CN1033955C - 制作整体三维物件的方法及所用设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过一透明阻挡层，从一种可光成型组合物相继各层的许多光成型子部制作整体三维物件的设备和方法，其中该阻挡层在一个新子部形成之前与每个子部脱离。

Description

制作整体三维物件的方法及所用设备
本发明涉及利用光成形的三维物件生产，更具体地说，涉及通过一透明阻挡层由连续各层可光成形组合物的许多光成形子部制作整体三维物件，其中该阻挡层在一新子部形成之前与每个子部脱离。
已经有人提出很多利用光成形法生产三维仿型的系统。ScltexCorporation Ltd.于1987年6月6日提交的欧洲专利申请No.250,121公开了一种利用可固化液体的三维仿型设备，并对有关这一技术的文献做了很好的总结。1986年3月11日公布的美国专利4,575,330(C.W.Hull)描述了一种用于产生三维物件的系统，其方法是，在一种能对入射辐射、粒子轰击或化学反应等的适当协同激励做出响应而改变其物理状态的流体介质的一个选定表面上创造所要形成的物件的一个横截面图样，自动形成代表该物件对应相继邻接横截面的各相继邻接层，并使之结合在一起，提供该预期物体的逐步分层积累，从而在形成过程期间从该流体介质的一个基本上平的表面形成并堆积起一个三维物件。1988年6月21日公布的美国专利4,752,498(E.V.Fudim)描述一种改进的生成三维物件的方法，该方法包括使有效量的光聚合物固体辐射透过一种与未固化液体光聚合物接触的辐射透射材料，对该未固化光聚合物进行照射。该透射材料是一种使该照射表面能进一步交联的材料，以便当下一层形成时它将与之粘合在一起。利用这种方法，可以制作多层物件。
Hideo Kodama的出版物“用光硬化聚合物自动制作三维塑料仿型的方法”(Rev.Sei.Instrum.52(11)，1770-1773，1981年11月)描述了一种自动制作三维塑料仿型的方法。该固体仿型的制作是使液体光成形聚合物对紫外线曝光，并把各横截面固化层堆积起来。Alan J.Herbert的出版物“固体物件生成”(Journalof Applied Photographlc Engineering，8(4)，185-188，1982年8月)描述了一种能产生固体或三维物件复制品的设备，非常像一台复印机能对一个二维物件执行同一任务一样。该设备能根据贮存在计算机存储器中的信息用光聚合物产生简单的三维物件。
A.J.Herbert的一份更新的出版物，题为“三维固体物件生成综述”[Journal of Imaging Technology 15：186-190(1989)]也对各种不同方法做了很好的总结。
这些方法多数涉及分步对想要固化的区域或体积依次照射，形成三维物件的固体部分。描述了各种掩蔽技术以及直接激光写入的使用，即用一个激光束按照预期图样使可光成形组合物曝光，逐层建造一个三维仿型。除了种种曝光技术外，还描述了几种形成薄液层的方法，这些方法使得既能在最初涂布一个平台或台架，也能涂布以前曝光和固化的连续各层。
然而，迄今为止所提出的现有涂布方法的缺点在于它们不能保证平而均匀的层厚或不能迅速产生这样的层，或者它们在相继涂布过程期间不能有效地防止对以前形成的各层的损伤或失真，而且它们只能涂布相当低粘度的液体配方。此外，它们没有认识到在涂布过程中所包含的非常重要的参数，例如，在薄液层形成期间既有固体区存在也有液体区存在的效应，该液体的流体流动效应和流变学特征，薄光成形层在涂布期间易因流体流动而变得失真的趋势，以及弱力如氢键和更强得多的力如机械粘合及真空或压差力对那些薄层和对正在形成的部分的影响。
例如，Hull专利描述一种浸涂工艺，其中，一个平台或台架在一个容器中或者降低一层厚度或者浸没于一层距离以下，然后向上提升到该可光成形液体表面的一层厚度范围之内。Hull进一步建议较好使用低粘度液体，但由于其它实际原因，可光成形液体一般是高粘度液体。虽然在理论上多数液体终究是会流平的，但高粘度液体、甚至低粘度液体需要太大量时间才能流平到可接受的程度，如果要使大的平整区域成像且如果该液层厚度非常薄，则尤其如此，那些以前各层由液池周围的固体壁组成的区域，使该薄液层涂布的流平过程更加困难。此外，那些有悬臂或梁(在Z方向上不受以前层断面支撑的区域)的平台和部件在液体内的移动，在这些层中造成偏移，导致成品部件中精度不足。
Munz专利(美国专利2,775,758，1965年公布)和Scltex申请，描述了借以采用泵或类似设备把可光成形液体引进容器中的方法，这样，就在以前的曝光层上面以一层厚度形成新的液体水平面。这样的方法具有Hull方法的所有问题，所不同的是，涂布期间各层的偏移减少了。
Fudim专利描述了使用一种透射材料，通常是刚性的和涂布的或固有不可能粘到固化的光聚合物上的材料，把光聚合物液体的表面固定成所需的形状(多半是平的)，通过它使预期厚度的光聚合物固化。 Hudim所描述的方法没有解决在使这样一种透射材料与同该透射材料表面紧密接触形成的光聚合物分离方面固有的问题。虽然适当涂层或固有适用薄膜可以显著降低化学键合的效应，但机械结合力连同氢键、真空力等依然存在，而且在某些情况下大到足以在从该透射材料表面取下期间造成对光聚合物的损伤或失真。此外，这些申请者所做的评估表明，抗分离或甚至从与适当非粘着透射材料紧密接触已曝光的固化层滑落的力，能使该固化层损伤，尤其当被可光成形液体包围时，甚至尤其当这些固化层很薄时，更是如此。在Hudim专利中没有描述消除这些问题的方法。
