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DE102004064131B4 - Method for generating a bitmap and device for producing a three-dimensional object - Google Patents

Method for generating a bitmap and device for producing a three-dimensional object Download PDF

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DE102004064131B4
DE102004064131B4 DE102004064131.5A DE102004064131A DE102004064131B4 DE 102004064131 B4 DE102004064131 B4 DE 102004064131B4 DE 102004064131 A DE102004064131 A DE 102004064131A DE 102004064131 B4 DE102004064131 B4 DE 102004064131B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
bitmap
pixels
area
offset
image
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE102004064131.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Alexandr Shkolnik
Hendrik John
Ali El-Siblani
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Envisiontec GmbH
Original Assignee
Envisiontec GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Envisiontec GmbH filed Critical Envisiontec GmbH
Priority to DE102004022961A priority Critical patent/DE102004022961B4/en
Priority to DE102004064131.5A priority patent/DE102004064131B4/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102004064131B4 publication Critical patent/DE102004064131B4/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

Verfahren zur Generierung einer Bitmap bezüglich einer Querschnittsfläche eines durch Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnentischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Maskenbelichtung über eine bildgebende Einheit herzustellenden dreidimensionalen Objektes, wobei die Querschnittsfläche, d. h. Außen- und Innenkonturen, durch Vektorzüge beschrieben werden, die bildverarbeitungstechnisch einer gerasterten Fläche oder Bitmap überlagert werden, deren Auflösung exakt der Auflösung der diskreten Elemente oder Pixel in der bildgebenden Einheit entspricht, wobei die Überlagerung von Vektorzügen und Bitmap in einem übergeordneten XY-Koordinatensystem erfolgt und durch einen Algorithmus die aktiven Pixel berechnet werden, um die Querschnittsfläche in Form einer gerasterten Maske zu beschreiben.A method of generating a bitmap with respect to a cross-sectional area of a three-dimensional object to be fabricated by solidifying a material solidifiable under the influence of electromagnetic radiation by means of mask exposure via an imaging unit, the cross-sectional area, i. H. Outer and inner contours, are described by vector trains, the image processing technically superimposed on a rasterized area or bitmap whose resolution corresponds exactly to the resolution of the discrete elements or pixels in the imaging unit, wherein the superimposition of vector trains and bitmap takes place in a parent XY coordinate system and calculating, by an algorithm, the active pixels to describe the cross-sectional area in the form of a screened mask.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen eines photohärtenden Materials durch Maskenbelichtung mittels einer gerasterten bildgebenden Einheit mit konstanter Auflösung, wobei die Auflösung in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich verbessert werden soll.The invention relates to a method and an apparatus for producing a three-dimensional object by layer-wise solidifying a photo-curing material by mask exposure by means of a rastered imaging unit with constant resolution, wherein the resolution in the image / build level in the subpixel area is to be improved.

Stand der TechnikState of the art

Für den schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Objekte aus „lichthärtenden” Materialien werden in der Literatur unterschiedlichste Verfahren angegeben, siehe hierzu „Automated Fabrication – Improving Productivity in Manufacturing” von Marshall Burns, 1993 (ISBN 0-13-119462-3).For the layered construction of three-dimensional objects made of "light-curing" materials a variety of methods are given in the literature, see "Automated Fabrication - Improving Productivity in Manufacturing" by Marshall Burns, 1993 (ISBN 0-13-119462-3).

Diese Efindung betrifft Verfahren, bei denen die zu erzeugende Schicht durch die Belichtung mittels einer gerasterten Maske beruht, wobei die kleinste physikalische Auflösung in der Maske durch die Größe eines Pixels gegeben ist.This invention relates to methods in which the layer to be formed is based on the exposure by means of a screened mask, the smallest physical resolution in the mask being given by the size of a pixel.

Derzeit bekannte Möglichkeiten sind u. a. die Belichtung durch

  • a) Projektionseinheit (auf Basis DLP®/DMD®, LCD, ILA®, etc.)
  • b) LC-Display (reflexiv, transmissiv)
  • c) LED-, bzw. Laser-Dioden-Zeile/-Matrix (die in XY über die Schicht bewegt wird)
  • d) auf MEM's-Technologie (light-valve) basierende Zeile ode Matrix (die in XY über die Schicht bewegt wird)
Currently known options include exposure through
  • a) Projection unit (based on DLP® / DMD® , LCD, ILA® , etc.)
  • b) LC display (reflexive, transmissive)
  • c) LED, or laser diode row / matrix (which is moved over the layer in XY)
  • d) line or matrix based on MEM's (light-valve) technology (which is moved across the layer in XY)

Einige dieser Methoden werden in folgenden Patenten beschrieben: WO 00/21735 A1 ”Rapid Prototyping apparatus and method of Rapid Prototyping” von Dicon AS (DK).Some of these methods are described in the following patents: WO 00/21735 A1 "Rapid prototyping apparatus and method of rapid prototyping" by Dicon AS (DK).

US-Patent US5247180A „Stereolithographic Apparatus and Method of use” von Texas Instruments Inc., Sept. 1993.US Patent US5247180A "Stereolithographic Apparatus and Method of Use" by Texas Instruments Inc., Sept. 1993.

US-Patent US5980813A „Rapid Prototyping using multiple material” von SRI International, Nov. 1999;
Gebrauchsmusterschrift DE 93 19 405 U1 „Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (Modells) nach dem Prinzip der Photoverfestigung” vom Forschungszentrum Informatik an der Universität Karlsruhe, Dez. 1993;
eine Anwendung für die Erzeugung mikrotechnischer, dreidimensionaler Bauteile nach einem ähnlichen Verfahren wird in der Gebrauchsmusterschrift DE 299 11 122 U1 „Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes”, DeltaMed u. a., Juni 1999, beschrieben.US Patent US5980813A "Rapid Prototyping using multiple material" by SRI International, Nov. 1999;
Utility Model DE 93 19 405 U1 "Device for producing a three-dimensional object (model) according to the principle of photo-solidification" by the Research Center for Computer Science at the University of Karlsruhe, Dec. 1993;
an application for the production of micro-technical, three-dimensional components by a similar method is in the utility model DE 299 11 122 U1 "Apparatus for manufacturing a three-dimensional object", DeltaMed et al., June 1999.

EP-Patentanmeldung EP 1 250 997 A1 „Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes” der Envision Technologies GmbH, April 2002.EP Patent Application EP 1 250 997 A1 "Device for manufacturing a three-dimensional object" of Envision Technologies GmbH, April 2002.

In der US 6,180,050 B1 wird eine lineare Scan-Technik zur schichtweisen Verfestigung bei der Herstellung dreidimensionaler Bauteile beschrieben. Die Auflösung wird erhöht, indem ein Belichtungskopf mit einem Array von optischen Fasern, die in Y-Richtung gegeneinander versetzt sind, linear in X-Richtung gescannt werden.In the US 6,180,050 B1 describes a linear scanning technique for layer-by-layer solidification in the manufacture of three-dimensional components. The resolution is increased by linearly scanning an exposure head having an array of optical fibers staggered in the Y direction in the X direction.

Die DE 197 16 240 A1 beschreibt ein Fotoplott-Verfahren und eine Anordnung zur Aufzeichnung eines computergespeicherten Rasterbildes auf einen ebenen lichtempfindlichen Aufzeichungsträger. Dabei werden gewünschte Strukturen (gedruckte Leiterplatten) computerprogrammgesteuert berechnet und als Rasterbild in einem Computer gespeichert. Das Bild wird computerprogrammgesteuert auf einem lichtempfindlichen Aufzeichungsträger aufgezeichnet, der als Vorlage für die Herstellung der gewünschten Struktur (bedruckte Leiterplatten) dient. Im aufgezeichneten Rasterbild werden ”Druckpunkte” weißflächig, fehlende schwarzflächig dargestellt. Die Rastermatrix ist in Form eine LCD-Matrix angeordnet, wobei Licht steuernde Elemente und Computer-Rasterbild-Teilflächen einander zugeordnet sind. Eine Aufzeichnung der den Rasterpunkten entsprechenden Bildelemente erfolgt zu einem nachfolgenden (zweiten) Zeitpunkt derart, dass zum nachfolgenden (zweiten) Zeitpunkt alle Bildelemente gleichzeitig aufgezeichnet werden, und dass eine Lochmatrix mit jeweils einer Öffnung zum Durchtritt eines Lichtstrahls zur Aufzeichnung für den nachfolgenden (zweiten) Zeitpunkt derart verschoben wird, dass der Lichtstrahl jeweils auf die nachfolgende (zweite) Bildelement-Position ausgerichtet ist.The DE 197 16 240 A1 describes a photoplotting method and apparatus for recording a computer stored raster image on a flat photosensitive medium. In this case, desired structures (printed circuit boards) computer-controlled calculated and stored as a raster image in a computer. The image is computer program controlled recorded on a photosensitive recording medium, which serves as a template for the production of the desired structure (printed circuit boards). In the recorded raster image "pressure points" are displayed white, missing black area. The raster matrix is arranged in the form of an LCD matrix, with light-controlling elements and computer raster image sub-areas being associated with one another. A recording of the pixels corresponding to the halftone dots takes place at a subsequent (second) time in such a way that all picture elements are recorded simultaneously at the subsequent (second) time, and in that a hole matrix, each having an opening for the passage of a light beam, is recorded for the subsequent (second) Time is shifted so that the light beam is respectively aligned to the subsequent (second) pixel position.

