用于基于像素的增材制造的层定向控制的制作方法

本发明一般涉及增材制造，以及更具体来说，涉及用于基于像素的增材制造中的过程控制的设备和方法。

增材制造是其中材料被逐层建立来形成组件的过程。立体光刻是一种类型的增材制造过程，其采用液体紫外（“uv”）可固化的光敏聚合物“树脂”的槽以及图像投射装置来每次一个层地构造组件。针对每层，投射装置使组件的截面的光图像闪现在液体的表面上或者恰好在树脂的底部的透明透镜上方。图像被格式化成像素的栅格阵列。取决于特定的构造方法，对紫外光的暴露使树脂中的图案固化和固体化，并且将它接合到下方或上方的层。

像素本征地是正方形或矩形的。像素的尺寸能够在20-100µm的范围内，其中40-80µm更常见。

此方法的一个问题是，无论像素有多小，将仍存在要被固化的区域的边缘不与像素对齐以及像素凸出越过预期边界的情况。这种类型的错误被称作“阶梯步进（stairstepping）”。

技术实现要素：

通过其中独立地设置每个构造层的角度定向的基于像素的增材制造的方法来解决此问题。

根据本文描述的技术的一个方面，提供了一种用于在增材制造过程中制作工件的方法，在增材制造过程中以逐层方式使起始材料固体化，其中使用被配置为像素的二维栅格阵列的辐射能量的图案化图像使工件的每层固体化。该方法包含：针对工件的每层，确定相对于层的栅格阵列的优选角度定向；以及在针对那个层使起始材料固体化之前，将图案化图像定向成优选角度定向。

根据本文描述的技术的另一方面，提供了一种用于制作工件的方法。方法包含：将未固化的树脂放置在槽中；在沿第一轴的选择的位置，将构造平台定位在树脂中以便暴露树脂的层；将投射装置和构造平台中的至少一个绕第一轴旋转，以便按相对于树脂的所暴露的层的预确定的角度定向来将投射装置定向；使用投射装置，通过将辐射能量的图案化图像投射到树脂的层上来选择性地使树脂的层固化，其中图案化图像被配置为栅格图案，其包括分别沿相互垂直的第二和第三轴排列的像素的行和列，其中第二和第三轴垂直于第一轴，以及其中栅格图案在预确定的角度定向被对齐。

根据本文描述的技术的另一方面，一种用于制作工件的设备包含：被配置成包含液体树脂的槽；在槽内沿构造轴可移动的平台；可操作以将包括像素的行和列的辐射能量的图案化图像投射的投射装置；以及用于将投射装置和平台的相对角度定向绕构造轴改变的部件。

附图说明

通过参考结合附图的以下描述，可最好地理解本发明，在附图中：

图1是图示立体光刻设备的示意图；

图2是能够使用图1的设备来构建的示范性工件的示意透视图；

图3是沿图2的线3-3采取的视图；

图4是沿图2的线4-4采取的视图；

图5是图2中示出的工件的层的视图，该层具有在其上覆盖的栅格图案；

图6是图2中示出的工件的层的视图，该层具有以标称定向在其上覆盖的栅格图案；以及

图7是图2中示出的工件的层的视图，该层具有以优化定向在其上覆盖的栅格图案。

具体实施方式

参考其中遍及各种视图，相同附图标记表示相同元件的附图，图1示意性图示适于实现如本文描述的增材制造方法的立体光刻设备10。设备10的基础组件包含：包含光敏聚合物树脂14的槽12、被连接到致动器18的平台16、投射装置20以及控制器22。下面将更详细地描述这些组件中的每个。

平台16是定义平坦工作表面24的刚性结构。出于方便描述的目的，工作表面24的平面被定向成平行于设备10的x-y平面，以及垂直于x-y平面的方向被表示为z-方向（x、y和z处于三个相互垂直的方向）。在本文中，z-方向或z-轴也可被称作“构造轴”。

