Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder 11, bzw. eine Vorrichtung nach dem Oberbe¬ griff des Anspruches 15 oder 16.

Eine derartige Vorrichtung bzw. ein derartiges Verfahren ist unter dem Begriff "Stereographie" bekannt und kann, wie bei¬ spielsweise in der EP-A-0 171 069 beschrieben, durch schicht- weises Verfestigen eines flüssigen, photopolymerisierbaren Materials mittels eines gebündelten Laserstrahles erfolgen. Ebenso kann dieses Verfahren auch durch Sinterung von Pulver mittels des Laserstrahles durchgeführt werden (siehe EP-A-0 287 657) . In allen Fällen tritt das Problem auf, daß die Her¬ stellungsgeschwindigkeit nicht beliebig erhöht werden kann, da bei vorgegebener Bündelung des Laserstrahles eine vom Typ des Lasers und des zu verfestigenden Materiales abhängige Scan- Geschwindigkeit des Laserstrahles nicht überschritten werden kann. Auch kann eine eventuelle Dejustage des Laserstrahles nicht festgestellt werden (siehe EP-A-0 287 657) . In allen Fällen tritt das Problem auf, daß beispielsweise durch Erschütterungen, Alterung des Lasers oder sonstige Einwirkun-

gen eine Dejustierung des Strahles oder einer Verschlechterung der Strahlenqualität stattfindet und damit die Herstellungs¬ genauigkeit verschlechtert wird.

Aus der WO 88/02677 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches l und 11 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 15 und 16 bekannt.

Aus der EP 0 375 097 A2 ist eine Vorrichtung bekannt, die eine Lichtquelle mit Ablenlenkspiegeln aufweist und die einen ein¬ zelnen Positionsdetektor aufweist, der automatisch zu Punkten eines Gitters auf einer Arbeitsoberfläche bewegt wird. An den jeweiligen Punkten werden die Anweisungen an die Ablenkspiegel gespeichert, die notwendig sind, damit ein Strahl der Licht¬ quelle die Punkte erreicht. Dadurch ist eine Kalibrierung der Ablenkspiegel möglich. Weiterhin ist eine stereolithographi¬ sche Vorrichtung mit einem Harztank bekannt, bei der seitlich des Harztankes zwei Sensoren angebracht sind, um das Intensi¬ tätsprofil des Strahles zu messen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Geschwindigkeit und Genauigkeit bei der Herstellung des Objektes zu verbessern und eine konstante Qualität bei der Herstellung des Objektes sicherzustellen. Ferner soll ein effizienter Betrieb auch bei Einsatz von gepulsten Lasern möglich sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder 11 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 15 oder 16 gelöst.

Erfindungsgemäß wird der zur Verfestigung verwendete Strahl möglichst unmittelbar über der Oberfläche der Materialschicht, also unmittelbar vor der Einwirkung auf das Material, vorzugs¬ weise an einer Mehrzahl von über die Schicht verteilten Stel¬ len gemessen und mit Referenzwerten verglichen. Damit kann eine eventuelle Verstaubung oder Dejustierung der Optik, ein Defekt der optischen oder elektronischen Komponenten zur Ein-

Stellung des Strahles und eine Strahländerung aufgrund von Alterungserscheinungen festgestellt, angezeigt und gegebenen¬ falls korrigiert werden.

Erfindungsgemäß läßt sich die Bündelung des zur Verfestigung verwendeten Strahles verändern und messen, so daß je nach dem zu verfestigenden Bereich der Schichten, dem Typ des verwende¬ ten Lasers und des Materiales jeweils eine bezüglich der Her¬ stellungsgeschwindigkeit und Genauigkeit optimale Bündelung und Ausrichtung des Strahles eingestellt werden kann. Ferner kann eine eventuelle Verstaubung oder Dejustierung der Optik, ein Defekt der optischen oder elektronischen Komponenten zur Einstellung des Strahles und eine Strahländerung aufgrund von Alterungserscheinungen festgestellt, angezeigt und gegebenen¬ falls korrigiert werden.

