DE68929541T2

DE68929541T2 - Profilierung eines Strahlungsbündels für Stereolithographie

Info

Publication number: DE68929541T2
Application number: DE68929541T
Authority: DE
Inventors: Stuart Thomas Spence; Thomas Almquist; Harry L. Tarnoff
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1989-04-17
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2009-04-18
Also published as: DE68929348T2; DE68929541D1; ATE308414T1; ATE208702T1; ATE160968T1; WO1989011085A1; DE68928485T2; EP0375097A2; DE68928485D1; CA1341214C; CA1334052C; HK1003490A1; EP0375097B1; DE375097T1; DE68929348D1; EP0375097A3; IL89976A0

Description

1. Erfindungs Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Aushärtetiefe einer Spur eines Reaktionsstrahls über einem Photopolymer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise von Anspruch 4. Diese Vorrichtung und dieses Verfahren werden angewandt in Zusammenhang mit der Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch Stereolithografie.
2. Hintergrund der Erfindung
In den vergangenen Jahren sind "stereolithographische" Systeme zum Einsatz gekommen wie beispielsweise solche, die in dem US-Patent Nr. 4 575 330 mit dem Titel "Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch Stereolithographie" beschrieben werden. Die Stereolithographie ist im Grunde ein Verfahren zum automatischen Bauen von komplizierten Kunststoffteilen durch aufeinaderfolgendes Drucken von Querschnitten von lichthärtbarem Polymer oder dergleichen aufeinander, bis alle dünnen Schichten miteinander verbunden sind und so ein ganzes Bauteil bilden. Mit dieser Technologie werden die Teile buchstäblich in einer Wanne aus flüssigem Kunststoff wachsen gelassen. Dieses Herstellungsverfahren ist für das schnelle Reduzieren von Entwurfsideen zu ihrer physischen Form und zur Herstellung von Prototypen besonders leistungsstark.
Lichthärtbare Polymere ("Photopolymere") wechseln bei Vorliegen von Licht vom flüssigen in den festen Zustand, und ihre Lichtempfindlichkeit gegenüber ultraviolettem Licht (UV) ist groß genug, um sie für Modellbaumaterialien praktisch verwendbar zu machen. Das Material, das bei der Herstellung eines Teils nicht polymerisiert ist, läßt sich weiterhin verwenden und bleibt bei der Herstellung aufeinanderfolgender Teile in der Wanne. Es kann ein Ultraviolettlaser eingesetzt werden, der einen kleinen intensiven Fleck von UV-Licht erzeugt. Dieser Fleck wird mit einem galvanometrischen X-Y-Spiegelscanner über die Flüssigkeitsoberfläche bewegt. Der Scanner wird über von einem Rechner erzeugte Vek toren oder dergleichen angesteuert. Mit diesem Verfahren können präzise und komplizierte Muster schnell hergestellt werden.
Der Laserscanner, die Photopolymerwanne und eine Hebevorrichtung bilden zusammen mit einem Steuercomputer eine Stereolithographievorrichtung, die mit "SLA" (stereolithography apparatus) bezeichnet wird. Eine SLA ist so programmiert, dass sie ein Kunststoffteil automatisch herstellt, indem sie jeweils einen Querschnitt nacheinander "zeichnet" und das Teil Schicht für Schicht aufbaut.
Stereolithographie stellt ein völlig neuartiges Verfahren dar, um schnell komplizierte oder einfache Teile ohne Werkzeugausrüstung herzustellen. Da diese Technologie die Verwendung eines Computers erfordert, um ihre Querschnittsmuster zu erzeugen, ist eine natürliche Datenverbindung zu CAD/CAM vorhanden.
Um wirksam zu sein, muss ein Stereolithographiesystem Informationen über den Brennpunkt, den Laserstrahlschwingungsmodus, die Strahlleistung, die Intensitätsverteilung bzw. das Intensitätsprofil haben, um Teile präzise und effizient herstellen zu können (durch Stereolithographie hergestellte Objekte sind als "Teile" bekannt). Der Strahl muss sich an der Oberfläche der Photopolymerarbeitsflüssigkeit in einem relativen Brennpunkt befinden. Für die Tiefe und Breite des Aushärtens der Arbeitsflüssigkeit sind der Lasermodus, die Intensitätsverteilung und die Strahlleistung sowie die Abtastgeschwindigkeit wichtig.
Messungen des Strahlprofils (ein Profil der Intensität des Strahls) liefern nützliche Informationen über den Strahl, da sie dazu beitragen können, die folgenden Aufgaben zu bewerkstelligen: 1. Fokussieren der Optik und Korrektur des Astigmatismus und andere Abbildungsfehler; 2. Messen der Leistung des Strahls (muss jeden Tag erfolgen); 3. Untersuchung des Lasermodus und der Veränderungen des Modus; 4. Kompensation der Drift des Laserabtastsystems; 5. Ermöglichen des Aufzeichnens der Drift für spätere Analyse der Änderungen; 6. Automatisches Kalibrieren der Scanner; 7. Gestatten der einfachen Steuerung der Strahlposition zur Durchführung anderer Messungen (um zum Beispiel die Strahlleistung unabhängig zu messen, um den Leistungskalibrierungsfaktor des Systems zu finden) und 8. Zulassen der Vorhersage der Größe und Form der gehärteten Kunststoffspur.
P. J. Shayler offenbart in „Laser beam distribution in the focal region" in APPLIED OPTICS, Vol. 17, No. 17, September 1978, ein Gerät zur Bestimmung der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls in seinem Brennpunkt gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Es wird ein Lochblendenverfahren verwendet, in welchem die Intensität des Laserstrahls durch dasselbe gemessen wird. Der Laserstrahl der durch die Lochblende fällt wird von einer Photodiode empfangen, wodurch ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird. Dieses elektrische Signal wird ausgewertet um eine Intensitätsverteilung eines Laserstrahls zu erhalten.
Während dieser Messung ist es auch sichtbarem Licht möglich auf diese Photodiode zu fallen, wodurch die Erzeugung des elektrischen Signals negativ beeinflusst wird. Als ein Nachteil wird eine Intensitätsverteilung ausgewertet, die nicht nur von dem Laserstrahl empfangenes Licht enthält, sondern auch jegliches Licht einfallend von der Umgebung. Dadurch wird die Laserintensität mißinterpretiert, was zu falschen Lasereinstellungen führt.
Es ist daher das technische Problem der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Aushärtetiefe einer Spur eines Reaktionsstrahls bereit zu stellen, welcher nicht von dem Umgebungslicht beeinträchtigt wird.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Dieses Problem wird gemäß der Erfindung mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Aushärtetiefe einer Spur nach dem unabhängigen Anspruch 1 und einem Verfahren zur Bestimmung der Aushärtetiefe der Spur nach dem unabhängigen An spruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 3 beschrieben und vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 5 bis 6 beschrieben.
