion besteht darin, für den Aufbau (zur Herstellung von Teilen), für Tests usw. den Strahl zu dem gewünschten Ort zu bewegen,mit einer Option, von diesem neuen Ort aus nach dem Sensor- bzw. Abtastprofil zu suchen. Eine nützliche Funktion ist, auf spiralförmige Weise zu bewegen und zu lesen, um nach Sensorlochblenden zu suchen. Dies kann erforderlich sein, wenn der beste bekannte Ort der Lochblende nicht präzise ist, für den Fall, daß beim Abtasten des Arrays der beste bekannte Ort der Lochblende nicht erfaßt wird. Ein weiterer Schritt kann darin bestehen, die Feststellungen (bezüglich des Ortes der Lochblende) über Test oder Abtastprofil zu verifizieren Noch eine weitere Funktion besteht in der Verwendung des Strahlprofilierers bei der Kalibrierung, wobei die Drift gemessen wird und gleichzeitig eine der Oberfläche des Photopolymers entsprechende Kalibrierungszuordnung für die Oberfläche erhalten wird. Eine letzte Funktion besteht darin, in der Maschine die Parameter des besten bekannten Ortes, Skalierungsfaktoren, Harzeigenschaften usw. abzuspeichern.
Figur 13 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes, durch eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung generiertes Intensitätsprofil für einen Laserstrahl zeigt. Die numerischen Werte entsprechen der gemessenen Intensität eines Strahls in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zum leichteren Ablesen der Anzeige sind die Zahlen in ganze Zahlen umgewandelt worden.
Mit dem durch die vorliegende Erfindung generierten Intensitätsprofil kann die Leistung des Strahls berechnet und die Form und Abmessung einer gehärteten Spur aus Photopolymer vorausgesagt werden (das verfestigte Photopolymer aufgrund der Belichtung mit dem Strahl aus UV-Licht), wie die folgende Erläuterung zeigt.
Die Intensität des Strahls wird durch die Strahlprofilierungsvorrichtung gemessen, wenn der Strahl auf jeden Punkt eines Arrays auf der Lochblendenplatte gerichtet wird, bei der es sich um eine Oberfläche handelt, die im allgemeinen senkrecht zu dem von dem Strahl genommenen Lichtweg steht. Die Richtungen x und y auf dieser Oberfläche entsprechen den Richtungen, die der Strahl einschlägt, wenn sich der eine oder der andere Abtastspiegel dreht.
Die x- und y-Koordinaten des Arrays sind 1 bis imax bzw. 1 bis jmax (in der Regel sind imax und jmax beide gleich 22).
In der Regel wird der Strahl schrittweise von Punkt zu Punkt in dem Array bewegt, wobei die Zeit für die Bewegung viel geringer ist als die Zeit, während der der Strahl an einem Punkt bleibt. Der Abstand zwischen Punkten beträgt:
s (mm) = Abtastschritt 1 Skalierungsfaktor [Gl. 1]
Der Abtastschritt beträgt in der Regel 4 "Bit", und der Skalierungsfaktor beträgt in der Regel 140 Bit/mm. Jeder der Abtastspiegel kann über eine 40º-Drehung des optischen Strahls 65535 (64 K) unterschiedliche Positionen einnehmen. Dies wiederum bedeutet, daß 1 Bit entlang der x- bzw. y-Achse einer Drehung von 6,104 x 10&supmin;&sup4; Grad entspricht. Da der Abstand zwischen dem Spiegel und der Flüssigkeit etwa 27 Zoll beträgt, entspricht diese Winkeldrehung einer Translation auf der Oberfläche der Flüssigkeit von 2,875 x 10&supmin;&sup4; Zoll oder entsprechend 137 Bit/mm oder etwa 140 Bit/mm.
Die Fläche des Arrays muß den vollen Strahl überdecken (eine Messung des ganzen Strahls ist zur Leistungskalibrierung erforderlich sowie dafür, über den Strahl soviel Informationen wie möglich zu produzieren), und muß eine für die Auflösung des erwünschten Strahlprofils ausreichende Anzahl von Punkten aufweisen. Der Abstand zwischen Punkten in diesem Array beträgt in der Regel weniger als ein Zehntel der Strahlbreite. Der Durchmesser der Lochblende sollte unter dieser Auflösungsgrenze liegen.
Ein "Element" ist der Teil eines Strahls, der gemessen wird, wenn der Strahl auf einen Punkt (m, n) des Arrays gerichtet wird. Jedes Element (m, n) hat einen Intensitätsmeßwert I (m, n). Die Buchstaben m,n beziehen sich auf Positionen bzw. Punkte in der x- bzw. y-Richtung in dem Array. Figur 13 zeigt Intensitätsmeßwerte in einem Array, das dem hier erörterten größtenteils ähnlich ist.
Die Strahlleistung wird unabhängig gemessen, und der Leistungskalibrierungsfaktor k wird abgeleitet aus der folgenden Gleichung:
k * Σ I (m, n) = Leistung (Watt)
m,n [Gl. 2]
Der Leistungskalibrierungsfaktor k trifft nur auf das ausgewählte Lochblenden- und Meßsystem und die ausgewählte Laserwellenlänge zu. Die unabhängige Leistungsmessung muß an dem Strahl durchgeführt werden, nachdem der Strahl die gleiche Anzahl optischer Flächen in dem Strahlweg durchquert hat. Bei diesen Berechnungen wird außerdem angenommen, daß die Hintergrund-Lichtsignale eliminiert worden sind und die Verstärkerskalierung kompensiert worden ist.
Am Element (m, n) ist die Leistung pro Flächeneinheit gegeben durch:
Intensität (bei Element m,n) = k * I(m, n)/s² (Watt/mm²) [Gl. 3]
Dies ist die von einer kleinen Fläche in dem (m, n)-Element erfahrene Momentanintensität, unabhängig davon, ob der Strahl stationär ist oder sich bewegt.
Wenn sich der Strahl gleichmäßig mit der Geschwindigkeit v (mm/s) entlang der y-Achse bewegt, dann benötigt er eine Zeit gleich slv, um jedes Element zu passieren, und die aus dem Element (m, n) pro Flächeneinheit absorbierte Belichtungsenergie beträgt:
Belichtung durch Element (m, n) = k * I (m, n) / s². (s/v) (Joule/mm²)
[Gl. 4]
Dies ist die aus einem bestimmten Element (m, n) des Strahls absorbierte Energie pro Flächeneinheit.
Die Gesamtbelichtung (absorbierte Strahlenergie), wenn der ganze Strahl eine Fläche passiert, die flächenmäßig wie oben definiert einem Element äquivalent ist, beträgt:
