Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 15.

Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren ist unter dem Be­ griff "Stereographie" oder "Stereolithographie" bekannt und in dem Artikel von Hideo Kodama, "Automatic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer", Rev.Sci.Instrum. 52(11), Nov. 1981, Seiten 1770 bis 1773, beschrieben. Bei einem derartigen Ver­ fahren tritt das Problem auf, daß eine Maßhaltigkeit des Objekts nicht gewährleistet ist. Der Grund hierfür liegt ins­ besondere darin, daß die einzelnen Schichten während der Her­ stellung beim Verfestigen eine Volumenänderung erfahren und damit Spannungen und Formänderungen des gesamten geschichte­ ten Aufbaus bewirken.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Genauigkeit bei der Herstellung des Objekts zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. die in Anspruch 15 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Oberflächenmessung des Objekts mittels einer Moir´-Tech­ nik, wie sie beispielsweise in der DE-OS 33 28 753 beschrie­ ben ist. Diese Meßtechnik hat den Vorteil, daß Ungenauigkei­ ten der verfestigten Oberfläche des Objekts schnell und berührungslos ermittelt werden können. Ein weiterer besonde­ rer Vorteil ergibt sich hierbei daraus, daß zur Steuerung der Verfestigungsvorrichtung, also der Lichtquelle oder dgl., üblicherweise ein Rechner vorgesehen ist, der aufgrund eines CAD-Konstruktionsprogrammes auch die Daten des herzustellen­ den Objekts ermittelt und dem nunmehr auch die gemessenen Oberflächendaten zur Auswertung zugeführt werden können, so daß dieser Rechner ebenfalls die Korrektur der Objektdaten aufgrund des Meßergebnisses übernehmen kann. Eine zusätzliche Auswerteeinrichtung ist also nicht erforderlich.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungs­ form einer Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Behälter 1, der mit einem lichthärtbaren, flüssigen Kunststoff 2 bis zu einem Niveau bzw. einer Ober­ fläche 3 gefüllt ist. Im Behälter befindet sich eine im we­ sentlichen ebene Trägerplatte 4, die parallel zum Niveau 3 bzw. der Oberfläche des Kunststoffs 2 angeordnet ist und mit­ tels einer Verschiebeeinrichtung 5 senkrecht zur Ebene des Niveaus 3 auf und ab verschoben und positioniert werden kann.

Auf der Trägerplatte 4 befindet sich das Objekt 6, das aus einer Mehrzahl von Schichten 6a, 6b, 6c und 6d, die sich je­ weils parallel zum Niveau 3 erstrecken, in der später be­ schriebenen Weise aufgebaut wird.

Eine Vorrichtung 7 zum Verfestigen der an die Oberfläche 3 angrenzenden obersten Schicht 6d enthält eine Beleuchtungs­ vorrichtung 8 mit einer Lichtquelle 9, die über eine Optik 10 einen gebündelten Lichtstrahl 11 auf die Oberfläche des Kunststoffs 2 richtet. Als Lichtquelle kommt je nach Art des verwendeten Kunststoffs eine UV-Lichtquelle, ein Laser oder an­ dere Lichtquellen in Frage. Eine Aufhängung bzw. Positionier­ vorrichtung 12 für die Vorrichtung 7 erlaubt die Bewegung und Schwenkung der Vorrichtung 7 derart, daß der gebündelte Lichtstrahl an jeder Stelle der Oberfläche 3 positioniert werden kann. Diese Positionierung erfolgt durch einen Rechner 13, der mit der Vorrichtung 7 verbunden ist. Zusätzlich kann über diese Ankopplung eine Einstellung der Intensität des Lichtstahls 11 über eine Helligkeitsregelung der Lichtquelle 9 erfolgen.

Eine Meßvorrichtung 14 enthält einen mit einer Lichtquelle 15, z. B. einer Bogenlampe oder einem Laser, ausgerüsteten Projektor 16, der über eine Optik 17 ein Meßfeld 18 beleuch­ tet. An Stelle von Licht kann allerdings auch jede andere elektromagnetische Strahlung verwendet werden. Im Strahlen­ gang des Projektors 16 entlang der Projektionsrichtung 19 ist eine Modulationsvorrichtung in Form eines Projektionsgitters 20, das vorzugsweise als Strichgitter ausgebildet ist, oder eines Laserinterferometers zur Erzeugung eines Modulations­ musters angeordnet. Aufgrund der Divergenz des Strahlengangs führt das Strichgitter bzw. das Laserinterferometer zu einer Projektion räumlich divergierender Lichtebenen.