本发明消除了这些棘手的问题，其办法是，通过一个透明阻挡层，使对应于三维物件全部横截面部分的子部的小区域成橡，使该阻挡层相对于该台架移动，以破坏该光成形子部和该阻挡层之间的结合力或粘合力，并以类似方式继续光成形新的子部，直到全部横截面部分及最终该物体完成为止。各个小区域中结合力的破坏比起一个光成形全横截面部分和该阻挡层之间结合力的破坏，是相当温和的处理。因此，本发明提供一种方法和设备，用以快速产生多层可形变和可光生成组合物，这些层是平的，而且有了这些，以前曝光和固化的各层提高了工艺过程期间的流平性、准确性和完整性。较好的是，按照本发明，各固化层的厚度小于0.76mm。
可形变组合物系指那些在压力单独作用下或在压力和温度共同作用下取其所在模具的形状或使其受压表面的形状的组合物。该层被视为当用辐射使之硬化、或聚合、或交联时，乃至更一般地说，当用辐射使其粘度增加时，是要固化的，因而，如果实在有可能的话，要使它再形变将需要更高的压力和/或温度。液体是较好的可形变组合物，因为它们在其自重的压力作用下会形变，因而能自由流动。
本发明涉及利用光成形法生产三维物件，更具体地说，涉及通过一透明阻挡层由连续各层可光成形组合物的许多成形子部制作整体三维物件，其中该阻挡层在形成一新子部之前与每个子部分离。
更具体地说，本发明涉及一种改进的方法，用于从一物体的众多横截面部分制作该整体三维物件，这些横截面部分就是盛放在一个含有台架的容器中的连续各层可形变和可光成形组合物的光成形子部。所述方法的改进包括：
(a)以等于一层厚度的距离，把一透明阻挡层定位在台架顶上的组合物内；
(b)使该阻挡层和该台架之间所含的组合物的一个子部成像曝光；
(c)以一种能破坏阻挡层和光成形子部之间的粘合力的方式，使透明阻挡层相对于该台架移动；
(d)重复步骤(b)和(c)，直至形成该物件的一个横截面部分；
(e)使台架和透明阻挡层之间的距离增加一层的厚度；
(f)重复步骤(a)至(d)，直至形成完整的三维物件。
本发明也涉及设备的一种改进的涂布站，包括用于从该物体的许多横截面部分制作整体三维物件的成像装置，横截面部分是在一个有台架的容器中所盛的可形变和可光致生成组合物各层的光成形子部，其中改进之处包括：
置于该台架上方距该台架的一个可控距离上的透明阻挡层；
用于可控地使该透明阻挡层围绕该台架移动的移动装置；和
用于可控地改变该阻挡层和该台架之间的距离的定位装置。
参照以下详细说明与对附图的精读相结合，将增强读者对本发明较好具体方案的实施的理解，其中：
图1是说明用于实施本发明较好具体方案的设备的示意图。
图2示意地说明本发明一个不同具体方案的涂布站的各组成部件，其中透明阻挡层呈薄膜形式。
图3示意地说明本发明另一个不同具体方案的涂布站的各组成部件，其中透明阻挡层呈拱形形式。
图4示意地说明本发明另一个不同具体方案的涂布站的各组成部件，其中透明阻挡层是容器的组成部分，而台架呈细长圆柱形式。
图5是本发明另一个具体方案的部分视图，其中透明阻挡层呈圆柱形。
图6是本发明又另一个具体方案的部分视图，其中透明阻挡层呈真空活化膜形式。
本发明涉及一种用于生产三维物件的方法和设备，即：通过一个透明阻挡层使对应于该三维物件的全横截面部分的子部的小区域成像，移动该阻挡层以便破坏光成形子部和阻挡层之间的结合力或粘合力，并以类似方式继续光成形新的子部，直至全部横截面部分和最终该物件完成。各个小区域中结合力的破坏，比起一个光成形全横截面部分和阻挡层之间的结合力的破坏，提供更温和得多的处理。
图1说明本发明的较好具体方案。这里提供一个成像站或装置64，包括一个辐射源10，一个调制器14，一台计算机34和一个扫描器16。这里还提供一个涂布站46。辐射装置10较好是一个激光器，它产生辐射束12。为了能理想地以高速生产固体物件，本发明的装置最好利用较高功率的辐射装置10，例如，其主要频带可能在可见区、红外区或紫外区的高功率激光器。所谓高功率是指当对辐射束12的强度进行测量时大于20mW(毫瓦)、较好大于100mW的功率。对于目前可光成形组合物的光化速度而言，就是如此。然而，随着光化速度更快的组合物变得可资利用，辐射束强度20mW和100mW的数值就会显得偏低，因为，为了达到同样的结果，组合物的光化速度和辐射束的强度成互为反比的关系。某一类型激光器的选择应与可光成形组合物的选择相协调，其方式是，该可光成形组合物的灵敏度要与该激光器发射光的波长非常合理地一致。也可以利用其它类型的辐射装置，例如电子束，X射线等，只要它们的能量类型与该可光成形组合物的灵敏度相匹配，能提供一个射束，且按照技术上众所周知的成熟方法可以知道其处置的适当条件即可。尽管可以提供装置来把射束截面的形状改变成任何一种理想形状，但通常的形状是圆形的，且射束的强度分布呈高斯分布，其最大值在该圆形状的中心。