Die Vorrichtung umfasst Mittel zur Messung der Intensität eines Abschnitts des Strahls, wenn der Strahl auf die Messmittel einfällt, und Mittel zum Ändern der relativen rechtwinkligen Versetzung der Messmittel von einem optischen Weg sind, dem der Strahl folgt, um die Intensität einiger oder aller Abschnitte des Strahls entlang einer Oberfläche zu messen, die im wesentlichen rechtwinklig zu dem durch den Strahl gefolgten optischen Weg sind. Das Verfahren zur Profilierung eines Strahls umfasst den Schritt des Messens der Intensität eines Querschnittsabschnitts vorbestimmter Größe des Strahls entlang einer Oberfläche, die im wesentlichen rechtwinklig zu dem optischen Weg ist, dem der Strahl folgt, und das Wiederholen des Messschritts für andere Abschnitte des Strahls entlang der Oberfläche.
Die Vorrichtung und das Verfahren entwickeln eine Intensitätszuordnung des Strahls entlang einer Oberfläche, die zu dem von dem Strahl durchlaufenden Lichtweg im wesentlichen senkrecht ist. Die Intensitätszuordnung gibt die Intensitätswerte an für jedes der Teile des Querschnitts des Strahls, wobei die Teile eine vorgewählte Größe aufweisen. Mit dem so gewonnenen Intensitätsprofil können der Brennpunkt des Strahls bestimmt und justiert werden sowie die Leistung des Strahls berechnet werden (bei einem gegebenen, bekannten Leistungskonvertierungsfaktor). Das Profil des Strahls kann dazu verwendet werden vorauszusagen, mit welcher Tiefe und Breite der Kunststoff auf der Arbeitsflüssigkeit aushärten wird.
Die derzeit bevorzugte Version des Strahlsprofilierungssystems weist einen bedeutsamen ökonomischen Vorteil auf, da sie das Rechensystem und das Lichtstrahlpositionierungssystem nutzt, die in der stereolithographischen Vorrichtung bereits vorliegen. Obwohl in dem vorliegenden System auf "Laserstrahl" und "galvanometrisches X-Y--Abtastsystem" Bezug genommen wird, ist offensichtlich, dass diese Vorteile auch auf andere mögliche Systeme mit anderen Energiequellen oder Positionierungsmitteln oder Kombinationen aus diesen zutreffen.
Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen von beschreibenden Ausführungsbeispielen hervor.
4. Kurze Beschreibung der Zeichnung
1, 2 und 3 sind Flussdiagramme, die die grundlegenden Konzepte darstellen, die bei der Ausübung des Verfahrens der Stereolithographie eingesetzt werden;
4 ist eine Kombination aus einem Blockschaltbild, einem Schemadiagramm und einem Aufrissschnitt eines stereolithographischen Systems;
5 ist ein Blockschaltbild eines stereolithographischen Systems;
6 und 7 sind auseinandergezogene perspektivische Ansichten der hauptsächlichen Komponentengruppen in einem stereolithographischen System;
8 ist eine perspektivische Ansicht des Laser- und Optiksystems in einem stereolithographischen System, das die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
9A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Strahlprofilierungssensors der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9B ist eine Draufsicht auf eine Lochblendenplatte für einen Strahlprofilierungssensor der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist ein Blockschaltbild, das die Vorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11A ist ein Funktionsblockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen eines Intensitätsprofils eines Strahls;
11B ist ein Funktionsblockschaltbild eines Verfahrens zum Bewegen eines Strahls beim Durchführen des in 11A beschriebenen Verfahrens;
11C ist ein Funktionsschaltbild eines Verfahrens zum Lesen der Intensität eines Teils eines Strahls beim Durchführen des in 11A beschriebenen Verfahrens;
12 ist ein Funktionsschaltbild, das einen Prozeß und Analysen zeigt, die mit dem in 11A beschriebenen Verfahren gekoppelt werden können;
13 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes Intensitätsprofil für einen von einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugten Strahl zeigt;
14 zeigt vorausgesagte Härtungstiefenprofile entlang zweier Achsen, die aus Strahlprofilinformationen von einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden;
15 zeigt einen Querschnitt einer gehärteten Photopolymerspur, die durch Belichten mit einem Strahl erzeugt wurde;
16A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kalibrierungsplatte; und
16B zeigt einen Querschnittsaufriß einer Kalibrierungsplatte.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Das stereolithographische System, bei dem die Vorrichtung und das Verfahren der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, generiert dreidimensionale Objekte durch Schaffen eines guerschnittsmusters des auszubildenden Objekts an einer ausgewählten Fläche eines flüssigen Mediums, z.B. einer UV-härtbaren Flüssigkeit oder dergleichen, die als Reaktion auf entsprechende synergistische Stimulation wie beispielsweise auf treffende Strahlung oder Beshuß mit Elektronen oder anderen Teilchen ihren physischen Zustand verändern kann. Aufeinanderfolgende benachbarte Objektschichten, die entsprechende aufeinanderfolgende benachbarte Querschnitte des Objekts darstellen, werden automatisch ausgebildet und miteinander integriert, um einen schrittweisen laminaren bzw. dünnschichtigen Aufbau das Objekts zu liefern, wodurch während des Ausbildungsprozesses aus einer im wesentlichen ebenen bzw. flächenförmigen Oberfläche des flüssigen Mediums ein dreidimensionales Objekt ausgebildet und gezogen wird. Die Technik wird in den Flußdiagrammen und Schaltbildern der 1–5 allgemein beschrieben.
In 4 wird ein stereolithographisches System im Aufrißquerschnitt gezeigt. Ein Behälter 21 ist mit einer UV-härtbaren Flüssigkeit 22 oder dergleichen gefüllt, um eine bestimmte Arbeitsfläche 23 zu liefern. Eine programmierbare Quelle ultravioletten Lichtes 26 oder dergleichen erzeugt in der Ebene der Oberfläche 23 einen Fleck aus ultraviolettem Licht 27. Der Fleck 27 läßt sich durch Bewegen von Spiegeln oder anderen in 4 nicht gezeigten optischen oder mechanischen Elementen, die zusammen mit der Lichtquelle 26 verwendet werden, über die Oberfläche 23 bewegen. Die Position des Flecks 27 auf der Oberfläche 23 wird durch ein Computersteuersystem 28 gesteuert. Das System 28 kann von CAD-Daten gesteuert werden, die von einem Generator 20 in einem CAD-Designsystem oder dergleichen erzeugt und in PHIGS-Format oder seinem Äquivalent zu einem computerisierten Konvertierungssystem 21 geleitet werden, wo das Objekt definierende Informationen besonders verarbeitet werden, um Beanspruchung, Curl und Verzerrung zu reduzieren und Auflösung, Festigkeit und Präzision der Reproduktion zu steigern.
