AT516769B1

AT516769B1 - Verfahren zur Belichtung eines dreidimensionalen Bereichs

Info

Publication number: AT516769B1
Application number: ATA50038/2015A
Authority: AT
Inventors: Stadlmann Klaus; Fitzinger Andreas; Gruber Simon
Original assignee: Way To Production Gmbh
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2017-12-15
Also published as: EP3247552A1; CA2973174A1; WO2016116320A1; US20180001562A1; AT516769A1

Abstract

Verfahren zur Belichtung eines dreidimensionalen Bereichs (1), wobei der dreidimensionale Bereich in zumindest zwei aufeinanderfolgende Schichten (2) unterteilt wird, die in zeitlicher Abfolge belichtet werden, wobei jede Schicht (2) in zumindest zwei Belichtungsfelder (3) mit zumindest einem ersten Teilbereich (4), einem zweiten Teilbereich (4'), gegebenenfalls einem dritten Teilbereich (4'') sowie gegebenenfalls weiteren Teilbereichen unterteilt wird, wobei benachbarte Belichtungsfelder (3) in einzelnen Teilbereichen (4', 4'') zur Vermeidung fehlbelichteter Gebiete überlappen.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR BELICHTUNG EINES DREIDIMENSIONALEN BEREICHS

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Belichtung eines dreidimensionalen Bereichs.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind sogenannte 3D-Druckverfahren Verfahren zur Bildung eines formstabilen Objektes durch Belichtung eines dreidimensionalen Bereichs einer nicht formstabilen Masse bekannt. Bei diesen Verfahren wird eine pulverförmige oder flüssige Substanz durch Einwirkung von Licht- oder Wärmestrahlung in einem dreidimensionalen Bereich selektiv ausgehärtet, um dadurch einen festen Körper zu bilden. Der dreidimensionale Bereich wird zu diesem Zweck in zumindest zwei aneinander angrenzende Schichten unterteilt, die in zeitlicher Abfolge mit einer vorbestimmten Belichtungsintensität belichtet werden. Durch die Belichtung härtet die Substanz aus und wird formstabil, sodass eine Schicht nach der anderen belichtet werden kann.

[0003] Ein Problem derartiger Verfahren besteht darin, dass das verfügbare optische Belichtungsfeld durch das eingesetzte optische Belichtungssystem und die verwendete Auflösung begrenzt ist. Um auch Bereiche belichten zu können, die größer als das optische Belichtungsfeld bei gegebener Auflösung sind, ist es bekannt, jede einzelne Schicht in zumindest zwei Belichtungsfelder mit aneinander angrenzenden Teilbereichen zu unterteilen. Die gesamte Schichtinformation wird dabei durch zeitlich aufeinander abfolgende Belichtung mehrerer Teilbereiche erzeugt.

[0004] Ein Problem bei diesen bekannten Verfahren zur Belichtung großer Bereiche besteht darin, dass in den Randbereichen, in denen benachbarte Teilbereiche aneinanderstoßen, durch nicht korrekte Ausrichtung entweder ein Überlapp oder eine Lücke der Belichtungsintensität entstehen kann. Dies äußert sich in diesen Bereichen in einer zu starken Belichtung, was zu Überhärtung führt, oder einer zu schwachen oder fehlenden Belichtung, was zu einer fehlenden Aushärtung führt. Da außerdem die fehlerhafte Ausrichtung in der Regel von Schicht zu Schicht gleich bleibt, äußert sich dieser Fehler in einer deutlich sichtbaren Nahtstelle bei dem zu erzeugenden Objekt, die insbesondere auch als unerwünschte geometrische Ungenauigkeit, Nahtstelle oder Bruchstelle in Erscheinung tritt.

[0005] Gattungsgemäße Belichtungsverfahren, bei denen das Belichtungsfeld in Teilbereiche unterteilt wird, sind beispielsweise aus den Druckschriften EP 1 864 785 A1, EP 1 946 910 A2, EP 1 077 125 A1, WO 03/039 844 A1, EP 2 067 610 A1 sowie WO 2004/056 512 A1 bekannt. Um die Bildung von Bruchlinien zu verhindern, wird in der Druckschrift EP 1 666 235 A1 vorgeschlagen, die Position der Überlappungsbereiche von Schicht zu Schicht zu ändern. Dies ist jedoch aufwändig, da die Belichtungsmaske für aufeinanderfolgende Schichten verschoben werden muss.