辐射束12通过调制器14，该调制器较好是一种声光调制器。调制的辐射束12′依次通过偏转装置16，它包括两面镜子20和22，每面镜子各有一个轴(图中未画出)，使该射束能在X方向和Y方向反射到表面53，X方向和Y方向是互相垂直的，且平行于表面53。镜子20和22可借助于马达24和26围绕其对应的轴旋线运动，分别用于以矢量扫描方式可控地使该射束在X方向和Y方向上偏转到涂布站46的容器44中所盛放的可光成形组合物40的预定位置。适用可光成形组合物的实例在本说明书的后面部分给出。当该射束被偏转装置16偏转时，它便使加速度从零水平达到最大加速度，并使速度从零水平达到最大恒速。该射束的速度和强度仍然是互相成正比的，因而，曝光仍然基本上恒定。该射束使该组合物的预选部分成像曝光到如下所述的一个基本上恒定的深度。
然而，为了本发明的目的，辐射束12″不仅可以是激光器的一个聚焦的射束，而且也可以是用许多不同方式改性的其它光源或光。例如，它可以是通过任何类似的可变光学密度光掩膜如液晶显示器、囟化银薄膜、电沉积掩膜等透射的，或者是从任何可变光学密度装置如反射式液晶池反射出来的。
关于本发明较好具体方案的涂布站46，配备了一个容器44，用于盛放可光成形组合物40，和一个基本上平的台架41，配置在容器44中和组合物40中。
还配备了一个透明阻挡层45，在本具体方案中呈透明板形式，有第一表面45′和第二表面45″，这两个表面在该板的相反两侧。为了能在组合物40中操作，将板45浸没于组合物40中，其方式是，第一表面45′离开该组合物，防止被组合物40润湿。另一方面，第二表面45″至少部分地接触到组合物40 。透明板45可以是任何一种具有基本上均匀厚度和平整度的材料，在用辐射束12″进行曝光时有足以保持所需平整度的刚性，并具有足够的透光率和光学清晰度，使所述辐射束12″能透过所述透明板45，从而使所述透明板45下面的可光成形组合物的可形变层、较好是液体层48能有效硬化或固化。第二表面45″较好应有足够的隔离特征，以使光成形部分对该板的粘合力减少到最低限度。用作透明板47的适用材料实例是涂有隔离膜如碳氟化合物、聚硅氧烷等的平板玻璃或石英玻璃板，以及用技术上十分成熟的方法做类似处理的塑料板，如透明的丙烯酸类塑料板或聚碳酸酯板。
也还配备了移动装置43，用于可控地使透明阻挡层45相对于台架41移动。移动装置可以是能把适当的运动传递到透明阻挡层45，使该阻挡层和附着在所述阻挡层上的任何一个小的光成形区域之间的键断裂并破坏它们之间的粘合力的任何一种装置。这样的运动可以呈脉冲形式或能破坏所述粘合力的其它运动方式。
定位装置42用于可控地改变台架41和板45的第二表面45″之间的距离。较好的是，定位装置42是用计算机34控制的，而且台架41是在垂直于透明板45的下平面的方向上运动的。如图1中所示，也提供了连接线52、50、54、56和60，使计算机34能分别控制辐射源10、调制器14、偏转装置16、移动装置43和定位装置42。
在本发明较好具体方案的操作方面，图1中所示的辐射装置10提供一个具有如前所述强度的辐射束12。辐射束12通过一个调制器14，在此，其强度可以从零强度水平调制到最大射束强度，由于能量损失，其数值小于未调制射束强度的数值。因损失而强度略有降低的、调制的射束12′依次通过具有双镜20和22装配的偏转装置16，每面镜子分别由不同的马达24和26单独驱动。由马达24驱动的镜子20使该射束在X方向上偏转，而镜子22使射束在Y方向上偏转，X方向垂直于Y方向。对于镜子20和22的相对运动的电反馈是由偏转装置通过线54提供给计算机装置34的。这种与射束的速度及其在薄层48的预定部分的平均停留时间相关的反馈是由计算机装置34处理的，为了调制该辐射束的强度，它作为控制命令通过线50馈给调制装置14，因而在层48的预定部分的每个位置上，射束强度和平均停留时间的乘积仍然基本上恒定。因此，曝光水平(其定义是这两个参数的乘积)仍然基本上恒定。由于每个相继簿层的预定部分保持曝光水平恒定，所以，这些层的厚度也保持基本上恒定。这种修正或补偿是非常重要的，尤其是在这些薄层的无支撑部分，由于矢量扫描在边缘的初始速度低造成过度曝光的结果，会出现边缘肿大。射束12″的强度越高或该可光致成形组合物的光敏度越高，在没有能使曝光水平保持恒定的装置的情况下，这个问题就变得越严重。组合物40的光敏度越高，没有某种曝光控制装置，这个问题也会变得越严重。在光栅扫描或在兼备过度扫描矢量方式的系统中，这样的曝光控制也是必要的，其差别在于，这种影像的边缘可能由于缺少来自相邻非曝区的曝光贡献而曝光不足。在这些情况下，调制装置被用来确保影像边缘能受到与非边缘影像区基本上一样的曝光。
在任何情况下，辐射束12″都是可控地对准盛放在容器44中的可光成形组合物40。具有一个第一表面45′和一个第二表面45″呈板45形式的透明阻挡层位于台架41顶上。第二表面45″和台架之间的初始距离安排成基本上等于一层的厚度。
射束12″由计算机34控制，以使透明阻挡层45和台架41之间所含的可光成形组合物40的层48的一部分成像曝光。这是在射束12″通过透明阻挡层45的表面45′和45″之后发生的。因此，子部8就被光成形或固化了。较好的是，每个子部对应于一条单线，例如一条扫描线。在图1的情况下，这样一条扫描线可以形象化为一条具有以子部8的横截面为其横截面且垂直于图1平面的扫描线。此外，每一条这样的光成像或光成形的线都应当与至少另一条光成像的线相连，才能构成该整体三维物件的一部分。这些子部当呈线的形式时，尤其在扫描辐射的情况下，较好应当有一个沿其长度的共同方向，且基本上是互相平行的，在某些情况下，可以指望有一些分离成若干集合的线，其中，一个集合内部的所有线都是基本上互相平行的，但不同集合中的线可以有不同的方向。