Das Dokument WO 02/27408 A2 offenbart ein Stereolithographie-System mit Mikrospiegelablenkungen zur Projektion auf ein Fotoresist. Zur Bildung einer dynamischen Maske wird eine digital Mikrospiegelanzeige (DMD) verwendet.The document WO 02/27408 A2 discloses a stereolithography system with micromirror deflections for projection onto a photoresist. To form a dynamic mask, a digital micromirror display (DMD) is used.

Das Dokument DE 199 29 199 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensional Objekts unter Verwendung einer Maskenerzeugungseinrichtung umfassend ein in Transmission arbeitendes Flüssigkristall-(LC-)Display mit 800×600 Pixeln und 256 Graustufen. Die Graustufen lassen sich auf eine Durchlässigkeit von 0 bis 100% der Lichtleistung einstellen.The document DE 199 29 199 A1 discloses an apparatus for producing a three-dimensional object using a mask generator comprising a 800 × 600 pixel, 256 gray scale liquid crystal (LC) transmission device. The gray levels can be adjusted to a transmittance of 0 to 100% of the light output.

Nachteile Stand der Technik Disadvantages state of the art

Bei allen den oben beschriebenen Verfahren steht die Auflösung der zu härtenden Materialschicht in direkter Abhängigkeit mit der Auflösung des bildgebenden Verfahrens.In all the methods described above, the resolution of the layer of material to be cured is directly dependent on the resolution of the imaging process.

Bei den Projektionsverfahren bestimmt zusätzlich eine zwischengeschaltete Optik den Maßstab der projezierten, bzw. auszuhärtenden Schicht.In the projection method additionally determines an intermediate optics the scale of the projected or hardened layer.

Die Auflösung pro Flächeneinheit in der Bild-/Bauebene ist somit abhängig a) von der Auflösung der bildgebenden Einheit bzw. dem kleinsten Element, genannt Pixel und deren relative Abstände zueinander, genannt Pixel-Pitch und b) dem Projektionsmaßstab.The resolution per unit area in the image / building level is thus dependent on a) the resolution of the imaging unit or the smallest element, called pixels and their relative distances from each other, called pixel pitch and b) the projection scale.

Die Oberflächen-Rauhigkeit des Bauteils ist somit bestimmt durch die kleinste Volumeneinheit eines Voxels (Volumen-Pixels), dessen Größe sich zusammensetzt aus der der projizierten Pixelfläche in XY und der Schichtdicke in Z. Die Auflösung der Schichtdicke ist vorgegeben durch die kleinste Auflösung (Schrittgröße) des Aktuators in Z um die Trägerplattform zu bewegen. Hier können bereits Auflösungen bis in den enstelligen μm-Bereich erreicht werden. Soll eine niedrigere Oberflächen-Rauhigkeit des Bauteils erreicht werden, muss das Projektionsfeld und damit einhergehend die Pixelfläche verkleinert werden.The surface roughness of the component is thus determined by the smallest volume unit of a voxel (volume pixel) whose size is composed of the projected pixel area in XY and the layer thickness in Z. The resolution of the layer thickness is predetermined by the smallest resolution (step size ) of the actuator in Z to move around the support platform. Resolutions up to the final μm range can already be achieved here. If a lower surface roughness of the component is to be achieved, the projection field and, consequently, the pixel area must be reduced.

Als Beispiel sei hier die Projektion m. H. eines Multimedia-Projektors angegeben; bei einer Auflösung von XGA (1024×768 Bildpunkten), einem Pixel von 17 μm und einem Pixel-Pitch von 17,9 μm erreicht man bei einer Projektion auf 275 mm × 206 mm mit einem Vergrößerungsfaktor der Projektionsoptik von 15 eine Auflösung in der Bild-/Bauebene und somit der auszuhärtenden Schicht von annähernd 100 dpi, was einer Pixelgröße in der Projektionsebene von rund 0,254 mm × 0,254 mm entspricht.As an example, here is the projection m. H. of a multimedia projector specified; with a resolution of XGA (1024 × 768 pixels), a pixel of 17 μm and a pixel pitch of 17.9 μm, a projection in 275 mm × 206 mm achieves a resolution in the image with a projection magnification of 15 - / Building level and thus the layer to be cured of approximately 100 dpi, which corresponds to a pixel size in the projection plane of about 0.254 mm × 0.254 mm.

Um die Auflösung in der Bild-/Bauebene bei gleichbleibender Baufläche z. B. zu verdoppeln, wird bei den Projektionsverfahren vorgeschlagen, den Projektions-/Vergrößerungsfaktor zu halbieren (was eine Viertelung der Fläche bedeutet) und entweder die gesamte Projektionseinheit oder den Bauraum paralle zueinander zwecks Belichtung der vier Teilebenen zu verschieben.To the resolution in the image / construction level with the same construction area z. B. to double, is proposed in the projection method to halve the projection / magnification factor (which means a quarter of the area) and either the entire projection unit or the installation space parallel to each other for the purpose of exposure of the four sub-levels to move.

Dieses Verfahren hat den erheblichen Nachteil, dass relativ große Massen sehr präzise zueinander bewegt werden müssen, um eine exaktes Aneinanderstoßen und eine innige Verbindung der Teilebenen zu gewährleisten, was für die dazu notwendige Mechanik einen erheblichen Kostenaufwand und zusätzlichen Platzbedarf in der gesamten Anordnung bedeutet.This method has the considerable disadvantage that relatively large masses have to be moved very precisely relative to one another in order to ensure a precise abutment and an intimate connection of the part planes, which means a considerable expense and additional space in the entire arrangement for the mechanics required for this purpose.

Bei der selektiven direkten Belichtung durch das Abscannen m. H. einer LED-, bzw. Laser-Dioden-Zeile/-Matrix oder die direkte Belichtung durch eine Maske, die durch einen transmissiven LCD ausgebildet ist, ist die Auflösung in der Bauebene gleich der Auflösung in der bildgebenden Einheit.In the selective direct exposure by scanning m. H. a LED, or laser diode line / matrix or the direct exposure through a mask, which is formed by a transmissive LCD, the resolution in the building level is equal to the resolution in the imaging unit.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, die Auflösung in der Bauebene bei gleich bleibend großer Baufläche um ein Vielfaches im Subpixelbereich zu erhöhen, d. h. die Rasterung der Außen- und Innenkonturen in den Schnittebenen des Objektes zu verfeinern,

  • a) ohne eine Belichtung in aneinandergesetzten Teilflächen vornehmen zu müssen und
  • b) ohne die Auflösung der gerasterten, bildgebenden Einheit selbst zu erhöhen.
The object of the invention is to provide a method and a device which makes it possible to increase the resolution in the building level with a consistently large construction area by a multiple in the subpixel area, ie the screening of the outer and inner contours in the cutting planes of the object Refine,
  • a) without having to make an exposure in juxtaposed areas and
  • b) without increasing the resolution of the screened imaging unit itself.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 9 gelöst. Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung zur Lösung der Aufgabe sind eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 13 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 15. Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1 or by a method having the features of claim 9. Further objects of the present invention for achieving the object are a device having the features of claim 13 and a device having the features of claim 15. Preferred developments of the method according to the invention and the device according to the invention are specified in the subclaims.

