DE69231229T2

DE69231229T2 - Bestrahlungskopf für Stereolithografie

Info

Publication number: DE69231229T2
Application number: DE69231229T
Authority: DE
Inventors: Larry D. Mitcham; William E. Nelson
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1991-12-30
Filing date: 1992-12-22
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2012-12-23
Also published as: DE69231229D1; DE69218572T2; US5247180A; EP0676275A1; KR100252458B1; DE69218572D1; TW214584B; EP0549993A1; JPH0639928A; EP0549993B1; EP0676275B1; CA2086157A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektro-optische Geräte und im besonderen auf einen Stereolithographie-Belichtungskopf.

Hintergrund der Erfindung

Stereolithographie ist ein Prozeß, bei dem dreidimensionale Objekte aus dünnen Schichten ausgehärteter oder getrockneter flüssiger Polymere hergestellt werden. Die flüssigen Polymere oder Kunstharze werden von einer intensiven Lichtquelle mit passender Wellenlänge selektiv ausgehärtet. Typischerweise wird zum Aushärten des flüssigen Polymers ein Ultraviolett-("UV"), Argon-Ionen-, oder eine andere Art von Laser verwendet. Der ausgesuchte Laser wird von einem X-Y-Abtaster auf einen dünnen Film des Polymers gerichtet, wobei der Abtaster typischerweise Daten aus einem computerunterstützten Design ("CAD") umsetzt. Die CAD-Daten stellen mathematisch die Gestalt des herzustellenden Objektes als eine Serie aufeinanderfolgender dünner Lagen von Schichten dar, die typischerweise ¹/&sub4; mm (1/100 Zoll) dick sind. Das Objekt kann daher hergestellt werden, indem Abschnitte eines Kunstharzfilmes, die der ersten Lage des Objektes entsprechen, ausgehärtet werden, die ausgehärtete Lage mit einem gleichförmigen, dünnen Flüssigkeitsfilm beschichtet wird und diejenigen Abschnitte des zweiten Filmes ausgehärtet werden, die der nächsten Schicht des Objektes entsprechen. Dieser Prozeß wird wiederholt, bis jede Schicht des Modells als ausgehärtete Polymerlage wiederhergestellt ist. Das durch die Stereolithographie hergestellte Modell kann zum Testen und zur Auswertung von ingenieurtechnischen Designs, zu Werkzeugzwecken und zur Kleinserienfertigung Verwendung finden.
Beispiele stereolithographischer Verfahren sind in der WO-A- 91/12120 und in der WO-A-89/09687 beschrieben. Die WO-A- 91/12120 offenbart ein optisches System zur Belichtung aufein anderfolgender Lagen eines flüssigen Materials zur Bildung eines dreidimensionalen Gegenstandes. Das optische System beinhaltet einen Laser, einen Strahlunterbrecher, eine einstellbar bewegliche Fokussierlinse zur Z-Achsen-Korrektur, eine Objektivlinse und einen Abtastkopf mit einem X-Abtastspiegel und einem Y-Abtastspiegel. Ein Steuerrechner steuert den Betrieb des optischen Systemes.
Die WO-A-89/09687 offenbart eine Arbeitsstation zum laserbasierten Herstellen von Plastikmodellen und enthält einen Systemrechner, einen Laserstrahlgenerator, ein Laserstrahlteilersystem mit Doppelspiegel und einen Laserstrahlabtaster. Der Laserstrahlabtaster kann in zwei Raumrichtungen bewegt werden.
Die bekannten Verfahren und Geräte für stereolithographische Vorgänge sind durch wenigstens zwei Merkmale beschränkt. Erstens begrenzt die Verwendung eines X-Y-Abtasters die Geschwindigkeit, mit welcher ein Laserstrahl einen Film flüssigen Kunstharzes abtasten kann auf etwa 1,4 m (55 Zoll) pro Sekunde. In Verbindung mit der hohen vertikalen Auflösung des Prozesses ergibt diese Geschwindigkeit eine lange Herstellungszeit und einen geringen Produktionsertrag. Zweitens schränkt die Verwendung eines bestimmten Lasers als Belichtungsquelle den Typ des flüssigen Kunstharzes, der in dem System verwendet werden kann, ein. Jedes Kunstharz reagiert individuell auf verschiedene Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung.