Belichtung bei m = k * I(m, n) / s² * (s/v) (Joule/mm²) [Gl. 5]
Physikalisch ausgedrückt stellt diese Gleichung eine Situation dar, in der der Strahl in der y-Richtung eine Fläche überquert, die flächenmäßig einem Element des Strahls äquivalent ist, und zwar in dem Sinne, wie der Ausdruck Element oben verwendet wird. Die Fläche wird von den der x-Koordinate m entsprechenden Elementen des Strahls überquert, so daß die Fläche, die die Größe eines Elements aufweist, bei m allen Elementen (m, n) des Strahls ausgesetzt ist, wenn n zwischen 0 und jmax variiert.
Die oben beschriebenen Berechnungen basieren auf diskreten Elementen, könnten offensichtlich aber auch verallgemeinert werden, so daß Integrale verwendet werden. Zweckmäßigerweise wird angenommen, daß die Bewegung entlang der y-Achse erfolgt. Andere Winkel können auf einfache Weise abgeleitet werden, und sind möglicherweise erforderlich, wenn der Strahl asymmetrisch ist.
Die Geschwindigkeit v entspricht wie folgt den Parametern SS und SP:
v = (SS / Skalierungsfaktor) (SP / 100.000) (mm/s) [Gl. 6]
Wobei:
SS = Schrittgröße in Bit pro Schritt;
Skalierungsfaktor normalerweise 140 Bit/mm ist;
SP/100.000 = Schrittperiode in Sekunden (SP-Einheiten sind Einheiten gleich 10 Mikrosekunden); und
1E6 = 1.000.000 ein Konversionsfaktor zwischen Joule / mm² und Joule / m² bzw. Mikrojoule / mm² ist
Gleichungen 5 und 6 werden kombiniert, um die Gesamtbelichtung (einfallende Leistung, d.h. Energie) an dem Sensor bzw. an der Oberfläche der Flüssigkeit (des Photopolymers), die durch Z=0 dargestellt ist, auf einer kleinen Fläche an einer Position m bei Bewegung des Strahls in der y-Richtung zu berechnen:
Belichtung bei (m, z=0):
Die Absorption des Strahls bei seinem Eindringen in die Flüssigkeit kann schließlich noch gemäß dem Beer'schen Gesetz kompensiert werden:
E(m, z) = E(m, 0) * exp (-z/lambda) [Gl. 8]
Wobei:
lambda die Eindringtiefe (mm);
E(m, 0) die summierte Belichtung an der Oberfläche; und
E(m, z) die Belichtung in einer Tiefe z unterhalb der Oberfläche (mm) ist. Es wird angenommen, daß die Schwächung bei der Absorption weder Nichtlinearitäten noch und wird eine Zeitabhängigkeit aufweist einfach dargestellt durch I(z)=I(z=0) * exp (-z/lambda). Es ist klar, daß an den vorangegangenen Berechnungen entsprechende Modifikationen vorgenommen werden können, um Abweichungen von dem obigen, einfachen, absorbierenden Verhalten zu berücksichtigen.
Versuche haben ergeben, daß das Photopolymer bis zu einem Gel härtet, wenn die Belichtung über einem kritischen Wert Ec liegt, so daß bei einem beliebigen gegebenen System die Form einer Spur aus gehärtetem Kunststoff vorausgesagt werden kann, indem der Ort der Punkte mit der Belichtung Ec berechnet wird. Ec kann für jedes Photopolymer präzise und getrennt gemessen werden. Der "Gelierpunkt" gibt nur die Grenze an zwischen "gehärtet" und "nicht gehärtet" und läßt den (mit der Eindringtiefe in Zusammenhang stehenden) Gradienten in der Belichtung bei Harztiefen außer acht, die sich von der Ec- Grenztiefe unterscheiden. Die Stärke des Teils steht anscheinend mit der höheren Belichtung in Beziehung, weshalb die Absorptionseigenschaften so gewählt werden sollten, daß sie den besten (höchsten) Härtungsgradienten ergeben. Der Gradient bzw. die Eindringtiefe begrenzt auch die beste zur Verfügung stehende Auflösung in der z- Richtung, da bei der Belichtung eine gewisse Schwankung (überkreuzende Linien usw.) unvermeidlich ist und dies mit diesen Schwankungen bei der Belichtung zu Veränderungen der Härtungstiefe führt.
Für einen beliebigen x-Ort (m) erhält man die gehärtete Tiefe zc(m) aus:
zc(m) = lambda * 1n (E(m, z=0) / Ec) [Gl. 9]
Mit einem Strahlprofil, das mit ausreichender Zuverlässigkeit und Präzision gemessen worden ist, können lediglich in Abhängigkeit von chemischen Eigenschaften eines Harzes Härtungstiefen vorausgesagt werden. Figur 14 zeigt zwei Beispiele für derartige Voraussagen, und zwar entlang der x- bzw. y-Achse. Die Profilfunktion (m, Z) gestattet automatisch auch eine Voraussage der Spurbreite als Funktion der Tiefe (und mit entsprechenden Modifikationen der "Strahlbreite" und des "kleinsten Oberflächenwinkels"). "Banjo-Tops" herzustellen und zu messen, d.h. von dem Strahl gehärtete Spuren, um die Form und die Abmessungen des gehärteten Photopolymers direkt zu bestimmen, wird lediglich als interner Check des Systems erforderlich sein. Die Figur 15 zeigt einen Querschnitt einer Prüfspur eines Banjo-Tops. Figur 15 soll mit Figur 14 verglichen werden.
Um das vorausgesagte Spurprofil wiederzugeben, wird über den Strahl hinweg ein skaliertes Diagramm der Härtungstiefe über die Position aufgenommen. Der Skalierungsfaktor für den Abstand über den Strahl hinweg ist leicht, wobei man lediglich eine Spalte (oder Zeile usw.) des Scans mit einer Abmessung 5 auswählt, die einem Bildelement bzw. Graphikdisplayblock entspricht. Die Tiefenskala ist dann lambda/s Bildelemente (bzw. Blöcke) für jeden Anstieg der Belichtung um einen Faktor e. Das einzige willkürliche Merkmal ist der Nullwert der Tiefe, der zu der charakteristischen Belichtung Ec von Gl. 9 oder äquivalenten Faktoren von Gl. 7 in Beziehung steht. Die anzuzeigende Tiefe wird durch den Dynamikbereich des Intensitätsmeßsystems und das Abschneiden bei I(m, n)≥ einen beliebigen entsprechenden Wert in der Nähe des Rauschpegels bestimmt.
Programmausdrucke der Software einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind den Anmeldungsgegenständen als Anhänge F und K beigefügt.