Eines bewegliche Hebevorrichtungsplattform 29 innerhalb das Behälters 21 kann selektiv hoch- und hinunterbewegt werden, wobei die Position der Plattform durch das System 28 gesteuert wird. Wenn die Einrichtung arbeitet, erzeugt sie durch schrittweisen Aufbau integrierter Objektschichten wie beispielsweise 30a, 30b, 30c ein dreidimensionales Objekt 30.
Die Oberfläche der UV-härtbaren Flüssigkeit 22 wird in dem Behälter 21 auf einem konstanten Niveau gehalten, und der Fleck aus UV-Licht 27, oder eine andere geeignete Form reaktiver Stimulation mit einer Intensität, die ausreicht, die Flüssigkeit zu härten und sie in ein festes Material umzuwandeln, wird auf programmierte Weise über die Arbeitsfläche 23 bewegt. Wenn die Flüssigkeit 22 härtet und sich festes Material ausbildet, wird die Hebevorrichtungsplattform 29, die sich anfänglich unmittelbar unterhalb der Oberfläche 23 befand, durch ein beliebiges geeignetes Stellglied auf programmierte Weise von der Oberfläche aus nach unten bewegt. Auf diese Weise wird das feste Material, das sich anfänglich gebildet hat, unter die Oberfläche 23 gebracht, und neue Flüssigkeit 22 strömt über die Oberfläche 23. Ein Teil dieser neuen Flüssigkeit wird wiederum durch den programmierten UV-Lichtfleck 27 in festes Material umgewandelt und das neue Material verbindet sich adhäsiv mit dem Material unter ihm. Dieser Prozeß wird solange fortgesetzt, bis das gesamte dreidimensionale Objekt 30 ausgebildet ist. Das Objekt 30 wird dann aus dem Behälter 21 entfernt, und die Vorrichtung ist bereit, ein weiteres Objekt zu produzieren. Es kann dann ein weiteres Objekt produziert werden, oder es kann durch Verändern des Programms im Computer 28 ein neues Objekt hergestellt werden.
Bei der Lichtquelle 26 eines stereolithographischen Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich typischerweise um einen Helium-Cadmium-Ultraviolettlaser wie beispielsweise den von der Firma Liconix aus Sunnyvale, Kalifornien, USA hergestellten HeCd-Multimodenlaser vom Modell 4240-N.
Ein handelsübliches stereolithographisches System wird zusätzlich zu denjenigen Komponenten und Teilsystemen, die zuvor im Zusammenhang mit den schematisch gezeigten Systemen von 1–5 gezeigt wurden, weitere Komponenten und Teilsysteme aufweisen. Das handelsübliche System würde beispielsweise auch einen Rahmen und ein Gehäuse sowie eine Steuertafel aufweisen. Es sollte Mittel zum Abschirmen des Bedieners gegenüber übermäßigem UV- und sichtbarem Licht aufweisen, und es kann auch Mittel aufweisen, um das Betrachten des Objekts 30 zu gestatten, während es ausgebildet wird. Hadelsübliche Einheiten werden Sicherheitsmittel zum Beherrschen von Ozon und gesundheitsschädlichen Dämpfen sowie herkömmliche Hochspannungssicherheitsmaßnahmen und Verriegelungen aufweisen. Einige handelsübliche Einheiten werden auch Mittel aufweisen, um die empfindliche Elektronik gegenüber Quellen elektronischen Rauschens wirksam abzuschirmen.
Die kommerziell umgesetzte SLA ist ein in sich abgeschlossenes System, das direkt an das CAD-System des Benutzers angeschlossen wird. Eine kommerziell umgesetzte SLA, die die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält, wie sie in 6 und 7 gezeigt ist, besteht aus vier hauptsächlichen Komponentengruppen: das SLICE-Computerterminal, die Elektronikschrankbaugruppe, die Optikbaugruppe und die Kammerbaugruppe. Ein Schaltbild der kommerziell umgesetzten SLA ist in 5 gezeigt.
Die Elektronikschrankbaugruppe enthält den Prozeßcomputer, die Tastatur, den Monitor, Stromversorgungen, die Wechselstromleistungsverteilertafel und die Steuertafel. Die Computerbaugruppe enthält steckbare Leiterplatten zum Steuern des Terminals, der Hochgeschwindigkeitsabtastspiegel und der vertikalen Hebevorrichtung (z-Tisch). Die Stromversorgungen für den Laser, die dynamischen Spiegel und der Hebevorrichtungsmotor sind im unteren Teil des Schranks montiert.
Die Schalttafel enthält einen beleuchteten Hauptschalter, einen beleuchteten Schalter für das Kammerlicht, eine Laserkontrollampe und eine Kntrolllampe für die offene Blende.
Auf dem Monitor werden in der Regel auch Betriebs- und Wartungsparameter einschließlich Fehlerdiagnose- und Laserleistungsinformationen angezeigt. Der Betrieb wird über Tastatureingaben gesteuert. Die Arbeitsflächen um die Tastatur und den Computer herum sind zum Zweck der leichten Reinigung und für lange Haltbarkeit mit Resopal oder dergleichen beschichtet.
Unter Bezugnahme auf 8 sind der Helium-Cadmium-Laser (HeCd) 100 und die optischen Bauteile auf der Elektronikschrank- und Kammeranordnung 102 montiert. Zur Wartung ist die Laser und Optikplatte zugänglich, indem getrennte Abdeckungen entfernt werden. Aus Sicherheitsgründen ist ein Spezialwerkzeug erforderlich, um die Abdeckungsverschlüsse zu entriegeln, und Verriegelungsschalter werden aktiviert, wenn die Abdeckungen entfernt werden. Die Verriegelungen aktivieren eine von einem Elektromagneten gesteuerte Blende, die den Laserstrahl blockiert, wenn eine der Abdeckungen entfernt wird.
Wie in 8 gezeigt, sind die Blendenanordnung 104, zwei den Strahl ablenkende Neunzig-Grad-Spiegel 106, 108, ein Strahlspreizer 110, eine X-Y-Abtastspiegelanordnung 112 und ein optisches Präzisionsfenster 114 auf der Optikplatte montiert. Die von einem Elektromagneten betätigten Drehblenden sind am Ausgang des Lasers installiert und drehen sich zur Blockierung des Strahls, wenn eine Sicherheitsverriegelung geöffnet wird. Die den Strahl ablenkenden Neunzig-Grad-Spiegel 106, 108 reflektieren den Laserstrahl zu dem nächsten optischen Bauteil. Der Strahlspreizer 110 vergrößert und fokussiert den Laserstrahl auf die Oberfläche der Flüssigkeit. Die Hochgeschwindigkeitsabtastspiegel lenken den Laserstrahl so, daß er Vektoren auf der Harzoberfläche nachzeichnet. Für diesen Zweck haben sich die von der Firma General Scanning Inc., Watertown, Massachusetts, USA vertriebenen galvanometrischen Abtastköpfe mit zwei Spiegeln und zwei Achsen als zufriedenstellend erwiesen, und in einer bevorzugten Ausführungsform werden ihre X-Y-Servo- Abtastköpfe Modell DX-2005 und ihre galvanometrischen X-Y-Abtastköpfe Modell XY-0507 eingesetzt. Durch ein Quarzfenster 114 zwischen der Optikumhüllung und der Reaktionskammer kann der Laserstrahl in die Reaktionskammer gelangen, ansonsten aber sind die beiden Bereiche voneinander durch das Quarzfenster getrennt.
