DE102006019963A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels Maskenbelichtung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels Maskenbelichtung Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes (3) durch schichtweises Verfestigen eines unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials (4) mittels Energieeintrag über eine bildgebende Einheit, die eine bestimmte Anzahl diskreter bildgebender Elemente (Pixel) aufweist, wobei die Vorrichtung eine Computereinheit, einen IC und/oder eine Softwareimplementierung jeweils mit der Fähigkeit einschließt, den Einergieeintrag über einen bestimmten Grauwert und/oder Farbwert einzustellen und/oder zu steuern.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen eines unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials, insbesondere eines Photopolymers, mittels Energieeintrag über eine bildgebende Einheit, die eine bestimmte Anzahl diskreter bildgebender Elemente (Pixel) aufweist. Insbesondere betrifft diese Erfindung Verfahren, bei denen die zu erzeugende Schicht durch die Belichtung mittels einer gerasterten Maske beruht, wobei die kleinste physikalische Auflösung in der Maske durch die Größe eines Pixels gegeben ist und die bildgebende Einheit auf der Spacial Light Modulator (SLM) Technologie beruht.
  • Stand der Technik
  • Für den schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Objekte aus „lichthärtenden" Photopolymeren werden in der Literatur unterschiedlichste Verfahren angegeben, siehe hierzu „Automated Fabrication – Improving Productivity in Manufacturing" von Marshall Burns, 1993 (ISBN 0-13-119462-3).
  • Bekannte Möglichkeiten sind u.a. die Belichtung durch
    • a) Multimedia Projektor
    • b) LC-Display (reflexiv, transmissiv)
    • c) LED-, bzw. Laser-Dioden-Zeile (die orthogonal zur Zeile über die Schicht bewegt wird)
    • d) Lichtventil-Technologie (MEMS)
  • Diese Methoden werden in folgenden Patenten beschrieben:
    US-Patent US005247180A „Stereolithographic Apparatus and Method of use" von Texas Instruments Inc., Sept. 1993.
  • US-Patent US005980813A „Rapid Prototyping using multiple materials" von SRI International, Nov. 1999;
    Gebrauchsmusterschrift DE G 93 19 405.6 „Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (Modells) nach dem Prinzip der Photoverfestigung" vom Forschungszentrum Informatik an der Universität Karlsruhe, Dez. 1993;
    eine Anwendung für die Erzeugung mikrotechnischer, dreidimensionaler Bauteile nach einem ähnlichen Verfahren wird in der Gebrauchsmusterschrift DE 299 11 122 U1 „Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes", DeltaMed u.a., Juni 1999, beschrieben.
  • EP 1250995A (= US2002155189A ) „Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes" der Envision Technologies GmbH, April 2002.
  • Deutsches Patent DE69909136T „Rapid-Prototyping-Vorrichtung und Rapid-Prototyping-Methode", Juli 2003 (entsprechend Europäisches Patent EP1338846 „Rapid Prototyping Apparatus and Method of Rapid Prototyping", August 2003) der DICON AS Lystrup, Dänemark.
  • WO 01/00390 A von HAP, Sitec Industrietechnologie und DELTAMED Medizinprodukte GmbH.
  • WO 2005/110722 A der Envisiontec GmbH.
  • Bei Laser-basierten Systemen zur Photopolymerisation wird die Lichtleistung im Belichtungspunkt durch die Energieeinstellung des Laserstrahls vorgenommen, wodurch die Durchhärtetiefe des verfestigbaren Materials wie des Photopolymers in diesem Punkt gesteuert werden kann.
  • Um eine entsprechende Schicht selektiv auszuhärten, wird der Laserstrahl über die entsprechend auszuhärtende Querschnittsfläche gescannt.
  • Die Konturen der auszuhärtenden Querschnittsfläche können vom Laserstrahl als Kurve abgefahren werden.
  • Bei Systemen zur Photopolymerisation basierend auf Maskenprojektion mittels Projektionssystemen, speziell mit der SLM-Technologie, wird die gesamte Schicht auf einmal belichtet. Die weißen Bereiche des projezierten Bildes härten das verfestigbare Material (normalerweise ein Photopolymer) aus, die schwarzen Bereiche nicht. Die Konturen der auzuhärtenden Querschnittsfläche können nur gerastert dargestellt werden; die Auflösung ist abhängig von der Anzahl der Bildpunkte bzw. der Pixel und der Größe des projizierten Bildes.
  • Bei der oben genannten WO 01/00390 A wird die Intensität von Strahlen durch Steuerung der Durchlässigkeit der Maske gesteuert, wobei die Steuerung der Intensität über die Ansteuerung von Graustufen eines Transmissions-LCD erfolgen kann.