Kalibrierung und Normierung

Wie oben schon darauf hingewiesen wurde, ist es bei einer stereolithographischen Vorrichtung wünschenswert, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen zum Kalibrieren des Ausrichtens eines Reaktionsmittels auf einem Arbeitsmedium, um die Präzision und Genauigkeit zu verbessern.
Kalibrierungsprozeduren einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestatten die Erstellung einer "Zuordnung" aus einem Design im CAD-Raum zu Zeichenanweisungen auf der tatsächlichen SLA. Bei allen automatisierten Bausystemen werden verschiedene unterschiedliche Fehlerquellen auftreten, die über Kalibrierungsprozeduren korrigiert werden müssen. Das vorliegende System weist ein Paar Abtastspiegel auf, die nahe beieinander liegen, und eine einfache Zuordnung von CAD-Abmessungen zu den Winkeln der Spiegel wird, falls sie nicht korrigiert wird, zu einer kissenförmigen Verzerrung führen. Die Ursache dafür liegt darin, daß das System auf einer ebenen Oberfläche aufbaut, wobei mit größerer Entfernung von demjenigen Punkt auf der Oberfläche, der den Spiegeln am nächsten liegt, gleiche Winkelzuwächse auf zunehmend größere Abstände auf der Oberfläche projezieren.
Bei dem vorliegenden System ist dies nun einmal die vorherrschende Verzerrung, und von der Geometrie her ist sie voraussagbar, so daß ihre Korrektur berechnet werden könnte. Allerdings treten noch zahlreiche andere Fehler und Verzerrungen auf, die kompensiert werden müssen, und viele von ihnen lassen sich nicht ohne weiteres voraussagen.
Das Kalibrierungs- und Normierungssystem der vorliegenden Erfindung läßt sich in einem breiten Feld von Anwendungen und Systemen verwenden und generiert automatisch eine "Nachschlagetabelle", um die Konvertierung von CAD-Orten in Befehle zu ermöglichen, die zu dem Abtastsystem geschickt werden, um das beabsichtigte Muster auf der Arbeitsfläche zu zeichnen. Der Ausdruck "Normierung" kann verwendet werden, um zu bezeichnen, daß jeweils mehr als eine Abmessung korrigiert wird, während "Kalibrierung" Assoziationen haben könnte, daß auf ein System ein einzelner Skalierungsfaktor angewendet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen einzelnen Positionssensor (Strahlprofilsensor) auf, der automatisch zu einem Array von Punkten auf der Arbeitsfläche bewegt wird, wonach eine Aufzeichnung der entsprechenden Spiegelanweisungen erstellt wird, die erforderlich sind, um jeden dieser Punkte zu erreichen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein quadratisches Array aus Sensorlochblenden eingesetzt, so daß keine Bewegung des Sensors erforderlich ist. Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein lineares Array aus Lochblendensensoren eingesetzt, die lediglich entlang einer Achse bewegt werden müssen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf Figuren 16A und 16B wird die quadratische Kalibrierungsplatte 200 einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine für Ultraviolett undurchlässige metallische Beschichtung 206 wird durch Aufdampfen auf ein Substrat 204 gebildet, das vorzugsweise aus Quarz oder Hartglas mit einer Dicke von 3,175 mm (1/8 Zoll) bis 6,35 mm (1/4 Zoll) ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Array aus 49 × 49 Löchern 202 mit einem Mittenabstand von 6,35 mm (1/4 Zoll) in die für Ultraviolett undurchlässige metallische Beschichtung 206 geätzt. Jedes geätzte Loch weist einen Durchmesser von 0,102 ± 0,013 mm (0,004 Zoll ± 0,0005 Zoll) auf, obwohl es für die beste Auflösung nur wichtig ist, daß das Loch einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des projezierten Strahls an der Platte. Unterhalb der Platte sind nicht gezeigte Sensoren montiert, die so angeordnet sind, daß sie sich bei Verwendung der Kalibrierungsplatte am präzisen Ort der Oberfläche des Arbeitsmediums befinden.
Bei einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Array aus 5 × 5 bzw. 25 für UV-Licht empfindliche Fotodioden 208 zusammen mit der Kalibrierüngsplatte eingesetzt. Da UV-Licht nur durch eine der Lochblenden in die Platte eintreten kann, und weil das Plattenmaterial im allgemeinen eintretendes Licht streut, breitet sich in eine Lochblende eintretendes Licht horizontal über den präzisen Ort der Lochblende hinaus aus, so daß bei einer bevorzugten Ausführungsform 25 Sensoren wie die in diesem Text weiter oben beschriebenen Sensoren ausreichen, um das gesamte 49 × 49-Array aus Lochblenden abzudecken.
Eine Kalibrierunguprozedur wird in der Regel vor dem Versand einer SLA an einen Kunden und nach jeder physischen Beschädigung des Spiegelsteuersystems, was im allgemeinen die Kalibrierung der SLA zunichte macht, ausgeführt.
Die Kalibrierungsprozedur verwendet bei Betrieb die gleiche Strahlprofilierungsmethodik, um aus dem Schwerpunkt der Abtastdaten für eine Lochblende einen "besten Ort" zu erhalten.
