CN1038069C - 一种制造整体三维刚性物品的方法以及精确制造该物品的设备 - Google Patents

Abstract

在一种立体成象系统中，一种较高功率的束射源(更具体地说是激光器)的射束按照其不同的矢量扫描速度加以调制，这样，在一个条状可光硬化组合物中，随着其对该束射源照射的响应而硬化和固化，在所有扫描器速度下都保持基本上恒定的层深。

Description

一种制造整体三维刚性物品的方法以及精确制造该物品的设备

本发明涉及利用光硬化生产三维物品，尤其涉及控制地利用较高功率辐射光源如高功率激光器，以较高的速度和准确度直接完成所述的生产。

已经有人提出多种利用光硬化进行三维成形(modeling)生产的系统。欧洲专利申请(公开号250,121，Scitex公司1987年6月6日提交，列入本文参考文献)对有关本技术领域的文献做了很好的总结，其中包括Hull、Kodama和Herbert提出的各种方法。1988年6月21日授予Fudim的美国专利4,752,498介绍了另一些背景情况，该文也列入本文参考文献。

这些方法涉及通过对所要固化的区域或体积进行顺序照射而分步形成三维物品的固体区段。它们描述了各种掩膜技术以及直接激光写入法的利用，即，用一束激光按照预期图形照射可光硬化组合物，一层一层地建造一个三维模型。

然而，所有这些方法都没有指明使用在刚性三维物品整体内部的每一层上保持恒定曝光，并使所有固化部分获得基本上的最终厚度的方法相结合的矢量扫描法优点的实际途径。

此外，它们也没有认识到在控制工艺和设备参数以使其实际可用的特定范围内的那些非常重要的相互关系。这样的范围是依赖于材料光硬化响应的恒定曝光量范围，依赖于分辨率和光硬化深度的、辐射光以最大加速度移动的最小距离范围，以及依赖于可光硬化组合物感光速度的最大辐射光强度范围。

例如，Scitex专利建议采用光掩膜或光栅扫描来达到均匀曝光，但没有提出在矢量扫描的情况下使曝光保持恒定的解决办法。光掩膜的使用使这样的技术过于费时和耗资。同矢量扫描相比，光栅扫描也是不理想的，其原因很多，包括：

^*即使所要加工目标只是总体积中一个非常小的部分，也必须进行

 全域扫描；

^*在多数情况下大大增加需贮存的数据量；

^*总的来说，所贮存的数据更难处理；

^*必须把基于CAD(计算机辅助设计)的矢量数据转换成光栅数

 据。

另一方面，在用矢量扫描的情况下，只有那些与刚性物品的形状对应的区域才必须扫描，需贮存的数据量较少，数据易于处理，而且“90％以上基于CAD的机器产生和使用矢量数据”(Lasers Optronics，1989年1月，第8卷第1期第56页)。激光矢量扫描迄今尚未被广泛利用的主要原因就在于如下事实：尽管它有优点，但它也带来了同目前最方便的辐射源如激光所用的偏转系统光学元件如反光镜的惯性有关的问题。由于这些系统在本质上是电动机械的，因而要达到任何一种光束速度都包含着一定的加速。这种在速度上不可避免的非均一性导致在曝光的可光硬化组合物中出现不能接受的厚度变化。特别是在高强度曝光时层部分不能达到和前面一样的曝光度的情况下，需要使用高光束速度，因而需要较长的加速时间，这又会造成曝光的组合物中厚度的非均一性。使用低强度激光不是一个好的解决办法，因为它使得固体物品的产生耗时过多。此外，这进一步使矢量扫描的可用性下降到最低限度，除非如同在本发明的详细说明中证实的那样，至少观察到前述的可光硬化组合物的深度与曝光量的关系。

因此，本发明的目的是提供一种方法和设备，用于通过扫描在未曝光的可光硬化组合物上以矢量方式进行直接激光写入并形成一系列具有精确控制的深度和分辨率的连续三维模层。

本发明涉及一种利用高强度激光以矢量方式进行直接激光写入而逐层直接产生光硬化三维模型层的方法和设备，其中，在可光硬化组合物中形成的曝光痕迹的深度是精确控制的，而且可以将其概述如下：

