Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Ob­ jekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 11.

Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren ist unter dem Begriff "Stereographie" oder "Stereolithographie" be­ kannt und in dem Artikel von Hideo Kodama, "Automa­ tic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer", Rev. Sci. In­ strum. 52(11), Nov. 1981, Seiten 1770 bis 1773, beschrie­ ben. Bei einem derartigen Verfahren tritt das Problem auf, daß eine Maßhaltigkeit des Objekts nicht gewähr­ leistet ist. Der Grund hierfür liegt insbesondere darin, daß die einzelnen Schichten während der Herstellung beim Verfestigen eine Volumenänderung erfahren und damit Spannungen und Formänderungen des gesamten geschichteten Aufbaus bewirken.

Aus der GB-A-22 33 928 ist es bei einem ähnlichen Verfahren bekannt, die vorgegebenen Daten eines Ob­ jekts in einem Rechner zu speichern und eine Lichtquel­ le, nämlich einen Laser, in Abhängigkeit dieser Daten vom Rechner zu steuern.

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

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 gekenn­ zeichnete Verfahren bzw. die in Anspruch 11 gekenn­ zeichnete Vorrichtung gelöst.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung erfolgt die Oberflächenmessung des Objekts mit­ tels einer Moire-Technik, wie sie beispielsweise in der DE-OS 33 28 753 beschrieben ist. Diese Meßtechnik hat den Vorteil, daß Ungenauigkeiten der verfestigten Oberfläche des Objekts schnell und berührungslos er­ mittelt werden können. Ein weiterer besonderer Vorteil ergibt sich hierbei daraus, daß zur Steuerung der Verfe­ stigungsvorrichtung, also der Lichtquelle oder dgl. , übli­ cherweise ein Rechner vorgesehen ist, der aufgrund ei­ nes CAD-Konstruktionsprogrammes auch die Daten des herzustellenden Objekts ermittelt und dem nun­ mehr auch die gemessenen Oberflächendaten zur Aus­ wertung zugeführt werden können, sodaß dieser Rech­ ner ebenfalls die Korrektur der Objektdaten aufgrund des Meßergebnisses übernehmen kann. Eine zusätzliche Auswerteeinrichtung ist also nicht erforderlich.

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

Die Erfindung wird im weiteren anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles unter Bezug auf die Figuren beschrie­ ben. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Aus­ führungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes.

Fig. 1 zeigt einen Behälter 1, der mit einem lichthärt­ baren, flüssigen Kunststoff 2 bis zu einem Niveau bzw. einer Oberfläche 3 gefüllt ist. Im Behälter befindet sich eine im wesentlichen ebene Trägerplatte 4, die parallel zum Niveau 3 bzw. der Oberfläche des Kunststoffs 2 angeordnet ist und mittels einer Verschiebeeinrichtung 5 senkrecht zur Ebene des Niveaus 3 auf und ab ver­ schoben 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 jeweils parallel zum Niveau 3 erstrecken, in der später beschriebenen Weise aufgebaut wird.

Eine Vorrichtung 7 zum Verfestigen der an die Ober­ fläche 3 angrenzenden obersten Schicht 6d enthält eine Beleuchtungsvorrichtung 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 Kunstoffs eine UV-Lichtquelle, ein Laser oder andere Lichtquellen in Frage. Eine Aufhängung bzw. Positioniervorrichtung 12 für die Vorrichtung 7 erlaubt die Bewegung und Schwenkung der Vorrichtung 7 derart, daß der gebün­ delte Lichtstrahl an jeder Stelle der Oberfläche 3 posi­ tioniert werden kann. Diese Positionierung erfolgt durch einen Rechner 13, der mit der Vorrichtung 7 ver­ bunden 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 La­ ser, ausgerüsteten Projektor 16, der über eine Optik 17 ein Meßfeld 18 beleuchtet. An Stelle von Licht kann allerdings auch jede andere elektromagnetische Strah­ lung verwendet werden. Im Strahlengang des Projek­ tors 16 entlang der Projektionsrichtung 19 ist eine Mo­ dulationsvorrichtung in Form eines Projektionsgitters 20, das vorzugsweise als Strichgitter ausgebildet ist, oder eines Laserinterferometers zur Erzeugung eines Modulationsmusters angeordnet. Aufgrund der Diver­ genz des Strahlengangs führt das Strichgitter bzw. das Laserinterferometer zu einer Projektion räumlich di­ vergierender Lichtebenen.