Die Erfindung wird im weiteren anhand von Ausführungsbeispie¬ len unter Bezug auf die Figuren beschrieben. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Darstellung des Prinzips zur Veränderung der Bündelung des Strahles;

Fig. 3 eine Darstellung der je nach zu verfestigendem

Bereich unterschiedlichen Bündelung des Strahles vorzugsweise bei Verwendung eines gepulsten Lasers;

Fig. 4 eine perspektivische, schematische Darstellung einer Positioniervorrichtung für einen erfindungsgemäßen Sensor;

Fig. 5 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform des Sensors; und

Fig. 6 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Sensors.

Die Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Fig. l zeigt eine Schicht 1 eines mittels elektromagnetischer Strah¬ lung verfestigbaren Materiales, beispielsweise einer polymeri- sierbaren Flüssigkeit oder Paste oder eines sinterbaren Pul¬ vermaterials, sowie eine über dieser Schicht angeordnete Vor¬ richtung 2 zum Verfestigen des Materiales der Schicht 1 an den dem herzustellenden Objekt enstsprechenden Stellen. Die Verfe¬ stigungsvorrichtung 2 weist eine Strahlungsquelle 3 in Form eines Lasers auf, die einen gebündelten Lichtstrahl 4 auf eine Ablenkeinrichtung 5 richtet, mittels der der Lichtstrahl 4 auf die gewünschten Stellen der Schicht 1 abgelenkt werden kann. Zu diesem Zweck ist die Ablenkeinrichtung mit einer Steuerein¬ heit 6 zur entsprechenden Steuerung der Ablenkeinrichtung 5 verbunden.

Zwischen der Strahlungsquelle 3 und der Ablenkeinrichtung 5 ist dem Lichtstrahl 4 nacheinander ein Modulator 7 und eine variable Fokuseinrichtung 8 angeordnet, die ebenfalls mit der Steuereinheit 6 zur Steuerung in der weiter unten beschriebe¬ nen Weise verbunden sind. Der Modulator kann beispielsweise als akusto-optischer, elektro-optischer oder mechanischer Modulator ausgebildet sein und dient als "Schalter" zum Durch¬ schalten bzw. Unterbrechen des Strahles 4.

Die variable Fokuseinrichtung 8 dient dazu, die Bündelung des Strahles 4 zu verändern. Zu diesem Zweck weist sie in der in Fig. 2 genauer dargestellten Weise in Richtung des Strahles 4 eine Zerstreuungslinse 9 und nachfolgend eine Sammellinse 10 auf. Die Sammellinse 10 ist in Richtung des Strahles 4 bei¬ spielsweise zwischen der gestrichelten Position in Fig. 2 und der in durchgezogen Linien gezeichneten Position positionier¬ bar und bewirkt damit je nach ihrer Position eine Veränderung des Fokus und damit des Durchmessers des Strahles an einer Arbeits- oder Referenzebene 11, die beispielsweise die Ober-

fläche der Schicht 1 sein kann. Die Verschiebung der Sammel¬ linse 10 erfolgt durch eine (nicht gezeigte) Verschiebevor¬ richtung unter Verwendung eines Schrittmotors oder Servomo¬ tors, die mit der Steuereinheit 6 verbunden ist. Anstelle der Anordnung mit zwei Linsen 9, 10 kann auch jede andere geeig¬ nete Mehrlinsenanordnung verwendet werden, bei der die Fokusänderung durch Verschieben von zwei Linsen relativ zuein¬ ander erfolgt. Anstatt der variablen Fokuseinheit 8 kann die Ablenkeinrichtung 5 auch Umlenkspiegel mit einem einstellba¬ ren, variablen Krümmungsradius aufweisen. In diesem Fall kann die Bündelung des Strahles 4 durch Ändern des Krümmungsradius der Umlenkspiegel verändert werden.

Zwischen der Ablenkeinrichtung 5 und der Schicht 1 ist ferner ein Sensor 12 angeordnet, der mittels der in Fig. 4 näher dar¬ gestellten Positioniervorrichtung 13 in einer Ebene parallel zu und vorzugsweise unmittelbar oberhalb der Schicht 1 an jede Stelle oberhalb der Schicht 1 verschoben werden kann. Die Positioniervorrichtung 13 ist als X, Y-Positioniervorrichtung ausgebildet, wobei der Sensor 12 in einer ersten X-Richtung entlang der Oberseite eines sich in X-Richtung über die Schicht 1 erstreckenden Abstreifers 14 verschiebbar ist, der wiederum in Y-Richtung über die Schicht 1 zum Einstellen einer gewünschten Schichtdicke des Materiales verschoben werden kann. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Sensor aber auch unabhängig vom Abstreifer positioniert werden. Der Aus¬ gang des Sensors ist mit der Steuereinheit 6 verbunden.