一种由一系列连续的液体可光硬化组合物薄层精确制造一种完整三维刚性物品的方法，包括下列步骤：

把液体可光硬化组合物放在一个容器中；

利用辐射装置产生具有一定强度的辐射束；

利用调制装置把该辐射光的强度从基本上零强度水平到最大强

度进行可控调制；

利用偏传装置以矢量扫描方式把该辐射光可控地偏转到这些连

续薄层上的预定位置，以便使得液体可光硬化组合物预选的部分

光硬化到一光硬化深度，而且也以从零水平到最大加速度的某一

加速度和从零水平到最大速度的某一速度使该辐射光偏转；

贮存与该刚性物品形状对应的图形数据；

把第二计算机控制装置与调制装置、偏转装置及第一计算机控制

装置偶联起来，在液体可光硬化组合物的预定部分上提供一种基

本上一致的曝光水平，以便在每一个相继的薄层之内达到基本上

一致的光硬化深度；

把该刚性物品支撑在该容器内的一个可移动的、基本上平整的台

上；

利用定位装置可控地移动该平台，该定位装置是由第一计算机控

制装置控制的；

利用成层装置形成一系列连续的液体可光硬化组合物薄层，该成

层装置也是由第一计算机控制装置控制的。

参照下列详细说明，结合对附图的研讨，将能加强读者对本发明优选方案实际实施的理解，其中：

图1是本发明设备优选实施例的框图。

图2和3说明表面和体积分别变成象素和体素(voxels)的刻度。

图4显示实例1的可光硬化组合物的光硬化层深度对光辐射曝光量的函数关系。

图5画出在一条扫描线上的曝光分布与计算厚度和实际厚度关系的归一化曲线比较。

图6显示旨在预测三条连续扫描线上的光硬化厚度的两条计算曲线之间的比较。

图7比较了若干条扫描线上的实际厚度与计算厚度。

图8显示扫描间隔对光硬化断面厚度的影响。

图9说明扫描线形成速度与扫描间隔之间的关系。

图10和11说明在不采取任何措施来保持恒定曝光量时从静止状态达到最大加速度的情况下，光束强度对于达到光硬化的最小恒定深度所需的矢量扫描距离造成的差异很大。

图12显示当采取措施保持基本上恒定的曝光量时沿扫描方向的距离与光硬化深度的关系。

本发明涉及利用光硬化产生三维物品的方法和设备，特别涉及控制地利用较高功率的激光以较高速度和准确性直接进行所述的生产。

现参照图1，这里提供辐射装置10，如激光器，产生一个辐射光12。由于本发明的一个目的是要以高速产生固体物品11，所以本发明的设备最好利用较高功率的辐射装置10，例如高功率激光器，它们的主要频带可以在可见区、红外区或紫外区。高功率系指当对辐射光12的强度进行测定时大于20mW的功率，最好是在100mW以上。这是针对于目前可光硬化组合物的感光速度而言的。然而，随着感光速度更快的组合物的出现，20mW和100mW的光束强度值也将会降低，因为就达到相同结果而言，组合物的感光速度和辐射光的强度有互为反比的关系。某一类型激光器的选择应当与可光硬化组合物的选择配套，使该可光硬化组合物的感光性同该激光器发射的波长很合理地保持一致。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硬化组合物的感光性相匹配，能提供射束，且能按照公知技术确立的方法观察到适合的处理条件。虽然可以提供某些装置来把射束横断面的形状改变成任何一种理想的形状，但通常的形状是圆形，而且射束的强度分布是，其最大值在该圆形的中心的高斯分布。

射束12通过调制器14，该调制器最好是一种声光调制器。调制过的射束12’依次通过偏转装置16，该装置包括两个反光镜20和22，每个反光镜都各有一个轴(未画出)，使该射束能在X和Y方向上反射到表面46，X方向和Y方向是互为正交的，且平行于表面46。反光镜20和22可分别借助于马达24和26围绕其相应的轴转动，使该射束以矢量扫描方式在X和Y方向上可控地偏转到盛放于容器44中的液体可光硬化组合物40的预定位置。在本说明书的后面章节中给出了适用的可光硬化组合物的实例。在射束为偏转装置16偏转时，假设它达到一个从零水平到最大加速度间的一个加速度，和从零水平到最大恒定速度的一个速度。射束的该速度和强度仍互为正比，因此，曝光仍基本上一致。该射束引起组合物预先选定的部分光硬化达到基本上一致的光硬化深度。光硬化深度定义为，当在垂直于扫描方向的断面上进行测量时，在表面46与光硬化薄层的反面之间的最大厚度或峰值厚度。如同将在本说明书后面看到的那样，每一个光硬化层或其一部分的厚度在一条扫描线上的各点都可能不同。因此，为避免混淆，光硬化厚度系指在该层的任何一点上的厚度，而光硬化深度则限于上述定义。在容器44内，提供了一个可移动台41和定位装置，如一个升降马达42，用来向可移动台41提供运动，以便精确地控制该可移动台在容器44中的位置。台41的运动可以是平移的、旋转的、无规的、或者兼而有之。成层装置，如一把刮刀43，位于容器44之内的台41上方，用来形成一系列连续的液体可光硬化组合物薄层。还提供了第一计算机控制装置30和第二计算机控制装置34。第一计算机控制装置30分别通过控制/反馈线52、60、62和58同辐射装置10、定位装置42、成层装置43和第二计算机控制装置34耦联起来。第二计算机控制装置34除了与第一计算机控制装置30通过线58耦联外，也分别通过控制/反馈线50和54与调制器14以及偏转装置16耦联。为简单起见，辅助的和显而易见的装置没有画出。