Ferner betrifft die Erfindung folgende Gegenstände:

  • (1) Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnentischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Maskenbelichtung, wobei die Maske über eine bildgebende Einheit mit festgelegter Auflösung erzeugt wird, die aus einer konstanten Anzahl diskreter und räumlich fest zueinander angeordneter, bildgebender Elemente (Pixel) gebildet wird, wobei zur Verbesserung der Auflösung entlang der Aussen- und Innenkonturen der Querschnittsflächen des schichtweise zu generierenden Objektes im Subpixelbereich, pro Schicht eine Mehrfachbelichtung vorgenommen wird, die aus einer Abfolge einer Mehrzahl von zueinander im Subpixelbereich versetzten Bildern in der Bild-/Bauebene besteht, wobei für jedes versetzte Bild eine separate Maske/Bitmap erzeugt wird.
  • (2) Verfahren nach (1), wobei die bildgebende Einheit aus einer konstanten Anzahl diskreter und in einer zweidimensionalen Matrix, räumlich fest zueinander angeordneter, bildgebender Elemente (Pixel) gebildet wird.
  • (3) Verfahren nach (1) oder (2) wobei eine Abfolge von mindestens zwei zueinander im Subpixelbereich versetzten Bildern in der Bild-/Bauebene durchgeführt wird, entsprechend der Auflösung der bildgebenden Einheit und unter Berücksichtigung des entsprechenden Subpixelversatzes.
  • (4) Verfahren nach einem von (1) bis (3) zur Generierung einer Bitmap aus einer Querschnittsfläche eines dreidimensionalen Objektes, wobei die Querschnittsfläche, d. h. Außen- und Innenkonturen, durch Vektorzüge beschrieben werden, die bildverarbeitungstechnisch einer gerasterten Fläche (Bitmap) überlagert werden, deren Auflösung exakt der Auflösung der diskreten Elemente (Pixel) in der bildgebenden Einheit und somit in der Abbildung in der Bauebene entspricht, wobei die Überlagerung von Vektorzügen und Bitmap in einem übergeordneten XY-Koordinatensystem erfolgt und durch einen speziellen Algorithmus die aktiven Pixel berechnet werden, um die Querschnittsfläche in Form einer gerasterten Maske zu beschreiben.
  • (5) Verfahren nach einem von (1) bis (4), wobei die Maskengenerierung (Bitmapping) einer jeden Querschnittsfläche eines dreidimensionalen Objektes in der Ausgangspostion und in unterschiedlichen, im Subpixelbereich in XY versetzten (geshifteten) Zuständen erfolgt und durch die Überlagerung dieser Bitmaps pro Querschnittsfläche ein Gesamtbild mit entsprechend dem Pixelshift erhöhten Auflösung im Konturbereich entsteht.
  • (6) Verfahren nach einem von (1) bis (5), wobei eine Bitmap erzeugt wird, die relativ zur Querschnittsfläche um Delta X im Subpixelbereich versetzt ist, wodurch sich eine neue Verteilung der aktiven Pixel ergibt.
  • (7) Verfahren nach einem von (1) bis (5), wobei eine Bitmap erzeugt wird, die relativ zur Querschnittsfläche um Delta Y im Subpixelbereich versetzt ist, wodurch sich eine neue Verteilung der aktiven Pixel ergibt.
  • (8) Verfahren nach einem von (1) bis (5), wobei eine Bitmap erzeugt wird, die entlang der Pixeldiagonalen relativ zur Querschnittsfläche um Delta X und Delta Y versetzt wird, wodurch sich eine neue Verteilung der aktiven Pixel ergibt.
  • (9) Verfahren nach einem von (1) bis (8), wobei sich die Gesamtbelichtung einer einzelnen Schicht aus der Summe der Teilbelichtungen der im Subpixelbereich verschobenen Masken/Bitmaps ergibt.
  • (10) Verfahren nach einem von (1) bis (9), wobei je nach gewünschter Auflösungsverbesserung für jede Objektschicht ein Vielfaches an Masken bzw. Bitmaps mit unterschiedlichem Subpixelversatz in XY generiert und und pro auszuhärtender Schicht seriell belichtet werden kann.
  • (11) Verfahren nach einem von (1) bis (10), wobei ein vereinfachtes Verfahren zur Auflösungsverbesserung dadurch erreicht wird, indem nur die Bitmap der Ausgangsposition und die Bitmap des Diagonal-Versatzes um eine halbe Pixel-Diagonale erzeugt und pro auszuhärtender Schicht nacheinander belichtet werden.
  • (12) Verfahren nach einem von (1) bis (11), wobei zur versetzten Abbildung der im Subpixelbereich versetzt erzeugten gerasterten Masken/Bitmaps in der Bauebene zwecks selektiver Aushärtung der Materialschicht, die bildgebende Einheit je versetzter Bitmap so gekippt wird, dass die gewünschte Verschiebung des Bildes im Subpixelbereich in der Bild-/Bauebene erreicht wird.
  • (13) Verfahren nach einem von (1) bis (12), wobei zur versetzten Abbildung der im Subpixelbereich versetzt erzeugten gerasterten Masken/Bitmaps in der Bauebene zwecks selektiver Aushärtung der Materialschicht, die bildgebende Einheit je versetzter Bitmap um den entsprechenden Subpixelbereich in X und Y. also planparallel zur Bild-/Bauebene, verschoben wird.
  • (14) Verfahren nach einem von (1) bis (13), wobei zur versetzten Abbildung der im Subpixelbereich versetzt erzeugten gerasterten Masken/Bitmaps in der Bauebene zwecks selektiver Aushärtung der Materialschicht, die bildgebende Projektionseinheit in ihrer Position fest bleibt und die abbildende Optik der Projektionseinheit je versetzter Bitmap so gekippt wird, dass die gewünschte Verschiebung des Bildes in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich erreicht wird.
  • (15) Verfahren nach einem von (1) bis (15), wobei zur versetzten Abbildung der im Subpixelbereich versetzt erzeugten gerasterten Masken/Bitmaps in der Bauebene zwecks selektiver Aushärtung der Materialschicht, die bildgebende Projektionseinheit in ihrer Position fest bleibt und die abbildende Optik der Projektionseinheit je versetzter Bitmap in XY so verschoben wird, dass die gewünschte Verschiebung des Bildes in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich erreicht wird.
  • (16) Verfahren nach einem von (1) bis (15), wobei zur versetzten Abbildung der im Subpixelbereich versetzt erzeugten gerasterten Masken/Bitmaps in der Bauebene zwecks selektiver Aushärtung der Materialschicht, die Projektionseinheit je versetzter Bitmap über Aktuatoren so verkippt wird, dass das Projektionsbild in der Bauebene im entsprechenden Subpixelbereich in X und Y versetzt wird.
  • (17) Verfahren nach einem von (1) bis (16), wobei zur versetzten Abbildung der im Subpixelbereich versetzt erzeugten gerasterten Masken/Bitmaps in der Bauebene zwecks selektiver Aushärtung der Materialschicht, zwischen Projektionseinheit und Bild-/Bauebene eine kardanisch aufgehängte transparente planparallele Platte angeordnet ist, die durch Rotation um zwei Achsen (XY), die sich planparallel zur Bild-/Bauebene befinden, den Projektionsstrahlengang und somit das Bild in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich in X und Y versetzt.
  • (18) Verfahren nach einem von (1) bis (17), wobei zur versetzten Abbildung der im Subpixelbereich versetzt erzeugten gerasterten Masken/Bitmaps in der Bauebene zwecks selektiver Aushärtung der Materialschicht, zwischen Projektionseinheit und Bild-/Bauebene eine transparente planparallele Platte angeordnet ist, die durch Rotation um eine Achse parallel zu einer Pixel-Diagonalen den Projektionsstrahlengang und somit das Bild in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich entlang der orthogonal dazu stehenden Pixeldiagonalen versetzt.
  • (19) Verfahren nach einem von (1) bis (18), wobei zur versetzten Abbildung der im Subpixelbereich versetzt erzeugten gerasterten Masken/Bitmaps in der Bauebene zwecks selektiver Aushärtung der Materialschicht, die Projektionseinheit in ihrer Position fest bleibt und der Projektionsstrahl über einen Spiegel in die Bild-/Bauebene umgelenkt wird, wobei der Umlenkspiegel über eine Verstellmöglichkeit (kardanische Lagerung) verfügt, durch die der Projektionsstrahl je versetzter Bitmap so abgelenkt werden kann, dass in der Bild-/Bauebene eine Verschiebung des Bildes im Subpixelbereich erreicht wird.
  • (20) Verfahren nach einem von (1) bis (19), wobei die projezierte Lichtleistung pro Pixel durch „Graustufen” innerhalb einer Projektionsmaske variiert werden, um so den Aushärtegrad selektiv in einer Schicht zu beeinflussen und so die Lichtleistung der Kontur-Pixel relativ zur Lichtleistung der Flächen-Pixel anzuheben, um die Teilbelichtung aufgrund Teilüberlagerung der Konturpixel durch den Subpixelversatzes der einzelnen Bitmaps im Konturbereich zu kompensieren.
  • (21) Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnentischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Maskenbelichtung, wobei die zum Härten notwendige Strahlung in die Bild-/Bauebene abgebildet wird, wobei die Vorrichtung eine gerasterte bildgebende Einheit zur selektiven Belichtung, die entweder als Zeile oder Matrix ausgebildet ist, aufweist, wobei die bildgebende Einheit das Bild aus einzelnenen Bildpunkten (Pixeln) zusammensetzt und so eine gerasterte Maske (Bitmap) bildet, wobei die Pixel in der Ebene räumlich zueinander fest angeordnet sind, und dass die bildgebende Einheit und/oder eine zwischen bildgebender Einheit und der Bild-/Bauebene vorgesehene, abbildende Optik so ausgestaltet ist/sind, dass eine Abfolge einer Mehrzahl von zueinander im Subpixelbereich versetzten Bildern in der Bild-/Bauebene darstellbar ist, wobei für jedes versetzte Bild eine separate Maske/Bitmap erzeugbar ist.
  • (22) Vorrichtung nach (21), wobei die bildgebende Einheit zur selektiven Belichtung als Matrix ausgebildet ist.
  • (23) Vorrichtung nach (21) oder (22), wobei eine Abfolge von mindestens 2 zueinander im Subpixelbereich versetzten Bildern in der Bild-/Bauebene darstellbar ist.
  • (24) Vorrichtung nach einem von (21) bis (23), wobei es sich bei der bildgebenden Einheit um eine Projektionseinheit handelt.
  • (25) Vorrichtung nach einem von (21) bis (24), wobei es sich bei der bildgebenden Einheit um eine Zeile, insbesondere um eine Matrix mit diskret emittierenden Elementen zur Bilderzeugung handelt.
  • (26) Vorrichtung nach einem von (21) bis (25), wobei die Vorrichtung mit Aktuatoren ausgestattet ist, um die gesamte bildgebende Einheit pro Teilbild planparallel zur Bild-/Bauebene in XY im Subpixelbereich zu verschieben.
  • (27) Vorrichtung nach einem von (21) bis (26), wobei die Vorrichtung mit Aktuatoren ausgestattet ist, die die bildgebende Einheit pro versetzt generierter Bitmap so abwinkeln können, dass die einzelnen versetzt generierten Bitmaps in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich verschoben abgebildet werden.
  • (28) Vorrichtung nach einem von (21) bis (27), wobei zwischen der bildgebenden Einheit und der Bild-/Bauebene als abbildende Optik ein Spiegel angeordnet und kardanisch gelagert und über Aktuatoren so schwenkbar ist, dass der Strahlengang in die Bidlebene umgelenkt wird und die einzelnen versetzt generierten Bitmaps in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich entsprechend verschoben abgebildet werden können.
  • (29) Vorrichtung nach einem von (21) bis (28), wobei zwischen der bildgebenden Einheit und der Bild-/Bauebene als abbildende Optik eine transparente Platte mit zueinander planparallelen Flächen angeordnet ist und mittels einem oder mehrerer Aktuatoren so gekippt werden kann, dass der Strahlengang versetzt wird und die einzelnen versetzt generierten Bitmaps in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich verschoben abgebildet werden.
  • (30) Vorrichtung nach einem von (21) bis (26), wobei die bildgebende Projektionseinheit in ihrer Position fest bleibt und die abbildende Optik in XY im Subpixelbereich der bildgebenden Einheit über Aktuatoren so verschoben werden kann, dass die gewünschte Verschiebung des Bildes in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich erreicht wird.
