用于制作三维物体的方法和自由制造系统的制作方法

专利名称：用于制作三维物体的方法和自由制造系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过使可固化材料固化来制作至少一个三维物体的方法和装置。 该方法和装置特别适用于通过改进的边界控制来制作和提供三维物体。
背景技术：
已知的通过使可固化材料固化来制作至少一个三维物体的方法和装置有时 被称为快速成型(prototyping)和制造技术，有时，它们被更具体地称为立体光刻 (stereolithography)、激光烧结、熔融沉积成型、选择性光调制等，但并不限于这些。以下， 将该领域的方法、装置和系统共同称为“自由制造”。例如，EP1849587A1公开了一种用于制作三维物体的方法和装置，该方法和装置采 用能够选择性地调整和/或控制经由灰度级和/或颜色级输入到体素(voxel)矩阵中的能 量的计算机单元、IC和/或软件实现。特别是在提供通过自由制造形成的特定属性例如较高的强度的三维物体的情形 下，将被固化的材料可包括填料和粘合剂。

发明内容
本发明的目的是提供一种特别是当将被固化的材料包括填料和粘合剂时能够制 作更高尺寸精度的三维物体的方法和装置，并且该方法和装置的可靠性得到进一步改进。根据一方面，本发明提供一种用于制作至少一个三维物体的方法，该方法包括提 供将被固化的材料；按图案或图像将电磁辐射和/或增效(synergistic)激励传递到构建 区域以用于对所述材料进行固化；其中，对所述将被固化的材料的限定面积或体积选择性 地执行所述电磁辐射和/或增效激励的传递；以及其中，在所述图案或图像的边界区域中 对电磁辐射和/或增效激励的能量密度进行控制和/或调整、以及/或者在所述材料的不 同构建区域的图案或图像的边界区域中改变电磁辐射和/或增效激励的能量密度以使具 有不同于除所述边界区域之外的构建区域的能量密度，其中，控制和/或调整单独或者组 合地依赖于(a)传递给所述将被固化的材料的限定面积或体积的电磁辐射和/或增效激励的 强度；(b)所述将被固化的材料的限定面积或体积的总形状或轮廓形状；(c)所述将被固化的材料的限定面积或体积的尺寸；和(d)将被固化的材料。同样，本发明还提供一种自由制造系统，该自由制造系统包括将被固化的材料； 能够按图案或图像将电磁辐射和/或增效激励传递到构建区域以用于对所述材料进行固 化的电磁辐射和/或增效激励传递装置；其中，所述电磁辐射和/或增效激励传递装置被设 计为选择性地将电磁辐射和/或增效激励传递到所述将被固化的材料的限定面积或体积； 以及其中，所述自由制造系统还包括控制单元，该控制单元适于分别单独或者组合地根据
7以下项对从所述图案或图像的边界区域或者所述材料的不同构建区域的图案或图像的边 界区域传递的电磁辐射和/或增效激励进行控制以采用不同于除所述边界区域之外的区 域的能量密度(a)传递到所述将被固化的材料的限定面积或体积的电磁辐射和/或增效激励的 强度；(b)所述将被固化的材料的限定面积或体积的总形状或轮廓形状；(c)所述将被固化的材料的限定面积或体积的尺寸；和(d)将被固化的材料。根据另一方面，本发明提供一种用于制作至少一个三维物体或者为其制作做准备 的方法，所述制作方法的特征包括以下步骤提供将被固化的材料；按图案或图像将电磁 辐射和/或增效激励传递到构建区域以用于对所述材料进行固化；其中，对所述将被固化 的材料的限定面积或体积选择性地执行所述电磁辐射和/或增效激励的传递；其中，所述 制作或所述准备方法包括以下步骤执行虚拟或实际的固化步骤，在固化步骤中，观察或者 确定分别跨将被构造的三维物体的一个边界区域或多个边界区域使电磁辐射和/或增效 激励向着外部区域向外发光或者使电磁辐射和/或增效激励向内发光到内部区域中的程 度；响应于观察或确定的跨边界区域向外发光或者向内发光的程度来改变所述边界区域中 的电磁辐射和/或增效激励的能量密度。可通过计算机、IC或者通过软件算法虚拟地执行固化步骤，或者可通过在测试机 上执行的测试实际执行固化步骤。同样，本发明提供一种用于制作至少一个三维物体或者为其制作做准备的自由制 造系统，所述自由制造系统的特征包括以下步骤将被固化的材料；装置，该装置用于按图 案或图像将电磁辐射和/或增效激励传递到构建区域以用于对所述材料进行固化，以使对 所述将被固化的材料的限定面积或体积选择性地执行所述电磁辐射和/或增效激励；其 中，所述自由制造系统适于执行虚拟或实际的固化步骤，在固化步骤中，观察或确定分别跨 将被构造的三维物体的一个边界区域或多个边界区域向着外部区域向外发光或者向内发 光到内部区域中的程度，其中，所述自由制造系统还包括控制单元，该控制单元能够响应于 所述观察或确定的跨边界区域向外发光或向内发光的程度来改变所述边界区域中的电磁 辐射和/或增效激励的能量密度。根据另一方面，本发明提供一种用于制作至少一个三维物体的方法，该方法包括 提供将被固化的材料；所述材料包括光固化树脂；按图案或图像将电磁辐射和/或增效激 励传递到构建区域以用于对所述材料进行固化；其中，通过使用掩膜投影仪对所述将被固 化的材料的限定面积或体积选择性地执行所述电磁辐射和/或增效激励的传递；其中，在 所述图案或图像的边界区域中对电磁辐射或增效激励的能量密度进行控制或调整、或者在 将被固化的材料的不同构建区域的图案或图像的边界区域中改变电磁辐射或增效激励的 能量密度以使具有不同于除所述边界区域之外的区域的能量密度，其中，在物体承载件或 支撑件上构建三维物体，其中，随着构建的三维物体生长，所述物体承载件向上移动；其中， 将要被固化的材料从树脂源传送到可移动膜上的构建区域。同样，本发明提供一种自由制造系统，该自由制造系统包括将被固化的材料，该 材料包括光聚合树脂；基于掩膜曝光系统或投影系统的电磁辐射或增效激励传递装置，该装置能够按图案或图像将电磁辐射或增效激励传递到构建区域以用于对所述材料进行固 化；可向上或向下移动的物体承载件或支撑件；和传送系统，该传送系统用于将要被固化 的材料从材料源传送到可移动膜上的构建区域；其中，所述自由制造系统还包括控制单元， 该控制单元适于对从所述图案或图像的边界区域或者从所述将被固化的材料的不同构建 区域的图案或图像的边界区域传递的电磁辐射或增效激励进行控制以采用不同于除所述 边界区域之外的区域的能量密度。本发明的共同构思在于，以上指定的每个因素(a)至⑷显著地、可变地影响在构 造时向着三维物体的外部区域向外发光或者向内发光到三维物体的内部区域中的能量密 度的值，并且分别改变的效果通过对相应边界区域中的能量密度进行合适的控制和/或调 整来补偿。根据特别显著的情形，在强度比标准强度高的前述情况(a)下、在总形状或轮廓 形状具有相对于线性部分或凸形部分的凹形部分的前述情况(b)、在尺寸比标准尺寸大的 前述情况(c)、以及在材料本身或者将被固化的材料中包含的成分具有相对于非散射属性 或吸收属性的散射属性的前述情况(d)时，前述向外发光或发晕照射的级别分别比参考值 高，因此，通过分别在情况(a)时相对于标准强度、在情况(b)时相对于线性或凸形部分、在 情况(c)时相对于标准尺寸、在情况(d)时相对于材料的非散射属性或吸收属性的使用，相 应地降低边界区域中的能量密度来执行补偿控制和/或调整。