  • Bei der WO 2005/110722 A wird zur Verbesserung der Auflösung entlang der Außen- und Innenkonturen der Querschnittsflächen des schichtweise zu generierenden Objektes im Subpixelbereich pro Schicht eine Mehrfachbelichtung vorgenommen, die aus einer Abfolge einer Mehrzahl von im Subpixelbereich versetzten Bildern in der Bild-/Bauebene besteht, wobei für jedes versetzte Bild eine separate Maske/Bitmap erzeugt wird. Eine Graustufeneinstellung wird für durch den Subpixelversatz erhaltene Kontur-Pixel in Betracht gezogen.
  • Weder in der WO 01/00390 A noch in der WO 2005/110722 wird gezeigt, wie die Auflösung und die Feineinstellung in der Bildebene verbessert werden können und wie native Inhomogenitäten der Lichtquelle besser ausgeglichen werden können.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen eines unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Energieeintrag über eine bildgebende Einheit, die eine bestimmte Anzahl diskreter bildgebender Elemente (Pixel) aufweist, so zu verbessern, dass eine höhere Genauigkeit, höhere Auflösung und Feineinstellung und/oder eine höhere Homogenität des Systems erreicht wird.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Erfindung stellt in einer ersten Ausführungsform eine Vorrichtung bereit zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Energieeintrag über eine bildgebende Einheit, die eine bestimmte Anzahl diskreter bildgebender Elemente (Pixel) aufweist, wobei die Vorrichtung eine Computereinheit, einen IC und/oder eine Softwareimplementierung jeweils mit der Fähigkeit einschließt, den Energieeintrag über einen bestimmten Grauwert und/oder Farbwert einzustellen und/oder zu steuern.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Ausführungsform kann die Fähigkeit zur Einstellung und/oder Steuerung eines bestimmten Grauwerts und/oder Farbwerts vorteilhaft spezifisch und individuell pro Pixel bereitgestellt werden.
  • Die Erfindung stellt ferner in einer zweiten Ausführungsform eine Vorrichtung bereit zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Energieeintrag über eine gerasterte bildgebende Einheit, die eine bestimmte Anzahl diskreter, als Punkt, als Zeile oder als Matrix angeordneter bildgebender Elemente (Pixel) aufweist, wobei die bildgebende Einheit das Bild aus den Pixeln zusammensetzt und so eine gerasterte Maske (Bitmap) bildet, wobei die bildgebende Einheit so ausgestaltet ist, daß mindestens einem Teil der Pixel zum variablen Energieeintrag mehr als zwei Energiestufen zugeordnet werden können. Die Zuordnung erfolgt zweckmäßig durch Versorgung bzw. Lieferung der mehr als zwei Energiestufen pro Bitmap und vorzugsweise pixel-spezifisch.
  • In bevorzugten Weiterbildung der zweiten Ausführungsformen kann die Ausgestaltung der bildgebenden Einheit vorteilhaft derart sein, daß die Zuordnung bzw. Einstufung von Pixeln in die mehr als zwei Energiestufen spezifisch und individuell pro Pixel bereitgestellt werden.
  • Die mehr als zwei Energiestufen schließen bevorzugt ein:
    • a1) AN- und AUS-Zustände durch im wesentlichen vollständigen Energiedurchlass (weiß) bzw. im wesentlichen vollständiger Energieblockage ohne Energiedurchlaß (schwarz) bei transmissiven Systemen (insbesondere mit Light-Valves) oder
    • a2) AN- und AUS-Zustände durch im wesentlichen vollständige Energie-Reflexion in die optische Achse (weiß im Projektionsbild) bzw. im wesentlichen vollständige Reflexion aus der optischen Achse heraus in einen optischen Absorber (schwarz im Projektionsbild) bei reflexiven Systemen (insbesondere mit Digital Micromirror Device [DMD] oder Liquid Crystal on Silicon [LCoS] zur digitalen Lichtprozessierung [DLP]), und zusätzlich
    • b1) eine bestimmte, gewünschte Anzahl von Graustufen oder
    • b2) eine bestimmte, gewünschte Anzahl von Farbwerten. Die Farbwerte können einen Farbton und/oder eine Farbdichte bzw. -intensität repräsentieren.
  • Erfindungsgemäß kann die Anpassung bzw. Einstellung über Farbwerte im Vergleich zu Grauwerten besonders vorteilhaft sein, weil dann eine signifikant bessere Feineinstellung, spezifisch bezogen auf das jeweils verwendete Photopolymer, möglich ist.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der ersten und zweiten Ausführungsformen kann die bildgebende Einheit der Vorrichtung in einer Projektionseinheit eingeschlossen sein. Die bildgebende Einheit ist üblicherweise so aufgebaut, daß die Anzahl der Pixel konstant ist und in der Ebene räumlich zueinander fest angeordnet sind.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der ersten und zweiten Ausführungsformen kann die bildgebende Einheit die Vorrichtung vom Typ eines emittierenden Punkts, einer emittierende Zeile oder einer emittierenden Matrix sein. Eine Auflösungsverbesserung wird insbesondere dann erreicht, wenn die bildgebende Einheit ein Spatial Light Modulator (SLM) oder Light-Valves in MEMS-Technologie oder LED's einschließt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren bereit zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Energieeintrag über eine bildgebende Einheit, die eine bestimmte Anzahl diskreter bildgebender Elemente (Pixel) aufweist, wobei die Lichtleistung zur Verfestigung des Materials bei mindestens einem Teil der Pixel über einen definierten Grauwert und/oder Farbwert gesteuert wird.
