專利名稱：用于制作三維物體的方法和自由制造系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過使可固化材料固化來制作至少一個三維物體的方法和裝置。 該方法和裝置特別適用于通過改進的邊界控制來制作和提供三維物體。
背景技術：
已知的通過使可固化材料固化來制作至少一個三維物體的方法和裝置有時 被稱為快速成型(prototyping)和制造技術，有時，它們被更具體地稱為立體光刻 (stereolithography)、激光燒結、熔融沉積成型、選擇性光調制等，但并不限于這些。以下， 將該領域的方法、裝置和系統共同稱為“自由制造”。例如，EP1849587A1公開了一種用于制作三維物體的方法和裝置，該方法和裝置采 用能夠選擇性地調整和/或控制經由灰度級和/或顏色級輸入到體素(voxel)矩陣中的能 量的計算機單元、IC和/或軟件實現。特別是在提供通過自由制造形成的特定屬性例如較高的強度的三維物體的情形 下，將被固化的材料可包括填料和粘合劑。

發明內容
本發明的目的是提供一種特別是當將被固化的材料包括填料和粘合劑時能夠制 作更高尺寸精度的三維物體的方法和裝置，并且該方法和裝置的可靠性得到進一步改進。根據一方面，本發明提供一種用于制作至少一個三維物體的方法，該方法包括提 供將被固化的材料；按圖案或圖像將電磁輻射和/或增效(synergistic)激勵傳遞到構建 區域以用于對所述材料進行固化；其中，對所述將被固化的材料的限定面積或體積選擇性 地執行所述電磁輻射和/或增效激勵的傳遞；以及其中，在所述圖案或圖像的邊界區域中 對電磁輻射和/或增效激勵的能量密度進行控制和/或調整、以及/或者在所述材料的不 同構建區域的圖案或圖像的邊界區域中改變電磁輻射和/或增效激勵的能量密度以使具 有不同于除所述邊界區域之外的構建區域的能量密度，其中，控制和/或調整單獨或者組 合地依賴于(a)傳遞給所述將被固化的材料的限定面積或體積的電磁輻射和/或增效激勵的 強度；(b)所述將被固化的材料的限定面積或體積的總形狀或輪廓形狀；(c)所述將被固化的材料的限定面積或體積的尺寸；和(d)將被固化的材料。同樣，本發明還提供一種自由制造系統，該自由制造系統包括將被固化的材料； 能夠按圖案或圖像將電磁輻射和/或增效激勵傳遞到構建區域以用于對所述材料進行固 化的電磁輻射和/或增效激勵傳遞裝置；其中，所述電磁輻射和/或增效激勵傳遞裝置被設 計為選擇性地將電磁輻射和/或增效激勵傳遞到所述將被固化的材料的限定面積或體積； 以及其中，所述自由制造系統還包括控制單元，該控制單元適于分別單獨或者組合地根據
7以下項對從所述圖案或圖像的邊界區域或者所述材料的不同構建區域的圖案或圖像的邊 界區域傳遞的電磁輻射和/或增效激勵進行控制以采用不同于除所述邊界區域之外的區 域的能量密度(a)傳遞到所述將被固化的材料的限定面積或體積的電磁輻射和/或增效激勵的 強度；(b)所述將被固化的材料的限定面積或體積的總形狀或輪廓形狀；(c)所述將被固化的材料的限定面積或體積的尺寸；和(d)將被固化的材料。根據另一方面，本發明提供一種用于制作至少一個三維物體或者為其制作做準備 的方法，所述制作方法的特征包括以下步驟提供將被固化的材料；按圖案或圖像將電磁 輻射和/或增效激勵傳遞到構建區域以用于對所述材料進行固化；其中，對所述將被固化 的材料的限定面積或體積選擇性地執行所述電磁輻射和/或增效激勵的傳遞；其中，所述 制作或所述準備方法包括以下步驟執行虛擬或實際的固化步驟，在固化步驟中，觀察或者 確定分別跨將被構造的三維物體的一個邊界區域或多個邊界區域使電磁輻射和/或增效 激勵向著外部區域向外發光或者使電磁輻射和/或增效激勵向內發光到內部區域中的程 度；響應于觀察或確定的跨邊界區域向外發光或者向內發光的程度來改變所述邊界區域中 的電磁輻射和/或增效激勵的能量密度。可通過計算機、IC或者通過軟件算法虛擬地執行固化步驟，或者可通過在測試機 上執行的測試實際執行固化步驟。同樣，本發明提供一種用于制作至少一個三維物體或者為其制作做準備的自由制 造系統，所述自由制造系統的特征包括以下步驟將被固化的材料；裝置，該裝置用于按圖 案或圖像將電磁輻射和/或增效激勵傳遞到構建區域以用于對所述材料進行固化，以使對 所述將被固化的材料的限定面積或體積選擇性地執行所述電磁輻射和/或增效激勵；其 中，所述自由制造系統適于執行虛擬或實際的固化步驟，在固化步驟中，觀察或確定分別跨 將被構造的三維物體的一個邊界區域或多個邊界區域向著外部區域向外發光或者向內發 光到內部區域中的程度，其中，所述自由制造系統還包括控制單元，該控制單元能夠響應于 所述觀察或確定的跨邊界區域向外發光或向內發光的程度來改變所述邊界區域中的電磁 輻射和/或增效激勵的能量密度。根據另一方面，本發明提供一種用于制作至少一個三維物體的方法，該方法包括 提供將被固化的材料；所述材料包括光固化樹脂；按圖案或圖像將電磁輻射和/或增效激 勵傳遞到構建區域以用于對所述材料進行固化；其中，通過使用掩膜投影儀對所述將被固 化的材料的限定面積或體積選擇性地執行所述電磁輻射和/或增效激勵的傳遞；其中，在 所述圖案或圖像的邊界區域中對電磁輻射或增效激勵的能量密度進行控制或調整、或者在 將被固化的材料的不同構建區域的圖案或圖像的邊界區域中改變電磁輻射或增效激勵的 能量密度以使具有不同于除所述邊界區域之外的區域的能量密度，其中，在物體承載件或 支撐件上構建三維物體，其中，隨著構建的三維物體生長，所述物體承載件向上移動；其中， 將要被固化的材料從樹脂源傳送到可移動膜上的構建區域。同樣，本發明提供一種自由制造系統，該自由制造系統包括將被固化的材料，該 材料包括光聚合樹脂；基于掩膜曝光系統或投影系統的電磁輻射或增效激勵傳遞裝置，該裝置能夠按圖案或圖像將電磁輻射或增效激勵傳遞到構建區域以用于對所述材料進行固 化；可向上或向下移動的物體承載件或支撐件；和傳送系統，該傳送系統用于將要被固化 的材料從材料源傳送到可移動膜上的構建區域；其中，所述自由制造系統還包括控制單元， 該控制單元適于對從所述圖案或圖像的邊界區域或者從所述將被固化的材料的不同構建 區域的圖案或圖像的邊界區域傳遞的電磁輻射或增效激勵進行控制以采用不同于除所述 邊界區域之外的區域的能量密度。本發明的共同構思在于，以上指定的每個因素(a)至⑷顯著地、可變地影響在構 造時向著三維物體的外部區域向外發光或者向內發光到三維物體的內部區域中的能量密 度的值，并且分別改變的效果通過對相應邊界區域中的能量密度進行合適的控制和/或調 整來補償。根據特別顯著的情形，在強度比標準強度高的前述情況(a)下、在總形狀或輪廓 形狀具有相對于線性部分或凸形部分的凹形部分的前述情況(b)、在尺寸比標準尺寸大的 前述情況(c)、以及在材料本身或者將被固化的材料中包含的成分具有相對于非散射屬性 或吸收屬性的散射屬性的前述情況(d)時，前述向外發光或發暈照射的級別分別比參考值 高，因此，通過分別在情況(a)時相對于標準強度、在情況(b)時相對于線性或凸形部分、在 情況(c)時相對于標準尺寸、在情況(d)時相對于材料的非散射屬性或吸收屬性的使用，相 應地降低邊界區域中的能量密度來執行補償控制和/或調整。