反过来，在强度比标准强度低的情况(a)、在总形状或轮廓形状具有相对于线性部 分或凹形部分的凸形部分的情况(b)、在尺寸比标准尺寸小的情况(C)、以及在材料本身或 者将被固化的材料中包含的成分具有相对于非吸收属性或散射属性的吸收属性的情况(d) 中，当向外发光或发晕照射的级别分别比参考值低时，情形与以上指定的相反，因此，通过 分别在情况(a)时相对于标准强度、在情况(b)时相对于线性部分或凹形部分、在情况(c) 时相对于标准尺寸、在情况(d)时相对于材料的非吸收属性或散射属性的使用，相应地增 加边界区域中的能量密度来执行补偿控制和/或调整。备选地，在前述情形中的每一个中，也可通过将被固化的材料的正常非边界面积 区域/体积区域(即，边界区域之外)中的能量密度定义各参考值。因此，本发明处理由于关于XY构建平面中跨边界区域的电磁辐射和/或增效激励 的发晕、模糊或像差的某些关键因素而显示的效果，从而能够实现经由边界亮度控制来抵 消(counterbalance)这样的效果和形成精确的尺寸限制的新构思。这里所使用的术语“边界区域”是指电磁辐射和/或增效激励的图案或图像的一 部分，当被选择性地传递到所述将被固化的材料的限定面积或体积时，该部分形成构建的 三维物体中将边界限定到非固化材料的相应部分。边界区域可向着外部空间，即，向着外部 非构建的区域存在，和/或向着内部空间，即，向着内部非构建的区域，例如中空的容积、孔 隙或腔存在。将被控制和/或调整的边界区域可精确地延伸到意欲被固化的尺寸界限，或 者它可有目的地超过这样的尺寸界限以对三维物体的实际固化表面进行调整。一个边界区 域中的控制和/或调整不仅可参照与相同构建区域的非边界区域的关系，而且相反或者另 外，它可导致在一个构建区域中的边界区域和整个构建的三维物体的另一构建区域中的另 一边界区域之间存在能量密度改变，即，可导致不同构建区域的边界区域的图案或图像中 的变化。
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本发明在根据上述实施例中的任何一个通过电磁辐射和/或增效激励从包括填 料和粘合剂的可固化材料形成三维物体的情况下特别有利。例如，颗粒或纤维填料物质的 存在(可能是类型)或不存在不同地影响与精确的或有差别的固化特别相关的边界区域。 通过根据本发明的方法和制造系统，获得产品特性组合得到改进的三维物体，特别是将高 尺寸精度与整个物体上的均勻机械强度(尽管通过添加生成方法形成)结合起来。以下将对原理、优点和优选实施例进行更详细的描述。


将参照优选实施例、示例和附图对本发明进行更详细的描述，然而，附图仅用于示 例性目的，而不应该按限制性方式对附图进行理解，其中图1通过参照改变照射的强度的类型(a)、改变总形状的类型(b)和改变将被固化 的材料的限定面积或体积的尺寸的类型(c)的效果来示意性地显示本发明的原理；图2通过参照以其它方式改变照射的强度的类型(a)、以其它方式改变总形状和 改变轮廓形状的类型(b)和以其它方式改变将被固化的材料的限定面积或体积的尺寸的 类型(c)的效果来示意性地显示本发明的原理；图3通过参照由改变总形状和轮廓形状的类型(b)而引起的改变效果的复杂情形 来示意性地显示本发明的原理；图4通过参照自由制造系统的特定实施例来示意性地显示本发明的原理，在该自 由制造系统中，在XY平面中的图案或图像内改变电磁辐射和/或增效激励的能量密度；图5通过使用根据另一个实施例的基于承载将被固化的材料的透明膜的自由制 造系统来示意性地显示本发明的原理，其中，通过将来自不同传递源的电磁和/或增效辐 射叠置来实现改变的能量密度；图6A和图6B示意性地显示根据另一个实施例的本发明的原理，其中，通过分别改 变能量密度来形成不同的构建区域，改变能量密度涉及具有将被固化的包含填料的第一材 料的构建区域和使用将被固化的不同的第二材料的一个或多个其它构建区域，其中，不同 的构建区域与相应不同的能量密度相关；图7通过使用具有投影单元的自由制造系统来示意性地显示本发明的另一个实 施例，该投影单元用于选择性地传递电磁辐射和/或增效激励，其中，根据包含填料和粘合 剂的将被固化的材料的组成和/或特性来适当地预设或调整能量密度；图8通过使用利用膜传输技术和利用掩膜曝光单元的自由制造系统来示意性地 显示本发明的另一个实施例，该掩膜曝光单元用于选择性地传递电磁辐射和/或增效激 励，其中，与图7的实施例类似地，根据包含填料和粘合剂的将被固化的材料的组成和/或 特性来适当地预设或调整能量密度。
具体实施例方式根据本发明，发现上述特性(a)至(d)对构建区域中与边界区域对应的面积或体 积的那些部分中的固化行为起关键性的影响。可根据本发明通过主动地和选择性地控制通 过电磁辐射和/或增效激励(synergistic stimulation)传递的能量密度(还被已知为以 J/m2或mj/cm2或mW/dm2为单位测量的“曝光能量密度”，以下简要地表示为“能量密度”)来
10很好地调整影响相关方法和产品特性的机制。通过跨边界区域至少部分改变的能量密度， 可制作出这样的三维物体，该物体具有起优良的抗衡作用(counter-acting)的属性，例如 均勻的机械强度和高精度的尺寸，即，避免可由前述特性(a)至(d)的不同影响而引起的局 部扭曲(distortion)。根据本发明，跨边界区域的能量密度的控制和/或调整或者不同边 界区域之间的能量密度的改变是指，至少在曝光图案或图像的分别被边界区域覆盖的部分 中，或者至少在不同构建区域的分别被边界区域覆盖的部分中，相对于未修改/未改变的 曝光，存在能量密度的主动空间修改。假设通过相对于将形成的三维物体的整个构建体积 的以X、Y和Z为维度的选择性曝光的面积或体积来限定构建区域，则首先在XY平面中的投 影图案或图像中施加边界区域中的能量密度的控制和/或调整。可替换地，或者除了该方 案之外，还可施加将被固化的材料的相应不同的构建区域的不同边界区域中的能量密度的 改变。以下将对前述显著特性进行进一步的说明，根据这些特性，可有效地执行控制和/ 或调整。当参照附图时，用加重面积(weightarea)显示将被固化的材料的限定面积，在这 些限定面积中，选择性地传递电磁辐射和/或增效激励，并用围绕这些限定面积的浅灰色 阴影表示向着外部区域向外发光(out-shining)的能量密度的改变值。(a)传递到将被固化的材料的限定面积或体积的电磁辐射和/或增效激励的强 度图IA和图IB示出由电磁辐射和/或增效激励的不同强度而引起的区别效果。当 传递到图IB中加重面积所显示的正方形剖面平面的强度比传递到图IA中加重面积所显示 的矩形剖面平面的强度高时，图IB中向着外部区域向外发光的能量密度的值比图IA中向 着外部区域向外发光的能量密度的值的高(用各个向着照射面积的外部的变暗的“阴影” 示出)，因此，必须通过适当地控制和/或调整各个边界区域中的能量密度来补偿不同的效 果。因此，根据本发明，图IB的面积的边界区域被控制为传递比正方形面积的非边界内部 区域低的能量密度，例如通过为相对于相应正方形位图的加权(weight)像素的边界像素 分配灰度级来进行控制。图IA的情况下的边界区域的能量级传递相对于非边界内部区域 (这里为矩形面积)也减小，但是减小程度小于图IB的情况。通常，可对参考强度进行标称设置，并且根据实际所使用的强度的偏差，调整边界 区域中的能量密度，即，如果强度比参考高(或者，相反，比参考低)，则相对于参考值降低 (增加)边界区域中的能量密度。(b)所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的总形状或轮廓形状向外发光或发晕(blooming)的程度还受用于固化的限定面积或体积的总形状影 响。