[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zu schaffen, bei dem diese Fehlbelichtung (Über-, Unter- oder Nichtbelichtung) vermieden wird, und das es ermöglicht, auf einfache Weise dreidimensionale Bereiche zu belichten, die größer als das zur Verfügung stehende Belichtungsfeld sind, wobei die Bildung von Naht- und Bruchstellen an den Grenzen der Teilbereiche vermieden werden soll.

[0007] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Indem benachbarte Belichtungsfelder in einzelnen Teilbereichen überlappen wird vermieden, dass zwischen den Belichtungsfeldern Lücken entstehen, in denen keine oder eine verminderte Aushärtung erfolgt. Bei beispielsweise rechteckiger Anordnung der Teilbereiche erfolgt ein Überlapp zweier Teilbereiche an den Rändern, und ein Überlapp von vier Teilbereichen an den Ecken.

[0008] Die Form und Ausbildung der überlappenden Teilbereiche kann erfindungsgemäß beliebig sein. Die überlappenden Teilbereiche können insbesondere rechteckige, dreieckige, oder andere geometrische Formen annehmen. Insbesondere bei der Belichtung unregelmäßiger

Strukturen kann erfindungsgemäß die Verwendung nichtrechteckiger überlappender Teilbereiche vorgesehen sein.

[0009] Erfindungsgemäß kann es auch vorgesehen sein, einen Überlapp einer beliebigen Anzahl von Teilbereichen zuzulassen, um eine möglichst schnelle Belichtung des gesamten Bereichs zu erzielen, wobei die Belichtungsintensität in den überlappenden Teilbereichen entsprechend angepasst wird, um in den überlappenden Teilbereichen einen Zielwert der Belichtungsintensität zu erzielen.

[0010] Erfindungsgemäß kann die Ausdehnung der überlappenden Teilbereiche bei pixelbasierter Belichtung von der verwendeten Auflösung abhängig sein und kann vorzugsweise zumindest ein bis fünf Pixel betragen.

[0011] Zur Vermeidung einer Überbelichtung in den Überlappungsbereichen kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die mittlere Belichtungsintensität in den überlappenden Teilbereichen niedriger ist als in den nicht überlappenden Teilbereichen.

[0012] Dabei wird im einfachsten Fall in den überlappenden Teilbereichen jeweils beispielsweise nur mit der halben Belichtungsenergie und/oder der halben Belichtungszeit des vorbestimmten Zielwertes belichtet. In Summe ergibt sich dadurch in den überlappenden Teilbereichen der Zielwert der Belichtungsintensität.

[0013] Dies kann erfindungsgemäß durch das direkte Ansteuern der Pixel in den überlappenden Teilbereichen mittels Pulsweitenmodulation erfolgen, oder durch Einsatz einer partiellen Graustufe im Überlappungsbereich. Es können je nach Anzahl der Belichtungsfelder mehrere Überlappungsbereiche vorgesehen sein und somit mehrere partielle Intensitätswerte pro Einzelbild nötig sein.

[0014] Je nachdem, mit wie vielen Teilbereichen der Überlapp durchgeführt wird, wird die Belichtungsintensität in diesen Bereichen entsprechend verringert, um den vorgesehenen Zielwert der Belichtungsintensität zu erreichen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass an den Rändern eines Teilbereichs nur mit halber Intensität belichtet wird, und an den Ecken nur mit einem Viertel der Intensität des nicht überlappenden Bereichs. Bei der Überlappung einer beliebigen Anzahl von Teilbereichen kann die Belichtungsintensität in diesen Teilbereichen auf ein entsprechendes Bruchteil der Belichtungsintensität im nicht überlappenden Teilbereich reduziert werden, um in Summe in den überlappenden Teilbereichen den Zielwert der Belichtungsintensität zu erreichen.

[0015] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Belichtungsintensität in den überlappenden Teilbereichen angrenzender Schichten unterschiedlich ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Belichtungsintensität in den überlappenden Teilbereichen von Schicht zu Schicht variiert. Dies hat den Vorteil, dass, auch wenn die resultierende Intensität und die genaue Form des Überlappungsbereichs nicht genau eingestellt werden kann, keine das gesamte gebildete Objekt durchziehende Nahtstelle entsteht, welche in Folge als Bruchstelle oder einer geometrischen Ungenauigkeit in Erscheinung treten würde.