  • (31) Vorrichtung nach einem von (21) bis (26), wobei die bildgebende Projektionseinheit in ihrer Position fest bleibt und die abbildende Optik über Aktuatoren so gekippt werden kann, dass die gewünschte Verschiebung des Bildes in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich erreicht wird.
Furthermore, the invention relates to the following subjects:
  • (1) A method of manufacturing a three-dimensional object by layer-wise solidifying an electromagnetic-radiation-solidifiable material by mask exposure, the mask being formed by a fixed-resolution imaging unit consisting of a constant number of discrete and spatially fixed imaging members Elements (pixels) is formed, wherein for improving the resolution along the outer and inner contours of the cross-sectional areas of the object to be generated in layers in the subpixel area, a multiple exposure is made per layer, consisting of a sequence of a plurality of mutually subpixel area images in the image - / Construction level, with a separate mask / bitmap is generated for each staggered image.
  • (2) Method according to (1), wherein the imaging unit is formed of a constant number of discrete imaging elements (pixels) arranged in a two-dimensional matrix, spatially fixed to each other.
  • (3) The method according to (1) or (2) wherein a sequence of at least two mutually subpixeled images is performed in the image / build plane, according to the resolution of the imaging unit and taking into account the corresponding subpixel offset.
  • (4) The method of any one of (1) to (3) for generating a bitmap from a cross-sectional area of a three-dimensional object, wherein the cross-sectional area, ie, outer and inner contours, are described by vector trains superimposed on a rasterized area (bitmap) by image processing whose resolution corresponds exactly to the resolution of the discrete elements (pixels) in the imaging unit and thus in the image in the construction plane, wherein the superimposition of vector trains and bitmap takes place in a superordinate XY coordinate system and the active pixels are calculated by a special algorithm to describe the cross-sectional area in the form of a screened mask.
  • (5) The method of any one of (1) to (4), wherein the mask generation of each cross-sectional area of a three-dimensional object occurs in the home position and in different sub-pixel areas in XY offset (shifted) states, and by overlaying those bitmaps For each cross-sectional area, an overall image with increased resolution in the contour area corresponding to the pixel shift is produced.
  • (6) The method of any one of (1) to (5), wherein a bitmap is generated which is offset relative to the cross-sectional area by delta X in the sub-pixel area, thereby resulting in a new distribution of the active pixels.
  • (7) The method of any one of (1) to (5), wherein a bitmap is generated which is offset by delta Y in the sub-pixel area relative to the cross-sectional area, thereby resulting in a new distribution of the active pixels.
  • (8) The method of any one of (1) to (5), wherein a bit map is generated which is offset along the pixel diagonal relative to the cross-sectional area by delta X and delta Y, thereby resulting in a new distribution of the active pixels.
  • (9) The method of any one of (1) to (8), wherein the total exposure of a single layer is the sum of the partial exposures of the sub-pixel shifted masks / bitmaps.
  • (10) The method according to any one of (1) to (9), wherein, depending on the desired resolution enhancement, a multiple of masks or bitmaps having different subpixel offsets can be generated in XY and serially exposed per layer to be cured.
  • (11) The method according to any one of (1) to (10), wherein a simplified resolution enhancement method is achieved by producing only the bitmap of the home position and the diagonal skew bitmap by one-half pixel diagonal and one layer to be cured successively be exposed.
  • (12) The method of any one of (1) to (11), wherein, for offset imaging of the sub-pixel-generated rasterized masks / bitmaps in the build plane for selectively curing the material layer, the imaging unit is skewed per offset bitmap such that the desired one Displacement of the image in the subpixel area in the image / building level is achieved.
  • (13) The method of any one of (1) to (12), wherein, for offset mapping of the subpixel area generated rasterized masks / bitmaps in the build plane for selectively curing the material layer, the imaging unit for each offset bitmap around the corresponding subpixel area in X and Y. So plane parallel to the image / construction level, is moved.
  • (14) The method according to any one of (1) to (13), wherein for offset imaging of the subpixel area generated rasterized masks / bitmaps in the building plane for selective curing of the material layer, the imaging projection unit remains fixed in position and the imaging optics of Projection unit per offset bitmap is tilted so that the desired shift of the image in the image / construction level in the subpixel area is achieved.
  • (15) The method according to any one of (1) to (15), wherein for offset imaging of the subpixel area generated rasterized masks / bitmaps in the building plane for selective curing of the material layer, the imaging projection unit remains fixed in position and the imaging optics of Projection unit per offset bitmap in XY is shifted so that the desired shift of the image in the image / construction level in the subpixel area is achieved.
  • (16) Method according to one of (1) to (15), wherein for the offset imaging of the subpixel area generated rasterized masks / bitmaps in the building plane for selective hardening of the material layer, the projection unit is tilted per offset bitmap via actuators such that the Projection image in the building level in the corresponding subpixel area in X and Y is offset.
  • (17) The method according to any one of (1) to (16), wherein for staggered imaging of the subpixel area generated screened masks / bitmaps in the building plane for selective curing of the material layer, between the projection unit and image / building level a gimbaled transparent plane-parallel plate arranged by rotation about two axes (XY), which are plane-parallel to the image / construction plane, the projection beam path and thus the image in the image / build level in the subpixel area in X and Y offset.
  • (18) Method according to one of (1) to (17), wherein a transparent plane-parallel plate is arranged for offset imaging of the subpixel area generated screened masks / bitmaps in the building plane for selective curing of the material layer between projection unit and image / building level which, by rotation about an axis parallel to a pixel diagonal, displaces the projection beam path and thus the image in the image / build plane in the subpixel area along the orthogonal pixel diagonals.
  • (19) The method according to any one of (1) to (18), wherein for offset imaging of the subpixel area generated rasterized masks / bitmaps in the building plane for selective curing of the material layer, the projection unit remains fixed in position and the projection beam via a mirror is deflected into the image / construction plane, wherein the deflection mirror has an adjustment (gimbal storage) by which the projection beam for each offset bitmap can be deflected so that in the image / building level, a shift of the image in the subpixel area is achieved.
  • (20) The method of any one of (1) to (19), wherein the projected light output per pixel is varied by "gray levels" within a projection mask so as to selectively influence the degree of cure in a layer, and thus relative to the light output of the contour pixels to increase the light output of the area pixels to compensate for the partial exposure due to partial overlay of the contour pixels by the Subpixelversatzes the individual bitmaps in the contour area.
  • (21) A device for producing a three-dimensional object by layer-wise solidifying a material which can be solidified by the action of electromagnetic radiation by means of mask exposure, wherein the radiation necessary for hardening is imaged in the image / building plane, the device comprising a screened imaging unit for selective exposure, which is formed either as a row or matrix, wherein the imaging unit the image of individual pixels (pixels) composed, thus forming a screened mask (bitmap), wherein the pixels in the plane are spatially fixed to each other, and that the imaging Unit and / or a provided between the imaging unit and the image / building level, imaging optics is / are configured such that a sequence of a plurality of mutually subpixel area offset images in the image / construction level can be displayed, wherein for each staggered image separate mask / bitmap can be generated.
  • (22) The device according to (21), wherein the selective exposure imaging unit is formed as a matrix.
  • (23) Device according to (21) or (22), wherein a sequence of at least two images offset in the sub-pixel range in the image / construction plane can be represented.
  • (24) The device according to any one of (21) to (23), wherein the imaging unit is a projection unit.
  • (25) The device according to any one of (21) to (24), wherein the imaging unit is a line, in particular a matrix with discrete emitting imaging elements.
  • (26) The apparatus of any one of (21) to (25), wherein the apparatus is provided with actuators to shift the entire imaging unit per subpicture plane-parallel to the image / build plane in XY in the sub-pixel area.
  • (27) The device of any one of (21) to (26), wherein the device is provided with actuators that can angle the imaging unit per offset generated bitmap such that the individual offset generated bitmaps in the image / build plane are shifted in the subpixel area be imaged.
  • (28) Device according to one of (21) to (27), wherein between the imaging unit and the image / construction level as imaging optics arranged a mirror and gimbaled and is pivotable via actuators so that the beam path is deflected into the Bidlebene and the individual offset-generated bitmaps in the image / build level in the subpixel area can be mapped accordingly.
  • (29) The device according to any one of (21) to (28), wherein between the imaging unit and the image / building level as imaging optics, a transparent plate is arranged with planes parallel to each other and can be tilted by one or more actuators such that the beam path is offset and the individual offset-generated bitmaps are displayed in the image / build plane shifted in the subpixel area.
  • (30) The device according to any one of (21) to (26), wherein the imaging projection unit remains fixed in position and the imaging optics in XY in the subpixel area of the imaging unit can be shifted via actuators such that the desired displacement of the image in the Image / construction level in the subpixel area is achieved.
  • (31) The device according to any one of (21) to (26), wherein the imaging projection unit remains fixed in position and the imaging optics can be tilted via actuators such that the desired displacement of the image in the image / construction plane in the subpixel area is reached becomes.