Es wird ein neuer "bester Ort" erhalten, und zwar im Fall der Platte für jede Lochblende, im Fall des linearen Arrays für jeden Lochblendenspaltenort und im Fall eines an gewissen vorbestimmten Orten positionierten Sensors für jeden vorbestimmten Ort. Es ist nicht immer erforderlich, jede Lochblende abzutasten, um eine funktionierende und praktisch verwendbare Nachschlagetabelle zu erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden lediglich etwa 40 × 40 Lochblenden lokalisiert und zugeordnet. In Fällen, wo kleinere geometrische Verzerrungen auftreten oder wenn weniger Präzision gewünscht ist oder wenn die anderen Verzerrungsursachen sich für eine Korrektur eignen, die sich mehr auf Interpolation verläßt, könnten weniger Lochblenden zugeordnet werden. Bezüglich der x- und y-Orte wird eine lineare Interpolation verwendet, um die Spiegelpositionierung für Punkte zu bestimmen, die zwischen den in der Nachschlagetabelle im Speicher gespeicherten "besten Orten" liegen. Die entsprechende Anzahl der Lochblenden wird bestimmt aufgrund dieser Überlegungen, der zur Durchführung der Kalibrierung erforderlichen Zeit und des zum Speichern der Nachschlagetabelle zur Verfügung stehenden Systemspeichers.
Die Driftkorrekturvorrichtung und das Driftkorrekturverfahren, die weiter unten beschrieben werden, werden wahlweise und vorzugsweise zusammen mit Kalibrierung verwendet, um präzisere und genauere Ergebnisse zu erhalten. Analog dazu werden während des Teilebaus das gleiche Driftkorrekturverfahren und die gleiche Driftkorrekturvorrichtung verwendet, um Präzision und Genauigkeit zu erhöhen.
Das Verfahren einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten kurz dargelegt:
SCHRITT 1: Der Benutzer setzt die Kalibrierungsplatte in die SLA-Baukammer ein, wobei die Sensorlochblenden der Platte dort positioniert sind, wo sich üblicherweise die Flüssigkeitsoberfläche befindet; der Benutzer legt die Verzögerungszeiten zwischen dem Ablesen der Sensoren 1 und 2 (feste Strahlprofilsensoren 116, 118) und den Orten der (als "Sensor 3" betrachteten) Kalibrierungsplatte fest.
SCHRITT 2: Sensoren 1 und 2 sind wieder dort angeordnet, wo sie angeordnet sind, wenn das erste Abtastprofil auftritt, um ihre offensichtlichen Koordinaten in Bezug auf Spiegelpositions informationen endgültig festzulegen und zu speichern.
SCHRITT 3: Zentrieren der Kalibrierungsplatte durch Bestimmen, ob die Leitkoordinaten des mittleren Sensors 3 innerhalb annehmbarer Toleranzen liegen. Die Koordinaten der mittleren Platte sollten den mittleren Koordinaten der Spiegelpositionierung entsprechen. Diese Konfiguration gestattet maximale, gleiche Spiegelbewegungen in alle Richtungen.
SCHRITT 4: Die Steigung der Kalibrierungsplatte (Sensor 3) wird eingestellt, indem das mittlere Loch der Platte (das durch den im Strahlprofil Figur 1 definierten Finde-Sensor-Algorithmus gefunden wird) gelesen wird. Die tatsächliche Strahlintensität wird abgeleitet, indem Sensor 3 mit und ohne den Strahl im mittleren Loch gelesen wird. Auf diese Weise wird das Hintergrundrauschen subtrahiert, das Sensor 3 empfängt. Die Steigungssteuerung wird von dem Benutzer solange nachgeregelt, bis die Empfindlichkeit des Sensors optimiert ist.
SCHRITT 5: Die Ränder der Kalibrierungsplatte werden festgelegt, indem der Strahl von den Löchern der Platte aus schrittweise zu den Rändern der Platte bewegt wird (1 = West, 2 = Nord, 3 = Süd und 4 = Ost).
A) Bewegen in Richtung 1, Lokalisieren von Löchern entlang des Weges durch Bewegen um einen vorbestimmten Wert (Bit/Lochabstand). Bit beziehen sich auf Spiegelkoordinatenveränderungwerte.
B) Wenn die bekannte Anzahl von Löchern vor dem Rand gelesen ist, wird eine weitere Bewegung "Bit/Lochabstand" ausgeführt.
C) Wenn ein Leseschritt dort ein Loch antrifft, ist entweder die Steigung nicht korrekt eingestellt, da ein falsches Loch gelesen worden ist, oder die Suche ist am Loch rechts von dem mittleren Loch begonnen worden. Rückkehr zu Schritt 3.
D) Wenn kein Loch erfaßt wird, sind der linke und der rechte Rand nun festgelegt.
E) Der Strahl kehrt zu dem mit tleren Loch zurück und beginnt eine Suche nach dem hinteren Rand, auf ähnliche Weise wie A-D.
F) Nachdem über die Bewegungen 1 und 2 alle Ränder festgestellt worden sind, wird mit den Werten der Lochorte für die Bewegungen 1, 2, 3 und 4 über die Platte hinweg in Spiegelbit eine "grobe Zuordnung der Lochabstände" aufgebaut. Bewegung 4 läßt den Strahl beim Plattenloch (1,1).
SCHRITT 6: Schnelle Suche nach allen Orten von Plattenlöchern. Falls irgendein Loch nicht lokalisiert werden kann, wird der Strahl an seinem wahrscheinlichsten Ort gelassen, wie er durch die "grobe Zuordnung von Lochabständen" bestimmt ist, und fordert den Benutzer auf, den Ort des Loches auf Staub hin zu untersuchen. Nach der Wartezeit wird der Prozeß des Findens solang wiederaufgenommen, bis das Loch gefunden ist oder der Benutzer abbricht. Bei diesem Prozeß kann die Steigung rückgesetzt werden, wenn der Benutzer dies wünscht. Wird die Steigung verändert, so beginnt der Benutzer die schnelle Suche wieder bei Loch (1,1).
SCHRITT 7: Nach dem Lokalisieren aller Plattenlöcher durch die schnelle Suche wird mit den angeforderten Verzögerungen von Schritt 1 eine abschließende Suche durchgeführt. Es stellt sich außerdem heraus, daß sowohl bei der schnellen als auch bei der abschließenden Suche die Orte der Sensoren 1 und 2 die Korrekturen STEIGUNG und OFFSET bestimmen, die mit den Intervallen (Ende jeder Zeile) von Spiegelbitbewegungen zu den gleichen Orten gemacht werden müssen. Diese Korrekturfaktoren werden proportional angewendet, um jeden der Kalibrierungsorte auf eine auf einem einzelnen Satz von Referenzorten der festen Sensoren 1 und 2 normierte Weise zu korrigieren.
SCHRITT 8: Nachdem die abschließende Suche alle Daten über Steigung, Offset, Intensität und Orte gespeichert hat, endet die Prozedur.

