Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau eines Formkörpers aus flüssigem, photopolymerisierbarem Material unter Anwendung einer lithographiebasierten generativen Fertigung (Rapid Prototyping) , bei dem an einer Bauplattform eine Schicht aus viskosem, flüssigen Material definiert wird, die Schicht von einer Belichtungseinheit in einem Belichtungsgebiet mit vorgegebener Kontur durch Belichten polymerisiert wird, an der polymerisierten Schicht eine weitere Schicht aus photopolyme ^¬ risierbarem Material definiert wird, die zuletzt definierte Schicht in einem Belichtungsgebiet mit für die zuletzt defi ^¬ nierte Schicht vorgegebener Kontur durch Belichten polymerisiert wird, und die letzten beiden Schritte wiederholt werden, bis durch die Abfolge von ausgehärteten Schichten mit schichtweise vorgegebenen Konturen ein Formkörper mit vorgegebener Form gebildet ist, wobei jede Belichtung in einem Belichtungs ^¬ gebiet mit vorgegebener Kontur durch gesteuerte Aktivierung individueller Belichtungselemente aus einem zweidimensionalen Feld von Belichtungselementen erfolgt, wobei jedem Belichtungselement ein Bildelement zugeordnet ist und die belichte ^¬ ten Bildelemente zusammen das Belichtungsgebiet definieren, wobei für jeden Belichtungsschritt einer Schicht eine zweidi ^¬ mensionale Matrix erstellt wird, wobei jedes Element der Mat ^¬ rix einem Belichtungselement aus dem Feld der Belichtungsele ^¬ mente zugeordnet ist und Steuerbefehle für dieses Belichtungs ^¬ element in Form einer zeitabhängigen Funktion enthält, die den Intensitätsverlauf der Strahlung des Belichtungselements über den Belichtungsschritt individuell festlegt.

Ein Verfahren zum Aufbau eines Formkörpers ist zum Beispiel aus WO 2010/045950 AI bekannt, die sich insbesondere auf den Aufbau von Dentalrestaurationen aus flüssigen, photopolymeri- sierbaren Materialien bezieht. Bei dem bekannten Verfahren wird eine Bauplattform vertikal beweglich über einem Wannenboden gehalten, der lichtdurchlässig ausgebildet ist. Unterhalb des Wannenbodens befindet sich eine Belichtungseinheit. Die Bauplattform wird zunächst in das photopolymerisierbare Mate ^¬ rial soweit abgesenkt, bis zwischen der Bauplattform und dem Wannenboden nur noch eine Schicht mit der gewünschten Schichtdicke aus photopolymerisierbarem Material verbleibt. Anschlie ^¬ ßend wird diese Schicht mit einer vorgegebenen Kontur durch die Belichtungseinheit belichtet und dadurch ausgehärtet. Nach Anheben der Bauplattform wird photopolymerisierbares Material aus der Umgebung nachgeführt und die Bauplattform erneut abge ^¬ senkt, wobei die Absenkung so gesteuert wird, dass der Abstand zwischen der zuletzt gebildeten Schicht und dem Wannenboden eine Schicht mit der gewünschten Dicke definiert. Danach wer ^¬ den die letzten Schritte so oft wiederholt, bis durch die auf ^¬ einanderfolgende Aushärtung von Schichten mit jeweils vorgege ^¬ bener Kontur ein Formkörper mit der gewünschten Form hergestellt ist.

Die Belichtung in einem Belichtungsgebiet mit vorgegebener Kontur erfolgt mit einer Belichtungseinheit mit einem Feld von Belichtungselementen, die selektiv ansteuerbar sind, um ein Belichtungsgebiet mit vorgegebener Kontur zu erzeugen. Die Be ^¬ lichtungseinheit kann z.B. eine Lichtquelle und ein Feld von Mikrospiegeln umfassen, die selektiv ein- und ausschaltbar sind, d.h. Licht in ein zugehöriges Bildelement in dem Belich ^¬ tungsgebiet reflektieren oder nicht. Eine Einstellung der (mittleren) Intensität eines Belichtungselements kann durch aufeinanderfolgendes Einschalten eines Mikrospiegels mit ge ^¬ wünschter Frequenz und gewünschter Belichtungsimpulsdauer erfolgen, so dass sich eine gewünschte Intensität über den ge ^¬ samten Belichtungsschritt ergibt. Andere Belichtungseinheiten können eine Lichtquelle und einen ortsselektiven Lichtmodula ^¬ tor (Digital Light Valve) , z.B. in Form eines LCD-Feldes, auf- weisen, das so ein Feld von Belichtungselementen mit individuell einstellbaren Intensitäten bildet.

Die europäische Patentanmeldung EP 1 894 704 AI beschäftigt sich mit dem Problem einer verbesserten Auflösung der Formkörper an den Rändern der aufzubauenden Formkörper. Dazu wird unter anderem eine Grauabstufung der am Rande liegenden Bildelemente vorgeschlagen, wobei die Verfahrensweise den aus der Computer-Graphik bekannten Anti-Aliasing-Verfahren entspricht. Um am Rand die Belichtung mit Graustufen durchzuführen, wird z.B. die Belichtungsintensität der Belichtungselemente bei konstanter Belichtungsdauer niedriger eingestellt, wobei die Belichtungsintensität über die Belichtungsdauer konstant ist; alternativ wird, bei gleicher Intensität für alle Bildelemente, die Belichtungsdauer für Bildelemente am Rand gesteuert verkürzt, um eine Graustufeneinstellung zur besseren Definition der Formkörperränder durchzuführen. Entsprechend ist in WO 2008/088642 A2 in ähnlichem Zusammenhang bei der Belichtung von Randbildelementen auch erwähnt, dass zur Erzielung einer Grauabstufung auch die Belichtungszeit für Randbildelemente eingestellt werden kann.

Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellende Formkörper kann zum Beispiel ein Grünling für eine Dentalrestaura ^¬ tion sein, wobei das photopolymerisierbare Material in diesem Fall ein keramikgefülltes Photopolymer (Schlicker) sein kann.

Nach Aufbau des Grünlings durch schichtweise Polymerisation mit gewünschter Kontur erfolgt eine thermische Behandlung des Formkörpers. Der erste Schritt der thermischen Behandlung um- fasst die Entfernung des photopolymerisierten Bindermaterials, das sogenannte Entbindern. Sobald die Bindermatrix durch thermische Zersetzung entfernt ist, besteht der Formkörper aus lo ^¬ se gepackten keramischen Pulverteilchen, die durch Kohä- sivkräfte zusammengehalten werden. Während des Entbinderns können Defekte entstehen, d.h. es können sich Risse in dem Formkörper bilden. Solche Defekte können das Ergebnis eines nicht-optimierten Temperaturprofils beim Entbindern sein, können aber auch ihren Ursprung bei der Herstellung des Formkörpers durch schichtweise Polymerisation haben. Während des Ent- binderns ist die strukturelle Festigkeit des Formteils sehr begrenzt. Beim Entbindern kann der Abbau von internen Spannungen, die während der Herstellung des Formkörpers durch schichtweise Polymerisation aufgebaut worden sind, zu Rissen in der geschwächten Struktur beim Entbindern führen. Innere Spannungen können sich während der Photopolymerisierung des photopolymerisierbaren Schlickers aufbauen. Es hat sich gezeigt, dass während der Photopolymerisierung eine Volumenschrumpfung von etwa 5% auftritt. Ein viskoses Nachströmen von Schlickern kann diese Volumenschrumpfung kompensieren. Wenn jedoch bereits verfestigte Oberflächen den Materialfluss be ^¬ hindern, bauen sich innere Spannungen in der entstehenden, sich verfestigenden Schicht auf. Bei dem herkömmlichen Verfahren bilden der Wannenboden und die feste Oberfläche der zuletzt ausgehärteten Schicht feste Begrenzungsoberflächen, die den Materialnachfluss begrenzen. Ferner begrenzen sich verfestigende Bereiche der Schicht bei der Polymerisation den Nach- fluss von weiterem photopolymerisierbarem Material.

Bekannte Vorrichtungen zum Aufbau von Formkörpern durch schichtweise Polymerisation verwenden Belichtungsprotokolle mit konstanten Parametern Belichtungsdauer und -Intensität, deren Produkt die Energiedosis ergibt. Es ist bekannt, dass eine minimale Energiedosis nötig ist, um Photopolymerisation zu induzieren. Da keine Abhängigkeit der geometrischen Genau ^¬ igkeit (Ortsauflösung) oder der Erzeugung von internen Spannungen und Rissen von der Belichtungsdauer und -Intensität bekannt war, wurden im Hinblick auf eine kurze Belichtungsdauer Belichtungen mit hohen Intensitäten favorisiert. Interne Spannungen aufgrund von Polymerisationsschrumpfung sind auf dem Gebiet der photohärtbaren dentalen Kompositmaterialien bekannt. Zurückbleibende inneren Spannungen beinträchtigen die mechanische und chemische Stabilität der daraus her ^¬ gestellten Dentalrestaurationen. Es hat sich gezeigt, dass verschiedene Aushärtungsarten zu deutlich niedrigeren Polymerisationsspannungen führen können (siehe Nicoleta et al . , „Is the soft-start Polymerisation concept still relevant", Clini- cal Oral Investigations , 1(15), Seiten 21 - 29). Die Reduzie ^¬ rung der internen Spannungen wird durch Minimieren der Volumenschrumpfung erreicht, die von einem niedrigeren Konversionsgrad herrührt. In diesem Zusammenhang sind auch Beleuchtungsprotokolle für dentale Kompositmaterialien bekannt, die mit nicht-konstanten Intensitäten arbeiten. Ein Beispiel dafür ist das sogenannte „Soft-Start"-Protokoll , das eine anfängli ^¬ che Belichtung mit reduzierter Intensität für eine bestimmte Zeitperiode gefolgt von einer Belichtung mit maximaler Intensität beinhaltet. Ein weiteres Protokoll ist das sogenannte „Pulse-Delay"-Härten, bei dem eine Belichtung mit einem Puls mit reduzierter Intensität, eine anschließende Wartezeit ohne Belichtung (Sekunden oder sogar Minuten) und danach eine Belichtung mit maximaler Intensität aufeinanderfolgen.

Aus WO 2012/009630 AI ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers aus photopolymerisier- barem Material zu schaffen, mit dem es möglich ist, Defekte an dem fertig gestellten Formkörper, wie innere Spannungen, Risse und geometrische Ungenauigkeiten an den Rändern, reduzieren zu können .

Zur Lösung dieser Aufgabe dient das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausfüh- rungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt .

Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass für jeden Belichtungsschritt einer Schicht eine zweidimensionale Matrix erstellt wird, wobei jedes Element der Matrix einem Belichtungselement aus dem Feld der Belichtungselemente zugeordnet ist und Steu ^¬ erbefehle für dieses Belichtungselement in Form einer zeitab ^¬ hängigen Funktion enthält, die den Intensitätsverlauf der Strahlung des Belichtungselements über den Belichtungsschritt individuell festlegt. Dabei ist es möglich, durch die gezielte Einstellung der Intensität örtlich und/oder zeitlich differenziert die Polymerisationskinetik zu beeinflussen, um so Defekte in der polymerisierten Schicht gezielt zu reduzieren. Die zeitabhängigen Funktionen zur Definition des Intensitätsverlaufs können kontinuierliche stetige Funktionen oder Funktio ^¬ nen in Form von Impulsfolgen sein, bei denen die Intensität durch Variation von Impulsdauer und/oder Impulsfrequenz gesteuert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass, soweit in einem Belichtungsschritt ein allen zeitabhängigen Funktionen der Intensitätsverläufe der zu aktivierenden Belichtungsele ^¬ mente gemeinsamer Anteil der Intensitätsvariation als allgemeine Intensitätsvariation vorhanden ist, diese allgemeine Intensitätsvariation durch Steuerung der Intensität der Lichtquelle nach Maßgabe der allgemeinen Intensitätsvariation erfolgt. Dadurch ist es vorzugsweise möglich, die Intensität der Lichtquelle minimal so einzustellen, dass das am stärksten zu belichtende Bildelement gerade noch die gewünschten Belich ^¬ tungsintensität erhält. Nimmt die Belichtungsintensität wäh ^¬ rend des Belichtungsschrittes ab, wird die Intensität der Lichtquelle entsprechend abgesenkt. Auf diese Weise ist es möglich, die Lichtquelle zu jedem Zeitpunkt nur mit der mini ^¬ mal benötigten Intensität zu betreiben, was zur Folge hat, dass das sogenannte Dunkelfeld vermindert ist. Das Dunkelfeld setzt sich aus Gebieten mit Bildelementen zusammen, die wäh- rend eines Belichtungsschritts überhaupt nicht belichtet wer ^¬ den sollen. An sich sollte die LichtIntensität in diesem Dunkelfeld Null sein. Aufgrund von nicht vollständig idealen Ei ^¬ genschaften der Lichtmodulatoren und der Lichtführung kommt es jedoch dazu, dass während eines Belichtungsschrittes auch in dem Dunkelfeld außerhalb des Belichtungsgebietes noch eine nicht verschwindende LichtIntensität vorhanden ist. Diese RestlichtIntensität im Dunkelfeld hängt von der Intensität der zur Beleuchtung verwendeten Lichtquelle ab, wobei die Rest ^¬ lichtintensität des Dunkelfeldes mit steigender Intensität der Lichtquelle ansteigt. Durch Minimierung der eingestellten Intensität der Lichtquelle zeitabhängig über die Belichtungs ^¬ schritte kann auf diese Weise die unerwünschte Intensität des Dunkelfeldes minimiert werden. Dieses Dunkelfeld ist während des gesamten Bauprozesses wirksam und permanent auch in Gebie ^¬ ten vorhanden, die momentan nicht belichtet werden sollen. Dadurch kann das photopolymerisierbare Material permanent leicht chemisch reagieren und es kommt zu einer zunehmenden Gelierung und Verdickung des flüssigen Ausgangsmaterials.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem durch zeitliche Variation der Lichtquellenhellig ^¬ keit, indem diese zu jedem Zeitpunkt auf den minimal möglichen Wert eingestellt wird, die Gesamtdosis an Lichtenergie, die durch das Dunkelfeld auf das Photopolymer einwirkt, verringert werden kann. Dazu wird, soweit die in einem Belichtungsschritt gerade zu belichtenden Bildelemente einen gemeinsamen Anteil eines zeitlich variierenden Intensitätsverlaufs haben, dieser gemeinsame Anteil der Intensitätsvariation nicht durch individuelle Ansteuerung der einzelnen Belichtungselemente gesteu ^¬ ert, sondern durch entsprechende globale Steuerung der Intensität der Lichtquelle. In jedem Fall ergibt sich durch die er ^¬ findungsgemäße Vorgehensweise eine Reduzierung der integrier ^¬ ten Intensität der Lichtquelle und damit eine Reduzierung der Effekte des Dunkelfeldes, da bei konstanter Intensität der Lichtquelle diese auf dem Maximalwert betrieben werden muss, der bei den Belichtungen des Bauprozesses vorkommen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden in einem Belichtungsschritt in dem für diesen Belichtungsschritt vorgesehenen Belichtungsgebiet eine oder mehrere zusammenhängende zu be ^¬ lichtende Flächen und die diesen zugeordneten zu aktivierenden Belichtungselemente identifiziert. Jede zusammenhängende Flä ^¬ che wird aus einem Kern- und einem Randgebiet zusammengesetzt, wobei die zeitabhängigen Funktionen der Intensitätsverläufe der Belichtungselemente so gewählt werden, dass diese im Kern ^¬ gebiet früher gestartet werden als die Belichtungselemente für das Randgebiet .

In einer alternativen Ausführungsform werden wieder in einem Belichtungsschritt in dem für diesen Belichtungsschritt vorge ^¬ sehenen Belichtungsgebiet eine oder mehrere zusammenhängende zu belichtende Flächen und die diesen zugeordneten zu aktivie ^¬ renden Belichtungselemente identifiziert. Jede zusammenhängen ^¬ de Fläche wird aus einem Kerngebiet, einem oder mehreren mitt ^¬ leren Gebieten zunehmenden Abstands vom Kerngebiet und einem Randgebiet zusammengesetzt. Die zeitabhängigen Funktionen der Intensitätsverläufe der Belichtungselemente werden so gewählt, dass diese zuerst im Kerngebiet gestartet werden, dann in dem oder den mittleren Bereichen in der Reihenfolge ihres Abstands vom Kerngebiet aufeinanderfolgend gestartet und schließlich die Belichtungselemente im Randgebiet gestartet werden.