反過來，在強度比標準強度低的情況(a)、在總形狀或輪廓形狀具有相對于線性部 分或凹形部分的凸形部分的情況(b)、在尺寸比標準尺寸小的情況(C)、以及在材料本身或 者將被固化的材料中包含的成分具有相對于非吸收屬性或散射屬性的吸收屬性的情況(d) 中，當向外發光或發暈照射的級別分別比參考值低時，情形與以上指定的相反，因此，通過 分別在情況(a)時相對于標準強度、在情況(b)時相對于線性部分或凹形部分、在情況(c) 時相對于標準尺寸、在情況(d)時相對于材料的非吸收屬性或散射屬性的使用，相應地增 加邊界區域中的能量密度來執行補償控制和/或調整。備選地，在前述情形中的每一個中，也可通過將被固化的材料的正常非邊界面積 區域/體積區域(即，邊界區域之外)中的能量密度定義各參考值。因此，本發明處理由于關于XY構建平面中跨邊界區域的電磁輻射和/或增效激勵 的發暈、模糊或像差的某些關鍵因素而顯示的效果，從而能夠實現經由邊界亮度控制來抵 消(counterbalance)這樣的效果和形成精確的尺寸限制的新構思。這里所使用的術語“邊界區域”是指電磁輻射和/或增效激勵的圖案或圖像的一 部分，當被選擇性地傳遞到所述將被固化的材料的限定面積或體積時，該部分形成構建的 三維物體中將邊界限定到非固化材料的相應部分。邊界區域可向著外部空間，即，向著外部 非構建的區域存在，和/或向著內部空間，即，向著內部非構建的區域，例如中空的容積、孔 隙或腔存在。將被控制和/或調整的邊界區域可精確地延伸到意欲被固化的尺寸界限，或 者它可有目的地超過這樣的尺寸界限以對三維物體的實際固化表面進行調整。一個邊界區 域中的控制和/或調整不僅可參照與相同構建區域的非邊界區域的關系，而且相反或者另 外，它可導致在一個構建區域中的邊界區域和整個構建的三維物體的另一構建區域中的另 一邊界區域之間存在能量密度改變，即，可導致不同構建區域的邊界區域的圖案或圖像中 的變化。
9
本發明在根據上述實施例中的任何一個通過電磁輻射和/或增效激勵從包括填 料和粘合劑的可固化材料形成三維物體的情況下特別有利。例如，顆粒或纖維填料物質的 存在(可能是類型)或不存在不同地影響與精確的或有差別的固化特別相關的邊界區域。 通過根據本發明的方法和制造系統，獲得產品特性組合得到改進的三維物體，特別是將高 尺寸精度與整個物體上的均勻機械強度(盡管通過添加生成方法形成)結合起來。以下將對原理、優點和優選實施例進行更詳細的描述。


將參照優選實施例、示例和附圖對本發明進行更詳細的描述，然而，附圖僅用于示 例性目的，而不應該按限制性方式對附圖進行理解，其中圖1通過參照改變照射的強度的類型(a)、改變總形狀的類型(b)和改變將被固化 的材料的限定面積或體積的尺寸的類型(c)的效果來示意性地顯示本發明的原理；圖2通過參照以其它方式改變照射的強度的類型(a)、以其它方式改變總形狀和 改變輪廓形狀的類型(b)和以其它方式改變將被固化的材料的限定面積或體積的尺寸的 類型(c)的效果來示意性地顯示本發明的原理；圖3通過參照由改變總形狀和輪廓形狀的類型(b)而引起的改變效果的復雜情形 來示意性地顯示本發明的原理；圖4通過參照自由制造系統的特定實施例來示意性地顯示本發明的原理，在該自 由制造系統中，在XY平面中的圖案或圖像內改變電磁輻射和/或增效激勵的能量密度；圖5通過使用根據另一個實施例的基于承載將被固化的材料的透明膜的自由制 造系統來示意性地顯示本發明的原理，其中，通過將來自不同傳遞源的電磁和/或增效輻 射疊置來實現改變的能量密度；圖6A和圖6B示意性地顯示根據另一個實施例的本發明的原理，其中，通過分別改 變能量密度來形成不同的構建區域，改變能量密度涉及具有將被固化的包含填料的第一材 料的構建區域和使用將被固化的不同的第二材料的一個或多個其它構建區域，其中，不同 的構建區域與相應不同的能量密度相關；圖7通過使用具有投影單元的自由制造系統來示意性地顯示本發明的另一個實 施例，該投影單元用于選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵，其中，根據包含填料和粘合 劑的將被固化的材料的組成和/或特性來適當地預設或調整能量密度；圖8通過使用利用膜傳輸技術和利用掩膜曝光單元的自由制造系統來示意性地 顯示本發明的另一個實施例，該掩膜曝光單元用于選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激 勵，其中，與圖7的實施例類似地，根據包含填料和粘合劑的將被固化的材料的組成和/或 特性來適當地預設或調整能量密度。
具體實施例方式根據本發明，發現上述特性(a)至(d)對構建區域中與邊界區域對應的面積或體 積的那些部分中的固化行為起關鍵性的影響。可根據本發明通過主動地和選擇性地控制通 過電磁輻射和/或增效激勵(synergistic stimulation)傳遞的能量密度(還被已知為以 J/m2或mj/cm2或mW/dm2為單位測量的“曝光能量密度”，以下簡要地表示為“能量密度”)來
10很好地調整影響相關方法和產品特性的機制。通過跨邊界區域至少部分改變的能量密度， 可制作出這樣的三維物體，該物體具有起優良的抗衡作用(counter-acting)的屬性，例如 均勻的機械強度和高精度的尺寸，即，避免可由前述特性(a)至(d)的不同影響而引起的局 部扭曲(distortion)。根據本發明，跨邊界區域的能量密度的控制和/或調整或者不同邊 界區域之間的能量密度的改變是指，至少在曝光圖案或圖像的分別被邊界區域覆蓋的部分 中，或者至少在不同構建區域的分別被邊界區域覆蓋的部分中，相對于未修改/未改變的 曝光，存在能量密度的主動空間修改。假設通過相對于將形成的三維物體的整個構建體積 的以X、Y和Z為維度的選擇性曝光的面積或體積來限定構建區域，則首先在XY平面中的投 影圖案或圖像中施加邊界區域中的能量密度的控制和/或調整。可替換地，或者除了該方 案之外，還可施加將被固化的材料的相應不同的構建區域的不同邊界區域中的能量密度的 改變。以下將對前述顯著特性進行進一步的說明，根據這些特性，可有效地執行控制和/ 或調整。當參照附圖時，用加重面積(weightarea)顯示將被固化的材料的限定面積，在這 些限定面積中，選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵，并用圍繞這些限定面積的淺灰色 陰影表示向著外部區域向外發光(out-shining)的能量密度的改變值。(a)傳遞到將被固化的材料的限定面積或體積的電磁輻射和/或增效激勵的強 度圖IA和圖IB示出由電磁輻射和/或增效激勵的不同強度而引起的區別效果。當 傳遞到圖IB中加重面積所顯示的正方形剖面平面的強度比傳遞到圖IA中加重面積所顯示 的矩形剖面平面的強度高時，圖IB中向著外部區域向外發光的能量密度的值比圖IA中向 著外部區域向外發光的能量密度的值的高(用各個向著照射面積的外部的變暗的“陰影” 示出)，因此，必須通過適當地控制和/或調整各個邊界區域中的能量密度來補償不同的效 果。因此，根據本發明，圖IB的面積的邊界區域被控制為傳遞比正方形面積的非邊界內部 區域低的能量密度，例如通過為相對于相應正方形位圖的加權(weight)像素的邊界像素 分配灰度級來進行控制。圖IA的情況下的邊界區域的能量級傳遞相對于非邊界內部區域 (這里為矩形面積)也減小，但是減小程度小于圖IB的情況。通常，可對參考強度進行標稱設置，并且根據實際所使用的強度的偏差，調整邊界 區域中的能量密度，即，如果強度比參考高(或者，相反，比參考低)，則相對于參考值降低 (增加)邊界區域中的能量密度。(b)所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的總形狀或輪廓形狀向外發光或發暈(blooming)的程度還受用于固化的限定面積或體積的總形狀影 響。