  • Durch diese Maßnahme kann vorteilhaft die Durchdringungstiefe der elektromagnetischen Strahlung zur Verfestigung des Materials wesentlich feiner und variabel und pixelgenau eingestellt werden.
  • Informationen zu Grauwert und/oder Farbwert können in dem gerasterten Bild (Bitmap) pro Bildpunkt (Pixel) gespeichert sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Verfestigung des Materials die Belichtungsmaske bzw. das Bild mittels einer Projektionseinheit in die Bauebene projiziert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung wird für das gesamte Projektionsbild anhand der gemessenen nativen Lichtleistungsverteilung eine Kompensationsmaske mit Grauwerten generiert, die als Überlagerung zur für die schichtweise Verfestigung generierten Bitmap eine homogene Verteilung der Lichtleistung über das gesamte Projektionsbild hervorruft. Die Homogenität der Lichtleistungsverteilung wird somit deutlich verbessert. Wenn die Messung der nativen Lichtleistungsverteilung im Projektionsbild der Bauebene erfolgt kann die Generierung der Kompensationsmaske unabhängig von der beim Bauprozeß generierten Bitmap erfolgen, erfaßt somit nicht nur belichtete sondern auch unbelichtete Flächen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Grauwerte in der Kompensationsmaske zwischen den Messpunkten interpoliert, wodurch eine gleichförmigere Grauwertverteilung über die gesamte Kompensationsmaske erreicht wird.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung wird ermittelt, welche Pixel von der Grafik wie stark überschnitten werden. Je nach Ergebnis dieser Ermittlung wird pixel-spezifisch ein entsprechend gewichteter Grauwert oder ein bestimmter Farbwert zugeordnet. Durch diese Maßnahme kann die Auflösung bei sehr feinen Strukturen signifikant verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich wird durch diese Maßnahmen bei der Rasterung einer Kontur-Linie ein Antialiasing berücksichtigt, wodurch der so genannte Treppeneffekt im Kanten-/Kontur-Bereich, der bei der Rasterung einer Vektorgrafik – hier der zu belichtenden Querschnittsstruktur – entsteht, beseitigt bzw. reduziert wird.
  • Eine Mehrfachbelichtung und/oder ein Subpixelversatz ist dabei erfindungsgemäß nicht erwünscht.
  • In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung werden in einem Querschnittsbild, das zur schichtweisen Verfestigung erzeugt wurde, verschiedene Bereiche unterschiedlicher Flächenausdehnung indentifiziert. Die Pixel der jeweils identifizierten Bereiche werden mit einheitlichen Grauwerten und/oder Farbwerten belegt, so daß sich Grauwert und/oder Farbwert über die jeweiligen Bereiche ausdehnen. So können zum Beispiel größere Flächenstrukturen entsprechend ihrer Ausdehnung abgedunkelt werden, während kleinere Flächenstrukturen heller bestrahlt werden. Dadurch wird eine gleichmäßige Durchhärtetiefe über das gesamte Querschnittsbild und somit über die gesamt zu belichtende Fläche erhalten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung erfolgt eine erhöhte Aushärtung selektierter Flächenbereiche durch Ein- oder Mehrfach-Belichtung einzelner oder mehrerer Schichten, indem eine entsprechende Grauwertbelegung nachfolgender Schichten vorgenommen wird, wobei in den selektierten Bereichen die so erreichte Durhärtetiefe in Z-Richtung die geschnittene Schichtdicke übersteigt, vorzugsweise um ein Vielfaches, d.h. um mindestens das Dreifache, vorzugsweise mindestens das Vierfache und weiter bevorzugt mindestens das Fünffache übersteigt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung werden Informationen bezüglich Grauwert und/oder Farbwert pro Bildpunkt (Pixel) online für jedes gerasterte Bild (Bitmap) aktuell berechnet.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der Vorteile der Erfindung
  • Vorrichtung und Verfahren gemäß der Erfindung erlauben es, die Homogenität der Lichtleistungsverteilung zu verbessern. Speziell kann durch eine Lichtleistungssteuerung mittels Graustufen und/oder Farbwerten im Makrobereich oder spezifisch auf Pixel-Niveau die Abbildungsleistung durch das Bitmapping der auszuhärtenden Querschnittsflächen innerhalb der zu generierenden Schicht verbessert werden. Abbildungsverluste, die durch eine reine AN/AUS (WEISS/SCHWARZ) – Rasterung verursacht werden, können reduziert werden. Das Auflösungsvermögen in der Bauebene wird verbessert, ohne die Auflösung der bildgebenden Einheit erhöhen zu müssen. Somit wird insgesamt die Qualität des Bauteils in Bezug auf Oberflächenglätte, Detailtreue und Toleranzen verbessert.
