DE69019570T3

DE69019570T3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten.

Info

Publication number: DE69019570T3
Application number: DE69019570T
Authority: DE
Inventors: Kazumine Itoh; Masanobu Yamamoto
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1989-03-14
Filing date: 1990-03-12
Publication date: 2000-05-04
Anticipated expiration: 2010-03-13
Also published as: US5151813A; KR0140699B1; KR900014112A; JPH02239921A; EP0388129A3; DE69019570T2; DE69019570D1; EP0388129B2; EP0388129B1; EP0388129A2; JP2715527B2

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, bei welchem ein flüssiges, fotohärtbares Harz mit einem Strahl bestrahlt wird, um ein dreidimensionales Objekt auf der Basis eines Bildes eines gewünschten dreidimensionalen Objekts zu erzeugen.
Im Stand der Technik ist vorgeschlagen, ein Produkt gewünschter Form durch Bestrahlung eines flüssigen, fotohärtbaren Harzes mit einem vorbestimmten Belichtungsstrahl herzustellen. Beispielsweise beschreiben die US-A 4041476 und die japanische Patentanmeldung Nr. 63-267945 ein solches bisher vorgeschlagenes Verfahren.
Die Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt ein Beispiel einer ein dreidimensionales Objekt erzeugenden Vorrichtung a, welches das oben beschriebene Verfahren verkörpert.
Aus der Fig. 1 ist zu entnehmen, daß ein Harzspeichertank b ein flüssiges, fotohärtbares Harz c enthält, das durch die Bestrahlung mit einem vorbestimmten Belichtungsstrahl, beispielsweise aus Ultraviolettstrahlen (UV-Strahlen), gehärtet wird. Ein Elevator d ist mit einer horizontalen, plattenförmigen Stufe e versehen, und dieser Elevator d wird durch eine geeignete Bewegungseinrichtung (nicht gezeigt) auf- und abbewegt. Über dem Harzspeichertank b ist ein Strahlabtaster f angeordnet durch den ein Belichtungsstrahl g auf eine Flüssigkeitsoberfläche h des flüssigen, fotohärtbaren Harzes c konvergiert werden kann. Es ist ein formbildender Kontrol ler i vorgesehen, und das Abtasten der Flüssigkeitsoberfläche h durch den Belichtungsstrahl g wird vom Strahlabtaster f unter der Kontrolle des Kontrollers i ausgeführt und die Bewegung des Elevators d wird ebenfalls unter der Kontrolle des Kontrollers i ausgeführt.
Beim Bilden eines vorbestimmten dreidimensionalen Objekts wird zuerst der Elevator d derart in die durch die durchgezogene Linie in Fig. 1 gezeigte Anfangsposition bewegt, daß sich eine Schicht aus dem flüssigen, fotohärtbaren Harz c einer vorbestimmten Dicke (diese Dicke wird später eingehender beschrieben) auf der Stufe e des Elevators d befindet.
Als nächstes wird das Abtasten des Belichtungsstrahls g in der Flüssigkeitsoberfläche h ausgeführt. Bei diesem Abtastprozeß wird eine Rasterabtastung mit Mustern ausgeführt, die mit Ebenen korrespondieren, in denen ein gewünschtes dreidimensionales Objektbild j in eine Anzahl Ebenen in einer gewissen Richtung auseinandergebracht bzw. zerlegt ist, korrespondiert. In der folgenden Beschreibung werden die betreffenden Ebenen als auseinandergebrachte Ebenen oder Zerlegungsebenen bezeichnet.
Beim Ausführen des Abtastens durch den Strahl g wird der mit dem Strahl g bestrahlte Teil des flüssigen, fotohärtbaren Harzes c gehärtet, um eine flächenförmige gehärtete Harzschicht einer mit der auseinandergebrachten Ebene der Flüssigkeitsoberfläche h korrespondierenden Konfiguration zu erzeugen. Der Elevator d wird mit einer Schritthöhe, die mit dem Abstand in der Anzahl auseinandergebrachter Ebenen bzw. Zerlegungsebenen korrespondiert, in die das dreidimensionale Objektbild j in einer gewissen Richtung zerlegt ist, zunehmend nach abwärts bewegt, und bei jeder Zunahme wird vollständig eine flächenförmige, gehärtete Harzschicht ausgebildet. Die Dicke des flüssigen, fotohärtbaren Harzes c auf der Stufe e im Anfangszustand wird so gewählt, daß sie gleich der oben beschriebenen Schritthöhe ist. Demgemäß fließt auf die oberseitige Oberfläche der gehärteten Harzschicht das flüssige, fotohärtbare Harz der einer Schritthöhe entsprechenden Dicke, und das Abtasten durch den Strahl wird auf der nächsten Zerlegungsebene bzw. auseinandergebrachten Ebene ausgeführt, um dadurch eine andere gehärtete Harzschicht zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt wird die oben beschriebene gehärtete Harzschicht an die vorher gebildete gehärtete Harzschicht gebunden. Auf diese Weise wird sequentiell eine neue gehärtete Harzschicht k auf der schon gebildeten gehärteten Harzschicht laminiert, und ein gewünschtes dreidimensionales Objekt wird durch eine Anzahl laminierter gehärteter Harzschichten gebildet.
Gemäß dem wie oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts kann das dreidimensionale Objekt auf der Basis des dreidimensionalen Objektbildes erzeugt werden, so daß im Vergleich mit einem bekannten Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Objekts unter Verwendung eines Metallgusses ein dreidimensionales Objekt sofort und leicht als Experiment hergestellt werden kann. Deshalb kann die Entwicklung von der Entwurfstufe zur Massenproduktionsstufe, ohne daß Gießformen für Zwischenentwürfe erzeugt werden müssen, leicht bei niedrigen Kosten ausgeführt werden.
Bei dem oben erwähnten Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Objekts tritt bei einem Rasterabtastsystem für den Belichtungsstrahl das Problem auf, daß in die Oberfläche des gebildeten dreidimensionalen Objekts Irregularitäten eingebracht werden.
Die Fig. 2 ist eine Draufsicht, welche konzeptuell einen Teil des Ortes darstellen, bei welchem die Abtastung durch den Belichtungsstrahl auf einer gewissen auseinandergebrachten Ebene ausgeführt wird. In der Fig. 2 bezeichnen die Bezugsbuchstaben k, k... Hauptabtastlinien des Belichtungsstrahls g, beispielsweise Linien, entlang welcher Strahl flecke l, l... bewegt werden, und der Bezugsbuchstabe m stellt die Gestalt- bzw. Konfigurationslinie der korrespondierenden auseinandergebrachten Ebene dar.
Aus der Fig. 2 geht klar hervor, daß bei der äußeren Konfiguration der gebildeten gehärteten Harzschicht auf dem sich in der Richtung senkrecht zur Hauptabtastrichtung des Strahls erstreckenden Abschnitt ein einzelner Abschnitt jeder der Formen der Endstrahlflecke l, l... der Strahlhauptabtastlinien k, k... erscheint, welcher die irreguläre (beispielsweise konkave und/oder konvexe) Konfigurationslinie auf dem obigen Abschnitt darstellt. Folglich wird bewirkt, daß die Oberfläche des durch die Ansammlung irregulärer Konfigurationslinien gebildeten dreidimensionalen Objektbildes sehr kleine Konkavitäten und Konvexitäten aufweist.