程度越高，每单位面积的剖面形状越大。例如，这个程度按以下总形状顺序增加线条 /条纹、三角形、矩形、正方形、边数增加的多边形、以及圆形。从图IA(矩形)和图IB(正方 形)之间的比较也可看出，这个趋势变得明显。根据本发明，与矩形剖面面积相比，或者，更 一般地讲，相对于参考剖面形状的边界区域，能够如此使正方形剖面面积的边界区域在能 量传递中“变暗”。关于轮廓形状标准，图IA和图IB都显示出(如再次通过不同变暗的外部“阴影” 示出)各个拐角处向外发光或发晕的程度比侧边低。因此，可根据边界区域是在拐角处还 是在侧边处来进一步实现相应控制，从而导致相对于作为参考的正常的非粘合区域，前一情况下的能量密度传递减小比后一情况低。这个示例还显示，电磁辐射和/或增效激励的 图案或图像可包括多个区别控制的边界区域。对于图2A、图2B和图2C中的圆形剖面面积，显示根据总形状或轮廓形状进行控制 和/或调整的另外的实施例。可清楚地看出，向外发光和发晕在凸形轮廓处(即，在环形剖 面面积的内环或孔处)较强，反之，在外部边缘和轮廓处显现的凹形轮廓处较弱。因此，分 别相对于参考轮廓，前者要求边界区域中的能量密度的减小比后者强(比如，通过灰度级 控制或者其它能量密度调整)。在这种情况下，参考可以，例如，通过线性轮廓来限定。如从 图2A至图2C中一系列图进一步明显的那样，内孔越小，向外发光/发晕越高，因此，需要通 过边界区域中的能量密度降低的越强的控制来用于补偿。通常，内孔和外圆的半径表示向 外发光和发晕的程度，因此，可被用作边界亮度控制的因素。(c)所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的尺寸在给定的未修改的制造系统中，相对于较小或较纤细的曝光面积或体积，较大曝 光面积或体积的存在使得在边界区域以及在边界区域上方发晕或向外发光更高。例如，从 图2A、图2B和图2C的比较，这也变得清楚环形面积越大，向着环的外部空间和内部空间 向外发光的程度越高(分别用越来越暗的“阴影”表示)。上述趋势可尤其受曝光的面积或 体积中的填料的存在的影响。因此，根据本发明，构建区域的面积或体积的剖面尺寸越大， 应该更多地将边界区域中的能量密度控制或调整到比非边界区域中的标准能量密度低的 级别，相反，剖面尺寸越小，应该更多地控制或调整到相对高的能量密度。图3显示被拐角和线性线打断的凸形和凹形轮廓曲线的复杂混合的存在的示例， 其复杂程度需要将基于以上描述的各个边界区域中的能量密度的相应调整组合起来。这 里，弯曲程度表示向外发光和发晕的程度，因此，可被用作边界亮度控制的因素。(d)将被固化的材料相对于与将形成的三维物体的大部分面积或体积区域，电磁辐射和/或增效激励 到边界区域的传递就吸收、反射和/或散射性能以及收缩性能而言具有明显不同的特性。 大致地讲，这些特性在面积或体积区域内受到相对均勻的影响，而在由当时存在的边缘引 起的边界区域处受到相对不均勻的影响。可就使用具有反射和散射特性的陶瓷填料的情况作为示例进行说明给定使期望 的硬化深度处的面积或体积区域中的材料的粘合剂固化所需的特定量的能量或能量密度， 根据本发明在边界区域中传递相对少量的能量或能量密度，从而抵消由边界区域中的反射 和散射现象引起的尺寸误差，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，例如炭黑的情况下，可发生相反情况。与将被固化的材料的特性相关的另外的影响因素包括以下方面(i)将被固化的材料中所包含的填料的类型和/或量例如，根据填料是否吸收、反射或散射电磁和/或增效辐射或者填料吸收、反射或 散射电磁和/或增效辐射所达到的程度，与边界区域相应的能量密度分布特别受影响。例 如，固化材料或其成分散射越多，向着实际限定的构建区域或构建体积外部向外发光或发 晕的能量密度越高，因此，减小这种情况下的边界区域的能量密度传递，例如，通过使位图 的相应部分的全部灰度级等级相对于该位图与非边界区域对应的其它部分变暗来减小，以 实现有利的补偿控制。相反，在吸收现象强于反射或散射现象的将被固化的材料的情况下，
12相对于内部的非边界面积，在边界区域中最好应该增加能量密度。吸收或反射/散射现象 是否占优势可以，尤其，依赖于填料的类型。因此，根据本发明的能量密度的主动控制或改 变使得能够适用于多种不同的填料物质，包括，但不限于，以下将进一步详细描述的陶瓷、 玻璃、炭黑、固态聚合物颗粒、金属、金属合金，并包括修改形式，例如通过合适的涂层使吸 收性金属颗粒反射，比如，通过蜡类(waxes)、偶联剂、聚合物等使吸收性金属颗粒反射。本 发明还允许考虑以颗粒(或粉末)或纤维形式存在的填料物质的尺寸和/或量，还允许对 例如在制造过程期间填料沉淀(sedimentation)的情况作出响应。而且，本发明提供这样 的优点，即，仍然使用利用适应的改变的能量密度的一种制造系统，可通过使用两种或更多 种不同的将被固化的材料来更可靠地制作三维物体，这些材料中的至少一种包括填料。(ii)粘合剂的类型和/或量同样，与填料物质的特定类型和/或量组合，根据关于构建区域内的特定位置的 粘合剂类型和/或量，主动地影响关键固化标准(criteria)，包括吸收、反射和/或散射现象。(iii)将被固化的材料的硬化率、粘度和/或流动性根据是涉及边界区域还是涉及非边界区域，将被固化的材料的硬化率、粘度和/ 或流动性行为可强烈不同。例如，材料是否处于液态、流态、触变、半固态、糊状、高粘度、中 度粘度和低粘度状态可能是关键的，但是在与边界或非边界区域相应的各个构建区域中表 现不同。此外，这些状态可根据三维物体的整个构建过程内的状态和时间点而改变，或者可 在不同的构建面积或区域之间改变，或者可在整个构建过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间改变。而且，在与边界区域相应的面积或体积中充分硬化的亮 度级和/或时间可相对于其它区域实质改变。本发明通过所关注的一个或多个边界区域中的能量密度的相应预设的改动或者 原位(in-situ)控制来使得有效地适应这样的变化状态中的每种状态。在执行本发明时，可通过理论考虑或者通过实际实验来确定和弄清对于前述情况 (a)至(d)，特别是对于情况(i)至(iii)或者其它情况的能量密度的被控改变。在制造 系统适用于还没有经过实验的将被固化的材料，或者适用于新的或特定的制作装置的情况 下，优选实际测试或验证。因此，通过对上述一个或多个参数进行测试，可容易地对改变的 能量密度，特别是边界区域中的至少一部分中的或者不同构建区域的图案或图像之间的选 择性过度曝光和曝光不足的效果进行测量。这使得可根据整个制造过程中的各个构建参数 来进行更精确的调整，例如将形成的特定三维物体的设计、所使用的材料中所包含的填料 和/或粘合剂等。可在一个或多个位图中进行必需的或者期望的调整。可在构建过程之前 生成位图，或者可在正在进行的构建过程期间“在飞行中(on the fly)”生成位图。在制作 工作期间“在飞行中”执行适应步骤是特别有效率的和优选的。而且，可通过以下方式来执 行控制，即，参照根据从参考强度、参考总形状、参考轮廓形状、参考尺寸和参考材料中选择 的任何特性限定的标准能量密度，并根据实际构建数据或实际构建物体相对于所述参照特 性的变化来调整传递到边界区域的实际能量密度。