Die Kammeranordnung enthält eine Kammer mit kontrolliertem Klima, in der eine Plattform, eine Harzwanne, eine Hebevorrichtung und Strahlprofilierer untergebracht sind.
Die Kammer, in der das Objekt ausgebildet wird, ist mit Blick auf die Bedienersicherheit und zur Sicherstellung einheitlicher Betriebsbedingungen ausgelegt. Die Kammer kann auf etwa 40°C (104°F) erwärmt werden, und die Luft wird umgewälzt und gefiltert. Ein Deckenlicht beleuchtet die Reaktionswanne und die Arbeitsflächen. Eine Verriegelung an der Zugangstür aktiviert beim Öffnen eine Blende, die den Laserstrahl blockiert.
Die Harzwanne ist so ausgelegt, daß sie die Handhabung des Harzes auf ein Minimum reduziert. Sie ist in der Regel in der Kammer auf Führungen installiert, die sie zu der Hebevorrichtung und der Plattform ausrichten.
Das Objekt wird auf einer Plattform ausgebildet, die an der Vertikalachsenhebevorrichtung bzw. dem Z-Tisch befestigt ist. Die Plattform wird in die Harzwanne eingetaucht, und sie wird während der Ausbildung des Objektes schrittweise nach unten justiert. Zum Entfernen des ausgebildeten Teils wird sie in eine Position über der Wanne angehoben. Die Plattform wird dann von der Hebevorrichtung getrennt und zur Nachverarbeitung aus der Kammer entfernt. Gewöhnlich sind Handhabungsschalen vorgesehen, um tropfendes Harz aufzufangen.
Zwei Strahlprofilierungssensoren 116, 118 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind an den Seiten der Harzwanne montiert, und der Brennpunkt des Laseroptiksystems wird an die radialen Sensorpositionen angepaßt (d.h., sie sind unter einem radialen Abstand von den galvanometrischen Scannern montiert, der dem Abstand von den Galvanometern zu einem Punkt entspricht, der 7,62 mm (0,3 Zoll) unter der Oberfläche der Flüssigkeit liegt). (Siehe 7). Der Abtastspiegel wird periodisch angewiesen, den Laserstrahl auf die Strahlprofilierungssensoren zu richten, die das Strahlintensitätsprofil messen. Die Daten können auf dem Terminal entweder als ein Profil mit einer Darstellung von Intensitätswerten oder als eine einzelne Zahl, die die (integrierte) Gesamtintensität des Strahls darstellt, angezeigt werden. Mit diesen Informationen wird bestimmt, ob die Spiegel gereinigt und ausgerichtet werden sollten, ob der Laser gewartet werden sollte, ob die Abtastspiegel gedriftet sind und welche Parameterwerte Vektoren ergeben werden, die mit der gewünschten Dicke und Breite härten.
Die Strahlprofilierungssensoren 116, 118 sind bezüglich der Mitte der Harzwanne symmetrisch angeordnet. (Siehe 7). Vorzugsweise sollten sie von der Wannenmitte aus gemessen ähnliche X- und Y-Offsets (mit entgegengesetzten Werten) aufweisen, doch ist dies nicht erforderlich; das heißt, sie liegen auf einer Diagonale der stereolithographischen Vorrichtung. In 7 sind die Strahlprofilierungssensoren 116, 118 in den Ecken der Kammeranordnung zu sehen. Der Abstand zwischen dem zweiten Abtastspiegel auf der Optikplatte über der Kammeranordnung und der Öffnung jedes Strahlprofilierungssensors ist die Brennweite, die gleich der gewünschten Entfernung der Flüssigkeit von dem Abtastspiegel plus ein kleines Inkrement ist. In der von 3D Systems, Inc. vertriebenen SLA-1 (die in 6 und 7 gezeigt ist) beträgt diese Entfernung der Flüssigkeit von dem Abtastspiegel etwa 68,6 an (27 Zoll), und das kleine Inkrement ist ein zusätzliches 7,62 mm (0,3 Zoll), wodurch die Brennweite etwa 69,36 cm (27,3 Zoll) beträgt. Die Strahlprofilierungssensoren 116, 118 von dem zweiten Spiegel um die gewünschte Brennweite zu entfernen, hat den Effekt, daß der beste durchschnittliche Brennpunkt für die vorbestimmte Oberfläche des Photopolymers in der Harzwanne der SLA-1 entdeckt wird. Wenn sich das Photopolymer auf dem gewünschten Niveau befindet, hat der Laserstrahl in der Mitte der Harzwanne eine Brennweite von 7,62 mm (0,3 Zoll) unter der Oberfläche des Photopolymers. Der Brennpunkt des Strahls an der Oberfläche des Photopolymers in der Mitte der Harzwanne wird nur gering schwanken. In der Ecke der 30,48 cm (12 Zoll) großen Harzwanne der SLA-1 wird die Brennweite ungefähr 2,54 cm (1 Zoll) über der Oberfläche des photopolymers sein. Die Brennweite wird sich auf einem Kreis mit einem Radius von 10,67 cm (4,2 Zoll) um die Mitte der Oberfläche des Photopolymers herum an der Oberfläche des Photopolymers befinden. Durch das Anordnen des Strahlprofilierungssensors bei der Brennweite soll ein optimales Strahlprofil erhalten werden, wenn man berücksichtigt, daß sich die Oberfläche des Photopolymers zum größten Teil nicht bei der Brennweite des Lasers befindet.