Das Meßfeld 18 wird von einer Bildaufnahmeeinrichtung 21 un­ ter einer Betrachtungsrichtung 22, die einen Winkel zur Projektionsrichtung 19 einschließt, betrachtet. Die Bildauf­ nahmeeinrichtung 21 weist eine Kamera 23, vorzugsweise eine Video-, Fernseh- oder CCD-Kamera, sowie eine Betrachtungs­ optik 24 auf, mit der eine Scharfstellung auf eine im Meßfeld 18 angeordnete Oberfläche bzw. die in der später beschriebe­ nen Weise gebildete Oberfläche des Objekts 6 möglich ist. Im Betrachtungsstrahlengang 25 ist ein Referenzgitter 26 ange­ ordnet, das ebenfalls als Strichgitter ausgebildet ist. Die Ebene des Referenzgitters 26 ist vorzugsweise parallel zur Ebene des Projektionsgitters 20 bzw. des Laserinterferometers angeordnet.

Die Bildaufnahmeeinrichtung 21 ist über eine Leitung 27 mit dem Rechner 13 gekoppelt. Ferner ist eine schematisch ange­ deutete Verschiebevorrichtung 28 vorgesehen, die mit dem Rechner 13 zur Verschiebung und Positionierung der Bildauf­ nahmeeinrichtung 21 in Richtung senkrecht zum betrachteten Meßfeld 18 verbunden ist.

Im Betrieb werden zunächst im Rechner aufgrund eines Kon­ struktionsprogrammes oder dgl. Daten über die Form des Ob­ jekts 6 erstellt. Diese Daten werden für die Herstellung des Objekts 6 so aufbereitet, daß das Objekt in eine Vielzahl von horizontalen, im Vergleich zur Objektdimension dünnen Schich­ ten zerlegt wird und die Formdaten beispielsweise in Form von Datensätzen, z. B. CAD-Daten, für jede Schicht 6a...6d dieser Vielzahl von Schichten bereitgestellt werden. Die Erstellung und Aufbereitung der Daten für jede Schicht kann dabei vor der Herstellung oder auch gleichzeitig mit der Herstellung jeder Schicht erfolgen.

Der Rechner 13 steuert dann die Verschiebeeinrichtung derart, daß die Trägerplatte 4 bis soweit unter die Oberfläche 3 des flüssigen Kunststoffs 2 angehoben wird, daß zwischen der Oberseite der Trägerplatte 4 und der Oberfläche 3 eine flüs­ sige Schicht des Kunststoffs mit einer der ersten Schicht 6a des Objekts entsprechenden Schichtdicke verbleibt. Anschlie­ ßend wird über die Positioniervorrichtung 12 die Beleuch­ tungsvorrichtung 8 so gesteuert, daß der Lichtstrahl 11 auf den im Rechner 13 erstellten und aufbereiteten Formdaten ent­ sprechenden Stellen der flüssigen Kunststoffschicht auf­ trifft. Durch die Einwirkung der Strahlung wird der Kunst­ stoff in bekannter Weise polymerisiert bzw. gehärtet, so daß sich die flüssige Schicht verfestigt.

Nach der Herstellung der ersten Schicht 6a wird die Verschie­ beeinrichtung 5 vom Rechner so gesteuert, daß die Träger­ platte 4 um die Dicke der nächsten Schicht nach unten bewegt wird, so daß wiederum eine der Dicke der nächsten Schicht 6b entsprechende Schicht flüssigen Kunststoffs die Oberfläche der ersten Schicht 6a bedeckt. Die Verfestigung dieser Schicht 6b erfolgt in der gleichen Weise wie bei der ersten Schicht 6a. Durch anschließendes Abwärtsbewegen der Träger­ platte 4 und Verfestigen der nachfolgenden Schichten 6c, 6d wird das Objekt fertiggestellt.

Nach der Herstellung wird das Objekt 6 nachbehandelt. Hierzu wird zunächst das Objekt von anhaftenden Resten flüssigen Kunststoffs befreit, beispielsweise durch Anblasen und Trock­ nen oder mittels geeigneter Lösungsmittel. Danach erfolgt, falls erforderlich, eine Nachhärtung durch Lichteinwirkung. Zur nachfolgenden Messung ist es ferner erforderlich, die Oberfläche so zu behandeln, daß sie matt bzw. diffus reflektierend ist. Dies kann durch Anätzen, Färben, Auftragen einer entsprechenden diffus reflektierenden Schicht oder ähn­ liche bekannte Mattierverfahren geschehen.