Driftkorrektur

Die Driftkorrektur ist eine Prozedur, die die Drift u.a. des Spiegelpositionierungssystems kompensiert, indem sie die scheinbare Position eines oder mehrerer Strahlprofilsensoren (die hier als "Sensormittel" bezeichnet werden) periodisch überprüft. Messungen von Veränderungen der scheinbaren Position eines einzelnen Sensors gestatten die Kompensierung der Drift der "Nulleinstellung" des Spiegelsystems, zwei getrennte Sensoren gestatten zusätzlich noch die Korrektur von ansonsten nicht kompensierter Steigung in dem System und/oder ansonsten nicht kompensierten Veränderungen der Größe von Teilen der SLA aufgrund von Wärme- und anderen Effekten. Andere Fehler können korrigiert werden, indem noch mehr Sensoren eingesetzt werden, obwohl bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwei Strahlprofilsensoren als ausreichend erachtet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Kalibrierungsvorgang periodisch durchgeführt. Bei der Kalibrierungsprozedur wird mit einer eine Anzahl von Löchern und Sensoren aufweisenden Platte im Systemspeicher eine Tabelle von Spiegelpositionseinstellungen generiert, die festen vorbestimmten Orten auf der Platte entsprechen.
Während der Zeit, in der eine Kalibrierung durchgeführt wird, überprüft das System periodisch die scheinbaren Orte zweier Sensoren. Mit diesen Messungen werden die Kalibrierungsmessungen für dieses Ausmaß an Drift korrigiert, so daß die Werte alle auf ein "Standardpaar" scheinbarer Positionen der beiden Sensoren normiert sind. Wenn später ein Teil gebaut wird, werden die beiden gleichen Sensoren wieder periodisch abgetastet, und mit den scheinbaren Positionen können Veränderungen bei der Nulleinstellung und der Steigung des Spiegelsystems im Hinblick auf den Zeitpunkt korrigiert werden, zu dem die Kalibrierung durchgeführt wurde. Es hat sich herausgestellt, daß diese Prozedur 90% des durch die Drift der Spiegel hervorgerufenen Fehlers beseitigt. Eine Beschreibung der Kalibrierungsprozedur wird weiter oben geliefert.
Bei dem Driftkompensationsverfahren und bei der Driftkompensationsvorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zwei Strahlprofilsensoren, die erfassen können, wann der Laserstrahl über das Spiegelpositionierungssystem auf sie gerichtet wird, an vorbestimmten Orten fest montiert, die bezüglich einer bestimmten Oberfläche des verfestigbaren Arbeitsmediums festgelegt sind, auf das das Reaktionsmittel zum Verfestigen des Mediums auftrifft.
Der Laserstrahl wird periodisch in Richtung der Sensoren geführt, und Sensorortausgabemittel liefern eine Ausgabe des scheinbaren Ortes der Sensoren. Die aktuellen scheinbaren Orte der Sensoren werden mit einem zurückliegenden scheinbaren Ort der Sensoren verglichen, der in dem Speicher gespeichert ist, und ein Unterschied zeigt die Notwendigkeit für eine Driftkorrektur an.
Wenn beispielsweise ein einzelner Sensor Nr. 1 in Gebrauch ist, wies dieser Sensor Nr. 1 eine vergangene scheinbare Position von x = 20, y = 20 und eine aktuelle scheinbare Position von x = 22, y = 22 auf, dann ist eine Drift von +2x und +2y eingetreten, und das Spiegelpositionierungssystem kann einen entsprechenden Korrekturfaktor anwenden, um den Strahl auf den gewünschten Ort zu richten. Wenn, als weiteres Beispiel, zusätzlich zu diesem ersten Sensor ein zweiter Sensor verwendet wird, dann könnte der zweite Sensor bei der Kalibrierung mit x = 64000, y = 64000 gelesen werden und eine aktuelle offensichtliche Position von x = 64004, y = 64003 aufweisen. Wenn dies der Fall wäre, so würde zusätzlich zu einer linearen Verschiebung von +2x, +2y über das ganze System hinweg (wobei die beiden Sensoren zweckmäßigerweise auf einer Diagonalen liegen) auch eine Steigung bzw. eine Streckung von +2x, +1y des scheinbaren Abstandes zwischen Sensoren Nr. 1 und Nr. 2 vorliegen, und es wird für verschiedene Orte bezüglich Sensor Nr. 1 eine proportional unterschiedliche Streckung erwartet und korrigiert. Beim Kompensieren könnte man sich der linearen Interpolation bedienen, um das Spiegelpositionierungssystem beim Kompensieren des Steigungsterms in dem Driftfehler zu unterstützen.