Typischerweise kann jedes Kunstharz nur durch einen Lasertyp ausgehärtet werden. Daraus ergibt sich nur eine geringe oder gar keine Möglichkeit, die Kunstharzzusammensetzung ohne teure Änderungen in der Hardware zu verändern. Außerdem können nicht alle Strahlungswellenlängen als Laserlicht erzeugt werden. Dies schließt von vornherein die Verwendung bestimmter Kunstharze aus, da es kein Laserlicht gibt, mit dem diese ausgehärtet werden könnten.
Aus der EP-A-0 391 529 ist ein Sichtanzeigesystem mit einem räumlichen Lichtmodulator und einer Quelle für zufällig polarisiertes Licht bekannt. Der räumliche Lichtmodulator enthält ein Feld verformbarer Spiegel, von denen jeder so betrieben werden kann, daß er einfallendes Licht entlang eines ersten oder eines zweiten Weges reflektieren kann, wobei das entlang des zweiten Weges reflektierte Licht auf eine Anzeigefläche gerichtet ist.
Die IEEE Transactions On Electron Devices, Band ED-30, Nr. 5, Mai 1983, Seiten 539-545, beschreiben eine verformbare Spiegeleinrichtung, die aus einem X-Y-Feld verformbarer Spiegelelemente besteht, welche von einem darunterliegenden Feld von MOS- Transistoren angesteuert werden. Es wird von Anwendungen für optische Informationsverarbeitung und Projektionsanzeigen berichtet.
Daher hat sich die Notwendigkeit für einen Stereolithographie- Belichtungskopf ergeben, der einen hohen Fertigungsertrag gestattet und mit einem weiteren Bereich stereolithographischer Kunstharze verträglich ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Stereolithographie-Belichtungskopf gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der erste technische Vorteil der offenbarten Erfindung besteht in ihrer Geschwindigkeit. Die Vielzahl der Spiegel, welche die verformbare Spiegeleinrichtung bilden, erlauben es, in einem Belichtungsintervall eine gesamte Kunstharzlage zu härten. Diese Technik gestattet einen wesentlich größeren Durchsatz.
Der zweite technische Vorteil der Vorrichtung besteht in ihrer Flexibilität. Beinahe jede Belichtungsquelle kann mit der verformbaren Spiegeleinrichtung verwendet werden. Die Belichtungsquelle kann daher auf ein bestimmtes, zu verwendendes Kunstharz zugeschnitten sein und kann tatsächlich auch eine preiswerte Glühlampe sein.
Ein dritter technischer Vorteil der offenbarten Erfindung sind ihre Kosten. Verformbare Spiegelvorrichtungen sind gegenwärtig in massenproduzierten Mengen verfügbar zu Kosten, die weit unter denen eines X-Y-Laserabtasters liegen.
Ein weiterer technischer Vorteil der Erfindung ist ihre Eignung für die Herstellung großer Modelle. Mehrere Belichtungsköpfe können kombiniert werden, um eine große Flüssigkeitsschicht zu härten, wobei die hohe Auflösung erhalten bleibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1a bis 1e eine Abfolge von Schritten für die Herstellung eines Modells unter Verwendung des stereolithographischen Prozesses;
Fig. 2 eine teils perspektivische, teils schematische Darstellung eines Belichtungskopfes, der eine Ausführungsform der Erfindung zur Ausführung des in den Fig. 1a bis 1e dargestellten Prozesses enthält;
Fig. 3 perspektivisch eine Vorrichtung mit einem Flächenfeld verformbarer Spiegel zur Verwendung in dem Belichtungskopf aus Fig. 2;