Bei den zuvor definierten Verfahrensweisen wird erreicht, dass die Polymerisation in zusammenhängenden Flächen von innen nach außen fortschreitet. Dadurch kann, soweit die fortschreitende Polymerisation im inneren Bereich in der zu belichtenden Fläche dort bereits zu Schrumpfungen geführt hat, photopolymeri- sierbares Material aus weiter außen liegenden Bereichen nachfließen. Auf diese Weise können die sonst durch die Schrump- fung bei der Polymerisation auftretenden Spannungen in dem Po- lymerisierten Material reduziert werden.

Dabei werden in bevorzugten Ausführungsformen die zeitabhängigen Funktionen der Intensitätsverläufe der Belichtungselemente so gewählt, dass die Belichtungselemente eines mittleren Ge ^¬ biets oder des Randgebietes erst gestartet werden, wenn die Belichtungselemente des vorhergehenden, weiter innen liegenden Gebiets wenigstens 50% ihrer integrierten Intensität für den aktuellen Belichtungsschritt abgegeben haben. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die zeitabhängigen Funktionen der Intensi ^¬ tätsverläufe der Belichtungselemente so gewählt werden, dass die Belichtungselemente eines mittleren Gebiets oder des Rand ^¬ gebietes erst gestartet werden, wenn die Belichtungselemente des vorhergehenden weiter innen liegenden Gebiets ihre integrierte Intensität für den aktuellen Belichtungsschritt voll ^¬ ständig abgegeben haben.

In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass die zeitabhängigen Funktionen der Intensitätsverläufe der Belichtungs ^¬ elemente durch Impulsfolgen mit vorgegebenen Impulslängen und Perioden definiert sind und dass in Impulsfolgen für Belichtungselemente für ein Randgebiet die Pulslängen kleiner ge ^¬ wählt werden als diejenigen für Belichtungselemente für weiter innen liegende Gebiete. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat sich nämlich gezeigt, dass bei Belichtung mit Impulsfolgen mit kleineren Pulslängen eine bessere Ortsauflösung erzielt wird. Insofern ist es vorteilhaft im Randgebiet, wo eine gute Ortsauflösung zur genauen Konturdefinition des Randes angestrebt wird, Impulsfolgen mit kleineren Pulslängen anzuwenden, während im Kerngebiet oder in einem oder mehreren mittleren Gebieten mit größeren Impulslängen gearbeitet werden kann, was die Belichtungsdauer reduziert. In einem weiteren bevorzugen Verfahren ist wieder vorgesehen, dass die zeitabhängigen Funktionen der Intensitätsverläufe der Belichtungselemente durch Impulsfolgen mit vorgegebenen Pulslängen und Perioden definiert sind. Ferner ist vorgesehen, dass für die Impulsfolgen für Belichtungselemente aus dem Randgebiet die Perioden größer gewählt werden als diejenigen für Belichtungselemente für weiter innen liegende Gebiete. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat sich nämlich auch gezeigt, dass bei Belichtung mit Impulsfolgen bei gegebe ^¬ nen Impulslängen mit größeren Perioden (kleineren Frequenzen) der Impulsfolgen eine höhere Ortsauflösung erzielbar ist, d.h. Licht wird weniger stark aus dem Belichtungsgebiet in Bereiche außerhalb des Belichtungsgebiets gestreut, was eine bessere Konturdefinition des Belichtungsgebiets bedeutet. Aus diesem Grund werden im Randgebiet, wo die bessere Konturdefinition benötigt wird, Impulsfolgen mit längeren Perioden eingesetzt als in weiter innen liegenden Gebieten, wo zur Reduzierung der Belichtungsdauer auch mit kürzeren Perioden (höheren Frequenzen) gearbeitet werden kann.

In einem weiteren bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass die zeitabhängigen Funktionen der Intensitätsverläufe der Belichtungselemente so gewählt werden, dass sie in einem Belich ^¬ tungsschritt eine erste Belichtungsphase mit niedriger Belich ^¬ tungsintensität und danach eine Phase mit hoher Intensität auf einem Maximalwert für eine vorgegebene Periode haben, wobei die zeitabhängigen Funktionen so festgelegt sind, dass die erste Belichtungsphase mit niedriger Intensität wenigstens dreimal so lang wie die vorgegebene Periode auf dem Maximal ^¬ wert ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die zeitab ^¬ hängigen Funktionen der Intensitätsverläufe in der ersten Belichtungsphase durch Funktionen der Form I ₀ -e" ^T definiert sind, wobei Io eine Konstante und τ eine vorgegebene Zeitkonstante ist. Soweit alle momentan zu belichtenden Bildelemente die gleiche Zeitkonstante τ haben, kann die Lichtquelle mit einer zu e ^{t T} proportionalen Helligkeit betrieben werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass, wenn mehrere nebeneinanderliegende, durch Zwischenräume ge ^¬ trennte Flächen im Belichtungsgebiet zu belichten sind, die Belichtungselemente von direkt benachbarten Flächen zeitlich so gesteuert werden, dass die Belichtung direkt benachbarte Flächen zeitlich versetzt zueinander erfolgt. Dadurch kann die Ortsauflösung und Randdefinition der Flächen aus folgendem Grund verbessert werden: Durch Streuung tritt auch Licht in die Zwischenräume benachbarter Flächen. Wenn beide Flächen gleichzeitig belichtet werden, summiert sich das Streulicht aus beiden Flächen im Zwischenraum und die Intensität kann die Schwelle zur Polymerisation überschreiten. Dadurch kann es zu unbeabsichtigter Polymerisation im Zwischenraum. Werden die benachbarten Flächen nacheinander belichtet, tritt jeweils nur Streulicht aus einer der benachbarten Flächen in den Zwischenraum. Dadurch verlängert sich zwar die Dauer des Eintritts von Streulicht in den Zwischenraum, es halbiert sich aber dessen Intensität, die dadurch unter der Schwellenintensität für Po ^¬ lymerisation bleiben kann, so dass keine Polymerisation im Zwischenraum auftritt.