9A ist eine Querschnittsansicht eines Strahlprofilierungssensors 35 einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, und 9B ist eine Draufsicht auf eine in dem Strahlprofilierungssensor verwendete Lochblendenplatte. Der Strahlprofilierungssensor weist eine dünne Metallplatte 40 aus rostfreiem Stahl mit vier geätzten Löchern 45 unterschiedlicher Größe auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben diese Löcher die Durchmesser 0,0127 mm (0,0005 Zoll), 0,0254 mm (0,001 Zoll), 0,0508 mm (0,002 Zoll) und 0,1016 mm (0,004 Zoll). Durch diese Lochblenden kann jeweils ein kleiner Bruchteil des auf die Lochblende auf treffenden Laserstrahls 50 auf einen Fotodetektor 55 unter der Platte 40 fallen. Es sind mehrere Löcher vorgesehen, damit Strahlen mit einem großen Bereich an einfallender Leistung profiliert werden können. Eines der Löcher wird sich am besten zum Messen des Intensitätsprofils eines Strahls gegebener Einfallsleistung eignen. Für die in der SLA-1 eingesetzten HeCd-Laser hat sich eine Lochblende mit einem Durchmesser von 0,0508 mm (2/1000 bzw. 0,002 Zoll) als zufriedenstellend herausgestellt. Der Strahl wird über eine ausgewählte Lochblende in einem X-Y--Array gescannt, um ein zweidimensionales Profil der Strahlintensität aufzubauen.
Wie aus 7 und insbesondere 9A ersichtlich ist, weist der Strahlprofilierungssensor 35 ein zweiteiliges Gehäuse 60 auf. In 9A tritt der Lichtstrahl 50 von rechts aus ein und bewegt sich nach links. Der Strahlprofilierungssensor ist in den Ecken des Raums der Kammeranordnung derart montiert, daß verhindert wird, daß die Harzwanne an den Strahlprofilierungssensor anstößt, wenn sie aus dem Raum heraus- und in diesen hineinbewegt wird (siehe 7).
Nunmehr unter Bezugnahme auf 9A umfaßt der Strahlprofilierungssensor 35 ein geteiltes, zweiteiliges Gehäuse 60, eine Lochblendenplatte 40, einen UV durchlassenden Filter 70, der sichtbares Licht absorbiert und falsche Ablesungen aufgrund sichtbaren Lichts verhindert. Das Filter 70 ist ein zwei Millimeter dickes Filterglas von Schott UG-11, das sich bei einer bevorzugten Ausführungsform für diesen Zweck als annehmbar herausgestellt hat. Die Eigenschaften dieses Filters stellen eine annehmbare Transmission von Licht im Wellenlängenbereich von 300–370 Nanometern bereit, mit beträchtlich weniger Transmittanz bei anderen Wellenlängen. Das Filtermaterial HOYA U-350 mit einer Stärke von einem Millimeter wäre ebenfalls annehmbar.
Unterhalb des Filters 70 in dem Strahlprofilierungsgehäuse ist ein Fotodiodensensor 55, der das ultraviolette Licht erfaßt, das von der Lochblende 45 aus durch das Filter 70 geht. Es hat sich herausgestellt, daß eine Vactec VTS 3072 Fotodiode Superblau, verstärkt, der Firma EG & G annehmbar ist. Das Ausgangssignal dieser Fotodiode wird zu einem nicht gezeigten Strom-Spannungs-Verstärker weitergeleitet. Es hat sich herausgestellt, daß ein Strom-Spannungs-Verstärker OP07, dessen Umsetzung dem Fachmann wohlbekannt ist, annehmbar ist.
Die Lochblendenplatte 40 des Strahlprofilierungssensors 35 ist von einem nicht gezeigten Quarzfilter bedeckt. Der Quarzfilter läßt sich reinigen und schützt den Strahlprofilierungssensor vor Staub und Photopolymertropfen. Das Quarzfilter sollte beschichtet sein, um interne Reflexionen zu verhindern, wenn der Fotosensor nicht senkrecht zum Strahl steht, so daß Messungen falscher Formen verhindert werden. Zwischen den Lochblenden kann wahlweise ein nicht gezeigter Diffusor verwendet werden, um dem Filter beim Schützen der optischen Bauteile vor Beschädigung zu helfen.
10 ist ein Blockschaltbild, das die Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Erfindung liegt ein Steuer und Analysecomputer zugrunde. Dieser Computer empfängt Eingangssignale von einem Programm, einer Tastatur oder dergleichen und kann Ergebnisse über einen Drucker oder ein Terminal oder dergleichen wiedergeben. Der Steuer und Analysecomputer sendet Positionierbefehle an ein Spiegelpositioniersystem, das die X-Y-Scannerspiegel steuert. Der Laserstrahl wird von der in 8 gezeigten Optik fokussiert, so daß er die X-Y-Scannerspiegel erreicht, und wird von diesen Spiegeln zu einem der Strahlprofilierungssensoren gelenkt. Zum Zweck der Driftkorrektur wird die Verwendung zweier Strahlprofilierungssensoren empfohlen. Das Sensorsignal von den Strahlprofilierungssensoren wird in ein Signal umgewandelt, das von dem Computer gelesen werden kann, und das dann zu dem Steuer und Analysecomputer zurückgeschickt wird, um bearbeitet zu werden, wie im folgenden beschrieben wird.
Physikalisch ausgedrückt bewirkt das Strahlprofilierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, daß der Strahl zu jeder der Punkte eines Arrays auf der Lochblendenplatte bewegt wird, wobei der Strahl in der besten bekannten Position der Lochblende zentriert ist. Unterschiedliche Sektoren des Strahls fallen infolgedessen auf die Lochblende und gehen durch diese hindurch, um von der Fotodiode erfaßt und in ein numerisches Signal umgewandelt zu werden, das von dem Computer analysiert werden kann. Von dem Computer wird ein Profil der Intensität verschiedener Sektoren des Strahls aufgebaut (siehe 13). Dies ist das "Intensitätsprofil" des Strahls.
11A ist ein Funktionsblockschaltbild, das zeigt, wie ein Strahlprofil gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entwickelt wird. Der beste bekannte Ort einer Lochblende auf dem Strahlprofilierungssensor wird von dem Steuer und Analysecomputer aus dem Speicher abgerufen und zu dem Spiegelpositionierungssystem geschickt, um die X-Y-Scannerspiegel so zu positionieren, daß sie den Strahl auf diesen besten bekannten Ort lenken. Der Steuer und Analysecomputer bewegt den Strahl mit Hilfe des Strahlpositionierungssystems zu der ersten Zeile in der ersten Spalte eines quadratischen Arrays, das an dem besten bekannten Ort zentriert ist. Die von dem Strahlprofilierungssensor erfaßte Intensität desjenigen Teils des Strahls, der in die Lochblende eintritt, wird dann gelesen und wird gespeichert, sowie die Spiegelpositionsbefehle, die dieser Intensität zugeordnet sind. Der Strahl wird dann nacheinander von dem ersten bis zu dem letzten Arraypunkt in einer bestimmten Zeile oder Spalte bewegt, und die Schritte des Lesens und des Speicherns von Intensitätswerten werden wiederholt. Der Strahl wird dann nacheinander von der ersten bis zur letzten Arrayspalte bzw. -zeile bewegt, und die Schritte des Bewegens und Lesens werden dann entlang jeder Spalte oder Zeile ausgeführt. Das Ergebnis dessen ist, daß Strahlintensitätsmeßwerte für jede der Positionen auf dem Array genommen werden (dem Computer ist eine "Position" als eine Menge von Spiegelpositionierungsbefehlen bekannt). Eine von dem Steuer und Analysecomputer durchgeführte Standardanalyse des Arrays von Intensitätswerten wird gewöhnlicherweise durchgeführt, um einen neuen besten bekannten Ort der Lochblende zu generieren (zur Verwendung bei der Durchführung des ersten Schrittes des Abtastprofils beim nächsten Mal), und zwar ungeachtet der gerade tatsächlich analysierten detaillierten Funktion (siehe 12). Mit diesem Mittel kann diese berechnete beste bekannte Position mit großer Präzision gefunden werden, und zwar mit einer Genauigkeit, die viel größer ist als die Größe der Lochblende. Wenn eine angemessene Anzahl von Orten gefunden und gespeichert worden sind, kann das Steuersystem diese Werte mit zweiachsiger linearer Interpolation verwenden, um den Strahl zu diesen oder beliebigen dazwischenliegenden Orten zu bewegen.