程度越高，每單位面積的剖面形狀越大。例如，這個程度按以下總形狀順序增加線條 /條紋、三角形、矩形、正方形、邊數增加的多邊形、以及圓形。從圖IA(矩形)和圖IB(正方 形)之間的比較也可看出，這個趨勢變得明顯。根據本發明，與矩形剖面面積相比，或者，更 一般地講，相對于參考剖面形狀的邊界區域，能夠如此使正方形剖面面積的邊界區域在能 量傳遞中“變暗”。關于輪廓形狀標準，圖IA和圖IB都顯示出(如再次通過不同變暗的外部“陰影” 示出)各個拐角處向外發光或發暈的程度比側邊低。因此，可根據邊界區域是在拐角處還 是在側邊處來進一步實現相應控制，從而導致相對于作為參考的正常的非粘合區域，前一情況下的能量密度傳遞減小比后一情況低。這個示例還顯示，電磁輻射和/或增效激勵的 圖案或圖像可包括多個區別控制的邊界區域。對于圖2A、圖2B和圖2C中的圓形剖面面積，顯示根據總形狀或輪廓形狀進行控制 和/或調整的另外的實施例。可清楚地看出，向外發光和發暈在凸形輪廓處(即，在環形剖 面面積的內環或孔處)較強，反之，在外部邊緣和輪廓處顯現的凹形輪廓處較弱。因此，分 別相對于參考輪廓，前者要求邊界區域中的能量密度的減小比后者強(比如，通過灰度級 控制或者其它能量密度調整)。在這種情況下，參考可以，例如，通過線性輪廓來限定。如從 圖2A至圖2C中一系列圖進一步明顯的那樣，內孔越小，向外發光/發暈越高，因此，需要通 過邊界區域中的能量密度降低的越強的控制來用于補償。通常，內孔和外圓的半徑表示向 外發光和發暈的程度，因此，可被用作邊界亮度控制的因素。(c)所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的尺寸在給定的未修改的制造系統中，相對于較小或較纖細的曝光面積或體積，較大曝 光面積或體積的存在使得在邊界區域以及在邊界區域上方發暈或向外發光更高。例如，從 圖2A、圖2B和圖2C的比較，這也變得清楚環形面積越大，向著環的外部空間和內部空間 向外發光的程度越高(分別用越來越暗的“陰影”表示)。上述趨勢可尤其受曝光的面積或 體積中的填料的存在的影響。因此，根據本發明，構建區域的面積或體積的剖面尺寸越大， 應該更多地將邊界區域中的能量密度控制或調整到比非邊界區域中的標準能量密度低的 級別，相反，剖面尺寸越小，應該更多地控制或調整到相對高的能量密度。圖3顯示被拐角和線性線打斷的凸形和凹形輪廓曲線的復雜混合的存在的示例， 其復雜程度需要將基于以上描述的各個邊界區域中的能量密度的相應調整組合起來。這 里，彎曲程度表示向外發光和發暈的程度，因此，可被用作邊界亮度控制的因素。(d)將被固化的材料相對于與將形成的三維物體的大部分面積或體積區域，電磁輻射和/或增效激勵 到邊界區域的傳遞就吸收、反射和/或散射性能以及收縮性能而言具有明顯不同的特性。 大致地講，這些特性在面積或體積區域內受到相對均勻的影響，而在由當時存在的邊緣引 起的邊界區域處受到相對不均勻的影響。可就使用具有反射和散射特性的陶瓷填料的情況作為示例進行說明給定使期望 的硬化深度處的面積或體積區域中的材料的粘合劑固化所需的特定量的能量或能量密度， 根據本發明在邊界區域中傳遞相對少量的能量或能量密度，從而抵消由邊界區域中的反射 和散射現象引起的尺寸誤差，其中，所述硬化深度典型地延伸到先前固化的材料中。在使用 吸收填料，例如炭黑的情況下，可發生相反情況。與將被固化的材料的特性相關的另外的影響因素包括以下方面(i)將被固化的材料中所包含的填料的類型和/或量例如，根據填料是否吸收、反射或散射電磁和/或增效輻射或者填料吸收、反射或 散射電磁和/或增效輻射所達到的程度，與邊界區域相應的能量密度分布特別受影響。例 如，固化材料或其成分散射越多，向著實際限定的構建區域或構建體積外部向外發光或發 暈的能量密度越高，因此，減小這種情況下的邊界區域的能量密度傳遞，例如，通過使位圖 的相應部分的全部灰度級等級相對于該位圖與非邊界區域對應的其它部分變暗來減小，以 實現有利的補償控制。相反，在吸收現象強于反射或散射現象的將被固化的材料的情況下，
12相對于內部的非邊界面積，在邊界區域中最好應該增加能量密度。吸收或反射/散射現象 是否占優勢可以，尤其，依賴于填料的類型。因此，根據本發明的能量密度的主動控制或改 變使得能夠適用于多種不同的填料物質，包括，但不限于，以下將進一步詳細描述的陶瓷、 玻璃、炭黑、固態聚合物顆粒、金屬、金屬合金，并包括修改形式，例如通過合適的涂層使吸 收性金屬顆粒反射，比如，通過蠟類(waxes)、偶聯劑、聚合物等使吸收性金屬顆粒反射。本 發明還允許考慮以顆粒(或粉末)或纖維形式存在的填料物質的尺寸和/或量，還允許對 例如在制造過程期間填料沉淀(sedimentation)的情況作出響應。而且，本發明提供這樣 的優點，即，仍然使用利用適應的改變的能量密度的一種制造系統，可通過使用兩種或更多 種不同的將被固化的材料來更可靠地制作三維物體，這些材料中的至少一種包括填料。(ii)粘合劑的類型和/或量同樣，與填料物質的特定類型和/或量組合，根據關于構建區域內的特定位置的 粘合劑類型和/或量，主動地影響關鍵固化標準(criteria)，包括吸收、反射和/或散射現象。(iii)將被固化的材料的硬化率、粘度和/或流動性根據是涉及邊界區域還是涉及非邊界區域，將被固化的材料的硬化率、粘度和/ 或流動性行為可強烈不同。例如，材料是否處于液態、流態、觸變、半固態、糊狀、高粘度、中 度粘度和低粘度狀態可能是關鍵的，但是在與邊界或非邊界區域相應的各個構建區域中表 現不同。此外，這些狀態可根據三維物體的整個構建過程內的狀態和時間點而改變，或者可 在不同的構建面積或區域之間改變，或者可在整個構建過程中所使用的不同的第一可固化 材料和第二可固化材料之間改變。而且，在與邊界區域相應的面積或體積中充分硬化的亮 度級和/或時間可相對于其它區域實質改變。本發明通過所關注的一個或多個邊界區域中的能量密度的相應預設的改動或者 原位(in-situ)控制來使得有效地適應這樣的變化狀態中的每種狀態。在執行本發明時，可通過理論考慮或者通過實際實驗來確定和弄清對于前述情況 (a)至(d)，特別是對于情況(i)至(iii)或者其它情況的能量密度的被控改變。在制造 系統適用于還沒有經過實驗的將被固化的材料，或者適用于新的或特定的制作裝置的情況 下，優選實際測試或驗證。因此，通過對上述一個或多個參數進行測試，可容易地對改變的 能量密度，特別是邊界區域中的至少一部分中的或者不同構建區域的圖案或圖像之間的選 擇性過度曝光和曝光不足的效果進行測量。這使得可根據整個制造過程中的各個構建參數 來進行更精確的調整，例如將形成的特定三維物體的設計、所使用的材料中所包含的填料 和/或粘合劑等。可在一個或多個位圖中進行必需的或者期望的調整。可在構建過程之前 生成位圖，或者可在正在進行的構建過程期間“在飛行中(on the fly)”生成位圖。在制作 工作期間“在飛行中”執行適應步驟是特別有效率的和優選的。而且，可通過以下方式來執 行控制，即，參照根據從參考強度、參考總形狀、參考輪廓形狀、參考尺寸和參考材料中選擇 的任何特性限定的標準能量密度，并根據實際構建數據或實際構建物體相對于所述參照特 性的變化來調整傳遞到邊界區域的實際能量密度。電磁輻射和/或增效激勵的選擇性傳遞適當地包括合適的源，該源能夠使電磁輻 射和/或增效激勵發射足以使將被固化的材料固化。