Eine erste Ausführungsform des Sensors 12 ist in Fig. 5 darge¬ stellt. Der Sensor 12 nach Fig. 5 ist als Quadrantensensor mit einem in jedem Quadranten angeordneten lichtempfindlichen Ele¬ ment in Form einer Photodiode 15, 16, 17, 18 ausgebildet. Die Photodiode 18 eines Quadranten ist mittels einer strahlungsun¬ durchlässigen Abdeckung, beispielsweise eines Metallplättchens 19, abgedeckt, in deren Mitte sich eine Blendenöffnung 20 befindet. Gemäß einer in Fig. 6 gezeigten zweiten Ausführungs¬ form ist der Sensor 12 als Einzelsensor mit nur einem einzigen

Feld ausgebildet, wobei in dem Feld ein lichtempfindliches Element in Form einer Photodiode 21 angeordnet ist, die wie¬ derum mit einer strahlungsundurchlässigen Abdeckung, bei¬ spielsweise einem Metallplätten, bis auf eine zentrale Blen¬ denöffnung abgedeckt ist. Der Durchmesser der Blendenöffnung 20, 23, ist etwa 20 bis 50μm, vorzugsweise 35μm.

Im Betrieb wird zunächst der Laserstrahl 4 bezüglich seiner Position, Leistung und seines Durchmessers gemessen. Die Posi- tonsbestimmung erfolgt dabei beispielsweise mittels des in Fig. 5 gezeigten Sensors 12 dadurch, daß der Sensor 12 an einer bestimmten definierten X, Y-Stelle positioniert wird und die Ablenkeinrichtung 5 von der Steuereinheit 6 so gesteuert wird, daß der abgelenkte Strahl 4 den Sensor 12 überstreicht und dabei vom Feld der Photodiode 15 zu dem in der Photodiode 16 wandert. Dabei werden die von beiden Photodioden abgegebe¬ nen Ausgangssignale verglichen; bei Gleichheit entspricht die Position des Strahles 4 genau dem Übergang zwischen den beiden Photodiodenfeldern und damit der Mittenposition des Sensors 12. Dieselbe Messung wird auch für den Übergang von der Pho¬ todiode 15 zur Photodiode 17 vorgenommen. Durch Vergleich der erhaltenen Positionsdaten mit der entsprechenden Positionsvor¬ gabe für die Ablenkeinrichtung 5 wird festgestellt, ob die Steuerung für den Strahl 4 korrekt ist oder ob eine Dejustie¬ rung vorliegt. Im letzteren Fall wird eine Korrektur der Steuerung in der Steuereinheit 6 oder auch eine Neujustage der Vorrichtung vorgenommen. Die Positionsmessung wird durch Verfahren des Sensors 12 an über die Schichtoberfläche 1 ver¬ teilte Positionen mittels der Positioniervorrichtung 13 an beliebigen Stellen innerhalb des Belichtungsfeldes vorgenom¬ men, so daß die Positioniergenauigkeit an der Verfestigungs¬ vorrichtung 2 exakt bestimmbar ist. Ebenso ist es allerdings auch möglich, nur an ausgewählten Punkten, beispielsweise an zwei Punkten, zu messen, um eine globale Drift beispielweise aufgrund von Temperaturänderung festzustellen. Diese kann wiederum durch entsprechende Korrektur der Steuereinheit 6

bzw. der darin gespeicherten Steuersoftware kompensiert werden.

Die Leistung des Strahles 4 kann durch direkte Auswertung der Ausgangssignale der Photodioden 15, 16 und 17 deren Amplitude der Leistung entspricht, vorgenommen werden. Hier ist auch der Einsatz von Pyroelementen denkbar. Durch Vergleich mit Soll¬ werten kann wiederum ein Fehler in der Verfestigungsvorrich¬ tung 2 festgestellt werden, beispielsweise eine Verstaubung der Optik, eine Alterung oder auch ein Ausfall von optischen oder elektronischen Komponenten.