Um bei Verwendung der Stereolithographie einen genaueren Teilebau zu erzielen, wurde ein besonderer Computersoftwarealgorithmus entwickelt. Dieser als Driftkorrekturalgorithmus bekannte Algorithmus kann als zwei Teile aufweisend betrachtet werden.
Bei dem ersten Teil handelt es sich um Programmcode, der den Wert der bei der Driftkorrektur verwendeten Variablen bestimmt. Bei dem zweiten Teil handelt es sich um Programmcode für das Anwenden dieser Variablen zum Korrigieren der Drift.
Folgendes sind die Driftkorrekturvariablen:
* die Steigung auf der x-Achse, die in unseren Beispielen als DriftGainx bezeichnet wird
* der Offset auf der x-Achse DriftOffsetX
* die Steigung auf der y-Achse DriftGainY
* der Offset auf der y-Achse DriftOffsety
Mit den Variablen wird ein Korrekturfaktor berechnet, der auf alle x, y-Koordinatenpositionen der Laserspiegel angewendet wird. Diese Korrektur wird auf jede Achse getrennt angewendet und hat für jede Achse einen Steigungsterm (Multiplikator) und einen Offsetterm (Addition). Sie liegt in folgender Form vor:
korrigierter Achsenwert = (Steigung * gewünschter Achsenabstand vom ersten Sensor) + Offset des ersten Sensors,
wobei die Variablen Steigung und Offset die ideale gewünschte Achsenposition auf der Grundlage von Messungen auf die korrigierte tatsächliche Position abbilden.
Die Driftkorrekturvariablen werden zu Beginn jeder Schicht unter Verwendung von Strahlprofilierungsalgorithmen bestimmt, die denen in dem Strahlprogramm sehr ähnlich sind. Die Position von zwei Strahlprofilsensoren an entgegengesetzten Ecken der Wanne wird gemessen und berechnet und mit den Idealpositionen verglichen, die in einer auf einem scheibenförmigen Medium gespeicherten Datei aufbewahrt werden. Die Unterschiede zwischen den beiden Sätzen von Profilsensorpositionen bestimmen den Wert der Driftkorrekturvariablen. Durch Anordnen der beiden Profilsensoren an den Ecken des Abtastfeldes wird die Basislinie entlang der x- und y- Achse, von der aus Veränderungen der Steigung gemessen werden, optimiert.
Die Pascalfunktion unten ist ein Beispiel für das Berechnen der Werte der Drif tkorrekturvariablen. Die "Ref"-Variablen sind die aus der auf dem scheibenförmigen Medium abgespeicherten Datei ausgelesenen Referenzpositionen der beiden Strahlprofilsensoren. Die "Now"-Variablen sind die zuletzt bestimmten Positionen der beiden Profilsensoren. Aufgrund der dynamischen Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Laserabtastsystems unterscheiden sich die in den "Now"- Variablen gehaltenen Positionen geringfügig von den idealen Referenzpositionen. Das Ziel besteht darin, diese Positionsunterschiede zum Nachstellen bevorstehender Spiegelpositionen zu verwenden.
Die Pascalprozedur unten zeigt, wie die Drift eines Koordinatenpaars korrigiert werden kann, nachdem die Driftkorrekturvariablen bestimmt worden sind. Man beachte, daß die Korrektur für jede Achse von der anderen getrennt ist.
Mit der Prozedur DriftCorrect wird der Anfang und das Ende jedes Zeichenvektors korrigiert, ehe er in ein "Merkmal" umgewandelt wird, was eine stark optimierte Form einer Laserzeichnung ist, die in der Software von 3D Systems verwendet wird. Die Prozedur Correctfordrift wird pro Schicht nur einmal verwendet, und zwar nachdem die neue Position der beiden Strahlprofilierungsvorrichtungen bestimmt worden ist.
In der Praxis liegen diese Routinen innerhalb eines (als STEREO bekannten) besonderen speicherresidenten Treibers vor, den verschiedene Stereolithographieanwendungsprogramme verwenden können. Das Applikationsprogramm ist dafür verantwortlich, den Ort der Profilierungsvorrichtung zu finden, und es leitet diese Informationen zu den besonderen Vorrichtungstreibern weiter.