辐射应当强得足以达到台架41的表面，而且透明阻挡层45的隔离特征应使得光成形子部8和台架41之间的粘合力大于阻挡层45的第二表面45″和光成形子部8之间的粘合力。由于辐射是透过透明阻挡层45，所以，第二表面45″接受的辐射剂量一定高干台架41的表面。在多数情况下，这将使光成形子部对第二表面45″的粘合力高于对台架41表面的粘合力，如果两个表面的隔离特征相同的话。因此，对第二表面45″来说，重要的是要具有比台架41表面更好的隔离特征。这一点可以通过用高隔离材料如碳氟化合物、聚硅氧烷等涂布或处理透明阻挡层来实现。当然，这样的材料如果在合理的厚度时透明度足够，本身也可以用作阻挡层。
当子部8光成形时，也由计算机34控制的移动装置43引起透明阻挡层45以一种能破坏第二表面45″和子部8之间的粘合力的方式移动。这种运动较好是平移运动。换言之，透明阻挡层或板45被迫在一个平行于台架41的平面上滑动，至少直至板45的第二表面45″和子部8之间的键已经断裂且粘合力已经破坏为止。平移或滑动运动可以是脉冲式的，这意味意着板45被迫快速移动，直至粘合力已被破坏，并立即由移动装置43再迫使它返回其初始位置。在多数情况下，这种运动长度不必超过1毫米，而且它可以在1秒的一个很小的分数范围内非常迅速地完成。平移运动的方向较好应基本上平行于光成像或光成形线的方向。采用这种安排，比起当平移运动的方向垂直于这些线的方向时，可得到更好的结果。移动装置43也可以提供其它不同类型的运动或其组合，来代替平移运动。这样一种不同运动的一个实例是透明阻挡层45的退缩运动，具有朝着远离台架41的方向。这个方向可以基本上垂直于该台架，或与该台架成一个角度，或它甚至可以变化的。例如，透明阻挡层可以第一点49为支点，同时可以用移动装置43迫使第二点49′上下移动，形成摆动运动，其方向是连续变化的。
在第二表面45″和子部8之间的粘合力已被通过移动装置43提供的运动破坏之后，通过由激光束12″所提供的辐射曝光，光成形一个新的子部，较好呈扫描线的形式。遵循同以上所述一样的步骤，直至该整体三维物件的一个全截面部分已被完成为止。
此时，定位装置42使台架41在垂直于由板45的表面45′和45″所确定的平面的方向上移动，旨在使该台架和膜45之间的距离增加一层的厚度。然后重复同样的循环，直至该三维物件已被完成为止。每个制成的横截面部分都起到一种基质的作用，其功能与台架功能类似，为下一个横截面部分的新光成形子部提供支撑。
如果可光成形组合物有塑料溶胶或其它可热凝聚材料，则在多数情况下需要进行如上所述的进一步热处理。在不存在任何可热凝聚材料的情况下，很多情况下的后处理没有提供任何明显的优点。
如同已经提到的，与马达24和26连接的两面镜子20和22的偏转，及调制装置14，是由计算机装置34分别通过控制/反馈线54和50控制的。对应于正在生产的固体物件的形状的图形数据，也贮存在计算机装置34中。贮存在计算机34中的图形数据经处理后引起马达24和26转动从而移动镜子20和22，通常是旨在使辐射束偏转到对应于各子部如子部8上的预定位置。较好的是，计算机34也通过馈入该计算机中的适当数据控制和命令其余部件，从而使这些部件能以技术上众所周知的方法及时准确地执行其功能。
虽然这种涂布方法就层厚而言是不受限制的，但较好的是，产生小于1毫米的层。
本申请者已经发现，可光成形组合物在与相当刚性的表面紧密接触的同时用辐射方法曝光，会形成相当强的键，这种健不能容易地通过直接拉开两个表面或使两个表面彼此相对滑动来克服，即使该表面涂上一种适当的隔离材料也如此。聚四氟乙烯、PFA、聚丙烯和聚乙烯薄膜，几乎不与或完全不与可光成形或光硬化(固化)组合物发生化学相互作用，因而对这样的材料应当没有粘合力，但在以如图1中所示的类似安排曝光之后，在该三维物件的一个全横截面部分光成形之后，也不能直接从硬化或固化的组合物表面拉开，或从所述表面滑落。然而，本申请者发现，通过按照本发明的步骤，其中这些键的断裂是以小增量逐渐进行的，只需用很小的力，该透明阻挡层就能脱离该表面。
当也考虑到光硬化或固化的组合物各层很薄且除了像悬臂或梁式部分者外有时是无支撑的时，本申请者的发明的优点就会显得更加突出。这些薄层不能承受很大的负荷，因为它们的刚性粗略地按照悬垂物无支撑长度的立方的函数关系减少。一段一段或一子部一子部地使该薄膜的表面45″和固化层之间的键逐渐断裂所涉及的方法，比起用其它方法平整地取下该薄膜或者就该问题而言取下相当刚性的板，对这些层的应力要小得多。
利用这种对各层的涂布或施用工艺，可以避免该台架的不必要移动，尽管该台架最初可移动过量然后回到适当位置(若希望如此的话)。在多数情况下，唯一必要的是，在每个全横截面部分光成形之后，只将该台架向远离透明阻挡层45的方向移动一层的厚度。这可观地提高了生产速度，此外，它对正在制作的各层也较少造成损害或使之失真。为了有助于在层48形成期间可光成形组合物的流动，透明阻挡层可以完全地平移离开该台架或已光成形的子部附近，然后在每个全横截面部分完成之后回到其初始位置。