Für die Messung des Durchmessers bzw. des Fokus des Strahles 4 wird die Ablenkeinrichtung 5 und/oder die Positioniervorrich¬ tung 13 so gesteuert, daß der abgelenkte Strahl 4 die Blenden¬ öffnung 20 des Sensors nach Fig. 5 oder die Blendenöffnung 23 des Sensors nach Fig. 6 in zwei Koordinatenrichtungen über¬ streicht. Dadurch wird das Intensitätsprofil des Strahles 4 abgetastet und aus den gewonnenen Intensitätsdaten des Profils der Fokus bzw. Durchmesser des Strahles 4 berechnet. Diese Messung kann im gesamten Belichtungsfeld oder auch nur an aus¬ gewählten Punkten, beispielsweise in Verbindung mit der Leistungsmessung, durchgeführt werden. Durch Vergleich mit entsprechenden Sollwerten kann wiederum eine Abweichung bei¬ spielsweise aufgrund der Alterung des Lasers oder einer Dejustage des optischen Systems festgestellt wp**den. In diesem Fall kann in gewissem Rahmen eine Korrektur durch Veränderung des Fokus mittels Ansteuerung der variablen Fokueinheit 8 vor¬ genommen werden.

Bei Verwendung des in Fig. 6 gezeigten Sensors 12 wird die Position und Leistung des Strahles 4 aufgrund von Berechnungen ermittelt, und zwar die Position durch Bestimmung des Intensi- tätsmaximums und die Leistung durch Integration des Profils. Derartige Rechenverfahren sind bekannt, so daß sie hier nicht näher erläutert werden müssen.

Nach der Einstellung und Messung des Strahles 4 wird eine Materialschicht 1 aufgetragen und durch gezieltes Bestrahlen der Schicht 1 mittels des abgelenkten Strahles 4 an den dem Objekt entsprechenden Punkten verfestigt. In Fig. 3 ist ein Bereich 24 dargestellt, der beispielhaft die zu verfestigenden Stellen des Objektes dieser Schicht umfassen soll. Dieser Bereich wird für die Verfestigung in einen äußeren Hüllbereich 25 und einen inneren Kernbereich 26 aufgeteilt, wobei der Hüllbereich 25 den Kernbereich 26 vorzugsweise vollständig umschließt. Zur Verfestigung steuert die Steuereinheit 6 die variable Fokuseinheit 8, die Ablenkeinrichtung 5 und den Laser 3 derart, daß die Schicht 1 in der in der Fig. 3 durch die kleinen Kreise angedeuteten Weise im Hüllbereich 25 mit einem kleinen Strahldurchmesser bzw. Fokus und im Kernbereich 26, angedeutet durch die größeren Kreise, mit einem größeren Strahldurchmesser bzw. Fokus bestrahlt wird. Damit wird im Hüllbereich eine feinere und genauere Verfestigung des Mate¬ riales im Hüllbereich 25, der die Oberfläche bzw. die Kontur des Objektes bildet, erreicht. Wird gleichzeitig gemäß einer bevorzugten Weiterbildung die Ablenkeinrichtung 5 so gesteu¬ ert, daß die Geschwindigkeit, mit der der abgelenkte Strahl 4 über die Schicht 1 streicht (d.h. die Scan-Geschwindigkeit) , im Kernbereich 26 höher als im Hüllbereich 25 ist, dann läßt sich auch die HerStellungszeit wesentlich verkürzen. Diese Maßnahme ist insbesondere bei hohen Leistungen des Lasers 3 sinnvoll, da dann auch bei größerem Strahldurchmesser oder Fokus eine ausreichende Leistungsdichte vorhanden ist, um eine Verfestigung auch bei höheren Scan-Geschwindigkeiten zu errei¬ chen. Bei Einsatz einer Strahlungsquelle mit einstellbarer Leistung kann in diesem Fall die Leistung bei der Verfestigung des Hüllbereiches 25 verringert werden, um die Energie- bzw. Leistungsdichte auf einen für die Verfestigung geeigneten Wert einzustellen.