根據本發明的通過電磁輻射和/或 增效激勵的固化可被理解為沒有光反應的固化過程，例如膠凝、熔融和/或燒結，但是更優選地被理解為通過光反應或者通過熱聚合(thermal setting)反應的膠凝和/或固化的過 程。因此，可從以下組中選擇粘合劑，該組合包括惰性粘合劑(binder)；可在沒有光反應 或者有光反應的情況下凝膠、固化或硬化的膠粘劑(adhesives)；和可通過光反應凝膠和/ 或固化的光聚合物或輻射敏感樹脂，通常包括光聚作用、交聯和/或網絡形成過程。除了可 通過選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵來進行固化或硬化的這樣的粘合劑(第一粘合 劑)之外，另外還可使用其它的粘合劑(第二粘合劑)，第二粘合劑不受這樣的電磁輻射和 /或增效激勵影響，或者受電磁輻射和/或增效激勵影響，但是是一種變型的粘合劑(比如， 波長或強度不同)。用于選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵的裝置優選還包括掩膜和/或投影 單元，其用于將電磁輻射和/或增效激勵選擇性地傳遞到將被固化的材料的限定面積或體 積。可通過另外合適的組件來將電磁輻射和/或增效激勵傳遞到構建區域或者其部分，所 述組件包括，但不限于，光學元件、透鏡、快門、體素矩陣投影儀、位圖生成器、掩膜投影儀、 鏡(mirror)和多鏡元件等。選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵的合適的輻射技術的 示例包括，但不限于，空間光調制器(SLM)、基于數字光處理(DLP )、DMD 、L⑶、 ILA V LCOS、SXRD等的投影單元、反射且透射的IXD、LED或者按線或矩陣發射的激光二 極管、光閥、MEM、激光系統等。優選使用DLP掩膜投影儀。當將可固化材料放在合適的載體或供給件(provider)中或者放在合適的載體或 提供者上時，對可固化材料進行限定區域或體積中的選擇性傳遞。本發明中所使用的可固 化材料載體/供給件的合適示例包括，但不限于，容納可固化材料的容器或缸、或者輸送可 固化材料的撓性的和/或干凈的和/或有彈性的膜/箔。當被實施為膜時，在固化步驟之 前、期間或者之后可通過合適的膜傳送技術來傳送材料。可存儲更多體積的可固化材料，并 且可從貯存庫(reservoir)或者可固化材料盒供應這些可固化材料以將其輸送到可固化 材料供給件。此外，生長的連續或間斷構建的三維物體可被承載在合適的載體或支撐件上。通 常在制造系統中可移動地布置物體載體/支撐件以使得可在空間上控制與將被固化的材 料的關系。可替換地或者與其組合，可按與物體載體/支撐件(從而，與先前固化的物體) 的空間控制的關系可移動地布置可固化材料載體/供給件。當應用本發明的原理時，各種 變型是可行的。可相對于將被固化的材料及其供給件和/或載體以各種合適的方式布置用于傳 遞電磁輻射和/或增效激勵的源和上述另外的光學元件。例如，可這樣進行布置，即，從構 建區域或者可固化材料載體/供給件上方傳遞電磁輻射和/或增效激勵(在這種情況下， 用于承載制作的三維物體的載體通常位于構建區域或可固化材料載體/供給件下方)，或 者從構建區域或可固化材料載體/供給件下方傳遞電磁輻射和/或增效激勵(在這種情況 下，用于承載制作的三維物體的載體通常位于構建區域或可固化材料載體/供給件上方)。 再次，各種變型是可行的。例如可通過具有X、Y和Z方向上的期望尺寸的構建平面/面積或構建體積來形成 構建區域。構建面積可以是平坦的，但并非必須是平坦的。此外，構建區域可形成為層、剖 面、矩陣或者任何其它形式，所述矩陣例如點矩陣、線矩陣、特別是體素矩陣。最終可通過涉 及在各個構建區域中連續固化材料的加性生成方法(additivegenerative process)來形
14成期望的三維物體。根據本發明，能夠以各種方式或手段將能量密度傳遞到曝光圖案或圖像和/或將 被固化的材料的不同構建區域的圖案或圖像。為了使得能量密度的改變有效率和可控，電 磁輻射和/或增效激勵的選擇性傳遞優選基于包括預定數量的離散成像元件或像素的成 像單元，并且優選通過以選擇性方式控制離散成像元件或像素來執行邊界區域中的能量密 度的控制或改變。這樣的曝光系統特別適合于立體光刻技術的自由制造方法。根據本發明，可通過合適的方式或手段在一個或多個邊界區域中控制或改變電磁 輻射和/或增效激勵的能量密度。具體地講，優選方式或手段單獨包括或者組合包括(aa) 一個或多個構建區域的XY、XZ、YZ的維度內的或者Z方向上的各種曝光時間。 例如，這也可通過使用具有合適定時的選擇性快門或者選擇性掩膜曝光來實現。(ab)圖案或圖像或者不同構建區域中的至少一個的圖案或圖像的分別覆蓋所關 注的邊界區域的至少部分的多個曝光的數量。例如，這可通過應用將形成的三維物體的特定剖面面積或其它構建區域的多次掩 膜曝光來執行，其中，分別對于相應的非邊界區域中的各個過度曝光和相應的邊界區域中 的曝光不足，多個掩膜各自的部分優選重疊。(ac)曝光的圖案或圖像的邊界區域中或者不同構建區域的邊界區域之間的能量 密度的分級。這可通過將一定灰度值或顏色值分配給邊界區域的相應部分或者多個邊界區域 中的一個邊界區域來最有效率地執行。被灰度值或顏色值分配的部分相對于全亮度值相應 地曝光不足，而相對于黑色值曝光過度。在像素矩陣中依照像素(pixel-wise)最有效率地 分配灰度值或顏色值。由于能量密度的分級將易于處理與高精度的實現組合起來，尤其是 在使用包含填料的將被固化的材料時，所以優選單獨應用這個實施例或者與其它改變手段 組合地應用這個實施例。(ad)應用電磁輻射和/或增效激勵的第二源或第二傳遞。例如，電磁輻射和/或 增效激勵的第二源或第二傳遞可通過雙重或多重照射系統來實現，所述雙重或多重照射系 統包括具有分別相同或不同波長的兩個或更多個輻射源的使用。在這個實施例中，可將第 二照射源或另外的照射源選擇性地引向圖案或圖像的與邊界區域相對的需要被過度曝光 的非邊界區域。或者，普通的紅外線(IR)熱源可用于基本能量密度的一般傳遞，而用于傳 遞用于使材料固化的電磁輻射和/或增效激勵的特定源被選擇性地應用于相對于所選擇 的邊界區域需要通過另外的能量密度曝光的非邊界區域。電磁輻射和/或增效激勵的第一 和第二或另外的源或傳遞可位于與構建區域相同的一側或者不同的一側。此外，可分別按 相同方向或不同方向定位第一和第二或另外的電磁和/或增效輻射的傳遞。對于本領域技術人員，任何改動或者以上改動實施例的組合是可能的且可行的。根據本發明的與粘合劑混合的用于提供可使用材料的填料通常為固態或基本 固態的物質，可包括，但不限于陶瓷物質，例如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯、其它過渡金屬 的陶瓷氧化物(例如氧化鈦、氧化鉿、稀土金屬氧化物、尖晶石型雙金屬氧化物陶瓷)或 者其混合物；金屬陶瓷；硅酸鹽、鋁硅酸鹽、磷灰石、氟磷灰石(fluoroapatite)、羥磷灰 石(hydroxylapatite)、磷酸鹽(例如，磷酸三鈣、磷酸鈣鎂、磷酸鈣銨)、多鋁紅柱石 (mullite)、尖晶石(spinels)、以及其混合物；玻璃材料，例如硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、石英玻璃、以及其混合物；炭黑；顏料；金屬和金屬合金，例如不銹鋼、鈦或鈦合金、鎳合金、 銅或銅合金(例如黃銅(70%銅、30%鋅)、鋁或鋁合金、鐵或鐵合金、和其混合物；固態聚合 物或共混聚合物，例如聚合丙烯酸樹脂和其混合物或共聚物、像聚亞安酯/聚丙烯酸脂、丙 烯腈/ 丁二烯/苯乙烯聚合產物(ABS)、環氧化物和其共聚物、尼龍和其混合物或共聚物、聚 酰胺彈性體(elatomers)和其混合物以及其它填料物質。