Das Meßfeld 18 wird von einer Bildaufnahmeeinrich­ tung 21 unter einer Betrachtungsrichtung 22, die einen Winkel zur Projektionsrichtung 19 einschließt, betrach­ tet. Die Bildaufnahmeeinrichtung 21 weist eine Kamera 23, vorzugsweise eine Video; Fernseh- oder CCD-Ka­ mera, sowie eine Betrachtungsoptik 24 auf, mit der eine Scharfstellung auf eine im Meßfeld 18 angeordnete Oberfläche bzw. die in der später beschriebenen Weise gebildete Oberfläche des Objekts 6 möglich ist. Im Be­ trachtungsstrahlengang 25 ist ein Referenzgitter 26 an­ geordnet, das ebenfalls als Strichgitter ausgebildet ist. Die Ebene des Referenzgitters 26 ist vorzugsweise par­ allel zur Ebene des Projektionsgitters 20 bzw. des Laser­ interferometers angeordnet.

Die Bildaufnahmeeinrichtung 21 ist über eine Leitung 27 mit dem Rechner 13 gekoppelt. Ferner ist eine sche­ matisch angedeutete Verschiebevorrichtung 28 vorge­ sehen, die mit dem Rechner 13 zur Verschiebung und Positionierung der Bildaufnahmeeinrichtung 21 in Rich­ tung senkrecht zum betrachteten Meßfeld 18 verbun­ den ist.

Im Betrieb werden zunächst im Rechner aufgrund eines Konstruktionsprogrammes oder dgl. Daten über die Form des Objekts 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 Schichten zerlegt wird und die Formdaten beispielsweise in Form von Daten­ sätzen, z. B. CAD-Daten, für jede Schicht 6a... 6d dieser Vielzahl von Schichten bereitgestellt werden. Die Er­ stellung 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 Verschiebeeinrich­ tung 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 flüssige Schicht des Kunststoffs mit einer der ersten Schicht 6a des Objekts entspre­ chenden Schichtdicke verbleibt. Anschließend wird über die Positioniervorrichtung 12 die Beleuchtungsvorrich­ tung 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 Kunststoff in bekannter Weise polymerisiert bzw. ge­ härtet, so daß sich die flüssige Schicht verfestigt.

Nach der Herstellung der ersten Schicht 6a wird die Verschiebeeinrichtung 5 vom Rechner so gesteuert, daß die Trägerplatte 4 um die Dicke der nächsten Schicht nach unten bewegt wird, so daß wiederum eine der Dic­ ke der nächsten Schicht 6b entsprechende Schicht flüssi­ gen 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 Trägerplatte 4 und Verfestigen der nachfolgenden Schichten 6c, 6d wird das Objekt fertiggestellt.