  • Insbesondere bei Projektionssystemen mit SLM-Technologie kann die Lichtleistungsverteilung über die Bildfläche deutlich verbessert werden (gegenüber einer herkömmlich unter Umständen inhomogenen Verteilung von absolut bis zu 50%). Mithilfe der Erfindung wird daher die Abhängigkeit bzw. der Einfluß im Vergleich zum Stand der Technik verringert in Bezug auf a) die verwendete Lichtquelle, b) das optische System zur Einkopplung der Lichtenergie (speziell auf den SLM) und c) die Vignetierung der Projektionsoptik.
  • Selbst wenn sich die Eigenschaften der Lichtquelle über die Zeit verändern, kann dies erfindungsgemäß korrigiert werden, so daß variable Fehler und sich verändernde Homogenitätsverteilungen kompensiert werden können. Mit der Erfindung können falls gewünscht sogar konstante Fehler, die durch das optische System zur Einkopplung der Lichtenergie auf den SLM und die Projektionsoptik hervorgerufen werden können, durch Ausgleich von Homogenitätsabweichungen vermieden werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Konzept kann, falls gewünscht, auch das Problem angegangen werden, daß die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Größe der belichteten Flächenstruktur (höhere Lichtintensität bei größeren, zusammenhängenden Flächen, geringere Lichtintensität bei kleinen, filigranen Flächenstrukturen) variiert, weshalb ohne die erfindungsgemäße Maßnahme die Inhomogenität der Lichtleistungsverteilung im projizierten Bild zu entsprechenden Abweichungen in der Durchhärtetiefe des Photopolymers und somit zu Fehlern/ Abweichungen, Ungenauigkeiten im Bauteil beim Einsatz von Maskenprojektion mittels SLM-Technologie führen kann.
  • Mittels der Graustufen-Steuerung und/oder der Farbwert-Steuerung kann die Lichtleistungsverteilung sowohl über das Gesamtbild (Graumasken-Kompensation) – Makro-Anpassung – als auch auf Pixel-Niveau – Mikro-Anpassung – angepasst werden, ohne den nativen Zustand der Lichtquelle und/oder der abbildenden Opitk zu verändern. Die Mikroanpassung erfolgt am besten selektiv, d.h. abhängig von der abzubildenden Querschnittsstruktur und während der Generierung der Bitmap der Querschnittsfläche für die jeweils aktuell hergestellte Schicht.
  • Ferner kann mit der Maßnahme, mindestens einem Teil der Pixel mehr als zwei Energiestufen zuzuordnen, insbesondere zusätzlich zu den normalen AN- und AUS-Zuständen (weiß/schwarz) weitere Energiestufen über eine bestimmte Zahl von Graustufen, bevorzugt über eine bestimmte Zahl von Farbwerten bereitzustellen, eine wesentlich bessere Feinabstimmmung des Energieeintrags erzielt werden.
  • Durch die Erfindung können ebenso Betriebsbedingungen, insbesondere die Durchhärtetiefe über die gesamte abzubildende Querschnittsstruktur pro Schicht weitestgehend konstant gehalten oder gezielt selektiv zwecks Über- oder Unterbelichtung selektierter Bereiche manipuliert werden, was zu einer Verbesserung der Bauteil-Qualität führt. Eine bessere Auflösung und eine bessere Feinabstimmung wird insbesondere dann erzielt, wenn als Parameter für Über- oder Unterbelichtung eingeschlossen werden:
    • • Grad der Überlappung des gerasterten Pixels durch die Vektorgrafik, und/oder
    • • Größe der Fläche des Querschnittsbildes.
  • Auch können Abweichungen kompensiert werden, die z.B. durch Alterung der Lichtquelle oder sonstige optische Fehler herrühren.
  • Die Graustufen-Steuerung und/oder die Farbwert-Steuerung kann am zweckmäßigsten vollständig software-technisch durchgeführt werden. Als geeignete Komponenten zu diesem Zweck können eine Computereinheit wie eine CPU, ein IC und/oder eine Softwareimplementierung mit jeweils entsprechender Funktion dienen. Das System ist somit sehr flexibel und für alle auf SML-Technologie basierende Maskenprojektionssysteme einsetzbar.
  • Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die selektive, pixelgenaue Lichtleistungsanpassung innerhalb der Belichtung einer Schicht unabhängig von der Belichtungszeit durch die Graustufen- und/oder Farbstufen-Steuerung erfolgen kann. Die Belichtungszeit kann daher vorteilhaft für alle Schichten konstant bleiben.
  • Die Erfindung wird anhand von weiteren Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben; sie ist jedoch keineswegs auf die beschriebenen Ausführungsformen und -beispiele und Zeichnungen beschränkt, sondern kann beliebige Variationen und Modifikationen im Rahmen der Ansprüche einschließen.
  • 7 zeigt schematisch eine grundsätzliche Vorrichtung zur Generierung eines dreidimensionalen Objekts 3 durch schichtweise Aushärtung eines photohärtenden Materials 4 mittels Maskenprojektion 8, wobei sich die Projektionseinheit 1 mit einer abbildenden Optik 2 oberhalb des Beckens 6, gefüllt mit photohärtendem Material 4, befindet und das Objekt 3 schichtweise auf einer Trägerplatte 5 aushärtet, die innerhalb des Beckens 6 in vertikaler Richtung bewegt werden kann.
  • Bei einem auf Photoploymerisation basierenden Verfahren wird die zum Härten notwendige Lichtstrahlung in die Bearbeitungsebene projiziert. Die Belichtung wird mit Hilfe eines Multimedia-Projektors ausgeführt. Das Bild setzt sich dabei aus einzelnen Bildpunkten (Pixeln) zu einer sogenannten Bitmap zusammen. Die Bitmap-Maske wird durch einen Spatial Light Modulator gebildet, wobei die Pixel in der Ebene räumlich zueinander fest angeordnet sind. Eine derzeit gängige, beispielhafte Auflösung für solche Halbleiterelemente liegt bei SXGA+ 1400 × 1050 Bildpunkten.
  • Graustufen-Steuerung/Makro-Anpassung
  • Bei der Makro-Anpassung geht es darum, die nativen Abweichungen in der Lichtleistungsverteilung über die gesamte Bildfläche, hervorgerufen durch das optische System bzw. dessen Fehler mittels einer Grau- oder Farb-Maskenkompensation auszugleichen.
  • Hierzu werden multiple Messwerte gleichmäßig verteilt über die gesamte Bildfläche aufgenommen und eine Kompensationsmaske aus Grauwerten oder Farbwerten errechnet, die über jede einzelne projizierte Bitmap-Maske gelegt bzw. überlagert wird.
  • Durch dieses Verfahren wird die Homogenität mindestens um den Faktor zwei verbessert.
  • Die Messungen können entweder manuell erfasst oder über eine Sensor-Matrix ermittelt werden.
  • Als eine Ausführungsform der Kompensationsmaske kann eine einfache Kachelung bei der Kompensationsmaske eingesetzt werden (1), als andere Ausführungsform können die Kompensations-Grauwerte oder Farbwerte zwischen den einzelnen Messpunkten interpoliert werden (2) und so eine Kompensationsmaske mit weichen/kontinuierlichen Übergängen zwischen den einzelnen Messpunkten erzeugt werden.
  • Graustufen-Steuerung/Mikro-Anpassung
  • Bei der Mikro-Anpassung geht es darum eine möglichst originalgetreue Abbildung der zu projizierenden Querschnittsfläche mit höchster Genauigkeit zu erhalten und außerdem die Belichtungs- und Aushärte-Parameter über die zu belichtende Struktur entweder konstant zu halten oder gezielt Pixelgenau durch Grauwert- oder Farbwert-gesteuerte Über- oder Unterbelichtung zu beeinflussen.
  • Anwendungsbeispiele:
  • Pixelgenaue Anpassung der Grauwerte bei zu belichtenden Strukturen kleiner 3×3 Pixel in der Abbildungsebene
  • Hier kann es passieren, dass bei einer Strukturgröße von 1,5×1,5 Pixeln durch eine ungünstige Pixel-/Bitmap-Verteilung bzw. Rasterung bei einer reinen Schwarz/Weiß Umsetzung entweder nur ein Pixel oder gleich 3×3 Pixel Weiß geschaltet werden. Bei noch kleineren Strukturen in 1 Pixel-Größe kann es sogar zu vollständigem Verlust der abzubildenden Struktur in der Bitmap kommen.
  • Um dies zu verhindern, wird jedem Pixel abhängig vom Grad der Überlappung durch die abzubildende Struktur ein entsprechender Grauwert zugeordnet. Dies kommt insbesondere im Konturbereich der Struktur zum tragen.
  • Das Prinzip wird hier anhand einer Struktur dargestellt, die sowohl kleine Löcher als auch kleine Zylinder in unterschiedlicher Größe (Durchmesser 200, 500 und 1000 μm) aufweist (3), aus deren Querschnittsflächen jeweils eine Bitmap-Maske generiert wird.