[0016] Erfindungsgemäß kann weiters vorgesehen sein, dass die Belichtungsintensität in den überlappenden Teilbereichen in einer oder zwei Ortskoordinaten der Schicht variiert, sodass die Belichtungsintensität in diesen Bereichen ortsabhängig ist.

[0017] Dadurch lässt sich ein beliebiger Energieverlauf in den überlappenden Teilbereichen des Belichtungsfeldes realisieren. Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass beispielsweise im Inneren des zu belichtenden Objekts eine andere Belichtungsintensität oder ein anderer Verlauf der Belichtungsintensität erzielt wird, als am Rand des zu belichtenden Objekts.

[0018] Erfindungsgemäß kann weiters vorgesehen sein, dass in einzelnen überlappenden Teilbereichen eine örtlich konstante Belichtungsintensität vorgesehen ist, und in anderen überlappenden Teilbereichen eine örtlich variable Belichtungsintensität vorgesehen ist. So kann beispielsweise in den Ecken eines Teilbereichs eine konstante Belichtungsintensität, und in den Rändern eine in x- oder y-Richtung variable Belichtungsintensität vorgesehen sein, wobei x und y die zweidimensionalen Ortskoordinaten einer Schicht bezeichnen. Die Belichtungsintensität kann auch in diesem zweidimensionalen Bereich um den jeweiligen Zielwert der Intensität variieren.

[0019] Erfindungsgemäß ist weiters vorgesehen, dass die Belichtungsintensität in den überlappenden Teilbereichen an einem Punkt des Belichtungsfelds, also einer festen x- und y-Koordinate, entlang aufeinanderfolgender Schichten um einen schichtabhängigen Zielwert variiert. Dies hat den erfindungsgemäßen Vorteil, dass entlang aufeinanderfolgender Schichten der Zielwert der Belichtung im Mittel erzielt wird, auch wenn die Belichtungsfelder und Überlappungsbereiche nicht völlig exakt eingestellt sind, sodass die Bildung einer Nahtstelle entlang der Schichten völlig vermieden wird.

[0020] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Variation um den schichtabhängigen Zielwert zumindest 5%, vorzugsweise zumindest 10% des Zielwerts beträgt. Erfindungsgemäß kann weiters vorgesehen sein, dass die Belichtungsfelder gleichzeitig belichtet werden. Erfindungsgemäß kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Belichtungsfelder in zeitlicher Abfolge belichtet werden.

[0021] Erfindungsgemäß kann weiters vorgesehen sein, dass mehrere Belichtungen gleicher oder unterschiedlicher Intensität in zeitlicher Abfolge durchgeführt werden. Beispielsweise kann zunächst das gesamte Belichtungsfeld mit einer Grundintensität, und danach ausgewählte Teilbereiche zumindest einmal mit einer zusätzlichen Intensität belichtet werden.

[0022] Erfindungsgemäß kann weiters vorgesehen sein, dass die Belichtung kontinuierlich erfolgt, indem ein Belichtungsfeld in konstanter oder variabler Geschwindigkeit über den zu belichtenden Bereich geführt wird, wobei das projizierte Belichtungsmuster kontinuierlich geändert wird. Beispielsweise kann das Belichtungsmuster in Form einer kontinuierlichen Projektion oder eines Videos abgespielt werden, und das Belichtungsfeld in darauf abgestimmter Geschwindigkeit bewegt werden.

[0023] Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen, den Zeichnungen und der Figurenbeschreibung.

[0024] Die Erfindung wird im Folgenden an Hand nicht ausschließlicher Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0025] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des zu belichtenden Bereichs und einen Ausschnitt einer zu belichtenden Schicht; [0026] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung von vier überlappenden Belichtungs feldern und eines einzigen Belichtungsfeldes mit mehreren Teilbereichen; [0027] Fig. 3 zeigt eine zweidimensionale Darstellung eines Belichtungsfeldes und Ver läufe der Belichtungsintensität entlang gegebener Schnittstellen; [0028] Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs der Belichtungsintensität in zwei Punkten des Belichtungsfeldes entlang aufeinanderfolgender Schichten; [0029] Fig. 5a - 5c zeigen weitere schematischer Darstellungen einer erfindungsgemäßen

Ausführungsform.

[0030] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des zu belichtenden dreidimensionalen Bereichs 1. Dieser ist entlang der z-Achse in aufeinanderfolgende Schichten 2 unterteilt, die beispielhaft mit a, b, c bezeichnet sind. Bei der Belichtung werden die Schichten der Reihe nach abgearbeitet und das zu belichtende Objekt 5 Schicht für Schicht generiert.