Es kann auch vorgesehen sein, dass, wenn mehrere nebeneinanderliegende, voneinander getrennte Flächen im Belichtungsge ^¬ biet zu belichten sind, die unterschiedlichen Größen haben, die Flächen mit unterschiedlichen, von ihrer Größe abhängigen Intensitätsverläufen belichtet werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispie ^¬ len in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, in denen: Fig. 1 eine schematische Darstellung von Teilen einer Vorrichtung zum Aufbau eines Formkörpers mit einem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zeit,

Fig. 2 einen Ausschnitt eines zweidimensionalen LichtIntensi ^¬ tätsmodulators mit einigen aktivierten Belichtungselementen, wobei schematisch angedeutet ist, dass zwei Typen von akti ^¬ vierten Belichtungselementen mit unterschiedlichen Intensitätsverläufen betrieben werden,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Belichtungsgebiets und dessen Aufteilung in ein Kerngebiet, ein mittleres Gebiet und ein Randgebiet zeigt,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Intensitäten der Belichtungselemente aus dem Kerngebiet, dem mittleren Gebiet und dem Randgebiet aus Fig. 1 zeigt,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs aufeinanderfolgender Belichtungsphasen, in denen das Kerngebiet, dass mittlere Gebiet und das Randgebiet mit unterschied ^¬ licher zeitlicher Abfolge belichtet werden,

Fig. 6 ein Maß für die Ortsauflösung (Übergröße in %) als Funktion der Impulsdauer für zwei Intensitäten 0,14 mW/mm ² und 0,3 mW/mm ² ) zeigt,

Fig. 7 ein Maß für die Ortsauflösung (Übergröße in %) als Funktion der Impulsfrequenz für zwei feste Impulslängen (0,01 s und 0,1 s ) zeigt ,

Fig. 8 drei verschiedene zeitliche Verläufe der Belichtungsin ^¬ tensität mit langsamem Anstieg auf einen Maximalwert zeigt, und Fig. 9 die LichtIntensität des Dunkelfeldes als Funktion der Helligkeit der Lichtquelle zeigt.

Fig. 1 zeigt Teile einer Vorrichtung zum Aufbau eines Formkörpers, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorlie ^¬ genden Erfindung verwendet werden kann. Im Zusammenhang mit den Versuchen zu der vorliegenden Erfindung wurde eine Belichtungseinheit mit einer Lichtquelle 2 (460 nm Wellenlänge), ei ^¬ nem von der Lichtquelle beleuchteten zweidimensionalen Lichtintensitätsmodulator 4 in Form eines DLP-Chips (Digital Light Processing) und einer programmierbaren Steuereinheit (nicht gezeigt) verwendet. Das Kernstück der Belichtungseinheit ist der DLP-Chip. Dieser besteht aus rasterförmig angeordneten Mikrospiegelaktoren, d.h. verkippbaren spiegelnden Flächen, wobei in Fig. 1 aus Gründen der Darstellbarkeit nur 6x6 Mikro- spiegel angedeutet sind. Die Bewegung der Mikrospiegel wird durch elektrostatische Felder hervorgerufen. Die von der Lichtquelle beleuchteten Mikrospiegel stellen hier die Belichtungselemente dar. Jedem Belichtungselement ist ein Bildele ^¬ ment (Pixel) in dem Belichtungsgebiet zugeordnet. Jeder Mikro ^¬ spiegel lässt sich in seinem Winkel einzeln verstellen und besitzt in der Regel zwei stabile Endzustände, nämlich eine ak ^¬ tive Stellung, in der er Licht von der Lichtquelle in das dem Belichtungselement zugeordnete Bildelement in dem Belichtungs ^¬ gebiet reflektiert, und eine deaktivierte Stellung, in der durch den weggeschwenkten Mikrospiegel kein Licht in das Belichtungsgebiet reflektiert wird. In Fig. 1 sind die deakti ^¬ vierten Mikrospiegel weiß und die aktivierten gepunktet darge ^¬ stellt. Zwischen diesen Stellungen können die Mikrospiegel typischerweise mit Frequenzen bis zu 5 kHz unter Steuerung der Steuereinheit hin und her geschaltet werden. Bei Mikrospiegel- anordnungen kann die Intensität in jedem Bildelement durch An- steuerung des Mikrospiegels mit einer Impulsfolge erfolgen, wobei die Impulsfolge einer Pulsbreitenmodulation zur Einstellung der Intensität unterzogen wird; die maximale Intensität wird erreicht, wenn der Mikrospiegel über den ganzen Belichtungsschritt kontinuierlich in der aktiven Stellung eingestellt ist. Grundsätzlich können aber auch andere Belichtungseinheiten als Mikrospiegelanordnungen verwendet werden, die zum Beispiel sogenannte „Digital Light Valves" verwenden.