如上所述，以一种能获得恒定曝光的方式对射束的调制既可以是模拟的也可以是数字式的。一种由Greyhawk^_(Greyhawk Systems，Inc.，1557 Center point Drive，Milpitas，CA 95035)制造、按如下说明改进的市售系统可以用来作为本发明中第二计算机控制装置34的部件，把曝光量控制在一个恒定值。这种Greyhawk^_系统把从装配在马达24和26的轴上的编码器(未画出)，这些编码器指示轴的旋转，因而指示从反光镜反射的激光束在成象表面46上的成比例运动，所产生的脉冲信号考虑到影象空间的存在和所需曝光量转换成能用数字处理的、电脉冲信号，此信号直接调制激光。从效果上看，这种激光是对应于该光束在影象平面上已移动的一段距离用数字调制的。由于这种激光的调制要求该激光保持每个脉中的一个特定时间间隔，结果是该激光束在影象平面中所移的每段距离都基本上更均匀的曝光。

非固态激光器的直接数字式调制目前不实用，因为这样的激光器一般不能以足以用于立体成象的高速度进行数字式调制。这些激光器只能连续操作(CW)，因为如果形成脉冲，那么，脉冲重复频率和/或脉冲时间宽度都不能符合由Greyhawk^_系统电子设备所发生的调制信号。这造成了影象平面中的非均匀曝光。为了以诸如Greyhawk^_这样的系统所需要的高速度调制非固态激光器的光束，必须对足以启动一个固态激光器的电信号作重大改进，才能启动设置在CW激光器的光束路线上的一个光开关。这种光开关及所应用的改进电子设备必须能符合电调制信号，而且在处于“开状态”时必须有足够的传递效率，才能在需要的情况下在影象平面46中提供有用的射束能量。这样的光开关可以是模拟的，也可以是数字式的。最好的开关类型是声-光型的。

可以使用的其它开关的实例有：

电-光型开关，它是基于一种当施加电压时会改变光学极性的晶体制作的；

液晶门，例如有一种可以用于可见光区的开关，是由MeadowlarkOptics(7460 East County Line Road，Longmont，Colorado 80501)制造的，称为射束门(Beam Gate)。它也是基于液晶材料的极化变化制作的；

压电池，可以使遮光板例如小针孔移动；

所谓的PLZT(Pb0.9，La0.1，Zr0.65，Ti0.35)基开关，它依靠的是偏振化。两块偏振板放在一起，使它们的轴彼此成90度，并在两者之间插一块PLZT铁电晶体。这种PLZT晶体能使通过的光的偏光性旋转，这取决于是否有电场作用于这个PLZT上。例如，现在处于“关”状态(即PLZT没有电场)，通过第一偏光板的光原封不动地通过PLZT，并被第二偏光板所阻挡。但当PLZT处于电场中时，通过第一偏光板的光就被PLZT旋转，并能通过第二偏光板。

技术上众所周知的是，为实用起见，也为了便于理解和便于描述，需要把一个处于两维表面上的影象划分成小的虚构面积单元，称之为象素，例如，图2中所示的P1、P2、P3、……Pn。这些象素通常是方形的，因而在X方向和Y方向上有相同的尺寸。选用方形而不是长方形或其它形状的主要原因是，在众多的情况下，在两个方向上都遇到且希望有相同的分辨率。同样，当考虑一立体时，该立体的体积可以划分成称为体积素的虚构小立方体，如图3所示的V1、V2、V3、……Vn。由于与上述相同的理由，这种立方体是体积素的优选形状，因而这种体积素在X、Y、Z所有三个方向上可以有相同的尺寸。

对于本设备和方法的产品来说，最好是用各边尺寸等于扫描线间隔的立方体素来描述，这种间隔系指在可光硬化组合物40的表面46上，射束12″的任何两条相邻的扫描线中心的间隔，这些扫描线是基本上互相平行的。