[0031] Im rechten Bereich der Fig. 1 ist eine zu belichtende Schicht 2 schematisch dargestellt. Die Schicht 2 umfasst vier, in einem Rechteck angrenzend liegend angeordnete, rechteckige Belichtungsfelder 3, die durch unterbrochene Linien angedeutet sind. Das zu entwickelnde Objekt 5 befindet sich im Inneren der Schicht 2.

[0032] An den Trennstellen zwischen den einzelnen Belichtungsfeldern 3 bilden sich bei geometrisch exakt aufeinander angepassten Belichtungsfeldern die schematisch dargestellten Nahtstellen 6 aus, deren Vermeidung eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung darstellt.

[0033] Fig. 2 zeigt eine Darstellung der vier Belichtungsfelder 3, die in ihren Randbereichen überlappen. Eines der Belichtungsfelder ist exemplarisch hervorgehoben und im rechten Teil der Fig. 2 dargestellt. Das Belichtungsfeld 3 umfasst erste, zweite und dritte Teilbereiche 4, 4', 4", wobei der erste Teilbereich 4 nicht mit anderen Belichtungsfeldern überlappt, der zweite Teilbereich 4' mit einem anderen Belichtungsfeld überlappt, und der dritte Teilbereich 4" mit drei anderen Belichtungsfeldern überlappt. Entsprechend ist die Belichtungsintensität in den ersten, zweiten und dritten Teilbereichen 4, 4', 4" jeweils unterschiedlich.

[0034] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Belichtungsfeldes 3 und den Verlauf der Belichtungsintensität I entlang der x-Koordinate in den Schichten a, b und c an den y-Koordinaten y1 und y2. Ebenfalls angedeutet ist der Verlauf des zu belichtenden Objekts 5, wobei die Belichtungsintensität außerhalb dieses Objekts 5 in der Regel auf Null abfällt.

[0035] Als Beispiel ist der Verlauf der Belichtungsintensität I in Schicht a dargestellt. Entlang der y-Koordinate y1 ist die Belichtungsintensität zunächst 0,25, da im Teilbereich 4" vier Belichtungsfelder überlappen. Ab der x-Koordinate xa steigt die Intensität auf 0,5, da im Teilbereich 4' zwei Belichtungsfelder überlappen. Entlang der y-Koordinate y2 ist die Belichtungsintensität zunächst 0,5, da im Teilbereich 4' zwei Belichtungsfelder überlappen. Ab der x-Koordinate xa steigt die Intensität auf 1, da im Teilbereich 4 keine Belichtungsfelder überlappen.

[0036] Für die Schichten b und c sind exemplarisch weitere Verläufe der Intensität I dargestellt. So kann die Intensität in x-Richtung linear, nichtlinear oder zusammengesetzt bis zur Koordinate xa mit unterschiedlicher Steigung ansteigen, wie für Schicht b gezeigt. Die Intensität kann auch zunächst hoch sein, und dann in x-Richtung linear, nichtlinear oder exponentiell abfallen, wie exemplarisch für Schicht c dargestellt.

[0037] Auch ein linearer oder nichtlinearer Verlauf der Intensität in y-Richtung kann erfindungsgemäß vorgesehen sein. Die jeweils gewählten Verläufe der Intensität sind von der jeweiligen Aufgabe abhängig.

[0038] Fig. 4 zeigt exemplarisch einen Verlauf der Belichtungsintensität in Richtung der z-Koordinate entlang der Schichten 2 an den festen Positionen x1, y1 (im Teilbereich 4") und x1, y2 (im Teilbereich 4') innerhalb der Überlappungsbereiche eines Belichtungsfelds 3. Die Belichtungsintensität 11, I2 wird derart gewählt, dass sie um den an dieser Stelle jeweils erforderlichen Zielwert variiert, sodass auch bei fehlerhaft eingestellter Überlappung der Teilbereiche 4', 4" die Bildung von Nahtlinien vermieden wird, und im Mittel entlang der Schichten die Belichtungsintensität an diesem Punkt korrekt ist.