在就實現高機械強度、與高尺寸 精度組合的良好均勻性而言對牙科應用特別有利(尤其是當方法包括例如燒結、從而從第 一圓周尺寸變換到第二圓周尺寸的后處理時)的優選實施例中，填料物質為陶瓷粉末，優 選為包括從氧化鋁、氧化鋯或其混合物中選擇的陶瓷材料的粉末。特別優選的陶瓷粉末包 括從單斜或非單斜氧化鋯、氧化釔摻雜的或穩定的四方單斜晶系或非單斜晶系、單相或非 單相氧化鋯(即，包含3-5mol-% Y2O3的&02)、特別是3YTZP中選擇的陶瓷材料。填料成分還可包括一種或多種添加劑，例如，但不限于，分散劑、例如顏料的染料、 例如燒結助劑或穩定劑的后處理輔助添加劑，等等。填料可在用于固化的電磁輻射和/或增效激勵的作用下使自身共同熔融或者共 同燒結(比如，尤其是當使用聚合物填料時)。另一方面，優選地，在使與填料混合的粘合劑 固化的電平下，填料本身對于電磁輻射和/或增效激勵是惰性的，但是在稍后描述的后處 理中仍然可共同熔融或者共同燒結(比如，當使用陶瓷、玻璃或金屬/金屬合金時)。填料可以是顆粒、粉末、纖維、網、支架(scaffold)等形式。特別優選的顆粒形式 的填料為具有合適顆粒尺寸的粉末，優選地為球形或基本球形，進一步優選地，平均顆粒尺 寸的范圍為約0. OOlumM 100 μ m,更優選地，該范圍為約0. 01 μ m至50 μ m，特別地，該范 圍為約0. 1 μ m至10 μ m。關于填料的絕對顆粒尺寸的分布，其范圍可以為約Inm至1000 μ m 或更大，更優選地，從約0. 1 μ m至100 μ m。通過使用相同或不同的填料材料，填料可具有單 峰、雙峰或三峰尺寸分布。從當曝光于電磁和/或增效輻射時它們自身可使合成材料固化的物質中合適地 選擇根據本發明的用于將被固化的材料的粘合劑物質。如此選擇的粘合劑可以不必是通 過光反應固化，而是可通過例如凝膠的其它機制固化，或者它可利用通過電磁和/或增效 輻射的活化作用之后的化學反應固化，該化學反應可能與其它共同反應物一起。這種類型 的粘合劑的合適示例為膠粘劑，包括，但不限于，蠟類和變型蠟類、例如環氧化物的熱聚合 樹脂等。可在使將被固化的材料固化之前不施加膠粘劑的膠粘屬性，從而使包含顆粒或纖 維填料的部分結構連續地附著在一起，從而在甚至不執行光固化反應的情況下構成三維物 體，所述部分結構例如層、絲條(strand)、點或其它結構或支架。根據優選實施例，粘合劑包含從光聚合物和熱硬化樹脂中選擇的至少一種，特別 是當受到感興趣的電磁輻射和/或增效激勵時硬化的光聚合物。因此，將被用作粘合劑材 料的光聚合物可包括，但不限于包含丙烯酸鹽和/或甲基烯酸鹽的化合物(例如，單_、 二-、三-、四-、五丙烯酸(pentaacrylate))、諸如烷基或烷氧基(甲基)丙烯酸鹽，具有短 或長鏈烷基酯基團的(甲基)丙酸烯酯，比如，烷基乙二醇二(甲基)烯酸鹽；包含環氧基 團的化合物；包含乙烯基基團的化合物或者包含乙烯醚基團的化合物；聚硅氧烷；等等，以 及其混合物。或者，可使用熱硬化聚合物物質，例如包含環氧基團的化合物，其優選受響應 于光和/或熱而分解的胺基團保護。根據本發明的將被固化的合成材料還可包含輔助劑，分別單獨地或者組合地
16包括，但不限于可根據電磁和/或增效輻射的期望波長選擇的光敏引發劑，例如2-芐 基-2- 二甲基氨基-l-(4-嗎啉苯基)丁酮、1，2，2’ - 二甲氧基-2-苯基苯乙酮、二咪唑 (bisimidazole)、苯甲酮、α -氨基酮、氧雜蒽、芴、熒光酮、二茂絡鐵等；共同引發劑和/或 活性劑，例如噻噸酮(比如，異丙基噻噸酮1-氯-4-丙氧基噻噸酮)、4_苯甲酰-4'-甲 基二苯硫醚、乙基-P- 二甲氨基苯甲酸甲酯、N, N- 二烷基-甲苯胺或-苯胺、苯甲酮、二芳 基化合物、硼酸鹽、亞磷酸鹽等；流變學調整劑；粘度調整劑；稀釋劑；溶劑；著色劑，例如染 料和/或顏料；觸變劑；增稠劑；穩定劑；偶聯劑；貼邊(welting)劑；分散劑；潤滑劑；膠粘 劑；造孔劑等。將被固化的材料可設為合適的形式，包括，但不限于，液態、流態、觸變、半固態、糊 狀、高粘度、中度粘度和低粘度材料。優選地，但絕不是限制，它的粘度范圍為約0. IPa · s 至 5X IO3Pa. s，優選地，約 0. 2Pa · s 至約 IXlO3Pa. s，更優選地，IPa · s 至 200Pa · s，特 別是，IOPa · s至IOOPa · s,以上粘度范圍分別在25°C時測量。如果使用填料，則其在將被固化的整個材料中的含量計算的合適范圍為約0. 5% (重量)至99.9% (重量)，優選地，約(重量)至約99% (重量)，更優選地，10% (重 量)至85% (重量)，特別是50% (重量)以上至85% (重量)，還更優選地，70% (重量) 至80% (重量)。在固化之后，可對如此制作的三維物體進行一種或多種后處理。從后硬化 (post-hardening)、脫脂、熔融和燒結中單獨或者組合選擇合適的后處理。根據圖4，在基于立體光刻技術制作三維物體的自由制造方法和系統的特定實施 例中，使用提供將被固化的材料7的容器或缸1，材料7包括顆粒填料6和粘合劑5，顆粒 填料6例如氧化釔穩定四方氧化鋯相材料(3YTZP)，粘合劑5例如丙烯酸鹽樹脂。將被固 化的材料7還可包含以上所述的組分，例如填料物質中的燒結助劑和粘合劑中的光敏引發 劑，可選地，還可包含輔助劑。圖1顯示在執行期間的特定時刻的方法和系統，其中，已經制 作了期望的三維物體的一部分9，該部分9承載于三維物體載體/供給件10上，這里載體/ 供給件10示出為平臺的形式。通過三維物體載體/支撐件10的向上移動(在三維物體載 體/支撐桿處用箭頭顯示)在先前固化的部分物體9的表面和容器或缸1的底部2之間形 成間隙。通過這種向上移動，還將被固化的材料填充間隙，以使將被固化的材料7被設在期 望的構建區域8中。缸或容器1的底部2至少在底部的功能部分中對于將用于固化的電磁 輻射和/或增效激勵是透明的或者能透射的。在根據XY限定的面積或者在Z方向上延伸從而具體限定期望的構建區域8的相 應體積內，如從缸1的底部2下方的平行箭頭所示，選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激 勵。這里，在相應的曝光圖案的邊界區域中控制曝光的能量密度，以使基于作為填料物質6 的金屬粉末填料的占優勢的反射和散射屬性將邊界區域中的曝光能量密度E1調整為低于 內部面積區域中施加的能量密度Etlt5可通過相對于內部面積區域中的掩模的不分級的亮度 曝光級別將灰度級分配給掩模曝光系統的邊界區域來實現能量密度的控制。相反，通過使用吸收占優勢的填料物質來修改制造系統，能夠以不同的方式(未 顯示)來對能量密度改變進行修改，以使在邊界區域中曝光較高的能量密度(E/ )，而可將 相對低的基本能量密度(Ec/ )曝光到除了邊界邊緣之外的其余內部面積。以這種方式，可將自由制造系統改裝和調整為使用包含填料物質的特定使用的材料。而且，在給定預定系統的情況下，可通過分別對于邊界區域和大的結構面積區域的區別 控制來顯著地改進精度、收縮控制和均勻的機械強度。