11B ist ein Funktionsschaltbild eines Verfahrens zum Bewegen eines Strahls und Ausführen des im Zusammenhang mit 10A beschriebenen Verfahrens. Um den Strahl zu bewegen, besteht der erste Schritt darin, die den gewünschten Ort betreffenden Strahlpositionierungsinformationen zu dem Servomechanismus der X-Y-Scannerspiegel zu senden. Der Servomechanismus (der analog oder digital sein kann) sendet dann ein Signal an die Spiegelantriebe, um die X-Y-Scannerspiegel an einem neuen Ort zu positionieren. Der Servomechanismus der X-Y-Scannerspiegel mißt die Istposition der Spiegelantriebe und vergleicht die Istposition mit der Sollposition und stellt die Antriebssignale entsprechend nach. Das Nachstellen wird innerhalb der Spezifikationswerte des Sollortes fortgeführt.
11C ist ein Funktionsblockschaltbild eines Verfahrens zum Lesen der Intensität eines Teils eines Strahls und Ausführen des Verfahrens der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der erste Schritt besteht darin, die Gesamtlichtmenge, die durch die Lochblende geht, in ein Signal umzuwandeln, das dieser Lichtmenge proportional ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird dieser Prozeß von der Fotodiode durchgeführt, die das durch die Lochblende und das Filter kommende Licht mißt. Der Strom von der Fotodiode wird zu einem Strom-Spannungs-Verstärker gesendet, der ein Signal erzeugt, das zu der von der Fotodiode empfangenen Lichtmenge proportional ist. Die Verstärkung des Signals (das proportional zu der Intensität ist) ist wichtig, um einen breiten dynamischen Meßbereich zu schaffen, damit für den Rand des Strahls, der ansonsten verlorenginge, kleine, aber wesentliche Meßwerte erhalten werden. Der nächste Schritt besteht darin, das Signal zu messen, das proportional zu der empfangenen Lichtmenge ist, wonach das Signal zur numerischen Analyse in eine digitale Form umgewandelt wird.
12 ist ein Funktionsblockschaltbild, das die Prozesse und Analysen zeigt, die mit dem in 11A beschriebenen Verfahren gekoppelt werden können. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, können aus einem Menü verschiedene Prozesse und Analysen ausgewählt werden, wobei die ersten fünf mit der Abtastprofilroutine von 11A in Verbindung stehen. Der erste Schritt besteht darin, das Intensitätsprofil des Strahls gemäß dem im Zusammenhang mit 11A beschriebenen Verfahren abzutasten. Das Intensitätsprofil kann numerisch bzw. in Form einer graphischen Darstellung wiedergegeben werden. Aus dem Intensitätsprofil können aber auch die Leistung sowie ein neuer bester bekannter Ort für die verwendete Lochblende berechnet werden. Ein weiterer möglicher Prozeß besteht darin, die im Zusammenhang mit dem Strahlintensitätsprofil generierten Daten einer Ereignisdatei hinzuzufügen, wobei die Möglichkeit besteht, die Ereignisdatei wiederzugeben. Ein weiterer möglicher Prozeß besteht darin, Driftinformationen für das Spiegelpositionierungssystem zu berechnen und wiederzugeben, wobei im allgemeinen ein zweiter, getrennter Sensor (im Fall der bevorzugten Ausführungsform ein weiterer Strahlprofilierungssensor) abgetastet wird und danach die Offset- und Steigungsterme der Drift berechnet und wiedergegeben werden. Bei einem weiteren Prozeß wird die Leistung des Strahls berechnet und wiedergegeben, wobei die Intensitäten eines Profils summiert und mit einem Leistungsumwandlungsfaktor multipliziert werden. Der Leistungsumwandlungsfaktor kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, daß der Prozeß mit einem Strahl bekannter Leistung zur Anwendung kommt oder daß die berechnete Leistung mit der eines kalibrierten Sensors verglichen und der erforderliche Steigungsfaktor bestimmt wird. Eine weitere Funktion stellt die Berechnung und die Wiedergabe von Brennpunkt-informationen dar, mit einer möglichen Option, eine besondere Transformation der verwendeten Intensitätsdaten zum Berechnen von Brennpunktinformationen zu verwenden, und mit bekannten Harzeigenschaften die Form und Größe der gehärteten Spuren aus Photopolymer vorauszusagen. Eine weitere mögliche Funktion besteht darin, für den Aufbau (zur Herstellung von Teilen), für Tests usw. den Strahl zu dem gewünschten Ort zu bewegen, mit einer Option, von diesem neuen Ort aus nach dem Sensor bzw. Abtastprofil zu suchen. Eine nützliche Funktion ist, auf spiralförmige Weise zu bewegen und zu lesen, um nach Sensorlochblenden zu suchen. Dies kann erforderlich sein, wenn der beste bekannte Ort der Lochblende nicht präzise ist, für den Fall, daß beim Abtasten des Arrays der beste bekannte Ort der Lochblende nicht erfaßt wird. Ein weiterer Schritt kann darin bestehen, die Feststellungen (bezüglich des Ortes der Lochblende) über Test oder Abtastprofil zu verifizieren. Noch eine weitere Funktion besteht in der Verwendung des Strahlprofilierers bei der Kalibrierung, wobei die Drift gemessen wird und gleichzeitig eine der Oberfläche des Photopolymers entsprechende Kalibrierungszuordnung für die Oberfläche erhalten wird. Eine letzte Funktion besteht darin, in der Maschine die Parameter des besten bekannten Ortes, Skalierungsfaktoren, Harzeigenschaften usw. abzuspeichern.