Eine bekannte Alternative zur Rasterabtastung ist die Vektorabtastung. Bei der Vektorabtastung ist nicht einheitlich eine gerade linienförmige Hauptabtastrichtung vorgesehen, sondern anstelle dessen geht die Abtastung so vor sich, daß die Abtastrichtung eine durch Vektordaten definierte Richtung ist. Dieses Vektorabtastsystem wird häufig verwendet, beispielsweise bei einem einen Polygonspiegel und einen beweglichen Bildzeichnungstisch verwendenden Bildzeichnungssystem oder einem einen sogenannten XY-Fotoplotter verwendenden Bildzeichnungssystem.
Demgemäß kann dann bei dieser Art des Verfahrens zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts bei Ausführung der Abtastung durch den Belichtungsstrahl g entsprechend dem Vektorabtastsystem die Konfiguration der Zerlegungsebene bzw. auseinandergebrachten Ebene durch aus einer der Längserstreckung der Konfigurationslinien entsprechenden kontinuierlichen Strahlfleckbewegung gebildeten Linien, beispielsweise Linien mit einem Richtungsvermögen in den zwei Dimensionen, gezeichnet werden. Deshalb ist es möglich, ein dreidimensionales Objekt zu erhalten, dessen Oberfläche glatt ist.
Bei diesem Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Objekts hat jedoch bei Ausführung der Abtastung durch den Belichtungsstrahl entsprechend dem Vektorabtastsystem die Vektorabtastung ein Richtungsvermögen in den zwei Dimensionen, so daß, so lange die Konfigurationslinie der auseinandergebrachten Ebene keine gerade Linie ist, die Richtung der Strahlflecke sukzessive in vielen Richtungen geändert werden muß, was viel länger als eine Abtastung in einer Ebene der im Vergleich mit dem oben beschriebenen Rasterabtastsystem gleichen Fläche dauert.
Aus der US-A 4575330 geht eine Technik zur Erzeugung eines dreidimensionalen Objekts hervor, das mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 5 übereinstimmt. Bei dieser Technik tastet der Strahl so ab, daß er ein festes Muster auf der Flüssigkeitsoberfläche "zeichnet".
Aus der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP-A 0250121 gehen verschiedene Techniken zur Erzeugung eines dreidimensionalen Objekts hervor, einschließlich einer Technik, bei welcher eine Schicht einer verfestigbaren Flüssigkeit von einem abgelenkten Strahl getroffen wird. Die Ablenkung wird durch einen Strahlablenker bewirkt, der Daten aus einem Computer oder Speichermedium empfängt. Die Daten können rasterförmig, vektorförmig oder eine Kombination aus beiden sein. Wenn Vektordaten empfangen werden, wird der Strahl so abgelenkt, daß er gewünschten Konturen fester Teile in einer Verfestigungsebene folgt und den dadurch begrenzten Bereich ausfüllt.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Technik zum schnellen Erzeugen eines dreidimensionalen Objekts, das eine glatte Oberfläche aufweist, bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts bereitgestellt, bei welchem
i) eine Oberfläche eines flüssigen photohärtbaren Harzes durch Abtasten der Oberfläche mit einem Strahl bestrahlt wird, um eine gehärtete Harzschicht zu bilden, die ein mit einer Form einer von mehreren auseinandergebrachten, aus einem Auseinanderbringen eines Bildes eines beschriebenen dreidimensionalen Objekts in einer Richtung resultierenden Ebenen korrespondierendes Muster aufweist,
ii) ein flüssiges photohärtbares Harz auf die gehärtete Harzschicht aufgebracht wird,
iii) die Oberfläche der flüssigen photohärtbaren Harzschicht auf der gehärteten Harzschicht durch Abtasten mit einem Strahl bestrahlt wird, um eine andere gehärtete Harzschicht, die ein mit einer Form einer anderen der auseinandergebrachten Ebenen korrespondierendes Muster aufweist, auf der schon gehärteten Harzschicht zu laminieren, und
iv) die Schritte ii) und iii) für mit den Formen weiterer der auseinandergebrachten Ebenen korrespondierende Muster wiederholt werden, um das gewünschte dreidimensionale Objekt durch sequentielle Laminierung zu bilden, gekennzeichnet durch
a) Ausführen einer Konfigurationsabtastung, bei welcher die Peripherie nur einer auseinandergebrachten Ebene auf einer Flüssigkeitsoberfläche durch Bestrahlung mit einem Strahl auf der Basis eines Vektorabtastsystems abgetastet wird, und
b) Ausführen einer Feldabtastung, bei welcher das Ganze der Flüssigkeitsoberfläche innerhalb der Peripherie einer auseinandergebrachten Ebene entsprechend einem Rasterabtastsystem abgetastet wird,
c) Ausführen der Konfigurationsabtastung für eine Schicht zum Härten deren Peripherie und Ausführen der Feldabtastung für die nächste Schicht zum Härten sowohl des flüssigen Harzes der nächsten Schicht als auch des sich innerhalb der gehärteten Peripherie der einen Schicht befindlichen flüssigen Harzes der einen Schicht,
wobei eine Konfigurationsabtastung jedesmal, wenn durch eine Feldabtastung eine gehärtete Harzschicht gebildet worden ist, oder jedesmal, wenn durch meherere Feldabtastungen mehrere gehärtete Harzschichten gebildet worden sind, ausgeführt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch
i) Bestrahlen einer Oberfläche eines flüssigen photohärtbaren Harzes durch Abtasten der Oberfläche mit einem von einer Strahlabtasteinrichtung erzeugten Strahl zur Bildung einer gehärteten Harzschicht, die ein mit einer Form einer von mehreren auseinandergebrachten, aus einem Auseinanderbringen eines Bildes eines beschriebenen dreidimensionalen Objekts in einer Richtung resultierenden Ebenen korrespondierendes Muster aufweist,
ii) Aufbringen eines flüssigen photohärtbaren Harzes auf die gehärtete Harzschicht,
iii) Bestrahlen der Oberfläche der flüssigen photohärtbaren Harzschicht auf der gehärteten Harzschicht durch Abtasten mit einem Strahl von der Strahlabtasteinrichtung zum Laminieren einer anderen gehärteten Harzschicht mit einem mit einer Form einer anderen der auseinandergebrachten Ebenen korrespondierenden Muster auf der schon gehärteten Harzschicht, und
iv) Wiederholen der Schritte ii) und iii) für mit den Formen weiterer der auseinandergebrachten Ebenen korrespondierende Muster zur Bildung des gewünschten dreidimensionalen Objekts durch sequentielle Laminierung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlabtasteinrichtung
a) eine Konfigurationsabtastung ausführt, bei welcher die Peripherie nur einer auseinandergebrachten Ebene auf einer Flüssigkeitsoberfläche durch Bestrahlung mit einem Strahl auf der Basis eines Vektorabtastsystems abgetastet wird, und
b) eine Feldabtastung ausführt, bei welcher das Ganze der Flüssigkeitsoberfläche innerhalb der Peripherie einer auseinandergebrachten Ebene entsprechend einem Rasterabtastsystem abgetastet wird,