  • Aus der Auflösung der Rasterung, hier 1280×1024 Pixel und der Größe des Baufeldes, hier 317.5 × 254 mm, ergibt sich eine Pixelgröße von 248 μm.
  • Es ist zu beachten, dass die kleinste Struktur hier kleiner als ein Pixel ist!
  • Durch zwei unterschiedliche Bitmapping-Strategien wird die Verbesserung durch die Grauwert- oder Farbwert-Anpassung aufgezeigt:
  • Bitmapping-Strategie mit reinen Schwarz-/Weiß-Pixeln
    • • Der Innenbereich der Kontur wird mit Pixeln gefüllt.
    • • Außenkonturen (Masse innenliegend) werden mit weißen Pixeln gefüllt.
    • • Innenkonturen (Hohlraum innenliegend) werden mit schwarzen Pixeln gefüllt.
    • • Pixel berühren nur dann die Konturlinie, wenn das Pixel zu mindestens 50% durch den Innenbereich überdeckt wird.
  • Die so generierte Bitmap (4) zeigt deutlich fehlende Strukturen der Größe 200 μm im Durchmesser.
  • Der Grund ist, dass bei diesen in der Bitmap nicht dargestellten Strukturen in Abhängigkeit von Ihrer Position im Raster kein Pixel mehr als 50% überdeckt wird: Abmaße:
    Figure 00160001
  • Bitmapping-Strategie mit Pixel-genauer Grauwertanpassung:
    • • Der Innenbereich der Kontur wird mit Pixeln gefüllt.
    • • Außenkonturen (Masse innenliegend) werden mit „hellen" Pixeln gefüllt.
    • • Innenkonturen (Hohlraum innenliegend) werden mit „dunklen" Pixeln gefüllt.
    • • Die Helligkeit bzw. der Grauwert des Pixels ist abhängig von dem Grad der Überlappung durch den Innenbereich.
  • In der so generierten Bitmap (5) werden alle Strukturen/Geometrien sichtbar. Die 200 μm Zylinder sind zu dunkel und die 200 μm Bohrungen sind zu hell. Der Grund dafür ist, dass, – in Abhängigkeit von der Position der Konturen im Pixel-Raster – kein Pixel zu 100% überlappt wird und somit kein Pixel 100% weiß (bei Außenkonturen) oder 100% schwarz (bei Innenkonturen) dargestellt wird: Abmaße:
    Figure 00170001
  • Glättung der Aussen- und Innenkonturen der zu belichtenden Strukturen
  • Hier wird sich der in der digitalen Bildverarbeitung bereits bekannte Antialiasing-Effekt zunutze gemacht.
  • Ein bekanntes Problem der Rasterung ist der Alias-Effekt. Steht für die zu erzeugende Rastergrafik eine Grauwerttiefe von mehr als 1 Bit zur Verfügung, so kann dieser Effekt mittels „Kantenglättung" (Antialiasing) vermindert werden. Dazu stehen verschiedene SW-Filtermethoden zur Verfügung. Beim Antialiasing der Bitmapausgabe wird der so genannte Treppeneffekt – eine Auswirkung vom Aliasing – beseitigt, der bei der Rasterung einer Vektorgrafik (hier die zu belichtenden Querschnittsstruktur) entsteht (6).
  • Beim Zeichnen einer Linie können nur horizontale und vertikale Linien problemlos gezeichnet werden, deren Strichstärke ein Vielfaches des Pixelabstands ist und deren Anfangs- und Endpunkt auf einem Pixel liegt. Ist eine Linie etwas schräg, so entstehen zwangsläufig Treppenstufen. Das gleiche widerfährt auch allen runden/freien Formen. Je gröber die Auflösung ist, desto deutlicher wird der Effekt.
  • Beim Antialiasing von Vektorgrafiken berücksichtigt man, welche Pixel von der Grafik wie stark überschnitten werden und gibt ihnen einen entsprechend gewichteten Grauwert. Dabei werden die Pixel üblicherweise als Quadrate betrachtet. Je mehr von der Pixelfläche durch die Grafik abgedeckt wird, desto heller wird der Grauwert des Pixels eingestellt. Zur Umsetzung werden spezielle Software-Filter eingesetzt.
  • Durch dieses Verfahren wird letztendlich auch das Aushärteverhalten des Materials entsprechende beeinflusst und so eine höhere Genauigkeit in dem endgültigen Bauteil erzielt.
  • Die Abbildungs-Ungenauigkeit der Projektionsoptik und des Photopolymers können noch zusätzlich eine Tiefpaßfilter-Funktion ausüben, was einerseits zu einem weiteren Glättungseffekt der Bauteiloberfläche aber andererseits auch zu einem ungenaueren Bauteil, bzw. zu Detailverlusten führen kann.