13 ist ein Diagramm, das ein beispielhaf tes, durch eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung generiertes Intensitätsprofil für einen Laserstrahl zeigt. Die numerischen Werte entsprechen der gemessenen Intensität eines Strahls in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zum leichteren Ablesen der Anzeige sind die Zahlen in ganze Zahlen umgewandelt worden.
Mit dem durch die vorliegende Erfindung generierten Intensitätsprofil kann die Leistung des Strahls berechnet und die Form und Abmessung einer gehärteten Spur aus Photopolymer vorausgesagt werden (das verfestigte Photopolymer aufgrund der Belichtung mit dem Strahl aus UV-Licht), wie die folgende Erläuterung zeigt.
Die Intensität des Strahls wird durch die Strahlprofilierungsvorrichtung gemessen, wenn der Strahl auf jeden Punkt eines Arrays auf der Lochblendenplatte gerichtet wird, bei der es sich um eine Oberfläche handelt, die im allgemeinen senkrecht zu dem von dem Strahl genommenen Lichtweg steht. Die Richtungen x und Y auf dieser Oberfläche entsprechen den Richtungen, die der Strahl einschlägt, wenn sich der eine oder der andere Abtastspiegel dreht.
Die x- und y-Koordinaten des Arrays sind 1 bis i_max bzw. 1 bis j_max (in der Regel sind i_max und j_max beide gleich 22).
In der Regel wird der Strahl schrittweise von Punkt zu Punkt in dem Array bewegt, wobei die Zeit für die Bewegung viel geringer ist als die Zeit, während der der Strahl an einem Punkt bleibt. Der Abstand zwischen Punkten beträgt: s(mm) = Abtastschritt/Skalierungsfaktor [Gl. 1]
Der Abtastschritt beträgt in der Regel 4 "Bit", und der Skalierungsfaktor beträgt in der Regel 140 Bit/mm. Jeder der Abtastspiegel kann über eine 40°-Drehung des optischen Strahls 65535 (64 K) unterschiedliche Positionen einnehmen. Dies wiederum bedeutet, daß 1 Bit entlang der x- bzw. y-Achse einer Drehung von 6,104 × 10^–4 Grad entspricht. Da der Abstand zwischen dem Spiegel und der Flüssigkeit etwa 27 Zoll beträgt, entspricht diese Winkeldrehung einer Translation auf der Oberfläche der Flüssigkeit von 7,303 × 10^–5 mm (2,875 × 10^–4 Zoll) oder entprechend 137 Bit/mm oder etwa 140 Bit/mm.
Die Fläche des Arrays muß den vollen Strahl überdecken (eine Messung des ganzen Strahls ist zur Leistungskalibrierung erforderlich sowie dafür, über den Strahl soviel Informationen wie möglich zu produzieren), und muß eine für die Auflösung des erwünschten Strahlprofils ausreichende Anzahl von Punkten aufweisen. Der Abstand zwischen Punkten in diesem Array beträgt in der Regel weniger als ein Zehntel der Strahlbreite. Der Durchmesser der Lochblende sollte unter dieser Auflösungsgrenze liegen.
Ein "Element" ist der Teil eines Strahls, der gemessen wird, wenn der Strahl auf einen Punkt (m, n) des Arrays gerichtet wird. Jedes Element (m, n) hat einen Intensitätsmeßwert T (m, n). Die Buchstaben m, n beziehen sich auf Positionen bzw. Punkte in der x- bzw. y-Richtung in dem Array. 13 zeigt Intensitätsmeßwerte in einem Array, das dem hier erörterten größtenteils ähnlich ist.
Die Strahlleistung wird unabhängig gemessen, und der Leistungskalibrierungsfaktor k wird abgeleitet aus der folgenden Gleichung:
Der Leistungskalibrierungsfaktor k trifft nur auf das ausgewählte Lochblenden- und Meßsystem und die ausgewählte Laserwellenlänge zu. Die unabhängige Leistungsmessung muß an dem Strahl durchgeführt werden, nachdem der Strahl die gleiche Anzahl optischer Flächen in dem Strahlweg durchquert hat. Bei diesen Berechnungen wird außerdem angenommen, daß die Hintergrund-Lichtsignale eliminiert worden sind und die Verstärkerskalierung kompensiert worden ist.
Am Element (m, n) ist die Leistung pro Flächeneinheit gegeben durch: Intensität (bei Element m, n) = k·T(m, n)/s(Watt/mm2) [Gl. 3]
Dies ist die von einer kleinen Fläche in dem (m, n)-Element erfahrene Momentanintensität, unabhängig davon, ob der Strahl stationär ist oder sich bewegt.
Wenn sich der Strahl gleichmäßig mit der Geschwindigkeit v (mm/s) entlang der y-Achse bewegt, dann benötigt er eine Zeit gleich s/v, um jedes Element zu passieren, und die aus dem Element (m, n) pro Flächeneinheit absorbierte Belichtungsenergie beträgt: Belichtung durch Element (m, n) = k·I(m, n)/s2. (s/v)(Joule/mm2) [Gl. 4]
Dies ist die aus einem bestimmten Element (m, n) des Strahls absorbierte Energie pro Flächeneinheit.
Die Gesamtbelichtung (absorbierte Strahlenergie), wenn der ganze Strahl eine Fläche passiert, die flächenmäßig wie oben definiert einem Element äquivalent ist, beträgt:
Physikalisch ausgedrückt stellt diese Gleichung eine Situation dar, in der der Strahl in der y-Richtung eine Fläche überquert, die flächenmäßig einem Element des Strahls äquivalent ist, und zwar in dem Sinne, wie der Ausdruck Element oben verwendet wird. Die Fläche wird von den der x-Koordinate m entsprechenden Elementen des Strahls überquert, so daß die Fläche, die die Größe eines Elements aufweist, bei m allen Elementen (m, n) des Strahls ausgesetzt ist, wenn n zwischen 0 und j_max variiert.
Die oben beschriebenen Berechnungen basieren auf diskreten Elementen, könnten offensichtlich aber auch verallgemeinert werden, so daß Integrale verwendet werden. Zweckmäßigerweise wird angenommen, daß die Bewegung entlang der y-Achse erfolgt. Andere Winkel können auf einfache Weise abgeleitet werden, und sind möglicherweise erforderlich, wenn der Strahl asymmetrisch ist.