Fig. 4 schematisch, wie der Belichtungskopf aus Fig. 2 mit gleichartigen Belichtungsköpfen kombiniert werden kann, um die mögliche Modellgröße zu erhöhen; und
Fig. 5 perspektivisch, wie der Belichtungskopf aus Fig. 2 gelenkig gelagert werden kann, um einen Film ausgedehnterer Größe zu härten.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile werden am besten unter Bezug auf die Fig. 1 bis 4 der Zeichnungen verständlich, wobei für gleiche und entsprechende Bestandteile der Zeichnungen dieselben Bezugszeichen verwendet sind.
Die Fig. 1a bis 1e veranschaulichen eine Abfolge von Schritten zur Herstellung eines Modells unter Verwendung des stereolithographischen Prozesses.
(a) Ein stereolithogarphischer Apparat ("SLA") 10 umfaßt eine Wanne 12 zur Aufnahme einer stereolithographischen Flüssigkeit 14, eine Arbeitsoberfläche 16, einen Heber 18 zur Steuerung des Pegels der Flüssigkeit relativ zur Arbeitsoberfläche 16, und einen Belichtungskopf 20 zum Härten ausgewählter Abschnitte des Kunstharzes, wie unten ausführlicher beschrieben. Die stereolithographische Flüssigkeit kann ein Kunstharz oder ein Polymer sein, wie sie dem Fachmann wohl bekannt sind. Der SLA 10 kann auch eine Flüssigkeitsappliziereinrichtung 22 enthalten, um eine gleichförmige Flüssigkeitsdicke in jeder Modellierungsstufe zu gewährleisten.
Beim Betrieb wird ein dünner Flüssigkeitsfilm auf die Arbeitsoberfläche 16 aufgebracht, beispielsweise indem der Heber 18 in der Wanne 12 angehoben wird. Der Heber 18 hebt die Flüssigkeit 14, so daß diese durch Öffnungen 24 steigt und auf der Arbeitsoberfläche 16 einen dünnen Film bildet. Dann härtet der Belichtungskopf 20 ausgewählte Abschnitte des Flüssigkeitsfilms, indem er elektromagnetische Strahlung auf diese richtet. Der Belichtungskopf 20 wird von einer Schaltung (in Fig. 2 gezeigt) gesteuert, welche Daten des zu modellierenden Objektes umsetzt. Die Daten stellen das Objekt als eine Serie dünner aufeinanderfolgender Lagen oder Schichten dar, die aufeinandergestapelt das vollständige Objekt bilden. Typischerweise können Daten aus computerunterstütztem Design ("CAD") in einfachster Weise in aufeinanderfolgende Lagen oder Schichten des herzustellenden Modells überführt werden.
(b) Der Heber 18 steigt weiter an, damit Flüssigkeit 14 die vorher ausgehärtete und noch auf der Arbeitsoberfläche 16 liegende Lage 26 ("Werkstück") mit einem zweiten Flüssigkeitsfilm bedeckt. Diese zweite Flüssigkeitslage bedeckt sowohl die ausgehärteten als auch die unausgehärteten Abschnitte der ersten Lage. Es kann auch von der Appliziereinrichtung 22 eine kleine Flüssigkeitsmenge auf das Werkstück 26 gesprüht werden, um eine gleichmäßige Filmbedeckung des Werkstückes 26 zu gewährleisten. Jeder Film ist etwa 0,25 mm (1/100 Zoll) dick.
(c) Der Belichtungskopf 20 härtet die zweite Lage Flüssigkeit, die in Fig. 1b aufgebracht wurde, wie in Fig. 1a beschrieben.
(d) Die Schritte in den Fig. 1a bis 1c werden dann solange wiederholt, bis das vollständige Teil 28 hergestellt ist.
(e) Das vollständige Teil 28 kann dann aus dem SLA 10 entfernt werden. Unter bestimmten Umständen kann es bei Verwendung bestimmter Flüssigkeiten notwendig sein, das Teil 28 vor seiner Verwendung in einem Ofen (nicht gezeigt) zu härten.