图2说明本发明的一个不同的具体方案，其中透明阻挡层呈一种张力膜245的形式。膜245应具有类似于对图1中所示具体方案的板45所提到的那些隔离特征。膜245也有第一表面245′和第二表面245″，而且它较好可受到结构247的支撑，可呈开放框架或刚性透明板等形式。表面245′和结构247之间的润滑剂可用来使该膜能在结构247上面和周围自由滑动。在结构247是一透明板的情况下，板247和膜245的第一表面245′之间的光学匹配是理想的。因此，除了在膜表面和框架或膜和板之间希望有润滑剂外，甚至更理想的是使用一种可起光学匹配作用又能使所述表面润滑的流体。虽然多数透明流体能润滑并给出比气一膜和气一板界面更好的光学匹配，但硅油是较好的液体。一个实例是由R.P.Cargille Laboratories，Inc.，Cedar Grove，N.J.07009制作的激光液体TMNo.5610。本具体方案的其余要素可以与图1中所示具体方案的要素基本相同。用来代表这些要素的数字与用来标记图1中所示具体方案的要素的数字正好相差200。
本具体方案的操作与图1中所示具体方案的操作也基本上相同，所不同的是，移动装置(图中未画出)引起膜245以平移和/或脉冲方式在结构247下面滑动，旨在破坏第二表面245″和子部208之间的粘合力。该移动装置也可以与结构247连接，并迫使它同膜245一起执行类似于图1具体方案对透明阻挡层所述的那些运动。
图3说明一种不同的具体方案，其中透明阻挡层呈拱形形式345，也具有第一表面345′和第二表面345″。本具体方案的其余要素类似于图1中所示具体方案的要素。用以代表这些要素的数字与用来标记图1中所示具体方案的要素的数字正好相差300。
本具体方案的操作也与图1中所示具体方案的操作基本相同，所不同的是，移动装置(图中未画出)引起拱形透明阻挡层345逐步按滚转运动方式移动，以便在子部308已光成形之后破坏第二表面345″和子部308之间的粘合力。为了准备形成一个新子部，也为了破坏前一子部对第二表面345″的粘合力，每光成形一个子部时该拱形透明阻挡层可以滚转一步。在该三维物件一个全横截面部分的所有子部已光成形之后，台架341也要降低一层的厚度，并重复同样步骤，直至该三维物件完成。
图4说明本发明的又另一个具体方案，其中提供了容器444，用于盛放可光成形组合物440。容器444可以是透明的，或至少它可以有一个透明窗口445，起透明阻挡层的作用，可以让一个辐射束如激光束412″基本上自由通过。窗口445较好应是圆筒形的，半径大于台架441和窗口445之间的最大距离。台架441是一个细长轴状圆柱体，可以由移动装置如步进马达443转动。由于为了本发明的目的，台架和阻挡层的位置的重要性主要是对彼此相对而言的，而不是参照第三个无关的点，所以在图4中窗口445仍然被说成是在台架441顶上。实际上，即使窗口阻挡层445处于容器444的底部444′，台架441照常定位在容器444内部，该窗口也仍然会被说成是在台架441顶上。最后，也提供定位装置442来可控地改变窗口445和台架441之间的距离。
在本具体方案的操作中，引导射束412″，使透明阻挡层445和台架441之间所含的可光成形组合物440的层448的一部分成像曝光。这是在射束412″通过透明阻挡层445的表面445′和445″之后发生的。因此，子部408被光成形或固化。较好的是，每个子部对应于一条单线，如一条扫描线。在图4的情况下，这样一条扫描可形象化为沿窗口或阻挡层445高度方向走的一条线。尤其在扫描辐射的情况下，呈线的形式的子部应当有沿其长度的共同方向，而且基本上平行于窗口的高度，且互相平行。对第二表面445″来说，重要的是，也如同在以前具体方案的情况下一样，在这种情况下要具有台架441表面更好的隔离特征。当子部408生成形时，移动装置443以一种能破坏第二表面445″和子部408之间的粘合力的方式使台架441转动。这所产生的效应就如同该透明阻挡层或窗口445被迫以圆周运动方式围绕台架441滑动，至少直至窗口445的第二表面445″和子部408之间的键已经断裂且粘合力已经破坏。圆周运动或滑动运动较好是以逐步方式进行的，这意味着台架441被迫快速转动，直至粘合力已被破坏，并落在可进行一次新曝光的位置。因此，在第二表面445″和子部408之间的粘合力已被通过移动位置或步进马达443提供的旋转运动所破坏之后，用由激光束412″提供的辐射曝光使一个新的子部光成形，这个子部较好也呈扫描线的形式。
遵循与如上所述相同的步骤，直至该整体三维物件的一个全横截面部分完成为止。
此时，定位装置442使台架441在远离窗口445的方向上朝着由窗口445的曲率所确定的一个圆筒的中心轴移动，以便使台架441和窗口445之间的距离增加一层的厚度。然后重复同样的循环，直至该三维物件完成为止。
图5说明另一具体方案的部分视图，其中透明阻挡层呈一透明圆筒545的形式，具有第一表面545′和第二表面545″，后者与一种可光硬化组合物540接触。也提供了擦净器590和591，用于防止任何可光硬化组合物到达第一表面545′。在本具体方案的操作方面，激光束512″通过透明阻挡层545的第一表面和第二表面，并使该三维物件一个横截面部分的子部508光硬化。然后，使该圆筒滚转得正好足以移动过去并使邻接前一子部的一个新子部光硬化。在这种滚转作用其间，透明阻挡层545和光硬化部分508之间的粘合力被破坏。其余操作非常类似于本发明其它具体方案的操作。