c) die Konfigurationsabtastung für eine Schicht zum Härten deren Peripherie und die Feldabtastung für die nächste Schicht zum Härten sowohl des flüssigen Harzes der nächsten Schicht als auch des sich innerhalb der gehärteten Peripherie der einen Schicht befindlichen flüssigen Harzes der einen Schicht ausführt, und daß die Vorrichtung eine Konfigurationsabtastung jedesmal,
wenn durch eine Feldabtastung eine gehärtete Harzschicht gebildet worden ist, oder jedesmal, wenn durch meherere Feldabtastungen mehrere gehärtete Harzschichten gebildet worden sind, ausführt.
Eine unten detailliert beschriebenes bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Objekts bereit, bei denen die oben beschriebenen und beim Stand der Technik angetroffenen Mängel eliminiert oder reduziert werden können. Insbesondere die Tatsache, daß die Abtastung der Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen, fotohärtbaren Harzes durch den Strahl durch Schalten zwischen zwei unten dargelegten Arten eines Abtastsystems ausgeführt wird, ermöglicht die Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, dessen Oberfläche relativ glatt ist, und ermöglicht es, daß ein dreidimensionales Objekt mit einer relativ hohen Geschwindigkeit hergestellt wird.
Die Erfindung wird nun an einem nicht einschränkenden Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben, in denen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Beispiels einer Vorrichtung ist, welche ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts verkörpert,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht ist, auf welche bei der Erklärung von Mängeln Bezug genommen wird, die bei dem bekannten Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts inhärent sind,
Fig. 3 bis 5 schematische Darstellungen sind, welche ein Beispiel einer Vorrichtung zeigen, das ein die Erfindung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts verkörperndes Verfahren darstellt, wobei
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts ist,
Fig. 4 eine fragmentarische Vorderansicht mit fortgenommenen Teilen ist, welche einen Arbeitsabschnitt der Vorrichtung zeigt und
Fig. 5 ein Blockschaltbild ist, welches eine Schaltung eines Steuerabschnitts der Vorrichtung zeigt,
Fig. 6A bis 6D perspektivische Darstellungen sind, welche sukzessive Prozesse des Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts in dieser Reihenfolge zeigen,
Fig. 7A bis 7D schematische Darstellungen von Abschnitten sind, welche die Prozesse zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts in dieser Reihenfolge zeigen,
Fig. 8 eine konzeptuelle schematische Darstellung ist, welche das auf diese Weise gebildete dreidimensionale Objekt in Form der teilweise separierten gehärteten Harzschichten zeigt, und
Fig. 9 ein Zeitdiagramm ist, auf das bei Erklärung einer Schaltoperation des Strahlabtastsystems Bezug genommen wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen zur Identifikation der gleichen oder ähnlicher Teile in den verschiedenen Darstellungen verwendet sind.
Es wird eine Beschreibung eines die vorliegende Erfindung verkörpernden Beispiels einer Vorrichtung gegeben, der eine Beschreibung des Verfahrens ihres Gebrauchs folgt.
Nach den Fig. 3 bis 5 ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts vorgesehen, die mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 1 zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts besteht aus einem Ar beitsabschnitt mit einem ein flüssiges, fotohärtbares Harz enthaltenden Harzspeichertank, einem Elevator oder dergleichen, einem Strahlabtastabschnitt zum Bewirken, daß ein Belichtungsstrahl eine Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen, fotohärtbaren Harzes abtastet, und einem Steuerabschnitt zur Steuerung des Betriebs des Arbeitsabschnitts und des Strahlabtastabschnitts.
Nach den Fig. 3 und 4 ist ein Arbeitsabschnitt 2 vorgesehen, welcher einen Harzspeichertank zum Speichern eines flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 bereitstellt.
Das flüssige, fotohärtbare Harz 7 ist in Form einer Flüssigkeit gegeben, die durch Bestrahlung mit einem vorbestimmten Belichtungsstrahl gehärtet werden kann. Außerdem muß das flüssige, fotohärtbare Harz 4 eine Bindungseigenschaft aufweisen, so daß es beim Härten an der Oberfläche des schon gehärteten Abschnitts an der oben genannten Oberfläche anhaftet. Auch ist vorzugsweise die Viskosität dieses flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 so niedrig wie möglich. Als flüssiges, fotohärtbares Harz 4 kann beispielsweise ein UV-härtbares, denaturiertes Acrylac verwendet werden.
In den Fig. 3 und 4 bezeichnet das Bezugszeichen 5 einen (auch in den Fig. 6 und 7 erscheinenden) Elevator, der aus einer horizontalen, plattenförmigen Stufe 6 besteht, die sich an seinem unteren Ende befindet. Außerdem ist am oberen Ende 7 des Elevator 5 eine Mutter 8 befestigt, die in eine Vorschubspindel eingreift, welche durch einen Schrittmotor 9 gedreht wird, so daß beim Drehen der Vorschubspindel 10 durch den Schrittmotor 9 die Mutter 8 längs der Vorschubspindel 10 in deren axialer Richtung bewegt wird, wodurch der Elevator 5 durch den Betrieb des Schrittmotors auf und ab bewegt werden kann.
Der obengenannte Elevator 5 ist so angeordnet, daß seine Stufe 6 in das in dem Harzspeichertank 3 gespeicherte flüssi ge, fotohärtbare Harz 4 gehalten oder getaucht ist. Der Elevator 5 ist schrittweise mit einer vorbestimmten Schritthöhe bewegbar.
Eine in den Fig. 3 und 4 generell mit dem Bezugszeichen 11 bezeichneter Strahlabtastabschnitt wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben.
Nach den Fig. 3 und 4 umfaßt der Strahlabtastabschnitt 11 einen Galvanoabtaster 12, der einen von einem später beschriebenen Laserstrahloszillator emittierten Belichtungslaserstrahl steuerbar in der Links- und Rechtsrichtung in Fig. 4 (diese Richtung wird im folgenden "erste Abtastrichtung" bezeichnet) relativ zu einer Flüssigkeitsoberfläche 4a des flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 ablenkt. Außerdem umfaßt der Strahlabtastabschnitt 11 einen anderen Galvanoabtaster 13, der den Belichtungsstrahl in der (im folgenden als "zweite Abtastrichtung" bezeichneten) Richtung senkrecht zur ersten Abtastrichtung ablenkt. Diese Galvanoabtaster 12 und 13 bestehen aus Antriebsabschnitten 15, 15' mit Drehwellen oder -achsen 14, 14', die sich mit hoher Geschwindigkeit um ihre Achse drehen, und aus an den Drehwellen 14, 14' befestigten Galvanospiegeln 16, 15'. Bei einem dieser zwei Galvanoabtaster 12 und 13, beispielsweise dem Galvanoabtaster 12 (dieser Galvanoabtaster 12 wird im folgenden als "erster Galvanoabtaster" bezeichnet) erstreckt sich die axiale Richtung seiner Drehwelle 14 in der Richtung parallel zur zweiten Abtastrichtung, und überdies ist sein Galvanospiegel 16 im wesentlichen gerade über der Stufe 6 des Elevators 5 angeordnet. In dem anderen (im folgenden als "zweiter Galvanoabtaster" bezeichneten) Galvanoabtaster 13 erstreckt sich die axiale Richtung der Drehwelle 14' längs der Auf- und Abwärtsrichtung, und eine Reflexionsfläche 16a' seines Galvanospiegels 16' ist der Reflexionsfläche 16a des Galvanospiegels 16 des ersten Galvanoabtasters 12 in der lateralen Richtung zugekehrt.