BUILD (Bauen) STEREO

ein Applikationsprogramm, mit dem Teile gebaut werden; es leitet Profilpositionsinformationen für der speicherresidente Treiber, der mehrere, die Stereolithographie betreffende Aufgaben ausführt, von denen eine die Driftkorrektur ist jede Schicht weiter
Eine gleichwertige Driftkorrekturprozedur wird während der Kalibrierung der SLA an allen Kalibrierungspunkten durchgeführt. Bei einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform wird die Drift am Ende eines Abtastvorgangs jeder Zeile vorbestimmter fester Positionen bestimmt, und die Korrektur wird über lineare Interpolation für diese Zeile angewendet. Ein Verfahren der tatsächlichen Softwareumsetzung einer derartigen Routine zur Kompensation liegt durchaus innerhalb der Fähigkeiten eines Durchschnittsfachmanns und wird deshalb hier nicht weiter beschrieben.
Aus dem Obigen ist offensichtlich, daß zwar bestimmte Formen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden sind, aber verschiedene Modifikationen ausgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es ist dementsprechend keine Absicht, die Erfindung zu begrenzen, es sei denn durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Ortes eines Reaktionsmittels (27) einer stereolithographischen Vorrichtung auf einer bestimmten Oberfläche (23) eines Arbeits mediums (22), wobei die genannte stereolithographische Vorrichtung dreidimensionale Objekte (30) aus dem genannten Arbeitsmedium (22) erzeugt, das verfestigbar ist, wenn es dem genannten Reaktionsmittel (27) ausgesetzt wird, das in einer vorgeschriebenen Weise auf die genannte Oberfläche (23) des Arbeitsmediums einwirkt, um aufeinanderfolgende benachbarte Objektschichten (30a-c) zu verfestigen, die das genannte Objekt (30) bilden, mit

a) wenigstens einem Sensormittel (116, 118; 200) zum Erfassen des genannten Reaktionsmittels (27) und zum Erzeugen eines Signales in Antwort darauf, wobei das genannte Sensormittel (116, 118; 200) bei oder in der Nähe der genannten bestimmten Oberfläche (23) angeordnet ist;

b) einem Abtastmittel (112, 114) zum Positionieren des genannten Reaktionsmittels (27) auf der genannten bestimmten Oberfläche (23) und dem genannten Sensormittel (116, 118; 200); und

c) einem Steuereomputermittel (28), das auf das genannte Signal anspricht, um Abtastmittel-Positionierbefehle bereitzustellen, um das genannte Reaktionsmittel (27) auf das genannte Sensormittel (116, 118; 200) auszurichten, wobei die genannten Abtastmittel-Positionierbefehle verwendet werden, um das genannte Reaktionsmittel (27) auf der genannten Oberfläche (23) zu positionieren.

2. Vorrichtung zur Profilierung eines Reaktionsmittels (27) einer stereolithographischen Vorrichtung, die dreidimensionale Objekte (30) aus einem Arbeitsmedium (22) herstellt, das verfestigbar ist, wenn es dem genannten Reaktionsmittel (27) ausgesetzt wird, das in einer vorgeschriebenen Weise auf eine Oberfläche (23) des genannten Arbeitsmediums (22) einwirkt, um aufeinanderfolgende benachbarte Objektschichten (30a-c) zu verfestigen, die das genannte Objekt (30) bilden, mit:

a) wenigstens einem Sensormittel (35; 116, 118) zum Erfassen des genannten Reaktionsmittels (27), wobei das genannte Sensormittel (35; 116, 118) an einem Ort befestigt wird, der durch die genannte Oberfläche (23) definiert ist, zum Messen der Intensität eines Teiles vorgewählter Größe des genannten Reaktionsmittels (27), wobei

b) das genannte Sensormittel (35; 116, 118) die genannte Intensität des genannten Reaktionsmittelteiles für unterschiedliche Teile des genannten Reaktionsmittels (27) mißt, um eine Intensitätsverteilung des genannten Reaktionsmittels (27) zu erhalten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die weiter ein Abtastmittel (112, 114) umfaßt, zum Positionieren des genannten Reaktionsmittels (27) auf dem genannten Sensormittel (35; 116, 118).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, worin das genannte Abtastmittel (112, 114) zum Positionieren des genannten Reaktionsmittels (27) zwei unter Computersteuerung stehende, rotierende Spiegel umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, worin das genannte Reaktionsmittel (27) ein Laserstrahl ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 4, worin das genannte Reaktionsmittel (27) ein Strahl aus elektromagnetischer Strahlung ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 4 oder 6, worin das genannte Reaktionsmittel (27) ein kollimierter Lichtstrahl ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das genannte Reaktionsmittel (27) ein Elektronenstrahl ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche 3 bis 7, worin das genannte Abtastmittel (112, 114) zum Positionieren des genannten Reaktionsmittels (27) zwei lineare Positioniermotoren umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das genannte Steuercomputermittel (28) ein Speichermittel umfaßt, zum Speichern von bestimmten Abtast mittel-Positionierbefehlen, die vorbestimmten Orten des genannten Sensormittels innerhalb der genannten bestimmten Oberfläche (23) entsprechen.

11. Die Vorrichtung nach Anspruch 10, worin das genannte Steuercomputer mittel (28) ein Prozessormittel umfaßt, zum Durchführen von Linearinterpolationen der genannten bestimmten Abtastmittel-Positionierbefehle, wobei das genannte Prozessormittel Zwischenabtastmittel-Positionierbefehle bereitstellt, um das genannte Abtastmittel (112, 114) zu führen.

12. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, worin das genannte Arbeitsmedium (22) ein photopolymerisierbares Liquid ist.

13. Vorrichtung nach der vorigen Ansprüche 1 bis 11, worin das genannte Arbeitsmedium (22) ein Pulver ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 5, worin das genannte Reaktionsmittel (27) ein Strahl aus elektromagnetischer Strahlung ist und die Oberfläche ein pulverförmiges Metall enthält, das durch Anwendung der genannten Strahlung gesintert werden kann.

15. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 5, worin das genannte Reaktionsmittel (27) ein Strahl aus elektromagnetischer Strahlung ist und die Oberfläche ein pulverförmiges Metall enthält, das durch die Anwendung der genannten Strahlung geschmolzen werden kann.

16. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 5, worin das genannte Reaktionsmittel (27) ein Laserstrahl ist und die Oberfläche ein Material umfaßt, das durch die Anwendung des genannten Strahles in die Lage versetzt wird, eine Ablation durchzumachen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10, 11 und 12, 13, sofern sie sich auf die Ansprüche 10 oder 11 zurückbeziehen, worin das genannte Computersteuermittel (28) weiterhin umfaßt:

a) ein Mittel zum Speichern von Intensitätswerten und Abtastmittel- Positionierbefehlen für jeden Teil des Reaktionsmittels für jeden vorbestimmten Ort;

b) ein Mittel zum Erzeugen von besten bekannten Abtastmittel-Positionierbefehlen, die jedem vorbestimmten Ort entsprechen,

c) ein Mittel zum Verwenden der genannten besten bekannten Abtastmittel-Positionierbefehle zum Bewegen des Reaktionsmittels zu Orten auf der Oberfläche.

18. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche 10 bis 17, worin das genannte wenigstens eine Sensormittel (200) umfaßt:

eine Kalibrierungsplatte, die eine Mehrzahl von vorbestimmten Pfaden aufweist, durch die das genannte Reaktionsmittel (27) wandern kann; und worin

das genannte Sensormittel (200) in der Lage ist, das genannte Signal in Antwort auf das genannte Reaktionsmittel (27) zu erzeugen, das durch emen einzelnen der genannten vorbestimmten Pfade wandert.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter umfaßt:

a) ein Mittel zum Vergleichen der genannten Abtastmittel-Positionierbefehle, die in Antwort auf das genannte Signal von dem genannten Sensormittel (116, 118; 200) zu einer gegebenenen Zeit erhalten worden sind, mit Abtastmittel-Positionierbefehlen, die in Ant wort auf das genannte Signal vom dem genannten Sensormittel (116, 118; 200) zu einer früheren Zeit erhalten wurden, um ein Driftfehlersignal zwischen den genannten Abtastmittel-Positionierbefehlen zu der gegebenen und der früheren Zeit zu bestimmen; und

b) ein Mittel zum Korrigieren der Abtastmittel-Positionierbefehle in Antwort auf das genannte Driftfehlersignal.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, worin das Korrekturmittel eine Offset Korrektur und eine Verstärkungskorrektur bereitstellt.

21. Verfahren zur Bestimmung des Ortes eines Reaktionsmittels (27) einer stereolithographischen Vorrichtung auf einer bestimmten Oberfläche (23) eines Arbeits mediums (22), wobei die genannte stereolithographische Vorrichtung dreidimensionale Objekte (30) aus dem genannten Arbeitsmedium (22) erzeugt, das verfestigbar ist, wenn es dem genannten Reaktionsmittel (27) ausgesetzt wird, das in einer vorgeschriebenen Weise auf die genannte Oberfläche (23) des Arbeitsmediums einwirkt, um aufeinanderfolgende benachbarte Objektschichten (30a-c) zu verfestigen, die das genannte Objekt (30) bilden, welches die Schritte umfaßt:

a) Positionieren von wenigstens einem Sensormittel (116, 118; 200) bei oder in der Nähe der genannten bestimmten Oberfläche (23), Erfassen des genannten Reaktionsmittels (27) und Erzeugen eines Signals in Antwort darauf;

b) Bereitstellen von einem Abtastmittel (112, 114) zum selektiven Positionieren des genannten Reaktionsmittels (27) auf der genannten bestimmten Oberfläche (23) und dem genannten Sensormittel (116, 118; 200); und

c) in Antwort auf das genannte Signal, Bereitstellen von Abtastmittel- Positionierbefehlen, um das genannte Reaktionsmittel (27) auf das genannte Sensormittel (116, 118; 200) auszurichten, und zum Positionieren des genannten Reaktionsmittels (27) auf der genannten Oberfläche (23).

22. Verfahren zur Profilierung eines Reaktionsmittels (27) einer stereolithographischen Vorrichtung, die dreidimensionale Objekte (30) aus einem Arbeitsmedium (22) herstellt, das verfestigbar ist, wenn es dem genannten Reaktionsmittel (27) ausgesetzt wird, das in einer vorgeschriebenen Weise auf eine Oberfläche (23) des genannten Arbeitsmediums (22) einwirkt, um aufeinanderfolgende benachbarte Objektschichten (30a-c) zu verfestigen, die das genannte Objekt (30) bilden, das die Schritte umfaßt:

a) Erfassen des genannten Reaktionsmittels (27) mit wenigstens einem Sensormittel (35; 116, 118), das an einem Ort befestigt wird, der durch die genannte Oberfläche (23) definiert ist, und Messen der Intensität eines Teiles vorgewählter Größe des genannten Reaktionsmittels (27); worin

b) die genannte Intensität des genannten Reaktionsmittelteiles für unterschiedliche Teile des genannten Reaktionsmittels (27) gemessen wird, um eine Intensitätsverteilung des genannten Reaktionsmittels (27) zu erhalten.

23. Die Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Bestimmung der Aushärtetiefe einer Spur des genannten Reaktionsmittels (27), das sich über einem Photopolymer (22) bewegt.

24. Die Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 2 zum Bestimmen des Brennpunkts/Fokus des genannten Reaktionsmittels (27) auf der genannten Oberfläche (23) des Arbeitsmediums.

25. Die Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 2 zum Messen der Leistung des genannten Reaktionsmittels (27) auf der genannten Oberfläche (23) des Arbeitsmediums.