图6代表又另一个具体方案的部分视图，其中透明阻挡层呈一真空活化弹性透明膜645的形式。膜645附着于一个真空室680的底部681，使位于真空室680的底部681上的一个孔682气密式密封。该室也有一个孔683，通过这个孔可抽真空或回灌空气，视需要而定。将室680部分浸入一种可光硬化组合物640。在操作方面，一个激光束612″通过薄膜645，并使一个子部608光硬化。此时，室680的内部684处于大气压，或略高的压力，且该膜处于第一个位置P1，呈基本上平面的或略呈凸面的构型。在该子部已光硬化之后，通过孔683抽真空，这引起该膜呈凹面构型的第二个位置P2。这导致使膜645和光硬化子部608之间的任何粘合力破坏。在大气压或略高的压力重新建立之后，室680要使邻接前面光硬化的子部的另一个子部光硬化，依此类推。其余操作非常类似于本发明其它具体方案的操作。
一般来说，透明阻挡层的超声振动可用来破坏每个光成形子部对该透明阻挡层第二表面的粘合力。
重要的是，当要制作一个悬臂的横截面部分时，各子部的光成形要使得在该物件已形成的片段与正在光成形的子部之间总是存在一种连续性。
此时也应当注意的是，本文中光硬化、硬化和固化这些词的意义是指用辐射方法使一种可形变材料转变成一种固体。这三个词可互换使用。此外，只要一种材料不能依靠其自重流动，就认为它是一种非液体。
可用来实施本发明的可光成形组合物是在曝光下能发生固化的任何组合物。这样的组合物通常但不一定包含光敏材料和光引发剂。“光”这个词在此不仅用来指光线，而且也用来指任何其它类型的、可通过对辐射曝光使一种可形变组合物、较好是液体组合物转变成固体组合物的光化辐射。阳离子型或阴离子型聚合，以及缩合聚合和自由基聚合及它们的组合，就是此类行为的实例。阳离子型聚合较好，自由基聚合甚至更好。含有可热凝聚材料如塑料溶胶的可光成形组合物，具有甚至更高的优先性。
在该组合物中可以使用一种或多种单体。单体可以是一官能、二官能、三官能或多官能的丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙烯基、烯丙基等。它们可以含有其它官能团和/或光敏基团，如环氧基、乙烯基、异氰酸酯、氨基甲酸酯等，既可以是这些基团本身，只要它们能使单体可光成形即可，也可以是添加到丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯上。可单独使用或与其它单体组合使用的，适用的烯类不饱和单体的实例，包括但不限于丙烯酸和甲基丙烯酸的叔丁酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的1，5-戊二醇酯，丙烯酸和甲在丙烯酸的N，N-二乙基氨基乙酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的乙二醇酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的1，4-丁二醇酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的二甘醇酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的1，6-己二醇酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的1，3-丙二醇酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的1，10-癸二醇酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的1，4-环己二醇酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的2，2-二(羟甲基)丙烷酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的甘油酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的三聚丙二醇酯，三丙烯酸和三(甲基丙烯酸)的甘油酯，三丙烯酸和三(甲基丙烯酸)的三(羟甲基)丙烷酯，三丙烯酸和三(甲基丙烯酸)的季戊四醇酯，三丙烯酸和三(甲基丙烯酸)的聚氧乙基化三(羟甲基)丙烷酯，和美国专利No.3,380,831中公开的类似化合物，二丙烯酸2，2-二(对羟基苯基)丙烷酯，四丙烯酸和四(甲基丙烯酸)的季戊四醇酯，二(甲基丙烯酸)2，2-二(对羟基苯基)丙烷酯，二丙烯酸三甘醇酯，二(甲基丙烯酸)聚氧乙基-2，2-二(对羟基苯基)丙烷酯，双酚A的二[3-(甲基丙烯酰氧基)-2-羟基丙基]醚，双酚A的二[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]醚，双酚A的二[3-丙烯酰氧基-2-羟基丙基)醚，双酚A的二[2-(丙烯酰氧基乙基)醚，1，4-丁二醇的二[ 3-(甲基丙烯酰氧基)-2-羟基丙基]醚，二(甲基丙烯酸)三甘醇酯，三丙烯酸聚氧丙基三(羟甲基)丙烷酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的丁二醇酯，三丙烯酸和三(甲基丙烯酸)的1，2，4-丁三醇脂，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇酯，1，2-二(甲基丙烯酸)-1-苯基亚乙酯，富马酸二(烯丙酯)，苯乙烯，二(甲基丙烯酸)1，4-苯二酚酯，1，4-二异丙烯基苯，和1，3，5-三异丙烯基苯。