Beschreibung der Erfindung und deren Vorteile Description of the invention and its advantages

Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Auflösung in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich mittels „Pixel-Shift” verbessert. Insbesondere handelt es sich bei der Erfindung um ein schichtweises Verfestigen zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile bzw. Körper durch Materialverfestigung (speziell durch Photopolymerisation) mittels Maskenprojektion, und nicht um eine herkömmliche schichtweise Verfestigung mittels (linearer) Scantechnik. Dies kann erfindungsgemäß sehr effektiv und vorteilhaft durch die Anwendung eines zweidimensional festgelegten Arrays als bildgebendem Element ausgeführt werden, bei dem Rasterung und/oder Auflösung fest vorgegeben ist/sind, z. B. durch ein fixes Mikrospiegel-Array.The method according to the invention and the device according to the invention improve the resolution in the image / build plane in the subpixel area by means of "pixel shift". In particular, the invention is a layer-by-layer solidification for producing three-dimensional components or bodies by material consolidation (especially by photopolymerization) by means of mask projection, and not by a conventional layer-wise solidification by means of (linear) scanning technique. This can be carried out according to the invention very effectively and advantageously by the application of a two-dimensionally fixed array as an imaging element, in which screening and / or resolution is fixed / are fixed, z. B. by a fixed micromirror array.

Im Vergleich zur Scan-Technik, bei Canon als VAROS (Variable Refraction Optical System) und bei Epson als „Double-CCD” bezeichnet, wird das Prinzip, dem Einlesen und Überlagern von im Subpixel-Bereich zueinander versetzter Bilder, in dieser Efindung für gerasterte bildgebende Verfahren im Rapid Prototyping eingesetzt.Compared to the scanning technique, referred to as VAROS (Variable Refraction Optical System) at Canon and as "Double-CCD" at Epson, the principle of reading and superimposing images offset in the subpixel range in this invention is for rasterized Imaging techniques used in rapid prototyping.

Die Auflösung bzw. die Anzahl der Bildpunkte der gerasterten, bildgebenden Einheit selbst muß nicht erhöht werden, um eine Verbesserung der Auflösung in der Bauebene zu erreichen.The resolution or the number of pixels of the screened imaging unit itself need not be increased in order to achieve an improvement in the resolution at the construction level.

Zur Erhöhung der Auflösung erfolgt die Belichtung nicht in nebeneinander angeordneten entsprechend verkleinerten Teilflächen, wodurch sich die Bau-/Belichtungszeit der Gesamtfläche um die Anzahl der Teilflächen erhöhen würde, sondern die Projektion/Belichtung erfolgt über die gesamte Baufläche.To increase the resolution, the exposure does not take place in adjacently arranged correspondingly reduced partial areas, whereby the construction / exposure time of the total area would increase by the number of partial areas, but the projection / exposure takes place over the entire building area.

Dadurch dass eine Überlagerung der im Subpixel-Bereich zueinander versetzten Bilder stattfindet erhöht sich die Bau-/Belichtungszeit der Gesamtfläche nur unwesentlich.The fact that a superimposition of the subpixel area offset images takes place increases the construction / exposure time of the total area only insignificantly.

Der Grad der Auflösungsverbesserung in der Bauebene ist frei wählbar.The degree of resolution improvement in the construction level is freely selectable.

Beschreibung der Zeichnungen und der bevorzugten Ausführungsformen der ErfindungDescription of the drawings and preferred embodiments of the invention

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und nicht einschränkend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The present invention will now be described by way of example and not limitation with reference to the drawings.

1 zeigt schematisch eine grundsätzliche Vorrichtung zur Generierung eines dreidimensionalen Objekts 3 durch schichtweise Aushärtung eines photohärtenden Materials 4 mittels Maskenprojektion 8, wobei sich die Projektionseinheit 1 mit einer abbildenden Optik 2 oberhalb des Beckens 6, gefüllt mit photohärtendem Material 4, befindet und das Objekt 3 schichtweise auf einer Trägerplatte 5 aushärtet, die innerhalb des Beckens 6 in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Bei einem auf Photohärtung basierenden Verfahren mittels Maskenbelichtung wird die zum Härten notwendige Strahlung in die Bild-/Bauebene 7 projiziert. Die Belichtung wird mit Hilfe einer gerasterten bildgebenden Einheit ausgeführt, die als Matrix ausgebildet ist. Das Bild setzt sich dabei aus einzelnenen Bildpunkten (Pixeln) zusammen und bildet so eine gerasterte Maske (Bitmap), wobei die Pixel in der Ebene räumlich zueinander fest angeordnet sind. 1 schematically shows a basic device for generating a three-dimensional object 3 by layerwise curing of a photocuring material 4 using mask projection 8th , where the projection unit 1 with an imaging optic 2 above the basin 6 , filled with photohardening material 4 , located and the object 3 layer by layer on a carrier plate 5 hardens within the pelvis 6 can be moved in the vertical direction. In a photosetting based method by mask exposure, the radiation necessary for curing becomes the image / build plane 7 projected. The exposure is carried out with the aid of a screened imaging unit which is designed as a matrix. The image is composed of individual pixels (pixels) and thus forms a screened mask (bitmap), wherein the pixels in the plane are spatially fixed to each other.