Mit der in Fig. 1 schematisch in Teilen dargestellten Vorrichtung wird ein Formkörper 10 durch sukzessives Belichten von Schichten mit vorgegebener Kontur an einer Bauplattform aufgebaut, die an einem in Höhenrichtung verstellbaren Träger aufgehängt ist. Durch Absenken der Bauplattform in eine Wanne mit durchsichtigem Boden, wird zwischen der zuletzt an dem Formkörper 10 gebildeten untersten Schicht und dem Wannenboden eine Schicht aus noch unausgehärtetem, photopolymerisierbarem Material definiert, das sich in der Wanne befindet. Durch Ein ^¬ stellung des Abstands zwischen der Unterseite der zuletzt ge ^¬ bildeten Schicht an dem Formkörper 10 und dem Wannenboden kann die gewünschte Schichtdicke definiert werden. Die so definier ^¬ te Schicht wird dann mit der gewünschten Kontur durch Belichtung von unten ausgehärtet. In der in Fig. 1 schematisch angedeuteten Situation soll eine Fläche belichtet werden, die die Form des Randes eines Quadrates hat, wobei eine Ecke des Quad ^¬ rats abgeschnitten ist. Dieses Belichtungsgebiet wird durch gesteuerte Aktivierung einzelner Belichtungselemente in dem LichtIntensitätsmodulator 4 durchgeführt. In Fig. 2 ist schematisch wiederum der Ausschnitt von 6x6 Belichtungselementen aus dem LichtIntensitätsmodulator gezeigt. Hier sind die in dem gegenwärtigen Belichtungsschritt aktivierten Belichtungs ^¬ elemente durch Schraffur dargestellt. Dabei sind zwei Arten von Schraffuren gezeigt, wobei die unterschiedlich schraffierten Belichtungselemente Belichtungen mit unterschiedlichen Intensitätsverläufen durchführen, wie rechts in Fig. 2 angedeutet. Bei Ausführung des LichtIntensitätsmodulators durch eine Mikrospiegelanordnung wird der Intensitätsverlauf durch eine Impulsfolge von Aktivierungen der Mikrospiegel realisiert, wo- bei die Impulsfolgen pulsbreitenmoduliert sind, um den ge ^¬ wünschten mittleren Intensitätsverlauf zu erreichen. Die maxi ^¬ male Belichtungsintensität eines Belichtungselements wird er ^¬ reicht, wenn der Mikrospiegel über die ganze Belichtungszeit des Belichtungsschrittes aktiviert ist. Daneben kann eine al ^¬ len Belichtungselementen gemeinsame Variation der Belichtungsintensität durch Variation der LeuchtIntensität der Lichtquel ^¬ le 2 erreicht werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist für jeden Belichtungsschritt einer Fläche des aufzubauenden Formkörpers eine Matrix vorgesehen, wobei jedem Element der Matrix ein Belichtungselement (z.B. ein Mikrospiegel) zugeordnet ist. In Fig. 2 ist ein Feld von 6x6 Mikrospiegeln dargestellt, denen eine 6x6 Matrix zuzuordnen wäre. Jedes Element der Matrix enthält eine zeitab ^¬ hängige Funktion, die den zeitlichen Verlauf der Belichtungs ^¬ intensität für dieses Belichtungselement vorgibt. Grundsätz ^¬ lich kann dieser Intensitätsverlauf für jedes Belichtungsele ^¬ ment individuell vorgegeben sein.

Es können jedoch auch Teilgebiete des Belichtungsgebietes de ^¬ finiert werden, und die jeweils einem Teilgebiet zugeordneten Belichtungselemente zu einem gemeinsamen zeitlichen Intensi ^¬ tätsverlauf zusammengefasst werden. Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden in dem Belichtungsgebiet eines Belichtungsschrittes zusammenhängende zu belichtende Flächen identi ^¬ fiziert. Als zusammenhängende Flächen werden hier insbesondere im topologischen Sinne einfach zusammenhängende Flächen verstanden, d.h. jede geschlossenen Kurve in der einfach zusammenhängenden Fläche umschließt ausschließlich Gebiete die zu der zusammenhängenden Fläche gehören. Eine solche zusammenhängende zu belichtende Fläche wird zumindest aus einem Kernge ^¬ biet und einem Randgebiet zusammengesetzt. In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel ist links eine zusammenhängende zu belich ^¬ tende Fläche gezeigt, hier in Form einer Kreisfläche. Diese zusammenhängende Fläche wird in dem Beispiel aus Fig. 3 aus einem Kerngebiet, einem mittleren Gebiet um das Kerngebiet und einem Randgebiet zusammengesetzt, die in Fig. 3 rechts darge ^¬ stellt sind.

In Fig. 4 sind schematisch die Intensitätsverläufe gezeigt, die für die dem Kerngebiet, dem mittleren Gebiet und dem Rand ^¬ gebiet zugeordneten Belichtungselemente vorgesehen sind. In diesem Beispiel hat der Intensitätsverlauf für die dem Kernge ^¬ biet zugeordneten Belichtungselemente zunächst einen anstei ^¬ genden Verlauf bis zu einem Maximalwert und anschließend eine Phase mit konstanter Belichtungsintensität. In diesem Fall ha ^¬ ben dem Kerngebiet zugeordneten Belichtungselemente einen ge ^¬ meinsamen Intensitätsverlauf, nämlich einen Anstieg von 0 auf einen Maximalwert, anschließend eine Phase mit konstanter In ^¬ tensität und schließlich Abfall auf Intensität 0. Dieser ge ^¬ meinsame Intensitätsverlauf der dem Kerngebiet zugeordneten Belichtungselemente wird durch Steuerung der Lichtquelle mit einem entsprechenden Intensitätsverlauf realisiert. Nach Ab- schluss der Belichtung des Kerngebietes werden die dem mittle ^¬ ren Gebiet zugeordneten Belichtungselemente mit einem langsam ansteigenden Intensitätsverlauf gestartet, der wiederum bis zu einer maximalen Intensität führt und dann für eine vorgegebene Phase bei der maximalen Intensität verbleibt und danach auf Null abfällt. Bereits bei Erreichen der maximalen Intensität für die Belichtungselemente des mittleren Gebietes werden die dem Randgebiet zugeordneten Belichtungselemente mit maximaler Intensität gestartet und verbleiben nach Abschluss der Belich ^¬ tung für das mittlere Gebiet noch einmal etwa für die gleiche Zeit auf maximaler Intensität. Auch bei der Belichtung des mittleren Gebiets und des Randgebiets treten gemeinsame Antei ^¬ le des Intensitätsverlaufs auf, zum Beispiel der Anstieg zu Beginn der Belichtung des mittleren Gebiets. Dieser gemeinsame Intensitätsverlauf, der von allen zu aktivierenden Belichtungselementen zu durchlaufen ist, wird durch Steuerung der Lichtquelle mit einem diesem Verlauf entsprechenden Intensi ^¬ tätsprofil realisiert. Auf diese Weise ist es möglich, die Lichtquelle auf die minimal notwendige Intensität zeitabhängig einzustellen, so dass die über den Belichtungsschritt integ ^¬ rierte Dosis minimal ist. Damit ist auch die über jeden Be ^¬ lichtungsschritt eingestrahlte Dosis des Dunkelfeldes minimal. Dies lässt sich anhand von Fig. 9 verdeutlichen, in der die Intensität des Dunkelfeldes als Funktion der Intensität der Lichtquelle dargestellt ist. Wie zu erkennen ist, steigt die Intensität des Dunkelfeldes mit wachsender Intensität der Lichtquelle an. Indem nach der vorliegenden Erfindung die Lichtquelle zur Steuerung gemeinsamer Intensitätsvariationen der Belichtungselemente über den Belichtungsschritt verwendet wird, ist die integrierte Dosis im Dunkelfeld verringert, da zeitabhängig mit geringeren Intensitäten der Lichtquelle gearbeitet wird, was gegenüber der Situation einer konstanten Intensität der Lichtquelle auf dem maximal in dem Belichtungs ^¬ schritt benötigten Wert eine Verringerung der integrierten Dosis im Dunkelfeld zur Folge hat.