Nach den Fig. 3 und 4 ist ein Laserstrahloszillator 17 vorgesehen, der einen vorbestimmten Belichtungslaserstrahl 18 emittiert, beispielsweise einen Argon-Ionen-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von beispielsweise 360 nm oder ein Helium- Kadmium-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 325 nm, der geeignet ist, das fotohärtbare Harz zu härten. Der vom Laserstrahloszillator 17 emittierte Laserstrahl 18 wird durch Totalreflexionsspiegel 19 und 20 in Folge und in einer vorbestimmten Richtung derart totalreflektiert, daß er auf den Galvanospiegel 16' des zweiten Galvanoabtasters 13 einfällt. Zwischen den zwei Totalreflexionsspiegeln 19 und 20 ist ein akusto-optischer Modulator (A/O-Modulator) 21 vorgesehen, und ein Fokuskontroller 22 mit einer Fokussierungslinse 23 ist zwischen dem Totalreflexionsspiegel 20 und dem zweiten Galvanoabtaster 13 vorgesehen.
Demgemäß wird der vom Laserstrahloszillator 17 emittierte Belichtungslaserstrahl durch den Totalreflexionsspiegel 19 in Richtung des akusto-optischen Modulators 21 totalreflektiert und so kontrolliert, daß er danach durch die EIN-AUS-Steuerung eines Schaltbetriebs des akusto-optischen Modulators 21 durch einen vorbestimmten Lichtweg geht. Infolgedessen fällt der Belichtungslaserstrahl 18, wenn der Schaltbetrieb des akusto-optischen Modulators 21 in seinem EIN-Zustand ist, auf den Totalreflexionsspiegel 20 ein und wird dann in Richtung der Fokussierungslinse 23 des Fokuscontrollers 22 reflektiert. Wenn der Belichtungslaserstrahl 18 durch die Fokussierungslinse geht, wird sein Lichtbündel fokussiert oder konvergiert und sequentiell von den zwei Galvanospiegeln 16' und 16 reflektiert, wodurch der Belichtungslaserstrahl 18 von oben auf das flüssige, fotohärtbare Harz 4 gerichtet wird. Der Belichtungslaserstrahl 18 wird durch die Fokussierungslinse 23 so in das Lichtbündel fokussiert, daß er immer auf Flüssigkeitsoberfläche 4a des flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 als ein Strahlfleck 24 eines vorbestimmten Strahldurchmessers fokussiert ist. Außerdem tastet beim Drehen der Drehwelle 18 des ersten Galvanoabtasters zum Schwingen des Galva nospiegels 16 der Belichtungslaserstrahl 18 die Flüssigkeitsoberfläche 4a des flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 in der ersten Abtastrichtung ab. Dagegen tastet beim Drehen der Drehwelle 14' des zweiten Galvanospiegels 13 zum Schwingen des Galvanospiegels 16' der Belichtungslaserstrahl 18 die Flüssigkeitsoberfläche 4a des flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 in der zweiten Abtastrichtung ab.
Deshalb wird jedesmal, wenn die nur durch die Schwingung des ersten Galvanospiegels 16 ausgeführte (im folgenden als "erste Linienabtastung" bezeichnete) Linienabtastung durch den Belichtungslaserstrahl 18 in der ersten Abtastrichtung endet, der Belichtungslaserstrahl 18 abgestrahlt, wobei die Position in der zweiten Abtastrichtung der ersten Linienabtastung durch Schwingung des zweiten Galvanospiegels 16' geändert wird. Alternativ dazu wird jedesmal, wenn eine nur durch Schwingung des zweiten Galvanospiegels 16' ausgeführte (im folgenden mit "zweite Linienabtastung" bezeichnete) Linienabtastung durch den Belichtungslaserstrahl in der zweiten Abtastrichtung beendet wird, der Belichtungslaserstrahl 18 abgestrahlt, wobei die Position in der ersten Abtastrichtung der zweiten Linienabtastung durch Schwingung des ersten Galvanospigels 16 geändert wird, wodurch die Bestrahlung durch die Laserstrahlen entsprechend dem Rasterabtastsystem ausgeführt wird. Wenn außerdem der erste Galvanospiegel 16 und der zweite Galvanospiegel 16' beide simultan geschwungen werden, wird die Bestrahlung durch die Laserstrahlen entsprechend dem Vektorabtastsystem ausgeführt, bei welchem die Abtastung durch den Belichtungslaserstrahl 18 mit Richtungsvermögen in den zwei Dimensionen ausgeführt wird.
Nach den Fig. 3 bis 5 ist ein Steuerabschnitt 25 vorgesehen. Ein Elevatorposition-Detektorsensor 26 ist parallel zur oben beschriebenen Vorschubspindel 10 angeordnet, um die Position des Elevators 5 zu detektieren. Ein Elevatorkontroller 27 erhält ein die Position des Elevators 5 anzeigendes Signal aus dem Sensor 26 und steuert die Umdrehung des Schrittmotors 9 entsprechend diesem Signal, wodurch die Position des Elevators 5 kontrolliert wird.
Ein Kontroller 28 für den akusto-optischen Modulator steuert den Schaltbetrieb des aktusto-optischen Modulators 21. Ein Galvanokontroller 29 steuert den Betrieb des akusto-optischen Modulators 28, des Galvanoabtasters 12, 13 und des Fokuscontrollers 22 durch seine Befehle.
Eine generell mit dem Bezugszeichen 30 in Fig. 5 bezeichnete Schaltung ist in Verbindung mit dem oben beschriebenen Steuerabschnitt 25 vorgesehen.
Nach Fig. 5 ist ein Speicher 31 mit einer (nicht gezeigten) Programmiervorrichtung für dreidimensionale Objekte, beispielsweise ein sogenanntes computerunterstütztes Designsystem (CAD-System) oder dergleichen, verbunden. Der Speicher 31 erhält Pixelsignale, die in der X- und Y-Richtung der auseinandergebrachten Ebene eines gewissen oder gewünschten, von der Programmiervorrichtung für dreidimensionale Objekte entworfenen dreidimensionalen Objektbildes auseinandergebracht sind, und speichert diese Pixelsignale zeitweilig.