  • Kontrolle der Durchhärtungstiefe mittels Graustufensteuerung in Abhängigkeit der abzubildenden Querschnittsflächenstruktur/Bauteilgeometrie
  • Durchhärtungstiefe bei großflächigen versus filigranen Querschnittsstrukturen
  • Bei großflächigeren Strukturen steht mehr Lichtleistung pro Fläche zur Verfügung als bei filigranen Strukturen; dieses Phänomen führt zu unterschiedlichen Aushärtung in xy-Ausdehnung (über die Kontur hinaus) und z-Ausdehnung (Tiefe) innerhalb der selben Schicht.
  • Wird z.B. eine 10 mm × 10 mm große Fläche einmalig belichtet, so härtet sie z.B. 130 μm dick aus; eine Struktur von 2 mm × 10 mm härtet bei der selben Belichtungszeit dagegen nur 100 μm aus. Wird das Bauteil nun in 100 μm Schichten gebaut, so kann es passieren, dass in dem filigranen Bereich die generierten Schichten keine ausreichende chemische Verbindung durch Überbelichtung (130 μm Tiefenhärtung zu 30% in die vorhergehende Schicht hinein) miteinander eingehen, die Schichten in diesem Bereich separiert werden und das Bauteil defekt ist. Dieses Phänomen ist besonders kritisch bei filigranen Stützstrukturen.
  • Durch spezielle Algorithmen werden in dem Querschnittsbild Strukturen unterschiedlicher Flächenausdehnung identifiziert und mit entsprechenden Grauwerten pixelgenau belegt, um eine gleichmäßige Durchhärte-Tiefe (Z) und -Ausdehnung (XY) über die gesamte zu belichtende Flächenstruktur zu erhalten (größere Flächenstrukturen werden dabei entsprechend ihrer Ausdehnung abgedunkelt).
  • Höhere Grünlingshärte bei massiven Strukturen/höheren Materialansammlungen innerhalb eines Bauteils
  • Bei manchen Bauteilen ergeben sich Volumenbereiche mit einer Anhäufung von Material, deren Wandstärke zum einen die maximal mögliche Durchhärtetiefe des Materials bei der Nachhärtung überschreitet, oder die sich an einer Position innerhalb des Bauteils befinden, die im Nachhärteprozess nicht oder nur eingeschränkt von der Lichtenergie erreicht werden.
  • Solche Volumenbereiche können schon während des Generierungsprozesses eine höhere Grünlingshärte erreichen, indem sie gezielt überbelichtet werden. Dies kann durch Ein- oder Mehrfach-Belichtung einzelner oder mehrerer Schichten erfolgen, als auch durch entsprechende Grauwert- oder Farbwertbelegung nachfolgender Schichten erfolgen, wobei im letzteren Fall die Durhärtetiefe in Z die geschnittene Schichtdicke um ein Vielfaches übersteigt.
  • Für alle oben beschriebenen Anwendungen kann die Bitmap-Maske/Belichtungsmaske Schwarz/Weiß-, Grauwert- und/oder Farbinformationen enthalten, durch die die Belichtungsenergie gesteuert wird. Die einzeln beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele können beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims (25)

  1. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes (3) durch schichtweises Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials (4) mittels Energieeintrag über eine bildgebende Einheit, die eine bestimmte Anzahl diskreter bildgebender Elemente (Pixel) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Computereinheit, einen IC und/oder eine Softwareimplementierung jeweils mit der Fähigkeit einschließt, den Energieeintrag über einen bestimmten Grauwert und/oder Farbwert einzustellen und/oder zu steuern.