當期望根據(a)所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的總形狀或輪廓形 狀或者(b)所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的尺寸相對于內部面積區域中施 加的參考標準電平(Etl)將能量密度調整為邊界區域中較低的電平(E1)時，可在修改的實施 例中使用類似的控制機制。例如，當構建區域8具有凸形輪廓線時(相對于當輪廓為線性 直線時將應用的參考情況)、或者當構建區域8覆蓋相對小的剖面面積(相對于參考構建區 域尺寸)時，調整Ec^PE1之間的差值以使其變得相對較小(比如，通過分別將分級的灰度 級分配給與E1相關的邊界區域來實現)。相反，分別與參考情形相比，在構建區域8的凹形 輪廓線的情況下，或者在相對大的剖面面積的情況下，調整該差值以使其變得相對較大。可 與所使用的材料無關地應用這些變型，比如，當將被固化的材料不包含填料物質時也可應 用這些變型。在圖5、圖6A和圖6B所示的另外的實施例中，基于膜傳輸成像技術的自由制造系 統和方法的變型用于應用本發明的原理。在這些實施例中，可設為環形帶形式的帶30由透 明的和/或撓性的和/或彈性的橡膠/膜/箔形成以在其上提供將被固化的材料17。將被 固化的材料17又包含填料物質16和粘合劑15，可選地，還包含以上所述的組分。附圖顯示 整個制造過程內的特定階段，其中，最終的三維物體的一部分19已經形成，并置于被實施 為構建平臺的三維物體載體/支撐件20上。當材料的另一層應該置于物體部分19的頂部 時，通過載體/支撐件20的向上移動使它移動以與仍待被固化的材料17接觸。一旦達到 接觸，在構建區域的限定區域內在具有相關的基本能量密度Etl的圖案或圖像中傳遞電磁輻 射和/或增效激勵(在這種情況下，另一層將被固化)。根據圖5所示的實施例，為了抵制由邊界區域中的陶瓷填料物質的散射現象引起 的不均勻性，通過使用電磁輻射和/或增效激勵的另外的第二源進行超曝光來改變能量密 度，該第二源在曝光圖案或圖像的內部區域中傳遞或供應另外的能量密度E1，從而在邊界 區域中保留剩余的基本(較低的)能量密度&。與Etl相關的第一電磁輻射和/或增效激勵 和與EJH關的第二電磁輻射和/或增效激勵可具有相同或不同的波長。已經結合圖4進行 描述的可與填料物質的存在或不存在無關地使用的修改實施例也可應用于圖5的實施例。在圖6A和圖6B所示的另一個實施例中，對當使用不同構建區域或不同層時或者 可替換地當不同的第一材料和第二材料用于一個或多個構建區域時本發明的原理進行說 明。在圖6A所示的具體舉例的步驟中，不具有填料物質或者具有另一種填料物質的且不同 于上述圖5的成分15、16或17的修改的第二材料18被用于通過曝光于與一定能量密度E3 相關的電磁輻射和/或增效激勵在構建區域處形成纖細的邊界部分(例如，修改的結構或 者輔助支撐結構)。在從帶30分離之后，供應這個帶30或者又承載將被固化的包含填料 16和粘合劑15的第一材料17的另一個帶。當通過部分物體(結構19加上19’)的載體/ 支撐件20向著材料17向上的移動再次引導該部分物體又一次接觸時，對于用于形成三維 物體的另一部分的下一構建區域或下一層，曝光相對于前面的邊界區域E3而改變的基本能 量密度Etlt5在這個示例中，在圖6B中形成的包括其邊界區域的整個層上方應用基本能量密 度Etl，但是可替換地，可在空間上將Etl分為應用于內部區域的能量密度和在前面所述的下 一層的邊界區域中應用的較低的能量密度。關于另外的可替換方案，代替分別使用將被固化的不同的第一材料17和第二材料18，即使使用將被固化的相同材料，也可有利地應用改 變的能量密度E3和Etl，但是，由于完全不同的構建區域結構而導致執行所述改變(在物體 19的整個剖面上方形成精細的結構19’和覆蓋層)。在圖7和圖8示意性地示出的實施例中，可通過根據上述標準中的至少一個預先 設置或者通過合適的控制單元來分別設置或控制這樣的電磁輻射和/或增效激勵傳遞裝 置的能量密度。圖7中顯示的實施例再次使用將被固化的材料7，材料7至少包含粘合劑5和填料 6，并被容納在缸、容器或槽40中。缸/容器/槽40的底部和用于支撐缸/容器/槽40的 玻璃或塑料板41對于所使用的類型的電磁輻射是透明的。在這個實施例中，從投影單元50 穿過快門46經由反射器45投影電磁輻射，以在構建區域中或者在構建區域處形成期望的 曝光圖像，從而使材料7固化并將它與先前形成在三維物體載體/支撐件10上的部分9粘 合，三維物體載體/支撐件10再次被實施為構建平臺。以這種方式，可連續地或者間斷地 接連形成期望的三維物體，例如，逐層地而具有中間層分離。計算機單元60所實施的控制 單元用于控制自由制造系統在合適的位置處的操作，比如，用于可變地調整能量密度E的 投影單元50、用于打開和關閉電磁輻射的路徑的快門45、以及用于其移動(比如，如箭頭所 示的向上)的使得能夠傳遞剛進的(fresh)材料以使其固化的三維物體載體/支撐件10。 這里，可通過合適的控制模塊61在構建過程之前手動預先設置和輸入投影和曝光單元的 空間可控能量密度E，例如，根據所使用的已知的材料(即，根據上述參數中的任何一個參 數或者組合，例如，填料的類型、顆粒尺寸或量；粘合劑的類型或量)來手動預先設置和輸 入投影和曝光單元的空間可控能量密度E。可替換地或者另外，可手動地、可變地設置能量 密度E，并將其輸入到控制模塊61中，或者可根據上述參數中的任何一個或者組合在構建 規劃和構建過程期間原位調整能量密度E。作為另一種可能的選擇，若需要，可提供流量計或粘度計(標號55所示)，從而允 許預先為預設操作測量或者在構建過程期間原位測量流動性或粘度或者這二者，以經由控 制單元60根據用于固化的材料的流動性、粘度和硬化率中的任何一個來控制通過投影單 元50傳遞的能量密度E (進而又可通過流動性和粘度來測量硬化率)。與前面的實施例中 所描述的類似，可在構建區域的曝光面積內改變通過投影儀50傳遞的能量密度E，以使在 內部區域中相對高，在邊界區域中相對低(即，通過傳遞空間區別的能量密度VE1等)，以 抵制由填料6引起的散射和/或反射現象。作為圖6的實施例的進一步的變型，可用用于 選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵的掩模曝光系統替換投影單元50和反射器45。圖8所示的實施例示出用于膜傳輸成像技術的以上實施例的變型。這里，根據本 發明的自由制造系統的實施例使用覆蓋將被固化的材料7的撓性的和/或干凈的和/或彈 性的膜/箔(分別用標號75表示)。該材料至少可包含粘合劑5和填料6。這里對至少在 構建面積中所關注的電磁輻射為透明的膜75適于運輸將被固化的材料7，以通過規定的能 量密度E的傳遞在期望的構建區域中使材料7受到輻射作用，其中，材料7從固化材料儲存 庫70被分發到膜的一側上，S卩，從供應站被分發到構建面積。可在控制單元60的控制下通 過主動輥762執行運輸，而其它輥761和763可以是被動的而僅僅卷起撓性膜75的剩余端。 另外還提供的是透明玻璃或塑料板42，其用于提供對承載構建面積處的材料7的撓性膜75 的支撐。這在可期望時增強對平坦的參考平面的準備。
19