Eine Modulatorschaltung 32 ist mit dem Speicher 31 verbunden und moduliert die zeitweilig im Speicher 31 gespeicherten Pixelsignale der auseinandergebrachten Ebene in Koordinatensignale, welche ein Raster anzeigen, beispielsweise die Position, bei welcher der Belichtungslaserstrahl 18 den Abtastbereich der Flüssigkeitsoberfläche 4a des flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 abtastet. Eine Strahlposition-Steuerschaltung 33 enthält den Speicher 31 und die Modulatorschaltung 32. Digital/Analog-Wandlerschaltungen (D/A-Wandlerschaltungen) 34a und 34b sind mit der Modulatorschaltung 32 verbunden, und Torschaltungen 35a und 35b sind an ihren Eingängen mit den D/A-Wandlern 34a bzw. 34b und an ihren Ausgängen mit dem ersten und zweiten Galvanoabtastern 12 bzw. 13 verbunden. Von den durch die Modulatorschaltung 32 modulierten Koordinaten signalen wird das Signal in der X-Richtung, d. h., das Signal in der ersten Abtastrichtung, durch die D/A-Wandlerschaltung 34a in ein analoges Signal umgewandelt und durch die Torschaltung 35 dem Antriebsabschnitt 15 des ersten Galvanoabtasters 12 zugeführt. Andererseits wird das Koordinatensignal in der Y-Richtung, d. h., in der zweiten Abtastrichtung, durch die D/A-Wandlerschaltung 34b in ein analoges Signal umgewandelt und dann durch die Torschaltung 35b dem Antriebsabschnitt 15' des zweiten Galvanoabtasters 13 zugeführt. Die Antriebsabschnitte 15 und 15' schwingen die Galvanospiegel 16 und 16' während der Periode, in welcher ihnen die jeweiligen Eingangssignale zugeführt werden.
Eine Abtastsystem-Umschalt-Schaltung 36 ist mit den Torschaltungen 35a, 35b und der Modulatorschaltung 32 verbunden. Diese Abtastsystem-Umschalt-Schaltung 36 ist so ausgebildet, daß das Abtastsystem des Strahlflecks 24 des Belichtungslaserstrahls 18 entweder in das Rasterabtastsystem oder das Vektorabtastsystem umgeschaltet wird. Im Falle des Rasterabtastsystems schaltet die Abtastsystem-Umschalt-Schaltung 36 die Hauptabtastrichtung, d. h., die Linienabtastrichtung, entweder in die als die erste Abtastrichtung vorgesehene Rasterabtastung (diese im folgenden als "erste Rasterabtastung" bezeichnet) oder in die als zweite Abtastrichtung vorgesehene Rasterabtastung (diese wird im folgenden als "zweite Rasterabtastung" bezeichnet) um. Demgemäß wird das Abtastsystem alternativ in das Vektorabtastsystem oder das Rasterabtastsystem umgeschaltet. Außerdem wird Rasterabtastsystem in das erste oder zweite Rasterabtastsystem umgeschaltet.
Die Bestrahlung durch den Belichtungslaserstrahl 18 gemäß dem Vektorabtastsystem wird nur an dem Pixelsignal einer Konfigurationslinie der korrespondierenden auseinandergebrachten Ebene ausgeführt. Folglich werden in diesem Fall von den in den Speicher 31 eingegebenen Pixelsignalen nur die Konfigurationslinie bildende Daten der Modulatorschaltung 32 zugeführt.
Deshalb werden die Torschaltungen 35a und 35b durch das von der Abtastsystem-Umschalt-Schaltung 36 ausgegebene Befehlssignal geöffnet und/oder geschlossen. Wenn das Abtastsystem das Vektorabtastsystem ist, sind die zwei Torschaltungen 35a und/oder 35b zu jeder Zeit geöffnet. Wenn andererseits das Abtastsystem das erste Rasterabtastsystem ist, wird die Torschaltung 35b jedesmal momentan geöffnet, wenn die Abtastung einer einzelnen Abtastlinie in der ersten Abtastrichtung vollendet wird, wobei der Galvanospiegel 16' des zweiten Galvanoabtasters 13 so etwas gedreht wird, daß die Linienposition der Linienabtastung durch den Belichtungslaserstrahl 18 in der zweiten Abtastrichtung zur benachbarten Linie bewegt wird. Wenn außerdem das Abtastsystem das zweite Rasterabtastsystem ist, wird die Torschaltung 35a jedesmal momentan geöffnet, wenn die Abtastung einer einzelnen Abtastlinie in der zweiten Abtastrichtung vollendet wird, wobei der Galvanospiegel 16 des ersten Galvanoabtasters 12 so etwas gedreht wird, daß die Linienposition der Linienabtastung durch den Belichtungslaserstrahl 18 in der ersten Abtastrichtung zur benachbarten Linie bewegt wird.
Eine Steuerschaltung 37 für den akusto-optischen Modulator ist mit der Strahlposition-Steuerschaltung 33 verbunden und führt dem akusto-optischen Modulator 21 ein Steuersignal zu, welches der Existenz oder Nichtexistenz des Signals auf einer einzelnen Linie in der X-Richtung oder auf einer einzelnen Linie in Y-Richtung von Ebenendaten entspricht. Demgemäß wird der Lichtweg, in welchem der vom Laserstrahloszillator 17 emittierte Belichtungslaserstrahl 18 sich vom akusto-optischen Modulator 21 ausbreitet, unter der Steuerung der Steuerschaltung 37 für den akusto-optischen Modulator auf EIN und/oder AUS geschaltet.
Zur Steuerung der Position der Fokussierungslinse 23 in der Fokussierungsrichtung ist eine Fokussteuerschaltung 38 derart vorgesehen, daß der Belichtungslaserstrahl 18 immer auf die Flüssigkeitsoberfläche 4a des flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 als ein Lichtfleck vorbestimmten Durchmessers fokussiert ist.
Eine Motorsteuerschaltung 39 erzeugt ein Befehlssignal zum Steuern des vorstehend erwähnten Schrittmotors 9 auf der Basis des Signals aus der Strahlposition-Steuerschaltung 33. Wenn der Betrieb, bei welchem das dreidimensionale Objekt hergestellt wird, gestartet wird, wird der Elevator 5 so bewegt, daß sich seine Stufe 6 bei der Position befindet, die um die Schritthöhe einer einzelnen Schicht niedriger als die Flüssigkeitsoberfläche 4a des flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 ist, d. h., bei der Position, die um eine Schritthöhe bzw. einen Abstand einer auseinandergebrachten Ebene bei dem in mehrere auseinandergebrachte Ebenen auseinandergebrachten dreidimensionalen Objektbild niedriger als die Flüssigkeitsoberfläche 4a ist. Die oben beschriebene Position wird im folgenden als die "Anfangsposition" bezeichnet. Außerdem wird nach dem Starten der oben beschriebenen Herstellungsoperation des dreidimensionaler. Objekts der Elevator 5 jedesmal, wenn die Strahlabtastung an einer auseinandergebrachten Ebene beendet ist, um die Schritthöhe einer Schicht nach abwärts bewegt.
Die oben beschriebene Schichtschritthöhe wird so bestimmt, daß sie kleiner als die Hälfte der Dicke der gehärteten Schicht ist, die erzeugt wird, wenn das flüssige, fotohärtbare Harz 4 durch die Bestrahlung des Belichtungslaserstrahls 18 gehärtet wird. Wenn beispielsweise der Belichtungslaserstrahl 18 die Schichtoberfläche 4a des flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 bestrahlt, so daß das flüssige, fotohärtbare Harz gehärtet wird, um eine Dicke von 0,56 bis 0,7 mm von ihrer Flüssigkeitsoberfläche 4a aufzuweisen, wird die Schichtschritthöhe so gewählt, daß sie in einen Bereich von 0,2 bis 0,3 mm fällt.
Das dreidimensionale Objekt wird durch Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung 1 zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts wie folgt hergestellt.
In diesem Fall ist das dreidimensionale Objektbild 47 (siehe Fig. 3) der Form nach ein dicker Zylinder.
Beim Starten der Operation zur Herstellung des dreidimensionalen Bildes wird der Elevator 5 in die Anfangsposition bewegt und das flüssige, fotohärtbare Harz 4 mit der Dicke einer Schichtschritthöhe befindet sich auf der oberseitigen Oberfläche der Stufe 6 des Elevators 5.