  2. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes (3) durch schichtweises Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials (4) mittels Energieeintrag über eine gerasterte bildgebende Einheit, die eine bestimmte Anzahl diskreter, als Punkt, als Zeile oder als Matrix angeordneter bildgebender Elemente (Pixel) aufweist, wobei die bildgebende Einheit ein auf eine bestimmte Querschnittsfläche des dreidimensionalen Objektes bezogenes Bild aus den Pixeln zusammensetzt und so eine gerasterte Maske (Bitmap) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit so ansteuerbar ist, daß mindestens einem Teil der Pixel zum variablen Energieeintrag mehr als zwei Energiestufen zugeordnet werden können.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehr als zwei Energiestufen einschließen: a) AN- und AUS-Zustände (weiß/schwarz) und b1) eine bestimmte Zahl von Graustufen oder b2) eine bestimmte Zahl von Farbwerten.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit bzw. die Computereinheit, der IC und/oder die Softwareimplementierung so ausgestaltet ist, daß für das gesamte Projektionsbild anhand einer nativen Lichtleistungsverteilung, die über die gesamte Bildfläche in der Bauebene ermittelt ist, eine Kompensationsmaske mit Grauwerten und/oder Farbwerten generiert wird, die als Überlagerung zur für die schichtweise Verfestigung generierten Bitmap eine homogene Verteilung der Lichtleistung über das gesamte Projektionsbild hervorruft.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grauwerte und/oder Farbwerte in der Kompensationsmaske zwischen den Messpunkten interpoliert sind und somit eine gleichförmigere Grauwertverteilung über die gesamte Kompensationsmaske erreicht ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit bzw. die Computereinheit, der IC und/oder die Softwareimplementierung ermitteln, welche Pixel von der Grafik wie stark überschnitten sind, und daß dem Pixel aus dem Ergebnis ein entsprechend bestimmter Grauwert oder ein bestimmter Farbwert zugeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit bzw. die Computereinheit, der IC und/oder die Softwareimplementierung in einem zur schichtweisen Verfestigung erzeugten Querschnittsbild getrennte Bereiche unterschiedlicher Flächenausdehnung identifiziert und die jeweiligen Bereiche mit einheitlichen Grauwerten und/oder Farbwerten belegt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass größere Flächenstrukturen entsprechend ihrer Ausdehnung mit entsprechenden Grauwerten und/oder Farbwerten abgedunkelt werden, um eine gleichmäßige Durchhärtetiefe über die gesamte zu belichtende Flächenstruktur zu erhalten.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit bzw. die Computereinheit, der IC und/oder die Softwareimplementierung eine entsprechende Grauwert- und/oder Farbwertbelegung nachfolgender Schichten so vornimmt, daß in Bereichen, die für eine relativ erhöhte Aushärtung ausgewählt sind, eine Durchhärtetiefe in Z-Richtung erreicht wird, die die geschnittene Schichtdicke übersteigt.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit bzw. die Computereinheit, der IC und/oder die Softwareimplementierung Informationen bezüglich Grauwert und/oder und Farbwert in dem gerasterten Bild (Bitmap) pro Bildpunkt (Pixel) speichert.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen bezüglich Grauwert und/oder Farbwert pro Bildpunkt (Pixel) online für jedes gerasterte Bild (Bitmap) aktuell berechnet werden.
  12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit in einer Projektionseinheit (1) eingeschlossen ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit vom Typ eines Spatial Light Modulator (SLM) ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der bildgebenden Einheit um einen emittierenden Punkt, eine emittierende Zeile oder eine emmitierende Matrix, umfassend Light-Valves in MEMS-Technologie, handelt.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der bildgebenden Einheit um einen emittierenden Punkt, eine emittierende Zeile oder eine emmitierende Matrix, mit jeweils eingeschlossenen LED's, handelt.
  16. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes (3) durch schichtweises Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials (4) mittels Energieeintrag über eine bildgebende Einheit, die eine bestimmte Anzahl diskreter bildgebender Elemente (Pixel) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleistung zur Verfestigung des Materials bei mindestens einem Teil der Pixel über einen definierten Grauwert und/oder Farbwert gesteuert wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verfestigung des Materials das Bild mittels einer Projektionseinheit (1) in die Bauebene (7) projiziert wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass für das gesamte Projektionsbild anhand der gemessenen nativen Lichtleistungsverteilung eine Kompensationsmaske mit Grauwerten generiert wird, die als Überlagerung zur für die schichtweise Verfestigung generierten Bitmap eine homogene Verteilung der Lichtleistung über das gesamte Projektionsbild hervorruft.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Grauwerte in der Kompensationsmaske zwischen den Messpunkten interpoliert werden und somit eine gleichförmigere Grauwertverteilung über die gesamte Kompensationsmaske erreicht wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelt wird, welche Pixel von der Grafik wie stark überschnitten werden, und daß dem Pixel aus dem Ergebnis ein entsprechend bestimmter Grauwert und/oder ein bestimmter Farbwert zugeordnet wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zur schichtweisen Verfestigung erzeugten Querschnittsbild getrennte Bereiche unterschiedlicher Flächenausdehnung identifiziert werden und die jeweiligen Bereiche mit einheitlichen Grauwerten und/oder Farbwerten belegt werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass größere Flächenstrukturen entsprechend ihrer Ausdehnung abgedunkelt werden, um eine gleichmäßige Durchhärtetiefe über die gesamte zu belichtende Flächenstruktur zu erhalten.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine erhöhte Aushärtung selektierter Flächenbereiche durch Ein- oder Mehrfach-Belichtung einzelner oder mehrerer Schichten erfolgt, indem eine entsprechende Grauwertbelegung nachfolgender Schichten vorgenommen wird, wobei in den selektierten Bereichen die so erreichte Durchhärtetiefe in Z-Richtung die geschnittene Schichtdicke übersteigt.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen bezüglich Grauwert und/oder und Farbwert in dem gerasterten Bild (Bitmap) pro Bildpunkt (Pixel) gespeichert werden.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen bezüglich Grauwert und/oder Farbwert pro Bildpunkt (Pixel) online für jedes gerasterte Bild (Bitmap) aktuell berechnet werden.
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