电磁辐射和/或增效激励的选择性传递适当地包括合适的源，该源能够使电磁辐 射和/或增效激励发射足以使将被固化的材料固化。根据本发明的通过电磁辐射和/或 增效激励的固化可被理解为没有光反应的固化过程，例如胶凝、熔融和/或烧结，但是更优选地被理解为通过光反应或者通过热聚合(thermal setting)反应的胶凝和/或固化的过 程。因此，可从以下组中选择粘合剂，该组合包括惰性粘合剂(binder)；可在没有光反应 或者有光反应的情况下凝胶、固化或硬化的胶粘剂(adhesives)；和可通过光反应凝胶和/ 或固化的光聚合物或辐射敏感树脂，通常包括光聚作用、交联和/或网络形成过程。除了可 通过选择性地传递电磁辐射和/或增效激励来进行固化或硬化的这样的粘合剂(第一粘合 剂)之外，另外还可使用其它的粘合剂(第二粘合剂)，第二粘合剂不受这样的电磁辐射和 /或增效激励影响，或者受电磁辐射和/或增效激励影响，但是是一种变型的粘合剂(比如， 波长或强度不同)。用于选择性地传递电磁辐射和/或增效激励的装置优选还包括掩膜和/或投影 单元，其用于将电磁辐射和/或增效激励选择性地传递到将被固化的材料的限定面积或体 积。可通过另外合适的组件来将电磁辐射和/或增效激励传递到构建区域或者其部分，所 述组件包括，但不限于，光学元件、透镜、快门、体素矩阵投影仪、位图生成器、掩膜投影仪、 镜(mirror)和多镜元件等。选择性地传递电磁辐射和/或增效激励的合适的辐射技术的 示例包括，但不限于，空间光调制器(SLM)、基于数字光处理(DLP )、DMD 、L⑶、 ILA V LCOS、SXRD等的投影单元、反射且透射的IXD、LED或者按线或矩阵发射的激光二 极管、光阀、MEM、激光系统等。优选使用DLP掩膜投影仪。当将可固化材料放在合适的载体或供给件(provider)中或者放在合适的载体或 提供者上时，对可固化材料进行限定区域或体积中的选择性传递。本发明中所使用的可固 化材料载体/供给件的合适示例包括，但不限于，容纳可固化材料的容器或缸、或者输送可 固化材料的挠性的和/或干净的和/或有弹性的膜/箔。当被实施为膜时，在固化步骤之 前、期间或者之后可通过合适的膜传送技术来传送材料。可存储更多体积的可固化材料，并 且可从贮存库(reservoir)或者可固化材料盒供应这些可固化材料以将其输送到可固化 材料供给件。此外，生长的连续或间断构建的三维物体可被承载在合适的载体或支撑件上。通 常在制造系统中可移动地布置物体载体/支撑件以使得可在空间上控制与将被固化的材 料的关系。可替换地或者与其组合，可按与物体载体/支撑件(从而，与先前固化的物体) 的空间控制的关系可移动地布置可固化材料载体/供给件。当应用本发明的原理时，各种 变型是可行的。可相对于将被固化的材料及其供给件和/或载体以各种合适的方式布置用于传 递电磁辐射和/或增效激励的源和上述另外的光学元件。例如，可这样进行布置，即，从构 建区域或者可固化材料载体/供给件上方传递电磁辐射和/或增效激励(在这种情况下， 用于承载制作的三维物体的载体通常位于构建区域或可固化材料载体/供给件下方)，或 者从构建区域或可固化材料载体/供给件下方传递电磁辐射和/或增效激励(在这种情况 下，用于承载制作的三维物体的载体通常位于构建区域或可固化材料载体/供给件上方)。 再次，各种变型是可行的。例如可通过具有X、Y和Z方向上的期望尺寸的构建平面/面积或构建体积来形成 构建区域。构建面积可以是平坦的，但并非必须是平坦的。此外，构建区域可形成为层、剖 面、矩阵或者任何其它形式，所述矩阵例如点矩阵、线矩阵、特别是体素矩阵。最终可通过涉 及在各个构建区域中连续固化材料的加性生成方法(additivegenerative process)来形
14成期望的三维物体。根据本发明，能够以各种方式或手段将能量密度传递到曝光图案或图像和/或将 被固化的材料的不同构建区域的图案或图像。为了使得能量密度的改变有效率和可控，电 磁辐射和/或增效激励的选择性传递优选基于包括预定数量的离散成像元件或像素的成 像单元，并且优选通过以选择性方式控制离散成像元件或像素来执行边界区域中的能量密 度的控制或改变。这样的曝光系统特别适合于立体光刻技术的自由制造方法。根据本发明，可通过合适的方式或手段在一个或多个边界区域中控制或改变电磁 辐射和/或增效激励的能量密度。具体地讲，优选方式或手段单独包括或者组合包括(aa) 一个或多个构建区域的XY、XZ、YZ的维度内的或者Z方向上的各种曝光时间。 例如，这也可通过使用具有合适定时的选择性快门或者选择性掩膜曝光来实现。(ab)图案或图像或者不同构建区域中的至少一个的图案或图像的分别覆盖所关 注的边界区域的至少部分的多个曝光的数量。例如，这可通过应用将形成的三维物体的特定剖面面积或其它构建区域的多次掩 膜曝光来执行，其中，分别对于相应的非边界区域中的各个过度曝光和相应的边界区域中 的曝光不足，多个掩膜各自的部分优选重叠。(ac)曝光的图案或图像的边界区域中或者不同构建区域的边界区域之间的能量 密度的分级。这可通过将一定灰度值或颜色值分配给边界区域的相应部分或者多个边界区域 中的一个边界区域来最有效率地执行。被灰度值或颜色值分配的部分相对于全亮度值相应 地曝光不足，而相对于黑色值曝光过度。在像素矩阵中依照像素(pixel-wise)最有效率地 分配灰度值或颜色值。由于能量密度的分级将易于处理与高精度的实现组合起来，尤其是 在使用包含填料的将被固化的材料时，所以优选单独应用这个实施例或者与其它改变手段 组合地应用这个实施例。(ad)应用电磁辐射和/或增效激励的第二源或第二传递。例如，电磁辐射和/或 增效激励的第二源或第二传递可通过双重或多重照射系统来实现，所述双重或多重照射系 统包括具有分别相同或不同波长的两个或更多个辐射源的使用。在这个实施例中，可将第 二照射源或另外的照射源选择性地引向图案或图像的与边界区域相对的需要被过度曝光 的非边界区域。或者，普通的红外线(IR)热源可用于基本能量密度的一般传递，而用于传 递用于使材料固化的电磁辐射和/或增效激励的特定源被选择性地应用于相对于所选择 的边界区域需要通过另外的能量密度曝光的非边界区域。电磁辐射和/或增效激励的第一 和第二或另外的源或传递可位于与构建区域相同的一侧或者不同的一侧。此外，可分别按 相同方向或不同方向定位第一和第二或另外的电磁和/或增效辐射的传递。对于本领域技术人员，任何改动或者以上改动实施例的组合是可能的且可行的。根据本发明的与粘合剂混合的用于提供可使用材料的填料通常为固态或基本 固态的物质，可包括，但不限于陶瓷物质，例如氧化铝、氧化镁、氧化锆、其它过渡金属 的陶瓷氧化物(例如氧化钛、氧化铪、稀土金属氧化物、尖晶石型双金属氧化物陶瓷)或 者其混合物；金属陶瓷；硅酸盐、铝硅酸盐、磷灰石、氟磷灰石(fluoroapatite)、羟磷灰 石(hydroxylapatite)、磷酸盐(例如，磷酸三钙、磷酸钙镁、磷酸钙铵)、多铝红柱石 (mullite)、尖晶石(spinels)、以及其混合物；玻璃材料，例如硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、以及其混合物；炭黑；颜料；金属和金属合金，例如不锈钢、钛或钛合金、镍合金、 铜或铜合金(例如黄铜(70%铜、30%锌)、铝或铝合金、铁或铁合金、和其混合物；固态聚合 物或共混聚合物，例如聚合丙烯酸树脂和其混合物或共聚物、像聚亚安酯/聚丙烯酸脂、丙 烯腈/ 丁二烯/苯乙烯聚合产物(ABS)、环氧化物和其共聚物、尼龙和其混合物或共聚物、聚 酰胺弹性体(elatomers)和其混合物以及其它填料物质。