[0039] Fig. 5a zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Intensitätsverlaufs in vier aufeinanderfolgenden Schichten a, b, c und d, die jeweils zwei erste, nicht überlappende Teilbereiche 4, sowie einen zweiten, überlappenden Teilbereich 4' aufweisen. Der örtliche Verlauf der Belichtungsintensität in den Schichten a, b, c und d ist mit la, Ib, Ic und Id gekennzeichnet und folgt jeweils im Wesentlichen einem glocken- oder gaußförmigen Verlauf, wobei erfindungsgemäß auch beliebige andere Verläufe vorgesehen sein können. Um zu verhindern, dass sich die Maxima der Intensität in jeder Schicht an derselben x-Position befinden, ist der gaußförmige Verlauf in jeder Schicht bezüglich der benachbarten Schichten verschoben angeordnet.

[0040] Fig. 5b zeigt dieselbe Schichtanordnung, wobei in jeder Schicht mit einem Punkt das Maximum der Intensität angedeutet ist. Indem die Maxima in benachbarten Schichten stets an unterschiedlichen x-Positionen zu liegen kommen, wird die Bildung einer geradlinigen Nahtstelle vermieden, sodass das Zusammenfügen der nebeneinander liegenden Teilbereiche 4 und der übereinander liegenden Schichten a, b, c, d begünstigt wird.

[0041] Fig. 5c zeigt eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Intensitätsverlaufs in drei nebeneinander angeordneten Teilbereichen n, n+1 und n+2 mit überlappenden Teilbereichen 4'. In den überlappenden Teilbereichen 4' wird die Belichtungsintensität jedes Teilbereichs 4 linear auf Null reduziert, sodass sich durch Addition der Intensität in den überlappenden Teilbereichen der Zielwert der Belichtungsintensität ergibt. Erfindungsgemäß können auch beliebige andere Verläufe der Belichtungsintensität vorgesehen sein.

[0042] Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele sondern umfasst sämtliche Verfahren im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche. Darüber hinaus erstreckt sich die Erfindung auch auf die durch Anwendung des Verfahrens generierten dreidimensionalen Objekte.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Belichtung eines dreidimensionalen Bereichs (1), wobei der dreidimensionale Bereich in zumindest zwei aufeinanderfolgende Schichten (2) unterteilt wird, die in zeitlicher Abfolge belichtet werden, wobei jede Schicht (2) in zumindest zwei Belichtungsfelder (3) mit zumindest einem ersten Teilbereich (4), einem zweiten Teilbereich (4'), gegebenenfalls einem dritten Teilbereich (4") sowie gegebenenfalls weiteren Teilbereichen unterteilt wird, wobei benachbarte Belichtungsfelder (3) in einzelnen Teilbereichen (4', 4") zur Vermeidung fehlbelichteter Gebiete überlappen, und wobei zur Vermeidung einer Überbelichtung die mittlere Belichtungsintensität in den überlappenden Teilbereichen (4', 4") niedriger ist als in den nicht überlappenden Teilbereichen (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsintensität in den überlappenden Teilbereichen (4', 4") angrenzender Schichten (2) unterschiedlich ist und an einem Punkt des Belichtungsfelds (3) entlang aufeinanderfolgender Schichten (2) um einen schichtabhängigen Zielwert variiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsintensität in den überlappenden Teilbereichen (4', 4") in einer oder zwei Ortskoordinaten variiert, so-dass die Belichtungsintensität in diesen Bereichen ortsabhängig ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einzelnen überlappenden Teilbereichen (4') eine örtlich konstante Belichtungsintensität vorgesehen ist, und in anderen überlappenden Teilbereichen (4") eine örtlich variable Belichtungsintensität vorgesehen ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation zumindest 5%, vorzugsweise zumindest 10% des Zielwerts beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation in einem zweiten Teilbereich (4') niedriger ist als in einem dritten Teilbereich (4").
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsfelder (3) gleichzeitig belichtet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungsfelder in zeitlicher Abfolge belichtet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche (4, 4', 4") eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche (4, 4', 4") eine beliebige geometrische Form aufweisen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine beliebige Anzahl, vorzugsweise zwei oder vier, Teilbereiche (4', 4") überlappen, wobei die Belichtungsintensität in den überlappenden Teilbereichen entsprechend angepasst wird, um in den überlappenden Teilbereichen einen Zielwert der Belichtungsintensität zu erzielen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einzelnen oder allen Teilbereichen (4, 4', 4") mehrere Belichtungen gleicher oder unterschiedlicher Intensität in zeitlicher Abfolge durchgeführt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtung kontinuierlich erfolgt, indem ein Belichtungsfeld in konstanter oder variabler Geschwindigkeit über den zu belichtenden Bereich geführt wird, wobei das projizierte Belichtungsmuster kontinuierlich angepasst wird.