在這個實施例中，通過包括位圖發生器和掩模投影儀(共同用標號80表示)的掩 模曝光系統來實施電磁輻射和/或增效激勵。通過掩模曝光系統(可選地，還有未顯示的 其它能量源)，將能量密度E選擇性地傳遞到參考平面中或者參考平面處的構建區域的期 望區域。控制單元60被布置為控制用于調整能量密度E的掩模曝光系統80，并且還可在合 適的其它位置處控制整個系統，例如，在其移動(比如，如雙箭頭所示向上和向下)使得能 夠執行接觸剛進的材料7的步驟和固化之后的分離步驟的三維物體載體/支撐件10處、在 用于控制分發剛進材料膜7的固化材料儲存庫70的開口處、等等。與圖7的實施例類似， 可在構建過程之前通過合適的控制模塊61手動預設和輸入掩模曝光系統的能量密度E，或 者可替換地或另外地，可根據上述因素中的任何一個或者組合在構建規劃和構建過程期間 原位調整它。與以上實施例相同，通過傳遞空間區分的能量密度EpE1等來改變掩模曝光系 統所傳遞的能量密度E。可設想圖7和圖8的實施例的另外的變型。例如，可用圖7中的掩模曝光系統替 換投影單元50和反射器45，反之亦然，可用另一投影系統來替換圖8的掩模曝光系統80， 圖7中的掩模曝光系統和所述另一投影系統分別用于選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激 勵。可將上述實施例組合起來，并且可在仍然應用本發明原理的同時對這些實施例進 行修改。還需要指出的是，僅為了示例性的目的對所提出的實施例進行描述，而各種另外的 變型和改動是可能的，本領域技術人員可在本發明的范圍和要點內應用這些變型和改動。
權利要求
一種用于制作至少一個三維物體的方法，包括提供將被固化的材料；按圖案或圖像將電磁輻射和/或增效激勵傳遞給構建區域以用于對所述材料進行固化；其中，對所述將被固化的材料的限定面積或體積選擇性地執行電磁輻射和/或增效激勵的所述傳遞；以及其中，在所述圖案或圖像的邊界區域中對電磁輻射和/或增效激勵的能量密度進行控制和/或調整、以及/或者在所述材料的不同構建區域的圖案或圖像的邊界區域中改變電磁輻射和/或增效激勵的能量密度，以使具有不同于除所述邊界區域之外的區域的能量密度，其中，控制和/或調整單獨或者組合地依賴于(a)傳遞給所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的電磁輻射和/或增效激勵的強度；(b)所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的總形狀或輪廓形狀；(c)所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的尺寸；和(d)將被固化的材料。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，僅在相對于將被固化的材料的正常非邊界面積 區域/體積區域的一個或者多個邊界區域中執行邊界區域中的能量密度的所述控制和/或 調整、或者所述改變。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，根據以下分別單獨應用或者組合地應用的標 準中的至少一個來控制或改變與邊界區域和/或非邊界區域相應的電磁輻射和/或增效激 勵的選擇性傳遞(i)將被固化的材料中所包含的填料的類型、尺寸和/或量；( )將被固化的材料中所包含的粘合劑的類型或量；(iii)將被固化的材料的硬化率、粘度和/或流動性。
4.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，所述將被固化的材料包括填 料，優選陶瓷顆粒。
5.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，所述將被固化的材料包括從 包括光聚合物和膠粘劑的組中選擇的粘合劑。
6.根據權利要求1-4中的任何一個所述的方法，其中，所述將被固化的材料包括第一 粘合劑物質和第二粘合劑物質，第一粘合劑物質包括光固化樹脂。
7.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，通過參照根據從參考強度、參 考總形狀、參考輪廓形狀、參考尺寸和參考材料中選擇的任何特性限定的標準能量密度，并 根據實際構建數據或實際構建物體相對于所述參照的特性的改變對傳遞到邊界區域的實 際能量密度進行調整，執行所述控制。
8.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，通過參照根據具有多邊形、優 選正方形或矩形剖面形狀和具有線性輪廓線的參考物體限定的標準能量密度來執行所述 控制，并且其中，基于實際構建數據或實際構建物體的邊界區域中的凸形和/或凹形邊界 輪廓的變化來執行所述調整。
9.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，通過參照根據將被固化的參考材料限定的標準能量密度來執行所述控制，并且其中，基于相對于實際使用的將被固化 的材料的變化，優選根據當傳遞電磁輻射和/或增效激勵時它的吸收屬性或散射屬性來執 行所述調整。
10.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，所述電磁輻射和/或增效激 勵的選擇性傳遞包括使用掩膜和/或投影單元來將電磁輻射和/或增效激勵選擇性地傳遞 到將被固化的材料的限定面積或體積。
11.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，根據以下項中的至少一個在 所述邊界區域中控制或改變電磁輻射和/或增效激勵的所述能量密度(aa)在XY中改變的曝光時間；(ab)所使用的多個圖案或圖像的數量；(ac)一個或多個圖案或圖像中的能量強度的分級；和(ad)應用第二電磁和/或增效輻射的第二源和/或第二傳遞。
12.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，所述電磁輻射和/或增效激 勵的選擇性傳遞基于包括預定數量的離散成像元素或像素的成像單元；并且其中，通過分 配給至少覆蓋相應邊界區域的像素中的至少一部分的灰度值和/或顏色值對能量密度進 行控制。
13.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，所述電磁輻射和/或增效激 勵的選擇性傳遞基于包括預定數量的離散成像元素或像素的成像單元；并且其中，在“在飛 行中”生成的一個或多個位圖掩膜中控制能量密度。
14.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，所述三維物體被構建在物體 承載件或支撐件上，其中，隨著構建的三維物體生長，所述物體承載件或支撐件向上移動。
15.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，在傳遞電磁輻射或增效激勵 的階段，將被固化的材料被設置在透明膜上的構建區域中。
16.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，將要被固化的材料從樹脂源 傳送到可移動膜上的構建區域。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，將掩膜投影儀設置在所述膜下方以透過所述 膜投射圖像。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述掩膜投影儀為數字光投影儀。
19.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，其中，所述三維物體被構建在物體 承載件或支撐件上，所述物體承載件或支撐件被置于用于傳遞電磁輻射或增效激勵的裝置 上方，并且透明板被設置在所述透明物體承載件或支撐件與所述輻射或增效激勵傳遞裝置 之間。