Ein SLA, ähnlich dem in den Fig. 1a bis 1e dargestellten, kann von der Firma 3D Systems, Inc. in Valencia, Californien oder von der Firma Quadrax Laser Technologies, Inc. aus Portsmouth, Rhode Island erworben werden. Der SLA von 3D Systems verwendet einen HeCd-Laser mit einer Wellenlänge von 325 nm. Das 3D System unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Prozeß. Es senkt die Arbeitsoberfläche sukzessive unter die Oberfläche der Flüssigkeit, anstatt die Flüssigkeit relativ zur Arbeitsoberfläche anzuheben. Dort wird das gebildete Objekt langsam untergetaucht, während es an der Oberfläche der Flüssigkeit hergestellt wird. Der SLA der Quadrax Laser Technologies verwendet einen Argon-Ionen-Laser mit sichtbarem Licht für den in Verbindung mit den Fig. 1a bis 1c beschriebenen Prozeß. Die anderen SLA-Designer verwenden Ultraviolett-("UV")- Laser zum Härten der stereolithographischen Flüssigkeiten.
Fig. 2 ist eine teils perspektivische, teils schematische Darstellung eines Belichtungskopfes 20, der eine Ausführungsform der offenbarten Erfindung enthält, zur Verwendung in dem in den Fig. 1a bis 1e dargestellten Prozeß. Der Belichtungskopf 20 umfaßt eine Belichtungsquelle 30, eine Vorrichtung mit einem Flächenfeld verformbarer Spiegel ("DMD") 32, zwei Linsen 34 und 36 und eine Steuerschaltung 38. Die Belichtungsquelle 30 sendet Strahlung aus, welche imstande ist, eine bestimmte SLA-Flüssigkeit zu härten. Mit der Linse 34 wird eine gleichmäßigere Belichtung der DMD 32 erreicht, als ohne. Die Linse 36 fokussiert und verstärkt das aus der DMD 32 auf die Arbeitsoberfläche 16 (in den Fig. 1a bis 1e gezeigt) reflektierte Licht. Die DMD 32 ist eine elektro-optische Vorrichtung, hergestellt von der Firma Texas Instruments, aus Dallas, Texas, welche ein gewöhnliches n · m-Feld von Spiegeln enthält. Jeder Spiegel kann elektronisch angesteuert werden, so daß er einfallendes Licht entlang eines mehrerer optischer Wege reflektiert. In der bevorzugten Ausführungsform weist die DMD 32 eine Matrix bistabiler Spiegel auf, d. h. es gibt für jeden Spiegel zwei optische Wege. Die Belichtungsquelle 30, die DMD 32 und die Linsen 34 und 36 sind so angeordnet, daß von der Belichtungsquelle 30 auf die DMD 32 auftreffendes Licht auf einen dünnen Film von SLA- Kunstharz dann und nur dann reflektiert wird, wenn einer der beiden optischen Wege ausgewählt ist. Der optische Weg der von der Belichtungsquelle 30 ausgesandten Strahlung ist durch die konvergierenden und divergierenden gestrichelten Linien dargestellt. Jeder der bistabilen Spiegel auf der DMD 32 wird von einer Schaltung 38 gesteuert, die Daten von einem Prozessor (nicht dargestellt) umsetzt. Die Schaltung 38 kann mit einem eigenständigen Prozessor vollständig integriert oder sonstwo angeordnet sein. Die Belichtungsquelle 30 kann auf die im SLA- Prozeß verwendete stereolithographische Flüssigkeit zugeschnitten sein und in einer gewöhnlichen Wolfram-Halogen-Glühlampe oder in einer beliebigen Anzahl von Lasern sichtbaren oder nichtsichtbaren Lichtes bestehen.
Fig. 3 stellt perspektivisch eine Vorrichtung 32 mit einem Flächenfeld verformbarer Spiegel dar, wie es in dem Belich tungskopf 20 aus Fig. 2 dargestellt ist. Die DMD 32 enthält einen Körper 40 mit einer ebenen aktiven Oberfläche 42 und einer Anzahl elektischer Anschlüsse 44. Die aktive Oberfläche 42 der DMD 32 kann eine n · m-Matrix einzel ansteuerbarer bistabiler Spiegel enthalten. Jeder Spiegel ist üblicherweise ein Quadrat oder ein Rhombus mit einer Seitenlänge von 12 bis 20 um. Diese geringe Größe gestattet es einer einzelnen DMD mit einer Grundfläche von etwa 1.290 mm² (2 Quadrat-Zoll) über 2 Millionen einzel ansteuerbare Spiegel in beispielsweise einer 1.920 · 1.080 Matrix aufzuweisen. Diese geringe Spiegelgröße erlaubt es dem Belichtungskopf 20 (dargestellt in Fig. 2) eine 101 · 202 mm² (4 · 8 Quadrat-Zoll) große Fläche in einem einzigen Belichtungsintervall zu härten, wobei dieselbe Auflösung erreicht wird, wie bei den X-Y- Abtaster/Laserbelichtungskopf-Kombinationen nach dem Stand der Technik. Typischerweise erreichen die Belichtungsköpfe aus dem Stand der Technik Auflösungen von ± 0,13 mm (± 0,005 Zoll). In einem solchen Fall würde die Linse 36 aus Fig. 2 das Bild der DMD 32 auch noch um einen Faktor von 4 bis 6 vergrößern.