在就实现高机械强度、与高尺寸 精度组合的良好均勻性而言对牙科应用特别有利(尤其是当方法包括例如烧结、从而从第 一圆周尺寸变换到第二圆周尺寸的后处理时)的优选实施例中，填料物质为陶瓷粉末，优 选为包括从氧化铝、氧化锆或其混合物中选择的陶瓷材料的粉末。特别优选的陶瓷粉末包 括从单斜或非单斜氧化锆、氧化钇掺杂的或稳定的四方单斜晶系或非单斜晶系、单相或非 单相氧化锆(即，包含3-5mol-% Y2O3的&02)、特别是3YTZP中选择的陶瓷材料。填料成分还可包括一种或多种添加剂，例如，但不限于，分散剂、例如颜料的染料、 例如烧结助剂或稳定剂的后处理辅助添加剂，等等。填料可在用于固化的电磁辐射和/或增效激励的作用下使自身共同熔融或者共 同烧结(比如，尤其是当使用聚合物填料时)。另一方面，优选地，在使与填料混合的粘合剂 固化的电平下，填料本身对于电磁辐射和/或增效激励是惰性的，但是在稍后描述的后处 理中仍然可共同熔融或者共同烧结(比如，当使用陶瓷、玻璃或金属/金属合金时)。填料可以是颗粒、粉末、纤维、网、支架(scaffold)等形式。特别优选的颗粒形式 的填料为具有合适颗粒尺寸的粉末，优选地为球形或基本球形，进一步优选地，平均颗粒尺 寸的范围为约0. OOlumM 100 μ m,更优选地，该范围为约0. 01 μ m至50 μ m，特别地，该范 围为约0. 1 μ m至10 μ m。关于填料的绝对颗粒尺寸的分布，其范围可以为约Inm至1000 μ m 或更大，更优选地，从约0. 1 μ m至100 μ m。通过使用相同或不同的填料材料，填料可具有单 峰、双峰或三峰尺寸分布。从当曝光于电磁和/或增效辐射时它们自身可使合成材料固化的物质中合适地 选择根据本发明的用于将被固化的材料的粘合剂物质。如此选择的粘合剂可以不必是通 过光反应固化，而是可通过例如凝胶的其它机制固化，或者它可利用通过电磁和/或增效 辐射的活化作用之后的化学反应固化，该化学反应可能与其它共同反应物一起。这种类型 的粘合剂的合适示例为胶粘剂，包括，但不限于，蜡类和变型蜡类、例如环氧化物的热聚合 树脂等。可在使将被固化的材料固化之前不施加胶粘剂的胶粘属性，从而使包含颗粒或纤 维填料的部分结构连续地附着在一起，从而在甚至不执行光固化反应的情况下构成三维物 体，所述部分结构例如层、丝条(strand)、点或其它结构或支架。根据优选实施例，粘合剂包含从光聚合物和热硬化树脂中选择的至少一种，特别 是当受到感兴趣的电磁辐射和/或增效激励时硬化的光聚合物。因此，将被用作粘合剂材 料的光聚合物可包括，但不限于包含丙烯酸盐和/或甲基烯酸盐的化合物(例如，单_、 二-、三-、四-、五丙烯酸(pentaacrylate))、诸如烷基或烷氧基(甲基)丙烯酸盐，具有短 或长链烷基酯基团的(甲基)丙酸烯酯，比如，烷基乙二醇二(甲基)烯酸盐；包含环氧基 团的化合物；包含乙烯基基团的化合物或者包含乙烯醚基团的化合物；聚硅氧烷；等等，以 及其混合物。或者，可使用热硬化聚合物物质，例如包含环氧基团的化合物，其优选受响应 于光和/或热而分解的胺基团保护。根据本发明的将被固化的合成材料还可包含辅助剂，分别单独地或者组合地
16包括，但不限于可根据电磁和/或增效辐射的期望波长选择的光敏引发剂，例如2-苄 基-2- 二甲基氨基-l-(4-吗啉苯基)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、氧杂蒽、芴、荧光酮、二茂络铁等；共同引发剂和/或 活性剂，例如噻吨酮(比如，异丙基噻吨酮1-氯-4-丙氧基噻吨酮)、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、硼酸盐、亚磷酸盐等；流变学调整剂；粘度调整剂；稀释剂；溶剂；着色剂，例如染 料和/或颜料；触变剂；增稠剂；稳定剂；偶联剂；贴边(welting)剂；分散剂；润滑剂；胶粘 剂；造孔剂等。将被固化的材料可设为合适的形式，包括，但不限于，液态、流态、触变、半固态、糊 状、高粘度、中度粘度和低粘度材料。优选地，但绝不是限制，它的粘度范围为约0. IPa · s 至 5X IO3Pa. s，优选地，约 0. 2Pa · s 至约 IXlO3Pa. s，更优选地，IPa · s 至 200Pa · s，特 别是，IOPa · s至IOOPa · s,以上粘度范围分别在25°C时测量。如果使用填料，则其在将被固化的整个材料中的含量计算的合适范围为约0. 5% (重量)至99.9% (重量)，优选地，约(重量)至约99% (重量)，更优选地，10% (重 量)至85% (重量)，特别是50% (重量)以上至85% (重量)，还更优选地，70% (重量) 至80% (重量)。在固化之后，可对如此制作的三维物体进行一种或多种后处理。从后硬化 (post-hardening)、脱脂、熔融和烧结中单独或者组合选择合适的后处理。根据图4，在基于立体光刻技术制作三维物体的自由制造方法和系统的特定实施 例中，使用提供将被固化的材料7的容器或缸1，材料7包括颗粒填料6和粘合剂5，颗粒 填料6例如氧化钇稳定四方氧化锆相材料(3YTZP)，粘合剂5例如丙烯酸盐树脂。将被固 化的材料7还可包含以上所述的组分，例如填料物质中的烧结助剂和粘合剂中的光敏引发 剂，可选地，还可包含辅助剂。图1显示在执行期间的特定时刻的方法和系统，其中，已经制 作了期望的三维物体的一部分9，该部分9承载于三维物体载体/供给件10上，这里载体/ 供给件10示出为平台的形式。通过三维物体载体/支撑件10的向上移动(在三维物体载 体/支撑杆处用箭头显示)在先前固化的部分物体9的表面和容器或缸1的底部2之间形 成间隙。通过这种向上移动，还将被固化的材料填充间隙，以使将被固化的材料7被设在期 望的构建区域8中。缸或容器1的底部2至少在底部的功能部分中对于将用于固化的电磁 辐射和/或增效激励是透明的或者能透射的。在根据XY限定的面积或者在Z方向上延伸从而具体限定期望的构建区域8的相 应体积内，如从缸1的底部2下方的平行箭头所示，选择性地传递电磁辐射和/或增效激 励。这里，在相应的曝光图案的边界区域中控制曝光的能量密度，以使基于作为填料物质6 的金属粉末填料的占优势的反射和散射属性将边界区域中的曝光能量密度E1调整为低于 内部面积区域中施加的能量密度Etlt5可通过相对于内部面积区域中的掩模的不分级的亮度 曝光级别将灰度级分配给掩模曝光系统的边界区域来实现能量密度的控制。相反，通过使用吸收占优势的填料物质来修改制造系统，能够以不同的方式(未 显示)来对能量密度改变进行修改，以使在边界区域中曝光较高的能量密度(E/ )，而可将 相对低的基本能量密度(Ec/ )曝光到除了边界边缘之外的其余内部面积。以这种方式，可将自由制造系统改装和调整为使用包含填料物质的特定使用的材料。而且，在给定预定系统的情况下，可通过分别对于边界区域和大的结构面积区域的区别 控制来显著地改进精度、收缩控制和均勻的机械强度。当期望根据(a)所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的总形状或轮廓形 状或者(b)所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的尺寸相对于内部面积区域中施 加的参考标准电平(Etl)将能量密度调整为边界区域中较低的电平(E1)时，可在修改的实施 例中使用类似的控制机制。