也可使用分子量至少300的烯键不饱和化合物，例如，从2-15碳的亚烷基二醇或1-10个醚键的聚亚烷基醚二醇制备的二丙烯酸亚烷基或聚亚烷基二醇酯，及美国专利No.2,927,022中公开的那些化合物，例如，那些具有多个可加成聚合的烯键、尤其当作为末端键存在时的化合物。也包括所有甲基丙烯酸酯，甲基丙烯酸四氢化糠酯，甲基丙烯酸环己酯，富马酸二烯丙酯，丙烯酸苄酯，丙烯酸(聚乙二醇500)酯，丙烯酸甲基溶纤剂，丙烯酸二茂酯，丙烯酸异癸酯，丙烯酸2-(2-乙氧基乙氧基)乙酯，二丙烯酸聚丁二烯酯，三丙烯酸[异氰脲酸三(2-羟基乙酯)]酯，二丙烯酸环氧酯，二丙烯酸(四溴双酚A)酯。带有乙烯基基团的单体如乙烯基吡咯、N-乙烯基吡咯烷酮和乙烯基醚也可使用。带有一个或多个官能团的低聚物，如带有碳基团使之具有碱可脱除性的低聚物和同时带有丙烯酸酯和异氰酸酯端基的低聚物也可使用。特别优选的单体是三丙烯酸聚氧乙基化三(羟甲基)丙烷酯，三丙烯酸乙基化季戊四醇酯，一羟基五丙烯酸二季戊四醇酯，和二(甲基丙烯酸)1，10-癸二醇酯。其它单体是丙烯酸和甲基丙烯酸的(己内酯)酯，二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的丙氧基化新戊二醇酯。
双酚A的二(3-丙烯酰氧基-2-羟基丙基)醚和双酚A低聚体的二[3-(甲基丙烯酰氧基)-2-羟基丙基]醚，一般称之为不饱和双酚A低聚体，因其能提供较高光化速度而特别有用；此外，带有脂族或芳族主链的二丙烯酸和二(甲基丙烯酸)的(氨基甲酸酯)酯，称为不饱和氨基甲酸酯低聚物，因其既能提供较高光化速度也能提供较高挠曲性，也特别有用。
聚合时会膨胀的单体可部分地同标准单体一起使用，以便使组合物曝光时不发生收缩或弯曲。这些单体是以多环状开环机理为基础的。已知螺环原碳酸酯、螺环原酯和双环原酯就属于这一类。典型的单体是螺环原碳酸降冰片烯酯，和螺环原碳酸二亚甲酯。会发生阳离子型聚合的单体也可用于本发明。有代表性的单体类别是环状的醚，环状甲缩醛和乙缩醛，内酯，乙烯基单体，含硫单体，有机硅单体，单官能环氧，双官能环氧，环氧预聚物和较高级的低聚物，及末端为环氧基的硅氧烷树脂。它们可在公开的文献中找到。一篇这样的参考文献是“光引发的阳离子型聚合”，由James V.Grivello撰写，收入于“紫外固化：科学与技术”一书，该书由s.P.Pa ppas编，由Technology Marketing Corporation出版，1978。其它开环单体可参阅“开环聚合”一书，由K.J.Ivin和T.Saegusa编，Elsevler应用科学出版社出版，伦敦和纽约，1984。
可单独或组合用于本发明的光引发剂实例详见美国专利No.2,760,863，且包括连酮醇，如苯偶姻，新戊偶姻，偶姻醚，如苯偶姻甲醚和乙醚，苯偶酰二甲缩酮；α-烃基取代的芳族偶姻，包括α-甲基苯偶姻，α-烯丙基苯偶姻和α-苯基苯偶姻，其它的有1-羟基环己基苯酚酮，二(乙氧基)苯酚乙酰苯，2-甲基-1-[4-(甲硫基)苯基]-2-吗啉代-丙烷-1，二苯酮，米蚩酮，取代的三苯基咪唑基二聚体连同链转移剂莰佛醌等。美国专利2,850,445，2,875,047，3,097,096，3,074,974，3,097,097和3,145,104中公开的可光还原的染料和还原剂，以及吩嗪、噁嗪和醌类染料、米蚩酮、二苯酮、丙烯酰氧基二苯酮、2，4，5-三苯基咪唑基二聚体，连同授氢体，包括美国专利3,427,161，3,479,185和3,549,367中描述的白染料及其混合物一起，可用作引发剂。还可同光引发剂和光抑制剂一起使用的有美国专利4,162,162中公开的敏化剂。光引发剂或光抑制剂系统的存在量，以可光成形组合物的总重量为基准，为0.05-10％。会热失活但在等于或低于185℃对光化光线曝光时会产生自由基的其它适用光引发系统包括取代的或无取代的多核醌类，这是在一个共轭碳环的环系统中有两个环内碳原子的化合物，例如9，10-蒽醌，2-甲基葸醌，2-乙基葸醌，2-叔丁基蒽醌，八甲基葸醌，1，4-萘醌，9，10-菲醌，苯并(a)葸-7，12-二酮，2，3-并四苯-5，12-二酮，2-甲基-1，4-萘醌，1，4-二甲基蒽醌，2，3-二甲基葸醌，2-苯基蒽醌，2，3-二苯基葸醌，惹烯醌，7，8，9，10-四氢化并四苯-5，12-二酮，和1，2，3，4-四氢化苯并(a)蒽-7，12-二酮。此外，α-氨基芳族酮，囟代化合物如三氯甲基取代的环己二烯酮和三嗪或氯代的乙酰苯衍生物，叔胺存在下的噻吨酮，和并钛苯类(titanocenes)。
阳离子型聚合引发剂的典型类别是芳基重氮盐，含非亲核对离子如SbF6 -、BF4 -、PF6 -、ClO4 -、CF3SO3 -、A5F6 -等的二芳基碘鎓盐，三芳基锍盐，三芳基硒盐或铁芳烃配合物。这些引发剂的实例包括但不限于2，5-二(乙氧基)-4-(对甲苯基巯基)苯重氮PF6 -，4-(二甲胺基)萘重氮PF6 -、六氟砷酸二苯基碘鎓，六氟磷酸二叔丁基二苯基碘鎓，FX-512锍盐(3M公司)，碘化三乙基锍，CG24-61(Ciba Geigy)。一本好的参考书是前面提到的《阳离子型聚合的光引发》。