Nach der Nachbehandlung erfolgt die Messung des Objekts 6. Hierzu wird das Objekt 6 in der im rechten Teil der Figur ge­ zeigten Weise auf einem Meßtisch 29 so positioniert, daß seine zu messende Oberfläche im Meßfeld 18 der Meßvorrichtung 14 liegt. Die Oberfläche wird mit dem Projektor 16 beleuchtet und mit der Bildaufnahmeeinrichtung 21 betrachtet, die zu diesem Zweck in ihrem Abstand von der Oberfläche des Objekts bzw. vom Meßtisch 29 justiert wird. Aufgrund der Überlagerung des projizierten Gitters bzw. Modulationsmusters 20 mit dem Referenzgitter 26 ergeben sich auf der Oberfläche Moir´-Li­ nien, die Höhenschichtlinien des Objekts 6 darstellen. Ein Bild dieses Linienmusters wird von der Bildaufnahmeeinrich­ tung 21 aufgenommen, die für jeden der beispielsweise 512×512 Abtastpunkte einen Grauwert an den Rechner 13 liefert. Dieser rechnet nach bekannten Verfahren (z. B. dem Phasen-Shift-Ver­ fahren; vgl. die DE-OS 33 28 753) die Grauwertverteilung in entsprechende Werte für die Höhe der Objektoberfläche an je­ der Meßstelle um, vergleicht sie mit einem Sollwert und er­ rechnet aus diesem Vergleich einen Korrekturwert, der zur Verwendung bei der Herstellung der nachfolgenden Objekte ab­ gespeichert wird.

Bei der Herstellung nachfolgender gleicher Objekte 6 erfolgt nun eine Korrektur aufgrund der abgespeicherten Korrektur­ werte. Hierzu werden im Rechner 13 die zu den einzelnen CAD-Daten des Objekts 6 zugehörigen Korrekturwerte der Mes­ sung beispielsweise durch eine "best fit"-Analyse zugeordnet. Durch Verknüpfung dieser Korrekturwerte mit den zugehörigen CAD-Daten, beispielsweise durch entsprechende Berücksichti­ gung der festgestellten Formabweichung des Objekts in Be­ trachtungsrichtung 22 und in Richtung senkrecht dazu, werden vom Rechner 13 korrigierte CAD-Daten ermittelt und für die Herstellung des nächsten Objekts verwendet. Dies kann alternativ oder zusätzlich auch dadurch geschehen, daß bei­ spielsweise die Schichtdicke der einzelnen Schichten 6a...6d durch Veränderung der Intensität des Lichtstrahls 11, z. B. durch entsprechende Veränderung der Leistung der Lichtquelle 9, oder veränderte Positionierung des Lichtstrahls 11 durch die Positioniervorrichtung 12 an den Stellen, an denen ein vom Sollwert abweichendes Maß des Objekts 6 festgestellt wurde derart verändert wird, daß dort die Form und Kontur des Objekts wieder einem Sollwert entspricht. Ebenso ist eine Korrektur der Konturmaße bei der Herstellung des nächsten Ob­ jekts möglich.

Das beschriebene Verfahren erlaubt somit eine Korrektur der Herstellung des Objekts in Form eines geschlossenen Regel­ kreises, die außer den primären Formänderungsursachen, näm­ lich den durch die Volumenänderung bzw. Schrumpfung beim Verfestigen und/oder Nachhärten auftretenden Spannungen und Formänderungen, sämtliche Ungenauigkeiten wie z. B. Justier­ fehler der Beleuchtungsvorrichtung, Unregelmäßigkeiten des Kunststoffs, Schwankungen in der Höheneinstellung der Träger­ platte etc. berücksichtigt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung sind der Fig. 1 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Vorrichtung unterscheidet sich von der nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß die Meßvorrichtung 14 so mit der Verfestigungsvorrichtung 7 kombiniert ist, daß das Meßfeld 18 in der Oberfläche 3 im Bereich der zu verfestigenden Schich­ ten des Objekts 6 liegt. Um die bei der Moir´-Messung stö­ rende spiegelnde Reflexion an der Oberfläche 3 zu vermeiden, wird die Moir´-Messung mit Fluoreszenz- oder Phosphoreszenz- Strahlung durchgeführt. Zu diesem Zweck besitzt der Kunst­ stoff 2 eine fluoreszierende oder phosphoreszierende Eigen­ schaft bzw. ein Farbstoff mit einer derartigen Eigenschaft ist dem Kunststoff 2 zugemischt, und die Beleuchtung durch die Lichtquelle 15 erfolgt mit einer die Fluoreszenz oder Phosphoreszenz anregenden Wellenlänge. Beispielsweise kann hierfür eine UV-Lichtquelle oder in der in Fig. 2 gezeigten Weise ein nur oder bevorzugt die Anregungswellenlänge, bei­ spielsweise UV-Strahlung, durchlassendes Filter 29 im Be­ leuchtungsstrahlengang vorgesehen sein. Entsprechend ist im Betrachtungsstrahlengang 25 ein Filter 30 vorgesehen, das nur oder bevorzugt die Fluoreszenz- oder Phosporeszenzstrahlung des Kunststoffs oder Farbstoffs passieren läßt.