20.一種用于生成至少一個三維物體或者為其制作做準備的方法，所述制作方法為包 含下列步驟的類型提供將被固化的材料；按圖案或圖像將電磁輻射和/或增效激勵傳遞到構建區域以用于對所述材料進行固化；其中，對所述將被固化的材料的限定面積或體積選擇性地執行所述電磁輻射和/或增 效激勵的傳遞；其中，所述制作或所述準備方法包括以下步驟執行虛擬或實際的固化步驟，在固化步驟中，觀察或者確定分別在跨被構造的三維物 體的一個邊界區域或多個邊界區域使電磁輻射和/或增效激勵向著外部區域向外發光、或 者使電磁輻射和/或增效激勵向內發光到內部區域中的程度；以及響應于所述觀察或確定的跨邊界區域向外發光或者向內發光的程度來改變所述邊界 區域中的電磁輻射和/或增效激勵的能量密度。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，單獨或者組合地根據以下項來確定或觀察跨 邊界區域向外發光或向內發光的所述程度(a)傳遞到所述將被固化的材料的限定面積或體積的電磁輻射和/或增效激勵的強度；(b)將被固化的材料的限定面積或體積的總形狀或輪廓形狀；(c)將被固化的材料的限定面積或體積的尺寸；和(d)將被固化的材料。
22.根據權利要求20或21所述的方法，其中，在制作工作期間“在飛行中”執行所述改變步驟。
23.根據權利要求20或21所述的方法，其中，在預先準備三維物體制作裝置以將其調 整到期望的制作工作的預備步驟中執行所述改變步驟。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，所述改變步驟涉及生成包括分級圖案或分級 圖像的位圖數據，用于對于將形成的三維物體的一個或多個邊界區域選擇性地傳遞被控制 的和/或被調整的能量密度，其中，優選通過使用灰度級或顏色級來執行所述分級。
25.根據權利要求20-24中的任何一個所述的方法，其中，所述將被固化的材料包括從 包括光聚合物和膠粘劑的組中選擇的粘合劑。
26.根據權利要求20-24中的任何一個所述的方法，其中，所述將被固化的材料包括第 一粘合劑物質和第二粘合劑物質，并且第一粘合劑物質包括光固化樹脂。
27.一種用于制作至少一個三維物體的方法，包括 提供將被固化的材料，所述材料包括光固化樹脂；按圖案或圖像將電磁輻射或增效激勵傳遞到構建區域以用于對所述將被固化的材料 進行固化；其中，通過使用掩膜投影儀對所述將被固化的材料的限定面積或體積選擇性地執行所 述電磁輻射和/或增效激勵的傳遞；以及其中，在所述圖案或圖像的邊界區域中對電磁輻射或增效激勵的能量密度進行控制或 調整，或者在所述將被固化的材料的不同構建區域的圖案或圖像的邊界區域中改變電磁輻 射或增效激勵的能量密度，以使具有不同于除所述邊界區域之外的區域的能量密度， 其中，在物體承載件或支撐件上構建三維物體；以及 其中，隨著構建的三維物體生長，所述物體承載件或支撐件向上移動；以及 其中，將要被固化的材料從樹脂源傳送到可移動膜上的構建區域。
28.根據權利要求27所述的方法，其中，所述掩膜投影儀為數字光投影儀。
29.根據權利要求27或28所述的方法，其中，所述可移動膜是透明的。
30.一種自由制造系統，包括將被固化的材料；電磁輻射和/或增效激勵傳遞裝置，其能夠按圖案或圖像將電磁輻射和/或增效激勵 傳遞到構建區域以用于對所述材料進行固化；其中，所述電磁輻射和/或增效激勵傳遞裝置被設計為選擇性地將電磁輻射和/或增 效激勵傳遞到所述將被固化的材料的限定面積或體積；以及其中，所述自由制造系統還包括控制單元，該控制單元適于分別單獨或組合地根據以 下項對從所述圖案或圖像的邊界區域、和/或從所述將被固化的材料的不同構建區域的圖 案或圖像的邊界區域傳遞的電磁輻射和/或增效激勵進行控制以采用不同于除所述邊界 區域之外的區域的能量密度(a)傳遞到所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的電磁輻射和/或增效激勵的 強度；(b)所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的總形狀或輪廓形狀；(c)所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的尺寸；和(d)將被固化的材料。
31.根據權利要求30所述的自由制造系統，適于執行根據權利要求2-19中的任何一個 所述的方法。
32.一種用于制作至少一個三維物體或者為其制作做準備的自由制造系統，所述自由 制造系統為包含下列項的類型將被固化的材料；裝置，用于按圖案或圖像將電磁輻射和/或增效激勵傳遞到構建區域以用于對所述材 料進行固化，以使對所述將被固化的材料的限定面積或體積選擇性地傳遞所述電磁輻射和 /或增效激勵；其中，所述自由制造系統適于執行虛擬或實際的固化步驟，在固化步驟中，觀察或確定 分別跨將被構造的三維物體的一個邊界區域或多個邊界區域使電磁輻射和/或增效激勵 向著外部區域向外發光或者使電磁輻射和/或增效激勵向內發光到內部區域中的程度，以 及其中，所述自由制造系統還包括控制單元，該控制單元能夠響應于所觀察或確定的跨 邊界區域向外發光或向內發光的程度來改變所述邊界區域中的電磁輻射和/或增效激勵 的能量密度。
33.根據權利要求32所述的自由制造系統，適于執行根據權利要求21-26中的任何一 個所述的方法。
34.一種自由制造系統，包括將被固化的材料，該材料包括光聚合樹脂；基于掩膜曝光系統或投影系統的電磁輻射或增效激勵傳遞裝置，能夠按圖案或圖像將 電磁輻射或增效激勵傳遞到構建區域以用于對所述材料進行固化；可向上或向下移動的物體承載件或支撐件；和傳送系統，該傳送系統用于將要被固化的材料從材料源傳送到可移動膜上的構建區域；其中，所述自由制造系統還包括控制單元，該控制單元適于對從所述圖案或圖像的邊界區域或者從所述將被固化的材料的不同構建區域的圖案或圖像的邊界區域傳遞的電磁 輻射或增效激勵進行控制以采用不同于除所述邊界區域之外的區域的能量密度。
全文摘要
本發明提供一種用于制作至少一個三維物體的方法，包括提供將被固化的材料；按圖案或圖像將電磁輻射和/或增效激勵傳遞到構建區域以用于使所述材料固化；其中，對所述將被固化的材料的限定面積或體積選擇性地執行所述電磁輻射和/或增效激勵的傳遞；其中，在所述圖案或圖像的邊界區域中對電磁輻射和/或增效激勵的能量密度進行控制和/或調整、以及/或者在所述材料的不同構件區域的圖案或圖像的邊界區域中改變電磁輻射和/或增效激勵的能量密度，以使具有不同于除了所述邊界區域之外的構建區域的能量密度，其中，控制和/或調整單獨或組合地依賴于(a)傳遞到所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的電磁輻射和/或增效激勵的強度；(b)所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的總形狀或輪廓形狀；(c)所述將被固化的材料的所述限定面積或體積的尺寸；和(d)將被固化的材料。同樣提供一種裝置。
文檔編號G03F7/00GK101918199SQ200880113300
公開日2010年12月15日 申請日期2008年10月24日 優先權日2007年10月26日
發明者A·埃爾-斯博蘭尼 申請人:想象科技有限公司