Die Geschwindigkeit v entspricht wie folgt den Parametern SS und SP: v = (SS/Skalierungsfaktor)(SP/100.000)(mm/s) [Gl. 6]
Wobei:
SS = Schrittgröße in Hit pro Schritt;
Skalierungsfaktor normalerweise 140 Bit/mm ist;
SP/100.000 = Schrittperiode in Sekunden (SP-Einheiten sind Einheiten gleich 10 Mikrosekunden); und
1E6 = 1.000.000 ein Konversionsfaktor zwischen Joule/mm² und Joule/m² bzw. MikroJoule/mm² ist
Gleichungen 5 und 6 werden kombiniert, um die Gesamtbelichtung (einfallende Leistung, d.h. Energie) an dem Sensor bzw. an der Oberfläche der Flüssigkeit (des Photopolymers), die durch Z = 0 dargestellt ist, auf einer kleinen Fläche an einer Position m bei Bewegung des Strahls in der y-Richtung zu berechnen: Belichtung bei (m, z = 0):
Die Absorption des Strahls bei seinem Eindringen in die Flüssigkeit kann schließlich noch gemäß dem Beer'schen Gesetz kompensiert werden: E(m, z) = E(m, 0)·exp(–z/lambda) [Gl. 8]
Wobei:
lambda die Eindringtiefe (mm);
E(m, 0) die summierte Belichtung an der Oberfläche; und
E(m, z) die Belichtung in einer Tiefe z unterhalb der Oberfläche (mm) ist. Es wird angenommen, daß die Schwächung bei der Absorption weder Nichtlinearitäten noch und wird eine Zeitabhängigkeit aufweist einfach dargestellt durch I(z) = I(z = 0)·exp(–z/lambda). Es ist klar, daß an den vorangegangenen Berechnungen entsprechende Modifikationen vorgenommen werden können, um Abweichungen von dem obigen, einfachen, absorbierenden Verhalten zu berücksichtigen.
Versuche haben ergeben, daß das Photopolymer bis zu einem Gel härtet, wenn die Belichtung über einem kritischen Wert Ec liegt, so daß bei einem beliebigen gegebenen System die Form einer Spur aus gehärtetem Kunststoff vorausgesagt werden kann, indem der Ort der Punkte mit der Belichtung Ec berechnet wird. Ec kann für jedes Photopolymer präzise und getrennt gemessen werden. Der "Gelierpunkt" gibt nur die Grenze an zwischen "gehärtet" und "nicht gehärtet" und läßt den (mit der Eindringtiefe in Zusammenhang stehenden) Gradienten in der Belichtung bei Harztiefen außer acht, die sich von der Ec-Grenztiefe unterscheiden. Die Stärke des Teils steht anscheinend mit der höheren Belichtung in Beziehung, weshalb die Absorptionseigenschaften so gewählt werden sollten, daß sie den besten (höchsten) Härtungsgradienten ergeben. Der Gradient bzw. die Eindringtiefe begrenzt auch die beste zur Verfügung stehende Auflösung in der z-Richtung, da bei der Belichtung eine gewisse Schwankung (überkreuzende Linien usw.) unvermeidlich ist und dies mit diesen Schwankungen bei der Belichtung zu Veränderungen der Härtungstiefe führt.
Für einen beliebigen x-Ort (m) erhält man die gehärtete Tiefe z_c(m) aus: zc(m) = lambda·1n(E(m, z = 0)/Ec) [Gl. 9]
Mit einem Strahlprofil, das mit ausreichender Zuverlässigkeit und Präzision gemessen worden ist, können lediglich in Abhängigkeit von chemischen Eigenschaften eines Harzes Härtungstiefen vorausgesagt werden. 14 zeigt zwei Beispiele für derartige Voraussagen, und zwar entlang der x- bzw. y-Achse. Dia Profilfunktion (m, z) gestattet automatisch auch eine Voraussage der Spurbreite als Funktion der Tiefe (und mit entsprechenden Modifikationen der "Strahlbreite" und des "kleinsten Oberflächenwinkels"). "Banja-Tops" herzustellen und zu messen, d.h. von dem Strahl gehärtete Spuren, um die Form und die Abmessungen des gehärteten Photopolymers direkt zu bestimmen, wird lediglich als interner Check des Systems erforderlich sein. Die 15 zeigt einen Querschnitt einer Prüfspur eines Banjo-Tops. 15 soll mit 14 verglichen werden.
Um das vorausgesagte Spurprofil wiederzugeben, wird über den Strahl hinweg ein skaliertes Diagramm der Härtungstiefe über die Position aufgenommen. Dar Skalierungsfaktor für den Abstand über den Strahl hinweg ist leicht, wobei man lediglich eine Spalte (oder Zeile usw.) des Scans mit einer Abmessung s auswählt, die einem Bildelement bzw. Graphikdisplayblack entspricht. Die Tiefenskala ist dann lambda/s Bildelemente (bzw. Blöcke) für jeden Anstieg der Belichtung um einen Faktor e. Das einzige willkürliche Merkmal ist der Nullwert der Tiefe, der zu der charakteristischen Belichtung Ec von Gl. 9 oder äquivalenten Faktoren von Gl. 7 in Beziehung steht. Die anzuzeigende Tiefe wird durch den Dynamikbereich des Intensitätsmeßsystems und das Abschneiden bei I(m, n) ≥ einen beliebigen entsprechenden Wert in der Nähe des Rauschpegels bestimmt.
Aus dem Obigen ist offensichtlich, daß zwar bestimmte Formen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden sind, aber verschiedene Modifikationen ausgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es ist dementsprechend keine Absicht, die Erfindung zu begrenzen, es sei denn durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Aushärtetiefe einer Spur eines Reaktionsstrahls (50) über einem Fotopolymer (22) aufweisend: a. Strahlprofilierungsmittel (110); und b. zumindest ein Sensormittel (35), welches auf den Reaktionsstrahl (50) reagiert; dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin aufweist c. ein Computer zum Manipulieren von Sensorsignalen, wobei d. das zumindest eine Sensormittel (35) weiterhin umfasst einen ersten Filter (70), um fehlerhafte Messungen aufgrund von sichtbarem Licht zu verhindern.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensormittel (35) weiterhin eine Lochblendenplatte (40) aufweist, welche auswählbare Lochblenden (45) von unterschiedlicher Größe aufweist, um den Reaktionsstrahl (50) zu scannen.
Die Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensormittel (35) weiterhin einen zweiten Filter aufweist, der die Lochblendenplatte (40) abdeckt, um das zumindest eine Sensormittel (35) zu schützen.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Aushärtetiefe der Spur eines Reaktionsstrahls (50) über einem Fotopolymer, aufweisend die Schritte: a. Erhalten eines Strahlintensitätsprofils des Reaktionsstrahls (50); und b. Berechnen der Aushärtetiefe basierend auf dem Strahlintensitätsprofil; dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin aufweist c. Übertragen des Reaktionsstrahls (50) durch einen ersten Filter (70), um fehlerhafte Messungen aufgrund sichtbaren Lichts zu verhindern.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin aufweist den Schritt des Scannens des Reaktionsstrahls (50) durch eine Lochblendenplatte (40), die auswählbare Lochblenden (45) von unterschiedlicher Größe aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin aufweist den Schritt des Schützens des zumindest einen Sensormittels (35) mittels eines zweiten Filters, der die Lochblendenplatte (40) abdeckt.