Unter dieser Bedingungen tastet der Belichtungslaserstrahl 18 die Flüssigkeitsoberfläche 4a des flüssigen, fotohärtbaren Harzes 4 in dessen der Stufe 6 entsprechenden Bereich ab. Die Abtastung durch den Belichtungslaserstrahl 18 wird auf dem ganzen Bereich oder einem Abschnitt jeder auseinandergebrachten Ebene des korrespondierenden dreidimensionalen Objekts ausgeführt. Auch wird die Abtastung von einer der zwei an den Erden einer Anzahl auseinandergebrachte Ebenen befindlichen auseinandergebrachten Ebenen in der Auseinanderbringungsrichtung sequentiell ausgeführt. Außerdem wird die Abtastung an einer einzelnen auseinandergebrachten Ebene entweder durch das Vektorabtastsystem (diese wird im folgenden als "Konfigurationsabtastung" bezeichnet) mit einem der Konfigurationslinie der kotrespondierenden auseinandergebrachten Ebene entsprechenden Muster oder durch das Rasterabtastsystem (diese wird im folgenden als "Feld- oder Ebenenabtastung" bezeichnet) mit einem mit dem ganzen Bereich der korrespondierenden auseinandergebrachten Ebene entsprechenden Muster ausgeführt. Gleichzeitg werden die Konfigurationsabtastung und die Feldabtastung abwechselnd umgeschaltet und an jeder Schicht ausgeführt. Auch wird die Feldabtastung so ausgeführt, daß die erste Rasterabtastung und die zweite Rasterabtastung abwechselnd umgeschaltet werden.
Die Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm, auf welches bei der Erklärung der Schaltungsoperationen der Abtastsysteme Bezug genommen wird.
Unter der Bedingung, daß der Elevator 5 in die Anfangsposition bewegt ist, wird die Konfigurationsabtastung an der ersten auseinandergebrachten Ebene ausgeführt, wobei die Abtastung durch den Belichtungslaserstrahl 18 mit einem der Konfigurationslinie der ersten auseinandergebrachten Ebene entsprechenden Muster, d. h. einem der äußeren Umfangslinie und der inneren Umfangslinie entsprechenden Muster gemäß dem Vektorabtastsystem ausgeführt wird. Deshalb werden, wie in Fig. 6A und Fig. 7A gezeigt, ein den äußeren Umfang der ersten auseinandergebrachten Ebene definierender ringförmiger gehärteter Streifen 411 und ein ringförmiger gehärteter Streifen 421 zum Definieren des inneren Umfangs der ersten auseinandergebrachten Ebene auf der Stufe 6 des Elevators 5 gebildet, wohingegen das zwischen den gehärteten Streifen 411 und 421 vorhandene flüssige, fotohärtbare Harz 4 nicht gehärtet und so belassen ist, wie es ist.
Wenn die Konfigurationsabtastung beendet ist, wird der Elevator 5 um eine Schichtschritthöhe nach abwärts bewegt, wodurch das flüssige, fotohärtbare Harz 4 mit einer Dicke von einer Schichtschritthöhe auf die gehärteten Streifen 411 und 421 und den nicht gehärteten Bereich fließt.
Unter dieser Bedingung wird die Feldabtastung des Belichtungslaserstrahls 18 auf der zweiten auseinandergebrachten Ebene gemäß dem ersten Rasterabtastsystem ausgeführt. Beim ersten Rasterabtastsystem wird die Linienabtastung durch Schwingen des Galvanospiegels 16 des ersten Galvanoabtasters 12 ausgeführt. Jedesmal, wenn eine Linienabtastung beendet ist, wird der Galvanospiegel 16' des zweiten Galvanoabtasters 13 um einen Winkel gedreht, der einem Linienabstand äquivalent ist, wobei die Position der Linienabtastung sequentiell in Richtung der zweiten Abtastrichtung so bewegt wird, daß die Bestrahlung durch den Belichtungslaserstrahl 18 ausgeführt wird, um die auseinandergebrachte Ebene von einem Ebenenstandpunkt aus zu definieren. Zu diesem Zeitpunkt wird der Bereich, in welchem das flüssige, fotohärtbare Harz 4 noch nicht gehärtet ist, da die Bestrahlung des Belichtungslaserstrahls 18 nicht an der ersten auseinandergebrachten Ebene ausgeführt ist, d. h., das im Bereich zwischen den ringförmigen gehärteten Streifen 41&sub1; und 42&sub1; vorhandene flüssige, fotohärtbare Harz 4, ebenfalls durch die Bestrahlung des Belichtungslaserstrahls 18 gehärtet, mit dem Ergebnis, daß das flüssige, fotohärtbare Harz 4 simultan gehärtet wird. Deshalb wird, wie in den Fig. 6B und 7B gezeigt, eine im wesentlichen flächenförmige gehärtete Harzschicht 431 mit einer einer Schritthöhe von zwei Schichten entsprechenden Dicke hergestellt.
Wenn die oben beschriebene gehärtete Harzschicht 43&sub1; gebildet wird, werden die ringförmigen gehärteten Streifen 41&sub1; und 41&sub2; an die gehärtete Harzschicht 43&sub1; gebunden, wodurch eine zusammengesetzte gehärtete Harzschicht 44&sub1; mit im wesentlichen der gleichen Form wie jene der ersten und zweiten auseinandergebrachten Ebene hergestellt.
In den Fig. 6 und 7 bezeichnen die Bezugszeichen 45, 45... oder 46, 46... stabförmige, gehärtete Abschnitte, die durch eine einzelnen Zeilen- bzw. Linienabtastung gebildet sind (In der Fig. 8 ist ein einzelner Abschnitt der gehärteten Abschnitte 45, 45... oder 46, 46... in Bezug auf gehärtete Harzschichten 43, 43... durch Linien gezeigt.)
Wenn der Elevator 5 um eine Schichtschritthöhe nach abwärts bewegt wird, fließt das flüssige, fotohärtbare Harz 4 einer der Dicke einer einzelnen Schichtschritthöhe entsprechenden Menge auf die gehärtete Harzschicht 43&sub1;, und die Bestrahlung durch den Belichtungslaserstrahl 18 wird auf der dritten auseinandergebrachten Ebene ausgeführt. Diese Bestrahlung durch den Laserstrahl 18 wird nur auf der Konfigurationslinie der dritten auseinandergebrachten Ebene bzw. Zerlegungsebene gemäß dem Konfigurationsabtastsystem ausgeführt. Deshalb werden wie in den Fig. 6C und 7C zwei ringförmige gehärtete Streifen 41&sub2; und 42&sub2; auf der schon geformten gehärteten Harzschicht 43&sub1; gebildet. Die gehärteten Streifen 41&sub2; und 42&sub2; werden an die zusammengesetzte gehärtete Harzschicht 44&sub1; gebunden und sind einheitlich mit dieser ausgebildet.
Von diesem Zustand wird der Elevator 5 um eine Schichtschritthöhe nach unten bewegt und die Bestrahlung durch den Belichtungslaserstrahl 18 wird auf einer vierten auseinandergebrachten Ebene bzw. Zerlegungsebene gemäß der Feldabtastbasis auf dem zweiten Rasterabtastsystem ausgeführt. Beim zweiten Rasterabtastsystem wird die Linienabtastung durch Schwingen des zweiten Galvanospiegels 16' ausgeführt. Jedesmal, wenn eine Linienabtastung vollendet ist, wird der erste Galvanospiegel 16 um einen Winkel gedreht, der einer Schichtschritthöhe äquivalent ist, wodurch die Position der Linienabtastung sequentiell in Richtung der ersten Abtastrichtung bewegt wird, so daß die Bestrahlung des Belichtungslaserstrahls 18 ausgeführt wird, um die vierte auseinandergebrachte Ebene von einem Ebenenstandpunkt aus zu definieren. Zu diesem Zeitpunkt wird der Bereich, in welchem das flüssige, fotohärtbare Harz 4 nicht gehärtet ist, da die Bestrahlung durch den Belichtungslaserstrahl 18 nicht auf der dritten auseinandergebrachten Ebene ausgeführt ist, d. h., der Bereich zwischen den gehärteten Streifen 41&sub2; und 42&sub2;, gleichzeitig gehärtet. Deshalb wird, wie in den Fig. 6D und 7D gezeigt, eine gehärtete Harzschicht 43&sub2; mit einer der Schritthöhe der zwei Schichten entsprechenden Dicke gebildet. Die gehärteten Streifen 41&sub2; und 42&sub2; sind an die gehärtete Harzschicht 43&sub2; gebunden und einheitlich mit dieser ausgebildet, wenn die gehärtete Harzschicht 43&sub2; gebildet ist, wodurch eine zusammengesetzte gehärtete Harzschicht 44&sub2; mit im wesentlichen der gleichen Form wie jene der dritten und vierten auseinandergebrachten Ebene gebildet wird.