Eine besonders bevorzugte Anwendung findet das oben beschrie¬ bene Verfahren bei Verwendung eines gepulsten Lasers als Strahlungsquelle 3. Die Pulsrate derartiger Laser ist in der

Regel zu niedrig um bei kleinem Fokus hohe Scan-Geschwindig¬ keiten zu erzielen. Vielmehr werden dann nur noch einzelne voneinander beabstandete Stellen verfestigt. Andererseits nimmt die mittlere Leistung dieses Lasers ab einer bestimmten Pulsrate ab. Weiterhin ist die Pulsdauer von beispielsweise frequenzvervielfachten FK-Lasern sehr kurz (ca. 30ns) . Die Einstellung der in das Material eingebrachten Energie- bzw. Leistungsdichte ist nicht mehr über die Scan-Geschwindigkeit, sondern nur noch durch Abschwächung, die Repetitionsrate des Lasers und/oder die Einstellung des Strahldurchmessers mög¬ lich. Für einen Betrieb mit größtmöglicher Effizienz hat sich erfindungsgemäß die Einstellung des Strahldurchmessers heraus¬ gestellt. Für einen vorgegebenen Wert des Strahldurchmessers ergibt sich dann eine optimale Repetitionsrate in Verbindung mit einer maximalen Scan-Geschwindigkeit. Bei geringerer Scan- Geschwindigkeit kann man den Energieeintrag erhöhen, bei ebenso erhöhtem Überlapp zwischen den Punkten.

Erfindungsgemäß wird damit zur Erzielung einer kurzen Herstel¬ lungszeit bei trotzdem hoher Strukturauflösung bei gepulsten Lasern im Hüllbereich 25 mit kleinerem Fokus und im Kernbe¬ reich 26 mit größerem Fokus verfestigt und die Scan-Geschwin¬ digkeit und die Repetitionsrate jeweils so eingestellt, daß in beiden Bereichen die bei jedem Puls verfestigten Bereiche 27 überlappen und damit eine durchgehende Linie verfestigt wird. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 3 dargestellt: Da die damit zulässige Scan-Geschwindigkeit proportional zum Durchmesser des in Fig. 3 kreisförmig dargestellten Strahles oder Fokus 27 ist, kann die Scan-Geschwindigkeit im Kernbereich 26 gegenüber derjenigen des Hüllbereiches 25 um den selben Faktor erhöht werden, um den der Durchmesser im Kernbereich vergrößert ist. Außerdem sind im Kernbereich 26 auch entsprechend weniger Überstreichungen erforderlich. Damit reduziert sich die Her¬ stellungszeit mit dem Quadrat der relativen Durchmesserver¬ größerung. In beiden Bereichen 25, 26 ergibt sich aus der ent¬ sprechenden Scan-Geschwindigkeit die Repetitionsrate und der Strahlfokus und damit mittlere Leistung des Lasers, so daß im

Ergebnis im Hüllbereich 25 mit kleinerer mittlerer Leistung und im Kernbereich 26 mit größerer mittlerer Leistung gefahren wird.

Zur Einstellung des Fokus wird von der Steuereinheit 6 je nachdem, ob die Ablenkeinrichtung 5 den Strahl 4 gerade auf den Kernbereich 26 oder den Hüllbereich 25 ablenkt, die Posi¬ tion der Sammellinse 10 relativ zur Zerstreuungslinse 9 durch Axialverschiebung verändert. Die entsprechenden Steuerdaten sind in der Steuereinheit 6 gespeichert. Vorzugsweise wird zunächst mit einer kleinen Fokuseinstellung der Hüllbereich 25 verfestigt, danach der Fokus vergrößert und mit der einmal eingestellten Vergrößerung der Kernbereich 26 verfestigt. Eine Messung und Korrektur der Fokuseinstellung des Strahles ist wiederum mittels des Sensors 12 in der oben dargelegten Weise möglich.

Die weiteren Schichten des Objektes werden in der gleichen Weise aufgetragen und verfestigt.

Die Messung des Strahles in der oben beschriebenen Weise kann vor der Herstellung eines Objektes, aber auch zwischen der Verfestigung einzelner Schichten oder auch in größeren Abstän¬ den, z.B. tageweise, vorgenommen werden. Festgestellte Abwei¬ chungen von zulässigen Werten können auch auf einer Anzeige¬ vorrichtung dargestellt werden.

Als FK-Laser werden bevorzugt diodengepulste Neodym YAG-Laser oder diodengepulste Neodym YLF-Laser mit einer Leistung von etwa 300mW verwendet.