Mit der Vorrichtung nach Fig. 2 wird zunächst nach der Verfestigung einer Schicht und dem darauffolgenden Absenken der Trägerplatte um ein der nächsten Schichtdicke entspre­ chendes Maß die Oberfläche des noch flüssigen Kunststoffs ge­ messen und mit im Rechner 13 gespeicherten Werten verglichen. Diese Messung wird in kurz aufeinanderfolgenden Zeitabschnit­ ten wiederholt, bis im Rechner festgestellt wird, daß die Schichtdicke der flüssigen Schicht und ihre Unebenheiten in­ nerhalb der vorgegebenen Toleranzwerte liegt. Dann wird die Verfestigung einer Schicht freigegeben, die in gleicher Weise wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß jeweils die kürzestmögliche Wartezeit vor dem Verfestigen bestimmt und eingehalten werden kann. Zur Be­ schleunigung kann zusätzlich und vor oder nach der Messung der Oberfläche der flüssigen Schicht eine Absenkung der Trä­ gerplatte 4 unter das der nächsten Schicht entsprechende Niveau erfolgen und die sich damit einstellende dickere flüs­ sige Schicht mit einer (nicht gezeigten) Wischvorrichtung, die horizontal über die Oberfläche 3 bewegt wird, auf das korrekte Maß reduziert werden.

Im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 1 wird das Ob­ jekt 6 zur Messung nicht aus dem Kunststoffbad 2 herausgenom­ men, sondern die Messung der verfestigten Oberfläche und der Kontur der Schicht erfolgt direkt im Bad selbst an der Ober­ fläche 3, vorzugsweise jeweils nach dem Verfestigen einer Schicht. Dies ist möglich, weil die angeregte Fluoreszenz­ oder Phosphoreszentstrahlung des Kunststoffs diffus abstrahlt und durch das Filter 30 die spiegelnden Strahlungsanteile ausgeblendet werden. Der Zeitaufwand für die Nachbehandlung des Objekts 6 vor der Messung entfällt damit. Ferner wird er­ findungsgemäß eine bei der Messung der Schicht festgestellte Unregelmäßigkeit der Oberfläche oder der Kontur der Schicht direkt an den Rechner übermittelt, der daraufhin die Form­ daten der nachfolgenden Schicht zum Ausgleich dieser Abwei­ chungen entsprechend korrigiert, so daß eine Korrektur des Ob­ jekts 6 selbst und nicht nur eine Korrektur nachfolgender gleicher Objekte möglich ist.

Abwandlungen der beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren sind möglich. So kann beispielsweise die Verfestigung des Kunststoffs abhängig von dessen Eigenschaften auch durch jede andere Form von elektromagnetischer Strahlung, durch Wärme oder chemische Einwirkung oder durch deren Kombination erfol­ gen. Die Schichtdicke des flüssigen Kunststoffs vor der Verfestigung kann anstatt durch Absenken der Trägerplatte 4 auch durch entsprechend veränderliche Einstellung bzw. ein Anheben des Niveaus 3 mittels Pumpen, Verdrängern oder dgl. bei feststehender Trägerplatte oder durch Aufbringen einer definierten Schichtdicke auf der verfestigten Oberfläche bei­ spielsweise durch Aufsprühen erfolgen. Die Messung der Oberflächenkoordinaten kann auch mit anderen bekannten opti­ schen Verfahren wie z. B. der Laserinterferometrie oder der Laserabtastung mittels phasenmodulierter Laufzeitverfahren (Laserradar) erfolgen. Der Meßtisch kann ferner kardanisch so aufgehängt sein, daß er eine Betrachtung und Messung des Ob­ jekts 6 von allen Seiten ermöglicht. Ferner ist es auch bei der Vorrichtung nach Fig. 1 möglich, die Meßvorrichtung 14 in die Herstellung zu integrieren. Hierzu ist die Meßvorrichtung 14 so angeordnet, daß sie das Objekt 6 in ei­ ner Stellung messen kann, in der dieses durch die Träger­ platte 4 aus dem Bad des Kunststoffs 2 über die Oberfläche 3 hinausgehoben ist. In diesem Fall erübrigt sich der Transport des Objekt von der Trägerplatte 4 zum Meßtisch 29.

Die Erfindung ist auch nicht auf flüssige Kunststoffe be­ schränkt. So können beispielsweise auch Kunststoff- oder Me­ tallpulver anstelle des flüssigen Kunststoffs verwendet wer­ den und durch Licht- oder Lasereinwirkung gesintert werden (Lasersintern).

Die Erfindung erlaubt somit eine genaue Herstellung von Mo­ dellen und Werkstücken durch Modellierung mittels Licht- oder Lasereinwirkung. Besonders vorteilhaft ist dabei die Herstel­ lung von größeren Serien, da dann die Maßkorrektur nur einmal zu Beginn bzw. wenige Male zwischendurch erfolgen muß.