Durch die zeitlich gesteuerte Abfolge der Belichtung schreitet die Polymerisation von innen nach außen in den zu belichteten Gebiet fort. Dadurch ist es möglich, dass bei der Polymerisa ^¬ tion eines innen liegenden Gebiets möglicherweise auftretende Schrumpfungen noch dadurch kompensiert werden, dass aus einem weiter außen liegenden Gebiet, in dem mangels Belichtung noch keine Polymerisation eingesetzt hat, flüssiges photopolymeri- sierbares Material nach innen nachfließt.

In Fig. 4 ist ferner zu sehen, dass für das Randgebiet eine insgesamt kürzere Belichtungsdauer als für das Kerngebiet und das mittlere Gebiet vorgesehen ist. Der Grund hierfür liegt darin, dass sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung gezeigt hat, dass mit steigender Belichtungsdauer zunehmend Licht auch in Gebiete außerhalb der eigentlichen Beiich- tungskontur gestreut wird, d.h. die polymerisierte Schicht wächst über den eigentlich vorgesehenen äußeren Rand hinaus, was eine schlechte Ortsauflösung in Form einer schlechten Definition des Randes der ausgehärteten Schicht bedeutet. Aus diesem Grund wird für das Randgebiet eine möglichst kurze Be ^¬ lichtung mit maximaler Intensität vorgenommen, so dass die Polymerisation des Randgebietes auf eine gute Ortsauflösung hin optimiert ist.

Die in Fig. 4 gezeigten längeren Belichtungsdauern für das Kerngebiet und das mittlere Gebiet mit einem langsamen Anstieg auf die maximale Belichtungsintensität ist, wie weiter unten noch diskutiert wird, daraufhin optimiert, möglichst geringe innere Spannungen in dem polymerisierten Material zu erzeugen.

Fig. 5 zeigt eine alternative zeitliche Ablaufsteuerung der Belichtungen des Kerngebiets, des mittleren Gebiets und des Rangebiets. Es wird in Schritt 1 und Schritt 3 zunächst mit einer langsamen Belichtung des Kerngebiets begonnen. In den Schritten 5-7 wird das Kerngebiet mit höherer Intensität be ^¬ lichtet als in Schritt 1-3. In Schritt 5 beginnt aber auch ei ^¬ ne erste Belichtung des mittleren Gebiets, auf die eine weite ^¬ re Belichtung in Schritt 7 erfolgt. In den Schritten 9-11 folgen dann die Belichtungen für das mittlere Gebiet in kürzerer Folge als in Schritten 5-8. Parallel dazu wird in den Schrit ^¬ ten 9-11 das Randgebiet belichtet. Im Unterschied zu der in Fig. 4 gezeigten zeitlichen Abfolge der Belichtungen von Kerngebiet, mittlerem Gebiet und Randgebiet sind die Belichtungen in Fig. 5 in den Gebieten teilweise überlappend, d.h. die Be ^¬ lichtung des mittleren Gebiets startet bereits in Schritt 5 zu einem Zeitpunkt, zu dem die Belichtung des Kerngebietes noch nicht ganz abgeschlossen ist, die erst in Schritt 7 endet. Ebenso erfolgt das Ende der Belichtung des mittleren Gebietes in den Schritten 9-11 parallel zur Belichtung des Randgebie- tes. Insgesamt ist die Belichtungsdauer für das Randgebiet aber wieder kürzer als die für das Kerngebiet und das mittlere Gebiet, um die Genauigkeit der Randdefinition zu erhöhen.