致动器18可操作以平行于z-方向来移动平台16。在理解对诸如气力或液力汽缸、滚珠丝杠或线性电动致动器等的装置可被用于此目的的情况下，它在图1中被示意地描绘。

投射装置20可包括可操作以生成适当的能量级别以及在构造过程期间使树脂14固化的其它操作特性的辐射能量图案化图像的任何装置，如下面更详细描述的。在所图示的示例中，投射装置20包括诸如uv灯的辐射能量源26、可操作以从辐射能量源26接收源波束b并且生成包括要被投射到树脂14的表面上的单独像素的阵列的图案化图像p的图像形成设备28以及可选地，诸如一个或多个透镜的聚焦光学器件30。

辐射能量源26可包括可操作以生成适当的能量级别的波束来使树脂14固化的任何装置。在所图示的示例中，辐射能量源26包括uv闪光灯。

图像形成设备28可包含一个或多个反射镜、棱镜和/或透镜，并且被提供适当的致动器，并且被布置以便使得来自辐射能量源26的源波束“b”能够被转换成与工作表面24重合的x-y平面中的像素化的图像。在所图示的示例中，图像形成设备28可以是数字微镜装置。

控制器22是被需要以控制设备10的操作的软件和硬件的一般化表示，设备10包含投射装置20和致动器18。可例如由在一个或多个处理器上运行的软件来体现控制器22，所述一个或多个处理器被体现在诸如可编程逻辑控制器（“plc”）或微计算机的一个或多个装置中。这样的处理器可例如通过有线或无线连接被耦合到传感器和操作组件。相同的一个或多个处理器可被用于检索和分析传感器数据以用于统计分析并且以用于反馈控制。

通用地，构造过程通过将平台16恰好定位在树脂14的表面下方开始，因此定义选择的层增量。投射装置20将表示工件的截面的图案化图像p投射在树脂14的表面上。对辐射能量的暴露使树脂14中的图案固化和固体化。然后平台16被垂直向下移动了层增量。投射装置20再次投射图案化图像p。对辐射能量的暴露使树脂14中的图案固化和固体化，并且又将它接合到下方的先前固化的层。移动16并且然后使树脂14固化的此循环被重复直到整个工件完成。

此外，提供了用于将投射装置20和平台16相对于彼此绕z-轴旋转的部件。投射装置20或者平台16或者这两者的旋转适于实现本文描述的方法。在所图示的示例中，提供了致动器32，其可操作以可控制地旋转投射装置20。

图2示出示范性工件34，其采取具有对立侧面壁36和对立端面壁38的伸长的凹陷结构的形式，在较低端40和较高端42之间延伸。图3图示在较低端40的工件34的代表性俯视图。工件34被定向以便使得侧面壁36平行于标称x-轴方向（对应于以上描述的立体光刻设备10的x-轴）。端面壁38垂直于侧面壁36，并且因此平行于标称y-轴方向（对应于立体光刻设备10的y-轴）。图4图示在较高端42的工件34的代表性俯视图，其中工件处于与图3相同的定向。在此位置能够看到，侧面壁36不平行于标称x-轴方向，并且端面壁38不平行于y-轴。以另一种方式陈述，在较低端40和较高端42的工件的截面相对于彼此绕标称z-轴方向被旋转。这种类型的结构可被描述成“扭动”。

为了使用设备10来生产工件34，工件34被建模成沿z-轴排列的平坦层的堆叠。将理解，实际的工件34可被建模和/或被制造成数十或数百层的堆叠。

图5图示在工件34的较低端40的单个代表性层。用包括相互垂直的行（x-方向）和列（y-方向）的像素44的栅格阵列来覆盖工件34的截面形状。像素44可以是四边形的形状，诸如矩形或者更具体地，正方形。在工件34处于此具体的定向的情况下，工件34的每个边缘平行于x-轴或y-轴。因此，明显的是，给定适当小的像素尺寸，平行于x-轴或y-轴的矩形像素的边缘能够总是与工件边缘对齐。