8–12 zeigen an einem einfachen Beispiel das Prinzip der Maskengenerierung (Bitmapping) einer Querschnittsfläche eines dreidimensionalen Objektes in der Ausgangspostion (8) und in unterschiedlichen, im Subpixelbereich versetzten (geshifteten) Zuständen der Bitmap (9–11), sowie die Überlagerung sämtlicher Bitmaps (12). 8th - 12 show a simple example of the principle of mask generation (bit mapping) of a cross-sectional area of a three-dimensional object in the starting position (FIG. 8th ) and in different, sub-pixel offset (shifted) states of the bitmap ( 9 - 11 ), as well as the overlay of all bitmaps ( 12 ).

Die Querschnittsfläche, d. h. Außen- und Innenkonturen, wird durch einen Vektorzug 11 beschrieben, der von einer gerasterten Fläche (Bitmap) 12 überlagert wird, deren Auflösung exakt der Auflösung der diskreten Elemente (Pixel) im projizierten Bild 8 entspricht, welches durch die bildgebende Matrix erzeugt wird. Vektorzug 11 und Bitmap 12 befinden sich dabei in einem übergeordneten XY-Koordinatensystem 10. 8 zeigt die Bitmap in ihrer Ausgangsposition. Durch einen speziellen Algorithmus werden die aktiven Pixel 13 berechnet, die in der Bitmap 12 in der Ausgangsposition die Querschnittsfläche beschreiben.The cross-sectional area, ie outer and inner contours, is determined by a vector train 11 described by a rasterized area (bitmap) 12 whose resolution is exactly the resolution of the discrete elements (pixels) in the projected image 8th corresponds, which is generated by the imaging matrix. vector line 11 and bitmap 12 are located in a higher-level XY coordinate system 10 , 8th shows the bitmap in its home position. Through a special algorithm, the active pixels become 13 calculated in the bitmap 12 describe the cross-sectional area in the starting position.

In 9 wurde die Bitmap 14 relativ zur Querschnittsfläche um Delta X im Subpixelbereich versetzt, wodurch sich eine neue Verteilung der aktiven Pixel 15 ergibt.In 9 became the bitmap 14 offset relative to the cross-sectional area by delta X in the sub-pixel area, resulting in a new distribution of active pixels 15 results.

10 zeigt einen Versatz der Bitmap 16 relativ zur Querschnittsfläche um Delta Y mit den aktiven Pixeln 17. 10 shows an offset of the bitmap 16 relative to the cross-sectional area around delta Y with the active pixels 17 ,

11 zeigt einen Diagonal-Versatz der Bitmap 18 relativ zur Querschnittsfläche Delta X und Delta Y mit den aktiven Pixeln 19. 11 shows a diagonal offset of the bitmap 18 relative to the cross-sectional area Delta X and Delta Y with the active pixels 19 ,

In 12 sind alle Bitmaps 12, 14, 16 und 18 mit ihren aktiven Pixeln 13, 15, 17 und 19 überlagert dargestellt, wobei eindeutig eine Auflösungsverbesserung im (Aussen-)Konturbereich der Querschnittsfläche zu erkennen ist.In 12 are all bitmaps 12 . 14 . 16 and 18 with their active pixels 13 . 15 . 17 and 19 superimposed represented, where clearly a resolution improvement in the (outer) contour region of the cross-sectional area can be seen.

Ein vereinfachtes Verfahren zur Auflösungsverbesserung wird dadurch erreicht, indem nur die Bitmap 12 der Ausgangsposition (8) und die Bitmap 18 des Diagonal-Versatzes (11) überlagert werden. In diesem Fall muss die Bitmap, bzw. das Bild nur in eine Richtung entlang der Pixel-Diagonalen geshiftet werden.A simplified method of resolution enhancement is achieved by using only the bitmap 12 the starting position ( 8th ) and the bitmap 18 of the diagonal offset ( 11 ) are superimposed. In this case, the bitmap or the image only has to be moved in one direction along the pixel diagonal.

Je nach gewünschter Auflösungsverbesserung kann für jede Objektschicht ein Mehr- bzw. Vielfaches (mindestens zweifach) an Masken bzw. Bitmaps mit unterschiedlichem Subpixelversatz generiert und überlagert werden.Depending on the desired resolution improvement, a multiple or multiple (at least twice) of masks or bitmaps with different subpixel offset can be generated and superimposed for each object layer.

Durch eine unterschiedlich versetzte und überlagerte Belichtung jeder Objekt-/Materialschicht (hier mittels der Bitmaps 12, 14, 16, 18) wird eine Auflösungsverbesserung in XY im Bereich der Außen- und Innenkonturen erzielt. Um die jeweilige Subpixel-Verschiebung des Bildes in der Bauebene zu erreichen, werden im folgenden unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben:

  • 1) In 2 wird die bildgebende Einheit 1 je versetzter Bitmap so gekippt, dass die gewünschte Verschiebung des Bildes im Subpixelbereich in der Bild-/Bauebene erreicht wird.
  • 2) In 3 wird die bildgebende Einheit 1 je versetzter Bitmap um den entsprechenden Subpixelbereich in X und Y, also planparallel zur Bild-/Bauebene durch Aktuatoren versetzt.
  • 3) In 4 bleibt die bildgebende Projektionseinheit in ihrer Position fest. Die abbildende Optik 2 wird je versetzter Bitmap so gekippt, dass die gewünschte Verschiebung des Bildes in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich erreicht wird.
  • 4) In 5 bleibt die bildgebende Projektionseinheit in ihrer Position fest. Die abbildende Optik 2 wird je versetzter Bitmap in XY so verschoben, dass die gewünschte Verschiebung des Bildes in der Bild-/Bauebene im Subpixelbereich erreicht wird.
  • 5) Sonderfall für Abbildungen mit bildseitig telezentrischen Strahlengang, bildseitig annähernd telezentrischen Strahlengang und Teleobjektiven mit langer Brennweite, um die optischen Fehler (Winkelfehler, Verzeichnung) klein zu halten: a) In 5 wird die Projektionseinheit 1 je versetzter Bitmap über Aktuatoren so verkippt, dass das Projektionsbild 8 in der Bild-/Bauebene 7 im entsprechenden Subpixelbereich in X und Y versetzt wird. b) In 6 ist zwischen Projektionseinheit 1 und Bild-/Bauebene 7 eine kardanisch aufgehängte transparente planparallele Platte 9 (Glasplatte) angeordnet, die durch Rotation um zwei Achsen (XY), die sich planparallel zur Bild-/Bauebene befinden, den Projektionsstrahlengang 8 und somit das Bild in der Bild-/Bauebene 7 im Subpixelbereich in X und Y versetzt. c) In 7 bleibt die Projektionseinheit 1 in ihrer Position fest. Der Projektionsstrahl 8 wird über einen Spiegel 10 in die Bild-/Bauebene 7 umgelenkt. Der Umlenkspiegel 10 verfügt über eine Verstellmöglichkeit (kardanische Lagerung), durch die der Projektionsstrahl je versetzter Bitmap so abgelenkt werden kann, dass in der Bild-/Bauebene 7 eine Verschiebung des Bildes im Subpixelbereich erreicht wird.
By a different offset and superimposed exposure of each object / material layer (here by means of the bitmaps 12 . 14 . 16 . 18 ), a resolution improvement in XY is achieved in the area of the outer and inner contours. In order to achieve the respective subpixel shift of the image in the construction plane, different embodiments are described below:
  • 1) In 2 becomes the imaging unit 1 each staggered bitmap tilted so that the desired shift of the image in the subpixel area in the image / building level is achieved.
  • 2) In 3 becomes the imaging unit 1 each staggered bitmap is offset by the corresponding subpixel area in X and Y, ie plane-parallel to the image / construction plane by actuators.
  • 3) In 4 the imaging projection unit remains fixed in position. The imaging optics 2 each offset bitmap is tilted so that the desired shift of the image in the image / construction level in the subpixel area is achieved.
  • 4) In 5 the imaging projection unit remains fixed in position. The imaging optics 2 For each staggered bitmap in XY, the desired shift of the image in the image / build level in the subpixel area is achieved.
  • 5) Special case for images with a telecentric beam path on the image side, approximately telecentric beam path on the image side and long focal length telephoto lenses in order to minimize the optical errors (angle error, distortion): a) In 5 becomes the projection unit 1 each offset bitmap about actuators so tilted that the projection image 8th in the picture / construction level 7 in the corresponding subpixel area in X and Y is offset. b) In 6 is between projection unit 1 and picture / construction level 7 a gimbaled transparent plane-parallel plate 9 (Glass plate) arranged by rotation about two axes (XY), which are plane-parallel to the image / plane, the projection beam path 8th and thus the picture in the picture / building level 7 offset in the subpixel area in X and Y. c) In 7 remains the projection unit 1 in their position. The projection beam 8th will be over a mirror 10 into the picture / building level 7 diverted. The deflection mirror 10 has an adjustment (cardanic storage), by which the projection beam can be deflected for each staggered bitmap in such a way that in the image / building level 7 a shift of the image in the subpixel area is achieved.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen 1) bis 5) bzw. a) bis c) können einzeln verwirklicht oder miteinander kombiniert werden.The above-described embodiments 1) to 5) and a) to c) can be realized individually or combined with each other.