Nach der Herstellung wird das Objekt 6 nachbehan­ delt. Hierzu wird zunächst das Objekt von anhaftenden Resten flüssigen Kunststoffs befreit, beispielsweise durch Anblasen und Trocknen oder mittels geeigneter Lösungsmittel. Danach erfolgt, falls erforderlich, eine Nachhärtung durch Lichteinwirkung. Zur nachfolgen­ den 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 gezeigten Weise auf einem Meßtisch 29 so positioniert, daß seine zu messende Oberfläche im Meßfeld 18 der Meßvorrichtung 14 liegt. Die Oberflä­ che wird mit dem Projektor 16 beleuchtet und mit der Bildaufnahmeeinrichtung 21 betrachtet, die zu diesem Zweck in ihrem Abstand von der Oberfläche des Ob­ jekts bzw. vom Meßtisch 29 justiert wird. Aufgrund der Oberlagerung des projizierten Gitters bzw. Modula­ tionsmusters 20 mit dem Referenzgitter 26 ergeben sich auf der Oberfläche Moire-Linien, die Höhenschichtli­ nien des Objekts 6 darstellen. Ein Bild dieses Linienmu­ sters wird von der Bildaufnahmeeinrichtung 21 aufge­ nommen, die für jeden der beispielsweise 512 × 512 Ab­ tastpunkte einen Grauwert an den Rechner 13 liefert. Dieser rechnet nach bekannten Verfahren (z. B. dem Phasen-Shift-Verfahren; vgl. die DE-OS 33 28 753) die Grauwertverteilung in entsprechende Werte für die Höhe der Objektoberfläche an jeder Meßstelle um, ver­ gleicht sie mit einem Sollwert und errechnet aus diesem Vergleich einen Korrekturwert, der zur Verwendung bei der Herstellung der nachfolgenden Objekte abge­ speichert wird.

Bei der Herstellung nachfolgender gleicher Objekte 6 erfolgt nun eine Korrektur aufgrund der abgespeicher­ ten Korrekturwerte. Hierzu werden im Rechner 13 die zu den einzelnen CAD-Daten des Objekts 6 zugehöri­ gen Korrekturwerte der Messung beispielsweise durch eine "best fit"-Analyse zugeordnet. Durch Verknüpfung dieser Korrekturwerte mit den zugehörigen CAD-Da­ ten, beispielsweise durch entsprechende Berücksichti­ gung der festgestellten Formabweichung des Objekts in Betrachtungsrichtung 22 und in Richtung senkrecht da­ zu, werden vom Rechner 13 korrigierte CAD-Daten er­ mittelt und für die Herstellung der nächsten Objekt ver­ wendet. Dies kann alternativ oder zusätzlich auch da­ durch geschehen, daß beispielsweise die Schichtdicke der einzelnen Schichten 6a ... 6d durch Veränderung der Intensität des Lichtstrahls 11, z. B. durch entspre­ chende 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 Objekts möglich.

Das beschriebene Verfahren erlaubt somit eine Kor­ rektur der Herstellung des Objekts in Form eines ge­ schlossenen Regelkreises, die außer den primären Formänderungsursachen, nämlich den durch die Volu­ menänderung bzw. Schrumpfung beim Verfestigen und/oder Nachhärten auftretenden Spannungen und Form­ änderungen, sämtliche Ungenauigkeiten wie z. B. Ju­ stierfehler der Beleuchtungsvorrichtung, Unregelmä­ ßigkeiten des Kunststoffs, Schwankungen in der Höhen­ einstellung der Trägerplatte 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 Meßvor­ richtung 14 so mit der Verfestigungsvorrichtung 7 kom­ biniert ist, daß das Meßfeld 18 in der Oberfläche 3 im Bereich der zu verfestigenden Schichten des Objekts 6 liegt. Um die bei der Moire-Messung störende spiegeln­ de Reflexion an der Oberfläche 3 zu vermeiden, wird die Moire-Messung mit Fluoreszenz- oder Phosphores­ zenz-Strahlung durchgeführt. Zu diesem Zweck besitzt der Kunststoff 2 eine fluoreszierende oder phosphores­ zierende Eigenschaft bzw. ein Farbstoff mit einer derar­ tigen 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, beispiels­ weise UV-Strahlung, durchlassendes Filter 29 im Be­ leuchtungsstrahlengang vorgesehen sein. Entsprechend ist im Betrachtungsstrahlengang 25 ein Filter 30 vorge­ sehen, das nur oder bevorzugt die Fluoreszenz- oder Phosporeszenzstrahlung des Kunststoffs oder Farb­ stoffs passieren läßt.