Fig. 4 stellt dar, wie mehrere Belichtungsköpfe 20 kombiniert oder "kachelartig" aneinander gefügt werden können, um eine Fläche von beispielsweise 203 · 406 mm² (8 · 16 Quadrat-Zoll) zu überdecken. Dies gestattet es dem Benutzer, denselben hohen Auflösungsgrad, wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben, beizubehalten. In einer solchen kachelartigen Anordnung härtet jeder Belichtungskopf 20 einen Quadranten des Kunstharzfilmes. Jeder Quadrant bietet eine Fläche von 101 · 202 mm² (4 · 8 Quadrat-Zoll). Jede beliebige Anzahl von Belichtungsköpfen 20 kann kombiniert werden, um die maximale Modellgröße zu erhöhen.
Fig. 5 stellt dar, wie ein einzelner Belichtungskopf 20 an einer Positioniereinrichtung 46 mit Bewegungsfreiheit in zwei Raumrichtungen montiert sein kann. Der einzelne Belichtungskopf 20 kann damit eine Kunstharzschicht ausgedehnterer Größe härten als das projizierte Bild der DMD 32 (Fig. 2 und 3). Damit kann der Benutzer denselben hohen Auflösungsgrad beibehalten, wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben. Die in Verbindung mit lithographischen Prozessen verwendeten Positioniereinrich tungen sind im Stand der Technik bekannt und haben Auflösungen, die vergleichbar sind mit dem SLA-Prozeß. Diese Positioniereinrichtungen werden verwendet, um in der Produktion von Geräten, wie etwa integrierten Schaltkreisen, Fotomasken an Silizium- Wafern auszurichten.
Obwohl die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben wurde, können selbstverständlich zahlreiche Veränderungen und Ersetzungen hierzu gemacht werden, ohne den durch die angefügten Ansprüche definierten Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Stereolithographie-Belichtungskopf (20) zur Bildung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem flüssigen Medium (14), das sich verfestigen kann, wenn es einer vorgeschriebenen Energie ausgesetzt ist, wobei die vorgeschreibene Energie durch Belichtung aufeinanderfolgender Schichten des flüssigen Materials von einer Lichtquelle geliefert wird, wobei der Belichtungskopf aufweist:

- eine Miniaturspiegeleinrichtung (32) mit einer Vielzahl von Spiegeln, die in einer n · m Matrix auf einer gemeinsamen Fläche angeordnet sind, wobei jeder dieser Spiegel so betrieben werden kann, daß er einfallendes Licht entlang eines ersten oder eines zweiten Weges reflektiert;

- eine Lichtquelle (30) welche die Vielzahl von Spiegeln beleuchtet;

- eine Steuerschaltung (38) welche die Spiegel als Reaktion auf Eingangsdaten steuern, die von der Steuerschaltung empfangen wurden;

- eine Linse (36) die auf den ersten Weg gelenktes licht empfängt und dieses Licht auf eine Belichtungsebene fokusiert, so daß Licht von verschiedenen Spiegeln gleichzeitig Abschnitte einer Schicht des flüssigen Materials belichtet.

2. Stereolithographie-Belichtungskopf nach Anspruch 1, bei dem die Linse (36) auch so betrieben werden kann, daß sie das Bild der Vielzahl von Spiegeln vergrößert.

3. Stereolithographie-Belichtungskopf nach Anspruch 1, der ferner eine Positioniereinrichtung (46) zum bewegen des Kopfes (20) in zwei Dimensionen aufweist.