Die für die Maskenprojektion notwendigen Bitmaps jeder einzelnen Schicht werden aus Schichtdaten erzeugt, in denen die Außen- und Innenkonturen des jeweiligen Objektquerschnitts in Vektorzügen dargestellt sind (wie z. B. im Datenformat CLI definiert).The bitmaps of each individual layer required for the mask projection are generated from layer data in which the outer and inner contours of the respective object cross section are represented in vector trains (as defined, for example, in the data format CLI).

Hierzu wird eine spezielle SW verwendet, welche die Umrechnung der Vektorgrafiken in das Bitmap-Format (Bitmapping) ausführt.For this purpose, a special SW is used, which performs the conversion of the vector graphics in the bitmap format (bit mapping).

Für jeden Subpixelversatz in XY wird eine separate Bitmap erzeugt, indem die XY-Koordinaten der Vektoren (für Außen- und Innenkonturen) der Schichtdaten mit dem jeweiligen Versatz-Offset in XY (im Subpixelbereich) transformiert und über das Bitmap-Raster gelegt werden und so eine neue Verteilung der aktiven Pixel je Versatz errechnet wird.For each subpixel offset in XY, a separate bitmap is generated by transforming the XY coordinates of the vectors (for outer and inner contours) of the layer data with the respective offset offset in XY (in the subpixel area) and overlaying the bitmap raster, and so on a new distribution of active pixels per offset is calculated.

Die projezierte Lichtleistung pro Pixel kann durch „Graustufen” innerhalb einer Projektionsmaske variiert werden, um so den Aushärtegrad selektiv in einer Schicht zu beeinflussen. Dies ist insbesondere sinnvoll, um Lichtleistung der Kontur-Pixel anzuheben, da sich hier aufgrund des Subpixelversatzes der einzelnen Bitmaps nur Teilüberlagerungen der jeweiligen Kontur-Pixel ergeben (in den Flächen innerhalb der Konturen ist eine vollständige Überlappung der Pixel der einzelnen Bitmaps gewährleistet).The projected light output per pixel can be varied by "gray levels" within a projection mask so as to selectively influence the degree of cure in a layer. This is particularly useful in order to increase the light output of the contour pixels, since due to the subpixel offset of the individual bitmaps only partial overlays of the respective contour pixels result (in the areas within the contours a complete overlapping of the pixels of the individual bitmaps is ensured).

Bei der Projektion/Überlagerung der um Subpixel versetzten Schichtbilder kann durch Überlagern von Graustufen insbesondere entlang der Konturen der projezierten Flächenstruktur eine nahezu homogene Verteilung der Lichtleistung bzw. der Belichtungsintensität über die Summe der Graustufenmasken erzielt werden.In the projection / superimposition of the subpixel staggered slice images, by superimposing gray levels, in particular along the contours of the projected area structure, an almost homogeneous distribution of the light output or the exposure intensity over the sum of the gray scale masks can be achieved.

Claims (16)