Mit der Vorrichtung nach Fig. 2 wird zunächst nach der Verfestigung einer Schicht und dem darauffolgen­ den Absenken der Trägerplatte um ein der nächsten Schichtdicke entsprechendes Naß die Oberfläche des noch flüssigen Kunststoffs gemessen und mit im Rech­ ner 13 gespeicherten Werten verglichen. Diese Messung wird in kurz aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten wie­ derholt, bis im Rechner festgestellt wird, daß die Schichtdicke der flüssigen Schicht und ihre Unebenhei­ ten innerhalb 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 kür­ zestmögliche Wartezeit vor dem Verfestigen bestimmt und eingehalten werden kann. Zur Beschleunigung kann zusätzlich und vor oder nach der Messung der Oberflä­ che der flüssigen Schicht eine Absenkung der Träger­ platte 4 unter das der nächsten Schicht entsprechende Niveau erfolgen und die sich damit einstellende dickere flüssige Schicht mit einer (nicht gezeigten) Wischvor­ richtung, die horizontal über die Oberfläche 3 bewegt wird, auf das korrekte Maß reduziert werden.

Im Unterschied zu dem Verfahren nach Fig. 1 wird das Objekt 6 zur Messung nicht aus dem Kunst­ stoffbad 2 herausgenommen, sondern die Messung der verfestigten Oberfläche und der Kontur der Schicht er­ folgt direkt im Bad selbst an der Oberfläche 3, vorzugs­ weise jeweils nach dem Verfestigen einer Schicht. Dies ist möglich, weil die angeregte Fluoreszenz- oder Phosphoreszentstrahlung des Kunststoffs diffus ab­ strahlt und durch das Filter 30 die spiegelnden Strah­ lungsanteile ausgeblendet werden. Der Zeitaufwand für die Nachbehandlung des Objekts 6 vor der Messung entfällt damit. Ferner wird erfindungsgemäß eine bei der Messung der Schicht festgestellte Unregelmäßigkeit der Oberfläche oder der Kontur der Schicht direkt an den Rechner übermittelt, der daraufhin die Formdaten der nachfolgenden Schicht zum Ausgleich dieser Ab­ weichungen entsprechend korrigiert, sodaß eine Kor­ rektur des Objekts 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 Ei­ genschaften auch durch jede andere Form von elektro­ magnetischer Strahlung, durch Wärme oder chemische Einwirkung oder durch deren Kombination erfolgen. Die Schichtdicke des flüssigen Kunststoffs vor der Ver­ festigung kann anstatt durch Absenken der Trägerplatte 4 auch durch entsprechend veränderliche Einstellung bzw. ein Anheben des Niveaus 3 mittels Pumpen, Ver­ drängern oder dgl. bei feststehender Trägerlplatte oder durch Aufbringen einer definierten Schichtdicke auf der verfestigten Oberfläche beispielsweise durch Aufsprü­ hen erfolgen. Die Messung der Oberflächenkoordinaten kann auch mit anderen bekannten optischen Verfahren wie z. B. der Laserinterferometrie oder der Laserabta­ stung mittels phasenmodulierter Laufzeitverfahren (La­ serradar) erfolgen. Der Meßtisch kann ferner karda­ nisch so aufgehängt sein, daß er eine Betrachtung und Messung des Objekts 6 von allen Seiten ermöglicht. Ferner ist es auch bei der Vorrichtung nach Fig. 1 mög­ lich, die Meßvorrichtung 14 in die Herstellung zu inte­ grieren. Hierzu ist die Meßvorrichtung 14 so angeord­ net, daß sie das Objekt 6 in einer Stellung messen kann, in der dieses durch die Trägerplatte 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.

Anstelle des flüssigen Kunststoffs können beispiels­ weise auch Kunststoff- oder Metallpulver verwendet werden und durch Licht- oder Lasereinwirkung gesin­ tert werden (Lasersintern).