Einflussgrößen auf die Ortsgenauigkeit der durch die Belichtung erzeugten polymerisierten Flächen wurden in folgender Weise untersucht. Es wurde jeweils eine einzelne Schicht von etwa 60 pm Dicke polymerisiert , wobei die Schicht eine regel ^¬ mäßige Anordnung von quadratischen „Löchern" mit Abmessungen von 200 pm x 200 pm enthielt. Mit anderen Worten wurde sozusa ^¬ gen ein Sieb mit einer regelmäßigen Anordnung von Sieböffnungen aus Quadraten mit Seitenlängen von 200 pm gebildet. Die unter verschiedenen Bedingungen gebildeten Siebschichten wurden anschließend mit einem optischen Mikroskop untersucht und dabei analysiert, inwieweit die Sieböffnungen (im Idealfall 200 pm x 200 pm) durch ungenaue Randdefinition (schlechte Ort ^¬ sauflösung) verändert waren, d.h. inwieweit die Ränder der die Sieböffnung umgebenden polymerisierten Bereiche in die Sieböffnung hineingewachsen sind. Der Grad des Hineinwachsens wurde als Übergröße gemessen, die den Prozentsatz angibt, um den die aufgrund schlechter Randdefinition in die Sieböffnung hereinwachsenden Ränder die Fläche der Sieböffnung reduzieren. Eine Übergröße von 0% bedeutet eine ideale Ortsdefinition, d.h. die Sieböffnung entspricht genau der vorgegebenen Geometrie von 200 pm x 200 pm, eine Übergröße von 50% bedeutet, dass die Sieböffnungsfläche aufgrund hereinwachsender Ränder auf die Hälfte reduziert ist, der Extremfall einer Übergröße von 100% würde bedeuten, dass die Ortsauflösung so schlecht ist, dass die Sieböffnung vollständig verschwunden ist.

Es wurden nun Siebschichten mit Impulsfolgen mit fester Frequenz (100 Hz) und variabler Impulsdauer untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt, worin die Übergröße als Funktion der Impulsdauer für zwei Intensitäten gezeigt ist. Die Impulsdauer wurde dabei von 0,001 s bis 0,01 s variiert, wobei eine Belichtung der maximalen Impulsdauer von 0,01 s bei einer Frequenz von 100 Hz eine kontinuierliche Belichtung bedeutet. Es ist zu erkennen, dass die Übergröße bei kleineren Impulsdauern abnimmt, d.h. die Ortsauflösung ist für möglichst kleine Impulsdauern optimal. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Impulse durch schnelles Ein- und Ausschalten der Lichtquelle zu erzeugen, was gegenüber einer Lichtquelle im Dauerbetrieb eine Verringerung der mittleren oder integrierten Dosis im Dunkelfeld zur Folge hat.

Demnach ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, bei Belichtung mit Impulsfolgen die Belichtung im Randgebiet mit Impulslängen geringerer Dauer vorzunehmen als in dem Kerngebiet oder einem mittleren Gebiet, um so im Randgebiet, wo zur Definition des Randes eine hohe Ortsauflösung benötigt wird, eine hohe Genauigkeit zu erzielen, während im Kerngebiet und im mittleren Gebiet mit höheren Impulslängen gearbeitet werden kann, da die Auflösung hier keine Rolle spielt.

Weiterhin wurde die Abhängigkeit der Ortsauflösung bei Belichtung mit Impulsfolgen mit fester Impulsdauer in Abhängigkeit von der Impulsfrequenz untersucht. In Fig. 7 ist die Ortsauflösung in Form der Übergröße in Prozent als Funktion der Impulsfrequenz für zwei feste Impulsdauern, nämlich 0,1 s und 0,01 s dargestellt. Darin zeigt sich, dass die Ortsauflösung sich zu geringeren Frequenzen hin verbessert (geringere Übergröße) . Beim Vergleich der Ergebnisse der beiden Impulsdauern bestätigt sich das Ergebnis aus Fig. 6, wonach geringe Impuls ^¬ dauern eine bessere Ortsauflösung ergeben.

Daher ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, bei Belichtung mit Impulsfolgen die Belichtung im Randgebiet mit möglichst kurzer Pulsdauer durchzuführen, jedenfalls mit geringerer Pulsdauer als für die Belichtungen in einem mittleren oder im Kerngebiet . Fig. 7 zeigt sehr deutlich, in welchem Maße sich die Ortsauflösung durch Verringerung der Frequenz bei fester Impulslänge verbessern lässt. Zum Beispiel entspricht die Ortsauflösung für eine Impulsfolge mit einer Impulsdauer 0,01 s bei der Fre ^¬ quenz 50 Hz einer Übergröße von 50%, d.h. die Ränder der Sieböffnungen, die eigentlich 200 pm x 200 pm betragen sollten, sind so schlecht definiert, dass die Sieböffnungen zur Hälfte geschlossen sind. Bei gleicher Impulsdauer lässt sich beim Übergang zu einer niedrigeren Frequenz von 5 Hz die Ortsauflösung so erheblich verbessern, dass die Übergröße nur noch etwa 5% beträgt.

Es wurden weitere Versuche durchgeführt, wie sich die inneren Spannungen in den aufgebauten Formkörper und damit die Risse in den gesinterten Bauteilen nach Entbindern reduzieren lassen. Es wurden dabei verschieden lange Belichtungszeiten verwendet. In Fig. 6 sind drei Beispiele für einen Intensitäts ^¬ verlauf gezeigt, der zunächst einen Anstieg nach einer e- Funktion auf 100% und dann eine kürzere folgende Phase mit konstanter Intensität haben. Die in Fig. 8 dargestellten Intensitätsverläufe beinhalten e-Funktionen mit drei verschiede ^¬ nen Zeitkonstanten. Beim Vergleich der endgültigen Sinterkörper zeigte sich, dass umso weniger Risse vorhanden sind, je größer die Zeitkonstante der e-Funktion beim Start der Belichtung ist.

Dieses Ergebnis bestätigte sich auch beim Starten der Belichtung auf einem relativ niedrigen konstanten Niveau gefolgt von einer Phase mit maximaler Intensität. Hier zeigt sich, dass eine längere Belichtung zu Beginn auf relativ niedrigem konstantem Niveau im Vergleich zur Phase der Belichtung mit Maximalniveau zu einer Reduzierung von Rissen in dem endgültigen Produkt führt .