例如，当构建区域8具有凸形轮廓线时(相对于当轮廓为线性 直线时将应用的参考情况)、或者当构建区域8覆盖相对小的剖面面积(相对于参考构建区 域尺寸)时，调整Ec^PE1之间的差值以使其变得相对较小(比如，通过分别将分级的灰度 级分配给与E1相关的边界区域来实现)。相反，分别与参考情形相比，在构建区域8的凹形 轮廓线的情况下，或者在相对大的剖面面积的情况下，调整该差值以使其变得相对较大。可 与所使用的材料无关地应用这些变型，比如，当将被固化的材料不包含填料物质时也可应 用这些变型。在图5、图6A和图6B所示的另外的实施例中，基于膜传输成像技术的自由制造系 统和方法的变型用于应用本发明的原理。在这些实施例中，可设为环形带形式的带30由透 明的和/或挠性的和/或弹性的橡胶/膜/箔形成以在其上提供将被固化的材料17。将被 固化的材料17又包含填料物质16和粘合剂15，可选地，还包含以上所述的组分。附图显示 整个制造过程内的特定阶段，其中，最终的三维物体的一部分19已经形成，并置于被实施 为构建平台的三维物体载体/支撑件20上。当材料的另一层应该置于物体部分19的顶部 时，通过载体/支撑件20的向上移动使它移动以与仍待被固化的材料17接触。一旦达到 接触，在构建区域的限定区域内在具有相关的基本能量密度Etl的图案或图像中传递电磁辐 射和/或增效激励(在这种情况下，另一层将被固化)。根据图5所示的实施例，为了抵制由边界区域中的陶瓷填料物质的散射现象引起 的不均勻性，通过使用电磁辐射和/或增效激励的另外的第二源进行超曝光来改变能量密 度，该第二源在曝光图案或图像的内部区域中传递或供应另外的能量密度E1，从而在边界 区域中保留剩余的基本(较低的)能量密度&。与Etl相关的第一电磁辐射和/或增效激励 和与EJH关的第二电磁辐射和/或增效激励可具有相同或不同的波长。已经结合图4进行 描述的可与填料物质的存在或不存在无关地使用的修改实施例也可应用于图5的实施例。在图6A和图6B所示的另一个实施例中，对当使用不同构建区域或不同层时或者 可替换地当不同的第一材料和第二材料用于一个或多个构建区域时本发明的原理进行说 明。在图6A所示的具体举例的步骤中，不具有填料物质或者具有另一种填料物质的且不同 于上述图5的成分15、16或17的修改的第二材料18被用于通过曝光于与一定能量密度E3 相关的电磁辐射和/或增效激励在构建区域处形成纤细的边界部分(例如，修改的结构或 者辅助支撑结构)。在从带30分离之后，供应这个带30或者又承载将被固化的包含填料 16和粘合剂15的第一材料17的另一个带。当通过部分物体(结构19加上19’)的载体/ 支撑件20向着材料17向上的移动再次引导该部分物体又一次接触时，对于用于形成三维 物体的另一部分的下一构建区域或下一层，曝光相对于前面的边界区域E3而改变的基本能 量密度Etlt5在这个示例中，在图6B中形成的包括其边界区域的整个层上方应用基本能量密 度Etl，但是可替换地，可在空间上将Etl分为应用于内部区域的能量密度和在前面所述的下 一层的边界区域中应用的较低的能量密度。关于另外的可替换方案，代替分别使用将被固化的不同的第一材料17和第二材料18，即使使用将被固化的相同材料，也可有利地应用改 变的能量密度E3和Etl，但是，由于完全不同的构建区域结构而导致执行所述改变(在物体 19的整个剖面上方形成精细的结构19’和覆盖层)。在图7和图8示意性地示出的实施例中，可通过根据上述标准中的至少一个预先 设置或者通过合适的控制单元来分别设置或控制这样的电磁辐射和/或增效激励传递装 置的能量密度。图7中显示的实施例再次使用将被固化的材料7，材料7至少包含粘合剂5和填料 6，并被容纳在缸、容器或槽40中。缸/容器/槽40的底部和用于支撑缸/容器/槽40的 玻璃或塑料板41对于所使用的类型的电磁辐射是透明的。在这个实施例中，从投影单元50 穿过快门46经由反射器45投影电磁辐射，以在构建区域中或者在构建区域处形成期望的 曝光图像，从而使材料7固化并将它与先前形成在三维物体载体/支撑件10上的部分9粘 合，三维物体载体/支撑件10再次被实施为构建平台。以这种方式，可连续地或者间断地 接连形成期望的三维物体，例如，逐层地而具有中间层分离。计算机单元60所实施的控制 单元用于控制自由制造系统在合适的位置处的操作，比如，用于可变地调整能量密度E的 投影单元50、用于打开和关闭电磁辐射的路径的快门45、以及用于其移动(比如，如箭头所 示的向上)的使得能够传递刚进的(fresh)材料以使其固化的三维物体载体/支撑件10。 这里，可通过合适的控制模块61在构建过程之前手动预先设置和输入投影和曝光单元的 空间可控能量密度E，例如，根据所使用的已知的材料(即，根据上述参数中的任何一个参 数或者组合，例如，填料的类型、颗粒尺寸或量；粘合剂的类型或量)来手动预先设置和输 入投影和曝光单元的空间可控能量密度E。可替换地或者另外，可手动地、可变地设置能量 密度E，并将其输入到控制模块61中，或者可根据上述参数中的任何一个或者组合在构建 规划和构建过程期间原位调整能量密度E。作为另一种可能的选择，若需要，可提供流量计或粘度计(标号55所示)，从而允 许预先为预设操作测量或者在构建过程期间原位测量流动性或粘度或者这二者，以经由控 制单元60根据用于固化的材料的流动性、粘度和硬化率中的任何一个来控制通过投影单 元50传递的能量密度E (进而又可通过流动性和粘度来测量硬化率)。与前面的实施例中 所描述的类似，可在构建区域的曝光面积内改变通过投影仪50传递的能量密度E，以使在 内部区域中相对高，在边界区域中相对低(即，通过传递空间区别的能量密度VE1等)，以 抵制由填料6引起的散射和/或反射现象。作为图6的实施例的进一步的变型，可用用于 选择性地传递电磁辐射和/或增效激励的掩模曝光系统替换投影单元50和反射器45。图8所示的实施例示出用于膜传输成像技术的以上实施例的变型。这里，根据本 发明的自由制造系统的实施例使用覆盖将被固化的材料7的挠性的和/或干净的和/或弹 性的膜/箔(分别用标号75表示)。该材料至少可包含粘合剂5和填料6。这里对至少在 构建面积中所关注的电磁辐射为透明的膜75适于运输将被固化的材料7，以通过规定的能 量密度E的传递在期望的构建区域中使材料7受到辐射作用，其中，材料7从固化材料储存 库70被分发到膜的一侧上，S卩，从供应站被分发到构建面积。可在控制单元60的控制下通 过主动辊762执行运输，而其它辊761和763可以是被动的而仅仅卷起挠性膜75的剩余端。 另外还提供的是透明玻璃或塑料板42，其用于提供对承载构建面积处的材料7的挠性膜75 的支撑。这在可期望时增强对平坦的参考平面的准备。
19