可与这些光引发剂一起用于自由基聚合的敏光剂包括但不限于亚甲基蓝和在美国专利3,554,753；3,563,750；3,563,751；3,647,467；3,652,275；4,162,162；4,268,667；4,351,893；4,454,218；4,535,052；和4,565,769中公开的那些敏化剂。一组较好的敏化剂包括在Baum等人美国专利3,652,275中公开的二[对(二烷胺基)次苄基]酮和在Dueber美国专利4,162,162以及美国专利4,268,667和4,351,893中公开的亚芳基·芳基酮。可用的敏化剂也列于Dueber美国专利4,162,162第6栏1-65行。特别优选的敏化剂包括下列：DBC，即2，5-二[(4-(二乙胺基)-2-甲基苯基)-亚甲基]环戊酮；DEAW，即2，5-二[(4-(二乙胺基)苯基)亚甲基]环戊酮；二甲氧基-JDI，即2，3-二氢-5，6-二甲氧基-2-[(2，3，6，7-四氢-1H，5H-苯并[i，j]喹嗪-9-基)亚甲基]-1H-茚-1-酮，和JAW，即2，5-二[2，3，6，7-四氢-1H，5H-苯并[i，j]喹嗪-1-基)亚甲基]环戊酮。也可用2，5-二[2-(1，3-二氢-1，3，3-三甲基-2H-二氢亚吲哚-2-基)亚乙基]环戊酮，CAS 27713-85-5；和2，5-二[2-乙基萘并[1，2-d]亚噻唑-2(1H)-基)亚乙基]环戊酮，CAS 27714-25-6。
阳离子型聚合的敏化剂包括但不限于苝，吖啶橙、吖啶黄，磷杂环戊二烯R，苯并黄素和毛黄素T。
可在光聚合物组合物中用作链转移剂的授氢体化合物包括：2-巯基苯并噁唑，2-巯基苯并噻唑，4-甲基-4H-1，2，4-三唑-3-硫醇等；以及各种类型的化合物，如(a)醚，(b)酚，(c)醇，(d)含烯丙基或苄基氢枯烯的化合物，(e)乙缩醛，(f)醛，和(g)酰胺，如Maclachlan美国专利3,390,996第12栏18-58行中所公开的。
在这种可光成形组合物中也可以存在其它成分，如染料，颜料，增光剂，有机或无机填料，有机或无机增强纤维，阻聚剂，热稳定剂，粘度改性剂，层间的且一般是界面的粘合促进剂，如有机硅烷偶合剂，涂布助剂等，只要该可光成形组合物保持其基本性能即可。
尽管本申请者在此公开了本发明的特定较好具体方案，但本发明的一般范围只由所附的权利要求及其同等物所限定。

Claims (17)

1.在由物件的许多横截面部分制作整体三维物件的方法中，所述横截面部分是在一个含有台架的容器中所容纳的可形变和可光成形组合物相继各层的光成形子部，所述方法的改进包括：
(a)以等于一层厚度的距离，把一透明阻挡层定位于该台架顶上的的组合物内；
(b)使该阻挡层和该台架之间所含的组合物的一个子部成像曝光；
(c)以能破坏该阻挡层和该光成形子部之间的粘合的方式，促使该透明阻挡层围绕该台架作脉冲移动；
(d)重复步骤(b)和(c)，直至该物件的一个横截部分成形为止；
(e)使该台架和该透明阻挡层之间的距离增加一层的厚度；
(f)重复步骤(a)至(d)，直至整个三维物件形成。
2.如权利要求1中所定义的方法，其中每个光成形子部对应于一条单一的光成像线，每条光成像线与至少另一条光成像线连接，所有光成像线有共同的方向，且互相平行。
3.如权利要求2中所定义的方法，其中该阻挡层有两个彼此相反的、平的且平行于该台架的表面。
4.如权利要求3中所定义的方法，其中步骤(c)是通过该透明阻挡层的平移运动进行的，该平移运动的方向平行于该台架。
5.如权利要求4中所定义的方法，其中平移运动的方向也平行于该光成像线的共同方向。
6.如权利要求3中所定义的方法，其中步骤(c)是通过该透明阻挡层的回缩运动进行的，该回缩运动的方向朝着远离于该台架。
7.如权利要求6中所定义的方法，其中该回缩运动的方向基本上垂直于该台架。
8.如权利要求2中所定义的方法，其中该透明阻挡层的形状是拱形的。
9.如权利要求8中所定义的方法，其中步骤(c)是通过该透明阻挡层的滚转运动进行的。
10.如权利要求9中所定义的方法，其中该滚转运动的方向平行于该光成像线的共同方向。
11.如权利要求2中所定义的方法，其中该辐射呈激光束的形式。
12.如权利要求2中所定义的方法，其中该辐射用一种可变光密度的光掩膜改性。
13.如权利要求2中所定义的方法，其中该可光成形组合物含有塑溶胶。
14.一种用于制作整体三维物件的设备，包括一成像装置和一涂布站，在涂布站中由该物件的许多横截面部分形成该物件，该横截面部分是在有一台架的容器中包含的一种可形变和可光成形的组合物各层的光成形子部，其改进包括：
透明阻挡层位于该台架上方距该台架一个可控的距离；
用于可控地促使该透明阻挡层围绕该台架作脉移动的移动装置；和
用于可控地改变该阻挡层和该台架之间距离的定位装置。
15.如权利要求14中所定义的设备，其中该成像装置包括：
用于提供一个辐射束的辐射装置，该辐射束有一定强度；
用于可控地使该辐射束偏转的偏转装置；
定位于该辐射装置和该偏转装置之间用于调制该辐射束的强度的调制装置；和
用于贮存对应于该刚性物体形状的图形数据的计算机装置，该计算机装置也偶合到该调制装置、该偏转装置、该移动装置和该定位装置，旨在按照该图形数据控制所述调制装置、偏转装置、移动装置和定位装置。
16.如权利要求15中所定义的设备，其中该辐射装置包括激光器。
17.如权利要求15中所定义的设备，其中该辐射装置包括一个使该辐射改变的可变光密度的光掩膜。
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