对比之下，图6图示在工件34的较高端42采取的单个代表性层，其再次用像素44的栅格覆盖。因为没有工件34的边缘平行于x-轴或y-轴，平行于工件边缘来对准矩形像素的边缘不总是可能的。因此，无论像素尺寸有多小，将会发生一定程度的阶梯步进，如以上描述的。

为了克服此效应并且改进零件保真度，可针对每层来单独地选择相对于工件34的投射装置20的角度定向（并且因此x-y栅格定向）。

例如，在建模和构造图4中示出的层的过程中，可按本文中被标识成0°旋转的标称角度定向来设置层定向。如以上提到的，图案化图像p的闪现可按标称角度定向发生，其中预期像素的边缘将与工件34的边缘基本上对齐。

为了建模并且构造图6中示出的层，可按不同的角度定向来设置层定向以便实现x-y栅格定向和工件边缘之间的最佳对应。在所图示的示例中，在较高端42的工件截面相对于在较低端40的工件截面被逆时针旋转大约30°。因此，如图7中示出的，x-y栅格定向可被逆时针旋转大约30°。在构造过程期间，投射装置20将被逆时针旋转大约30°并且图案化图像p的闪现可按此新的角度定向发生，其中预期像素44的边缘将再次与工件34的边缘基本上对齐。此新的非标称定向可被称作“优选定向”或“优化定向”。

对于涉及如以上描述的扭动棱镜形状的简单工件，或者具有与彼此正交但相对于标称x-y轴旋转的边缘的其它类型的组件，可能存在针对每层的特定角度定向，其提供像素边缘和工件边缘之间的准确对应。

对于其它类型的工件截面形状，可能使用软件优化算法来确定针对每层的优化拟合或最佳拟合。例如，可能针对给定的角度定向来计算层中有多少像素44将跨零件边缘，或者针对给定的角度定向来计算跨零件边缘的像素44的总表面积。定向然后可变化并且重复计算直到这些值中的一个或多个被最小化，得出优化的角度定向。

在任何情况中，因为像素44沿两个相互垂直的轴是可单独寻址的，可用仅90°范围的旋转来实现针对每层的最佳角度定向。

当确定层的角度定向时也可能考虑沿z-轴的工件的保真度和表面质量。例如，考虑以上描述的扭动棱柱工件34，明显的是，如果最佳角度定向被单独用于每层，所完成的工件34的外表面可呈现“台阶”效应。为了降低或最小化此效应，每层的角度定向可在标称（0°）定向和优化定向之间改变，或者可针对每层将定向随机化。这将以在单独层中招致一定量的阶梯步进为代价，产生沿z-轴的改进的表面质量。

本文描述的方法具有胜过现有技术的若干优势。方法增强针对基于像素的层制造的组件的保真度。此过程确保针对各种几何形状以及它们在构造中的相对位置来利用各种像素以优化在组件中的那些相应的位置的特征。它将提供生产要求严格的零件几何形状、降低可变性以及增加产量的增加的能力，导致更低的零件成本。

注意，以上描述的立体光刻设备10只是出于解释的目的而被使用的示例。本文描述的方法对增材制造的任何方法都是有效的，在所述增材制造中起始材料被固体化，其中使用像素的栅格施加固体化力。

前文已描述一种用于在基于像素的增材制造过程中的层定向控制的设备和方法。在本说明书（包含任何随附的权利要求书、摘要和附图）中公开的特征的全部和/或如此公开的任何方法或过程的步骤的全部，除了其中此类特征和/或步骤中的至少一些是互斥的组合之外，可以采用任何组合来被组合。

除非另外明确陈述，否则在本说明书（包含任何随附的权利要求书、摘要和附图）中公开的每个特征可由服务相同、等同或相似目的的备选特征来取代。因此，除非另外明确陈述，否则公开的每个特征仅仅是等同或相似特征的通用系列的一个示例。

本发明不限于（一个或多个）前文的实施例的细节。本发明延伸至本说明书（包含任何随附的新颖性的潜在要点、摘要和附图）中公开的特征中的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。