在这个实施例中，通过包括位图发生器和掩模投影仪(共同用标号80表示)的掩 模曝光系统来实施电磁辐射和/或增效激励。通过掩模曝光系统(可选地，还有未显示的 其它能量源)，将能量密度E选择性地传递到参考平面中或者参考平面处的构建区域的期 望区域。控制单元60被布置为控制用于调整能量密度E的掩模曝光系统80，并且还可在合 适的其它位置处控制整个系统，例如，在其移动(比如，如双箭头所示向上和向下)使得能 够执行接触刚进的材料7的步骤和固化之后的分离步骤的三维物体载体/支撑件10处、在 用于控制分发刚进材料膜7的固化材料储存库70的开口处、等等。与图7的实施例类似， 可在构建过程之前通过合适的控制模块61手动预设和输入掩模曝光系统的能量密度E，或 者可替换地或另外地，可根据上述因素中的任何一个或者组合在构建规划和构建过程期间 原位调整它。与以上实施例相同，通过传递空间区分的能量密度EpE1等来改变掩模曝光系 统所传递的能量密度E。可设想图7和图8的实施例的另外的变型。例如，可用图7中的掩模曝光系统替 换投影单元50和反射器45，反之亦然，可用另一投影系统来替换图8的掩模曝光系统80， 图7中的掩模曝光系统和所述另一投影系统分别用于选择性地传递电磁辐射和/或增效激 励。可将上述实施例组合起来，并且可在仍然应用本发明原理的同时对这些实施例进 行修改。还需要指出的是，仅为了示例性的目的对所提出的实施例进行描述，而各种另外的 变型和改动是可能的，本领域技术人员可在本发明的范围和要点内应用这些变型和改动。
权利要求
一种用于制作至少一个三维物体的方法，包括提供将被固化的材料；按图案或图像将电磁辐射和/或增效激励传递给构建区域以用于对所述材料进行固化；其中，对所述将被固化的材料的限定面积或体积选择性地执行电磁辐射和/或增效激励的所述传递；以及其中，在所述图案或图像的边界区域中对电磁辐射和/或增效激励的能量密度进行控制和/或调整、以及/或者在所述材料的不同构建区域的图案或图像的边界区域中改变电磁辐射和/或增效激励的能量密度，以使具有不同于除所述边界区域之外的区域的能量密度，其中，控制和/或调整单独或者组合地依赖于(a)传递给所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的电磁辐射和/或增效激励的强度；(b)所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的总形状或轮廓形状；(c)所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的尺寸；和(d)将被固化的材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，仅在相对于将被固化的材料的正常非边界面积 区域/体积区域的一个或者多个边界区域中执行边界区域中的能量密度的所述控制和/或 调整、或者所述改变。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据以下分别单独应用或者组合地应用的标 准中的至少一个来控制或改变与边界区域和/或非边界区域相应的电磁辐射和/或增效激 励的选择性传递(i)将被固化的材料中所包含的填料的类型、尺寸和/或量；( )将被固化的材料中所包含的粘合剂的类型或量；(iii)将被固化的材料的硬化率、粘度和/或流动性。
4.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，所述将被固化的材料包括填 料，优选陶瓷颗粒。
5.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，所述将被固化的材料包括从 包括光聚合物和胶粘剂的组中选择的粘合剂。
6.根据权利要求1-4中的任何一个所述的方法，其中，所述将被固化的材料包括第一 粘合剂物质和第二粘合剂物质，第一粘合剂物质包括光固化树脂。
7.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，通过参照根据从参考强度、参 考总形状、参考轮廓形状、参考尺寸和参考材料中选择的任何特性限定的标准能量密度，并 根据实际构建数据或实际构建物体相对于所述参照的特性的改变对传递到边界区域的实 际能量密度进行调整，执行所述控制。
8.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，通过参照根据具有多边形、优 选正方形或矩形剖面形状和具有线性轮廓线的参考物体限定的标准能量密度来执行所述 控制，并且其中，基于实际构建数据或实际构建物体的边界区域中的凸形和/或凹形边界 轮廓的变化来执行所述调整。
9.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，通过参照根据将被固化的参考材料限定的标准能量密度来执行所述控制，并且其中，基于相对于实际使用的将被固化 的材料的变化，优选根据当传递电磁辐射和/或增效激励时它的吸收属性或散射属性来执 行所述调整。
10.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，所述电磁辐射和/或增效激 励的选择性传递包括使用掩膜和/或投影单元来将电磁辐射和/或增效激励选择性地传递 到将被固化的材料的限定面积或体积。
11.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，根据以下项中的至少一个在 所述边界区域中控制或改变电磁辐射和/或增效激励的所述能量密度(aa)在XY中改变的曝光时间；(ab)所使用的多个图案或图像的数量；(ac)一个或多个图案或图像中的能量强度的分级；和(ad)应用第二电磁和/或增效辐射的第二源和/或第二传递。
12.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，所述电磁辐射和/或增效激 励的选择性传递基于包括预定数量的离散成像元素或像素的成像单元；并且其中，通过分 配给至少覆盖相应边界区域的像素中的至少一部分的灰度值和/或颜色值对能量密度进 行控制。
13.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，所述电磁辐射和/或增效激 励的选择性传递基于包括预定数量的离散成像元素或像素的成像单元；并且其中，在“在飞 行中”生成的一个或多个位图掩膜中控制能量密度。
14.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，所述三维物体被构建在物体 承载件或支撑件上，其中，随着构建的三维物体生长，所述物体承载件或支撑件向上移动。
15.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，在传递电磁辐射或增效激励 的阶段，将被固化的材料被设置在透明膜上的构建区域中。
16.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，将要被固化的材料从树脂源 传送到可移动膜上的构建区域。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，将掩膜投影仪设置在所述膜下方以透过所述 膜投射图像。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述掩膜投影仪为数字光投影仪。
19.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，所述三维物体被构建在物体 承载件或支撑件上，所述物体承载件或支撑件被置于用于传递电磁辐射或增效激励的装置 上方，并且透明板被设置在所述透明物体承载件或支撑件与所述辐射或增效激励传递装置 之间。