Die oben beschriebene Operation wird wiederholt ausgeführt, wodurch eine Anzahl gehärteter Harzschichten 43&sub1;, 43&sub2;, ..., 43n auf der Stufe 6 laminiert werden, wobei die gehärteten Streifen 41&sub1;, 42&sub1;, 41&sub2;, 42&sub2;, ... 41n und 42n unter ihnen belassen werden und dabei ein dreidimensionales Objekt 47 bilden, das die gleiche Form wie das dreidimensionale Objektbild 46 aufweist.
Deshalb kann die Oberfläche des so gebildeten dreidimensionalen Objekts 47 sehr glatt gemacht werden. In anderen Worten ausgedrückt sind die äußere Umfangsfläche und die innere Umfangsfläche des dreidimensionalen Objekts 47 aus äußeren Seitenflächen der durch die Vektorabtastung mit der Schritthöhe einer Schicht gebildeten gehärteten Streifen gebildet, so daß als Ganzes gesehen die Oberfläche des dreidimensionalen Objekts 47 insgesamt sehr glatt ohne Irregularitäten gemacht werden kann.
Bei dieser Ausführungsform wird die Linienabtastrichtung des durch die Schritthöhe einer Schicht ausgeführten Rasterabtastsystems abwechselnd geändert, so daß beim Härten der gehärteten Streifen 45, 45... und 46, 46... die Richtungen, in welchen die gehärteten Streifen 45, 45... und 46, 46... verdreht sind, aufgrund der Kontraktion nicht regulär sind, wodurch ein dreidimensionales Objekt keine erhaltene Verwindung oder Verzerrung aufweist.
Da außerdem die Linienabtastrichtung bei jeder anderen gehärteten Harzschicht geändert wird, kann verhindert werden, daß der Startpunkt und der Endpunkt der Linienabtastung irgendeine Seitenfläche des dreidimensionalen Objekts erreicht, wodurch es möglich ist, ein dreidimensionales Objekt zu erhalten, bei dem alle Seitenflächen glatt sind.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist klar, daß gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts die Bestrahlung durch den Strahl auf der Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen, fotohärtbaren Harzes ausgeführt wird, um dadurch die gehärtete Harzschicht mit einem Muster zu bilden, das der Form der auseinandergebrachten Ebene entspricht, die aus der Auseinandernehmung des dreidimensionalen Objektbildes in einer Richtung resultiert. Beim nächsten Prozeß wird das flüssige, fotohärtbare Harz auf der gehärteten Harzschicht plaziert und die Bestrahlung durch den Strahl wird erneut auf der Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen, fotohärtbaren Harzes ausgeführt, wodurch die gehärteten Harzschichten laminiert werden. Infolgedessen wird die gehärtete Harzschicht sequentiell laminiert, um ein gewünschtes dreidimensionales Objekt zu bilden. Vorspringende Eigenschaften der oben beschriebenen Anordnung sind folgende:
Die oben beschriebene Bestrahlung durch den Strahl wird durch den Strahlabtastabschnitt ausgeführt, der aus einer Strahloszillatoreinrichtung, einer akusto-optischen Modulatoreinrichtung, dem ersten Galvanospiegel zum Ablenken des Strahls in einer geraden Linienrichtung auf der auseinandergebrachten Ebene und dem zweiten Galvanospiegel zum Ablenken des Strahls in der Richtung senkrecht zur oben genannten geraden Linie besteht. Außerdem wird die Bestrahlung durch den Strahl durch zwei Arten Abtastsysteme ausgeführt, d. h., dem Konfigurationsabtastsystem, bei welchem die Konfigurationslinie der auseinandergebrachten Ebene durch das Vektorabtastsystem abgetastet wird, und dem Feldabtastsystem, bei welchem die ganze Oberfläche der auseinandergebrachten Ebene durch das Rasterabtastsystem abgetastet wird. Die Konfigurationsabtastung wird jedesmal ausgeführt, wenn die gehärtete Harzschicht durch eine oder mehrere Feldabtastoperationen gebildet wird.
Deshalb wird von den laminierten gehärteten Harzschichten die Schicht mit ihrer gehärteten äußeren Form auf jeder anderen oder mehreren gehärteten Harzschichten durch die auf dem Vektorabtastsystem basierende Konfigurationsabtastung gebildet, wodurch die äußere Form dieser gehärteten Harzschicht glatt gemacht werden kann. Infolgedessen kann bei Betrachtung des so geformten dreidimensionalen Objekts als Ganzes die Oberfläche des dreidimensionalen Objekts sehr glatt gemacht werden.
Da außerdem die für die Strahlabtastung erforderliche Strahlschalt-Steueroperation durch die akusto-optische Modulatoreinrichtung ausgeführt wird, deren Steueroperation mit elektrischer Geschwindigkeit ausgeführt wird, kann das Schalten zwischen der Vektorabtastung und der Rasterabtastung mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden, und die Abtastung durch den Strahl kann ebenfalls mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden, wodurch das dreidimensionale Objekt mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden kann.
Obgleich bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Konfigurationsabtastung bei jeder anderen gehärteten Harzschicht ausgeführt wird, ist es auch möglich, daß die Konfigurationsabtastung an jeder zweiten oder mehreren gehärteten Harzschichten, die durch die Feldabtastung gebildet sind, ausgeführt wird.
Das Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts nach der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Vorrichtung beschränkt, die so aufgebaut ist, wie die oben erwähnte Ausführungsform. Die bei der oben erwähnten Ausführungsform beschriebene Vorrichtung ist hier als ein Beispiel einer Vorrichtung beschrieben, welche das Verfahren der vorliegenden Erfindung verkörpern kann.
Überdies ist es nicht notwendig zu sagen, daß die Arten des flüssigen, fotohärtbaren Harzes, die Arten des Belichtungsstrahls und die Form des dreidimensionalen Objekts nicht auf jene der oben genannten Ausführungsform beschränkt sind.
Nach Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht auf diese präzise Ausführungsform beschränkt ist und daß verschiedene Änderungen und Modifikationen durch einen Fachmann ohne Abweichung vom Rahmen und Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, bewirkt werden können.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, bei welchem