Verfahren zur Generierung einer Bitmap bezüglich einer Querschnittsfläche eines durch Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnentischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Maskenbelichtung über eine bildgebende Einheit herzustellenden dreidimensionalen Objektes, wobei die Querschnittsfläche, d. h. Außen- und Innenkonturen, durch Vektorzüge beschrieben werden, die bildverarbeitungstechnisch einer gerasterten Fläche oder Bitmap überlagert werden, deren Auflösung exakt der Auflösung der diskreten Elemente oder Pixel in der bildgebenden Einheit entspricht, wobei die Überlagerung von Vektorzügen und Bitmap in einem übergeordneten XY-Koordinatensystem erfolgt und durch einen Algorithmus die aktiven Pixel berechnet werden, um die Querschnittsfläche in Form einer gerasterten Maske zu beschreiben.A method for generating a bitmap with respect to a cross-sectional area of a three-dimensional object to be solidified by solidification of an electromagnetic radiation-solidifiable material by mask exposure, wherein the cross-sectional area, ie outer and inner contours, are described by vector trains, the image processing technique of a screened area or bitmap superimposed whose resolution is exactly the resolution of the discrete elements or pixels in the imaging unit, where the superimposition of vector trains and bitmap in a parent XY coordinate system is performed and an algorithm calculates the active pixels to describe the cross-sectional area in the form of a screened mask. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskengenerierung oder das Bitmapping einer jeden Querschnittsfläche eines herzustellenden dreidimensionalen Objektes in der Ausgangspostion und in unterschiedlichen, in XY versetzten Zuständen erfolgt und durch Überlagerung dieser Bitmaps pro Querschnittsfläche ein Gesamtbild mit entsprechend dem Pixelversatz erhöhten Auflösung im Konturbereich entsteht.A method according to claim 1, characterized in that the mask generation or the bit mapping of each cross-sectional area of a three-dimensional object to be produced in the Ausgangspostion and in different, staggered in XY states and by overlaying these bitmaps per cross-sectional area an overall image with increased pixel offset corresponding resolution in the contour area arises. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bitmap erzeugt wird, die relativ zur Querschnittsfläche um Delta X und/oder um Delta Y im Subpixelbereich versetzt ist, wodurch sich eine neue Verteilung der aktiven Pixel ergibt.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that a bitmap is generated which is offset relative to the cross-sectional area by delta X and / or by delta Y in the subpixel area, resulting in a new distribution of the active pixels. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gesamtbelichtung pro Querschnittsfläche aus der Summe von Teilbelichtungen von im Subpixelbereich versetzten Masken oder Bitmaps ergibt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the total exposure per cross-sectional area results from the sum of partial exposures of sub-pixel offset masks or bitmaps. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei je nach gewünschter Auflösungsverbesserung für jede Querschnittsfläche ein Vielfaches an Masken oder Bitmaps mit unterschiedlichem Pixelversatz in XY generiert wird, und wobei mit dem Vielfachen an Masken oder Bitmaps pro Querschnittsfläche seriell belichtet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein depending on the desired resolution improvement for each cross-sectional area a multiple of masks or bitmaps with different pixel offset in XY is generated, and wherein the multiple of masks or bitmaps per cross-sectional area is serially exposed. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein vereinfachtes Verfahren zur Auflösungsverbesserung erreicht wird, indem nur die Bitmap der Ausgangsposition und die Bitmap eines Diagonal-Versatzes entlang der Pixel-Diagonalen erzeugt und pro Querschnittsfläche nacheinander belichtet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a simplified method for resolution improvement is achieved by generating only the bitmap of the starting position and the bitmap of a diagonal offset along the pixel diagonal and exposed successively per cross-sectional area. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitmap des Diagonal-Versatzes um eine halbe Pixel-Diagonale versetzt erzeugt wird.Method according to Claim 6, characterized in that the bitmap of the diagonal offset is generated offset by half a pixel diagonal. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei pro Querschnittsfläche eine Mehrzahl von zueinander im Subpixelbereich versetzten Bildern in der Bild- oder Bauebene gebildet werden, wobei für jedes versetzte Bild eine separate Maske oder Bitmap erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein for each cross-sectional area a plurality of subpixel offset images are formed in the image or construction plane, a separate mask or bitmap being generated for each displaced image. Verfahren zur Generierung einer Bitmap bezüglich einer Querschnittsfläche eines durch Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Maskenbelichtung über eine bildgebende Einheit herzustellenden dreidimensionalen Objektes, wobei eine gerasterte Fläche oder Bitmap erzeugt wird, deren Auflösung exakt der Auflösung der diskreten Elemente oder Pixel in der bildgebenden Einheit entspricht, wobei die erzeugte gerasterte Fläche oder Bitmap die projizierte Leistung der elektromagnetischen Strahlung pro Pixel durch Graustufen innerhalb einer Projektionsmaske so variiert, dass die Leistung der elektromagnetischen Strahlung von Kontur-Pixeln relativ zur Leistung der elektromagnetischen Strahlung von Flächen-Pixeln angehoben ist.A method for generating a bitmap with respect to a cross-sectional area of a three-dimensional object to be formed by solidifying an electromagnetic radiation-solidifiable material by mask exposure, thereby producing a screened area or bitmap whose resolution is exactly the resolution of the discrete elements or pixels in the imaging unit, wherein the generated rasterized area or bitmap varies the projected power of the electromagnetic radiation per pixel by gray levels within a projection mask such that the power of the electromagnetic radiation is increased from contour pixels relative to the power of the electromagnetic radiation of area pixels , Verfahren nach Anspruch 9, wobei bei einer Projektion oder Überlagerung von um Subpixel versetzten Schichtbildern durch Überlagern von Graustufen, insbesondere entlang der Konturen der projizierten Flächenstruktur, eine nahezu homogene Verteilung der Leistung der elektromagnetischen Strahlung oder der Belichtungsintensität über die Summe der Graustufenmasken erzielt wird.The method of claim 9, wherein in a projection or superimposition of subpixel offset layer images by superimposing gray levels, in particular along the contours of the projected area structure, a nearly homogeneous distribution of the power of the electromagnetic radiation or the exposure intensity over the sum of the gray level masks is achieved. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die erzeugte gerasterte Fläche oder Bitmap die projizierte Leistung durch Graustufen innerhalb einer Projektionsmaske so variiert, dass der Aushärtegrad in einer Schicht selektiv beeinflußt wird.The method of claim 9 or 10, wherein the generated rasterized area or bitmap varies the projected power by gray levels within a projection mask so as to selectively affect the degree of cure in a layer. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Maskenbelichtung, wobei die zum Härten notwendige Strahlung in eine Bild- oder Bauebene abgebildet wird, wobei die Vorrichtung eine gerasterte bildgebende Einheit zur selektiven Belichtung, die entweder als Zeile oder Matrix ausgebildet ist, aufweist, wobei die bildgebende Einheit das Bild aus einzelnen Bildpunkten oder Pixeln zusammensetzt und so eine gerasterte Maske oder Bitmap bildet, wobei die Pixel in der Ebene räumlich zueinander fest angeordnet sind, wobei die Vorrichtung darauf angepaßt ist, daß eine Querschnittsfläche, d. h. Außen- und Innenkonturen des dreidimensionalen Objekts, durch Vektorzüge beschrieben wird, die bildverarbeitungstechnisch einer gerasterten Fläche oder Bitmap überlagert werden, deren Auflösung exakt der Auflösung der diskreten Elemente oder Pixel in der bildgebenden Einheit entspricht, wobei die Überlagerung von Vektorzügen und Bitmap in einem übergeordneten XY-Koordinatensystem erfolgt und durch einen Algorithmus die aktiven Pixel berechnet werden, um die Querschnittsfläche in Form einer gerasterten Maske zu beschreiben.Device for producing a three-dimensional object by solidifying a material which can be solidified by the action of electromagnetic radiation by means of mask exposure, the radiation required for hardening being imaged in an image or building plane, the device comprising a screened imaging unit for selective exposure, formed either as a row or a matrix, wherein the imaging unit composes the image from individual pixels or pixels and thus forms a screened mask or bitmap, wherein the pixels in the plane are spatially fixed relative to each other, the device being adapted to have a cross-sectional area, i. H. Outline and interior contours of the three-dimensional object, is described by vector trains, the image processing technically superimposed on a rasterized area or bitmap whose resolution corresponds exactly to the resolution of the discrete elements or pixels in the imaging unit, wherein the superposition of vector trains and bitmap in a parent XY Coordinate system is performed and an algorithm calculates the active pixels to describe the cross-sectional area in the form of a screened mask. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes gemäß Anspruch 13, wobei die bildgebende Einheit und/oder eine zwischen bildgebender Einheit und der Bild- oder Bauebene vorgesehene, abbildende Optik so ausgestaltet ist/sind, dass eine Abfolge einer Mehrzahl von zueinander im Pixelbereich versetzten Bildern in der Bild- oder Bauebene darstellbar ist, wobei für jeden Pixelversatz in XY eine separate Bitmap erzeugbar ist, indem die XY-Koordinaten der Vektoren mit dem jeweiligen Versatz-Offset in XY transformiert und über das Bitmap-Raster gelegt werden und so eine neue Verteilung der aktiven Pixel je Versatz errechnet wird.A device for producing a three-dimensional object according to claim 13, wherein the imaging unit and / or an intermediate imaging unit and the image or construction plane provided, imaging optics is / are designed such that a sequence of a plurality of mutually offset in the pixel area images in the image or construction level can be displayed, for each pixel offset in XY a separate bitmap can be generated, by transforming the XY coordinates of the vectors with the respective offset offset in XY and superimposing them over the bitmap raster, thus calculating a new distribution of the active pixels per offset. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch Verfestigen eines, unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials mittels Maskenbelichtung, wobei die zum Härten notwendige Strahlung in eine Bild- oder Bauebene abgebildet wird, wobei die Vorrichtung eine gerasterte bildgebende Einheit zur selektiven Belichtung, die entweder als Zeile oder Matrix ausgebildet ist, aufweist, wobei die bildgebende Einheit das Bild aus einzelnen Bildpunkten oder Pixeln zusammensetzt und so eine gerasterte Maske oder Bitmap bildet, wobei die Pixel in der Ebene räumlich zueinander fest angeordnet sind, wobei die Vorrichtung darauf angepaßt ist, eine gerasterte Fläche oder Bitmap zu erzeugen, deren Auflösung exakt der Auflösung der diskreten Elemente oder Pixel in der bildgebenden Einheit entspricht, wobei die erzeugte gerasterte Fläche oder Bitmap die projizierte Leistung der elektromagnetischen Strahlung pro Pixel durch Graustufen innerhalb einer Projektionsmaske so variiert, dass die Leistung der elektromagnetischen Strahlung von Kontur-Pixeln relativ zur Leistung der elektromagnetischen Strahlung von Flächen-Pixeln angehoben ist.Device for producing a three-dimensional object by solidifying a material which can be solidified by the action of electromagnetic radiation by means of mask exposure, the radiation required for hardening being imaged in an image or building plane, the device comprising a screened imaging unit for selective exposure, formed either as a row or a matrix, wherein the imaging unit composes the image from individual pixels or pixels and thus forms a screened mask or bitmap, wherein the pixels in the plane are spatially fixed relative to each other, the apparatus being adapted to produce a screened area or bitmap whose resolution corresponds exactly to the resolution of the discrete elements or pixels in the imaging unit, the generated screened area or bitmap representing the projected power of the electromagnetic radiation per pixel by gray levels within a pixel Projection mask varies so that the power of the electromagnetic radiation of contour pixels is raised relative to the power of the electromagnetic radiation of area pixels. Vorrichtung nach Anspruch 15, die darauf angepaßt ist, bei einer Projektion oder Überlagerung von um Subpixel versetzten Schichtbildern durch Überlagern von Graustufen, insbesondere entlang der Konturen der projizierten Flächenstruktur, eine nahezu homogene Verteilung der Leistung der elektromagnetischen Strahlung oder der Belichtungsintensität über die Summe der Graustufenmasken zu erzielen.The apparatus of claim 15, adapted to project or superimpose subpixel staggered slices by superimposing grayscale, in particular along the contours of the projected area pattern, a nearly homogeneous distribution of the power of the electromagnetic radiation or the exposure intensity over the sum of the gray scale masks to achieve. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, die darauf angepaßt ist, durch die erzeugte gerasterte Fläche oder Bitmap die projizierte Leistung durch Graustufen innerhalb einer Projektionsmaske so zu variieren, dass der Aushärtegrad in einer Schicht selektiv beeinflußbar ist.Apparatus according to claim 15 or 16, adapted to vary the projected power by grayscale within a projection mask through the generated screened area or bitmap such that the degree of cure in a layer is selectively controllable.
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