20.一种用于生成至少一个三维物体或者为其制作做准备的方法，所述制作方法为包 含下列步骤的类型提供将被固化的材料；按图案或图像将电磁辐射和/或增效激励传递到构建区域以用于对所述材料进行固化；其中，对所述将被固化的材料的限定面积或体积选择性地执行所述电磁辐射和/或增 效激励的传递；其中，所述制作或所述准备方法包括以下步骤执行虚拟或实际的固化步骤，在固化步骤中，观察或者确定分别在跨被构造的三维物 体的一个边界区域或多个边界区域使电磁辐射和/或增效激励向着外部区域向外发光、或 者使电磁辐射和/或增效激励向内发光到内部区域中的程度；以及响应于所述观察或确定的跨边界区域向外发光或者向内发光的程度来改变所述边界 区域中的电磁辐射和/或增效激励的能量密度。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，单独或者组合地根据以下项来确定或观察跨 边界区域向外发光或向内发光的所述程度(a)传递到所述将被固化的材料的限定面积或体积的电磁辐射和/或增效激励的强度；(b)将被固化的材料的限定面积或体积的总形状或轮廓形状；(c)将被固化的材料的限定面积或体积的尺寸；和(d)将被固化的材料。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，在制作工作期间“在飞行中”执行所述改变步骤。
23.根据权利要求20或21所述的方法，其中，在预先准备三维物体制作装置以将其调 整到期望的制作工作的预备步骤中执行所述改变步骤。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述改变步骤涉及生成包括分级图案或分级 图像的位图数据，用于对于将形成的三维物体的一个或多个边界区域选择性地传递被控制 的和/或被调整的能量密度，其中，优选通过使用灰度级或颜色级来执行所述分级。
25.根据权利要求20-24中的任何一个所述的方法，其中，所述将被固化的材料包括从 包括光聚合物和胶粘剂的组中选择的粘合剂。
26.根据权利要求20-24中的任何一个所述的方法，其中，所述将被固化的材料包括第 一粘合剂物质和第二粘合剂物质，并且第一粘合剂物质包括光固化树脂。
27.一种用于制作至少一个三维物体的方法，包括 提供将被固化的材料，所述材料包括光固化树脂；按图案或图像将电磁辐射或增效激励传递到构建区域以用于对所述将被固化的材料 进行固化；其中，通过使用掩膜投影仪对所述将被固化的材料的限定面积或体积选择性地执行所 述电磁辐射和/或增效激励的传递；以及其中，在所述图案或图像的边界区域中对电磁辐射或增效激励的能量密度进行控制或 调整，或者在所述将被固化的材料的不同构建区域的图案或图像的边界区域中改变电磁辐 射或增效激励的能量密度，以使具有不同于除所述边界区域之外的区域的能量密度， 其中，在物体承载件或支撑件上构建三维物体；以及 其中，随着构建的三维物体生长，所述物体承载件或支撑件向上移动；以及 其中，将要被固化的材料从树脂源传送到可移动膜上的构建区域。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述掩膜投影仪为数字光投影仪。
29.根据权利要求27或28所述的方法，其中，所述可移动膜是透明的。
30.一种自由制造系统，包括将被固化的材料；电磁辐射和/或增效激励传递装置，其能够按图案或图像将电磁辐射和/或增效激励 传递到构建区域以用于对所述材料进行固化；其中，所述电磁辐射和/或增效激励传递装置被设计为选择性地将电磁辐射和/或增 效激励传递到所述将被固化的材料的限定面积或体积；以及其中，所述自由制造系统还包括控制单元，该控制单元适于分别单独或组合地根据以 下项对从所述图案或图像的边界区域、和/或从所述将被固化的材料的不同构建区域的图 案或图像的边界区域传递的电磁辐射和/或增效激励进行控制以采用不同于除所述边界 区域之外的区域的能量密度(a)传递到所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的电磁辐射和/或增效激励的 强度；(b)所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的总形状或轮廓形状；(c)所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的尺寸；和(d)将被固化的材料。
31.根据权利要求30所述的自由制造系统，适于执行根据权利要求2-19中的任何一个 所述的方法。
32.一种用于制作至少一个三维物体或者为其制作做准备的自由制造系统，所述自由 制造系统为包含下列项的类型将被固化的材料；装置，用于按图案或图像将电磁辐射和/或增效激励传递到构建区域以用于对所述材 料进行固化，以使对所述将被固化的材料的限定面积或体积选择性地传递所述电磁辐射和 /或增效激励；其中，所述自由制造系统适于执行虚拟或实际的固化步骤，在固化步骤中，观察或确定 分别跨将被构造的三维物体的一个边界区域或多个边界区域使电磁辐射和/或增效激励 向着外部区域向外发光或者使电磁辐射和/或增效激励向内发光到内部区域中的程度，以 及其中，所述自由制造系统还包括控制单元，该控制单元能够响应于所观察或确定的跨 边界区域向外发光或向内发光的程度来改变所述边界区域中的电磁辐射和/或增效激励 的能量密度。
33.根据权利要求32所述的自由制造系统，适于执行根据权利要求21-26中的任何一 个所述的方法。
34.一种自由制造系统，包括将被固化的材料，该材料包括光聚合树脂；基于掩膜曝光系统或投影系统的电磁辐射或增效激励传递装置，能够按图案或图像将 电磁辐射或增效激励传递到构建区域以用于对所述材料进行固化；可向上或向下移动的物体承载件或支撑件；和传送系统，该传送系统用于将要被固化的材料从材料源传送到可移动膜上的构建区域；其中，所述自由制造系统还包括控制单元，该控制单元适于对从所述图案或图像的边界区域或者从所述将被固化的材料的不同构建区域的图案或图像的边界区域传递的电磁 辐射或增效激励进行控制以采用不同于除所述边界区域之外的区域的能量密度。
全文摘要
本发明提供一种用于制作至少一个三维物体的方法，包括提供将被固化的材料；按图案或图像将电磁辐射和/或增效激励传递到构建区域以用于使所述材料固化；其中，对所述将被固化的材料的限定面积或体积选择性地执行所述电磁辐射和/或增效激励的传递；其中，在所述图案或图像的边界区域中对电磁辐射和/或增效激励的能量密度进行控制和/或调整、以及/或者在所述材料的不同构件区域的图案或图像的边界区域中改变电磁辐射和/或增效激励的能量密度，以使具有不同于除了所述边界区域之外的构建区域的能量密度，其中，控制和/或调整单独或组合地依赖于(a)传递到所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的电磁辐射和/或增效激励的强度；(b)所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的总形状或轮廓形状；(c)所述将被固化的材料的所述限定面积或体积的尺寸；和(d)将被固化的材料。同样提供一种装置。
文档编号G03F7/00GK101918199SQ200880113300
公开日2010年12月15日 申请日期2008年10月24日 优先权日2007年10月26日
发明者A·埃尔-斯博兰尼 申请人:想象科技有限公司