i) eine Oberfläche (4a) eines flüssigen photohärtbaren Harzes (4) durch Abtasten der Oberfläche mit einem Strahl (18) bestrahlt wird, um eine gehärtete Harzschicht zu bilden, die ein mit einer Form einer von mehreren auseinandergebrachten, aus einem Auseinanderbringen eines Bildes eines beschriebenen dreidimensionalen Objekts in einer Richtung resultierenden Ebenen korrespondierendes Muster aufweist,

ii) ein flüssiges photohärtbares Harz auf die gehärtete Harzschicht aufgebracht wird,

iii) die Oberfläche der flüssigen photohärtbaren Harzschicht auf der gehärteten Harzschicht durch Abtasten mit einem Strahl (18) bestrahlt wird, um eine andere gehärtete Harzschicht, die ein mit einer Form einer anderen der auseinandergebrachten Ebenen korrespondierendes Muster aufweist, auf der schon gehärteten Harzschicht zu laminieren, und

iv) die Schritte ii) und iii) für mit den Formen weiterer der auseinandergebrachten Ebenen korrespondierende Muster wiederholt werden, um das gewünschte dreidimensionale Objekt durch sequentielle Laminierung zu bilden,

gekennzeichnet durch

a) Ausführen einer Konfigurationsabtastung, bei welcher die Peripherie nur einer auseinandergebrachten Ebene auf einer Flüssigkeitsoberfläche durch Bestrahlung mit einem Strahl auf der Basis eines Vektorabtastsystems abgetastet wird, und

b) Ausführen einer Feldabtastung, bei welcher das Ganze der Flüssigkeitsoberfläche innerhalb der Peripherie einer auseinandergebrachten Ebene entsprechend einem Rasterabtastsystem abgetastet wird,

c) Ausführen der Konfigurationsabtastung für eine Schicht zum Härten deren Peripherie und Ausführen der Feldabtastung für die nächste Schicht zum Härten sowohl des flüssigen Harzes der nächsten Schicht als auch des sich innerhalb der gehärteten Peripherie der einen Schicht befindlichen flüssigen Harzes der einen Schicht,

wobei eine Konfigurationsabtastung jedesmal, wenn durch eine Feldabtastung eine gehärtete Harzschicht gebildet worden ist, oder jedesmal, wenn durch meherere Feldabtastungen mehrere gehärtete Harzschichten gebildet worden sind, ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rasterabtastung derart ausgeführt wird, daß für verschiedene auseinandergebrachte Ebenen die Abtastrichtung der Rasterabtastung zwischen jeder von einer Zahl Feldabtastungen verschieden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rasterabtastung derart ausgeführt wird, daß die Abtastrichtung einer Feldabtastung und die Abtastrichtung einer folgenden Feldabtastung voneinander Verschieden sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Differenz von Abtastrichtungen gleich 90º beträgt.

5. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch

i) Bestrahlen einer Oberfläche (4a) eines flüssigen photohärtbaren Harzes (4) durch Abtasten der Oberfläche mit einem von einer Strahlabtasteinrichtung (11, 30) erzeugten Strahl (18) zur Bildung einer gehärteten Harzschicht, die ein mit einer Form einer von mehreren auseinandergebrachten, aus einem Auseinanderbringen eines Bildes eines beschriebenen dreidimensionalen Objekts in einer Richtung resultierenden Ebenen korrespondierendes Muster aufweist,

ii) Aufbringen eines flüssigen photohärtbaren Harzes auf die gehärtete Harzschicht,

iii) Bestrahlen der Oberfläche der flüssigen photohärtbaren Harzschicht auf der gehärteten Harzschicht durch Abtasten mit einem Strahl (18) von der Strahlabtasteinrichtung (11, 30) zum Laminieren einer anderen gehärteten Harzschicht mit einem ein mit einer Form einer anderen der auseinandergebrachten Ebenen korrespondierenden Muster auf der schon gehärteten Harzschicht, und

iv) Wiederholen der Schritte ii) und iii) für mit den Formen weiterer der auseinandergebrachten Ebenen korrespondierende Muster zur Bildung des gewünschten dreidimensionalen Objekts durch sequentielle Laminierung,

dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlabtasteinrichtung (11, 30)

a) eine Konfigurationsabtastung ausführt, bei welcher die Peripherie nur einer auseinardergebrachten Ebene auf einer Flüssigkeitsoberfläche durch Bestrahlung mit einem Strahl auf der Basis eines Vektorabtastsystems abgetastet wird, und

b) eine Feldabtastung ausführt, bei welcher das Ganze der Flüssigkeitsoberfläche innerhalb der Peripherie einer auseinandergebrachten Ebene entsprechend einem Rasterabtastsystem abgetastet wird,

c) die Konfigurationsabtastung für eine Schicht zum Härten deren Peripherie und die Feldabtastung für die nächste Schicht zum Härter sowohl des flüssigen Harzes der nächsten Schicht als auch des sich innerhalb der gehärteten Peripherie der einen Schicht befindlichen flüssigen Harzes der einen Schicht ausführt, und daß die Vorrichtung eine Konfigurationsabtastung jedesmal,

wenn durch eine Feldabtastung eine gehärtete Harzschicht gebildet worden ist, oder jedesmal, wenn durch meherere Feldabtastungen mehrere gehärtete Harzschichten gebildet worden sind, ausführt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Strahlabtasteinrichtung (11, 30) eine erste Ablenkeinrichtung (12) zum Ablenken des Strahls (18) in einer geradlinigen Richtung und eine zweite Ablenkeinrichtung (13) zum Ablenken des Strahls (18) in einer zur einen geradlinigen Richtung senkrechten Richtung aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Strahlabtasteinrichtung (11, 30) eine Strahloszillatoreinrichtung (17) zur Erzeugung des Strahls (18) und eine akustooptische Modulatoreinrichtung (21) zum Ein- und/oder Ausschalten des Strahls 18 aus der Strahlosziliatoreinrichtung (17) aufweist.