可以预期，利用对二维影象知识的简单外推，人们就能预测立体或三维象的行为特征，如扫描线的最佳间隔。然而事情远非如此，而要复杂得多，尤其是由于有一个新的复合变量，例如一般是光硬化深度和厚度，它们在二维成象过程中数值小而恒定，但在立体成象过程中很活跃。在一个聚焦的激光束沿可光硬化组合物的表面上的一条线进行一次扫描(单扫描)中，人们最初想到的是可望得到一具有矩形横截面的线性固体。专家的想法可能导致如下期望：这样的横截面应具有高斯形状，因为它是由具有高斯横截面分布的射束产生的。然而，没有一种预测是正确的。本申请人业已发现，这样形成的线性固体的横截面意外地具有基本上非高斯形状。换言之，如果以这种方式形成的线性固体在正交于其长度的方向上切割，那以，始于液体表面的宽度就几乎线性地随离开表面46的距离增加而减少，直至所形成的固体尖端附近。这种横截面特征是扫描立体成象的重要信息，因为通常当对各层进行扫描以部分地填充每个横截面层的区域时，这种扫描就由许多线或矢量构成，这些线或矢量基本互相平行地间隔开而构成一个完整的固体平面。每个矢量的宽度基本上线性地随离开表面46的距离增加而减少这样一种知识，使得人们能确定为了提供光硬化的均匀曝光和均匀深度所需的各矢量线之间的适当间隔。有了适当的线间隔，就能最大限度地减少波纹，它是每个薄层底部厚度的变化；降低层弯曲的趋势，可以保持局部分辨率和容许误差，各层将有更大的强度而具有较小的方向性强度差异，粘合力逐层提高，扫描的数目也可以减到最少。本申请人提出，单扫描固体线的横截面基本上是非高斯的，因为射束扫描时其高斯形能量分布的边缘部分不能使可光硬化组合物的对应部分光硬化，其原因很多，例如：

落入不可能发生光硬化的区域，即技术上众所周知的诱导区，内的曝光量偏低。

在圆形高斯射束的单扫描(一次扫描)期间内，在靠近移动光斑，这个光斑就是射束与可光硬化组合物表面的交汇面，中心的轨迹附近的部分受到的曝光一定会高于远离这条轨迹的部分，呈一种与光斑运动速度成反比变化的高斯方式。受到该射束作用的每一层同样会有相应的情况发生。高斯函数同S形光硬化厚度与曝光的关系结合起来，就能解释单扫描线的非高斯形状，这种关系在立体成象中可定义为深度与曝光曲线，图4中说明的涉及我们在实例1中所述的优选组合物之一的行为的一个实例解释了单扫描线的非高斯形状。

非常重要的是要记下如下事实：光硬化深度和光硬化厚度不仅是可光硬化组合物的性质、射束强度和射束直接入射时间等的函数，而且也取决于其它参数和次级效应，例如扫描重叠、相邻部分曝光时造成的次级曝光等。例如，一条单扫描线的光硬化深度显著小于众多紧密重叠而产生一连续薄膜的扫描线的光硬化深度。类似地，扫描线的数目越多以及它们彼此靠得越近，若其它一切条件保持不变，光硬化深度就越大。此外，由于边缘只在其一侧有相邻的曝光扫描，所以它们接受的总曝光量往往偏低。因而造成在光硬化时光硬化深度小于中间部分，除非采取修正步骤。

由于上述现象，便出现了在下文还要更详细讨论的、在惯用的二维成象和立体成象之间的第二个显著差别。为了在通常的二维成象系统中形成扫描影象，在技术上已知的是，当各线之间的距离近似等于或小于具有高斯强度分布的成象射束的1/e²直径时，存在着各线之间的最佳扫描线间隔，它能消除影象中可见的波纹影象。对于立体成象来说，在实例1所述组合物的情况下以这种间隔设置扫描线，会在每一层的下表面产生明显的波纹。出现这种现象的原因就在于，该材料的曝光响应的非高斯形状不会重叠得足以给出光硬化薄层的可接受均匀厚度。

因此，确定这种扫描间隔非常重要，因为它直接导致体积素尺寸的定义，从而导致该立体成象系统满足所要产生的刚性物品允许误差要求的分辨能力。

已发现，在一条单扫描线横截面的每一点上，光硬化详细厚度与射束的相应高斯形强度分布的曝光之间的关系遵从如下方程：光硬化厚度＝ $G\left\{E\right\}=G\left\{\mathrm{P\; exp}\right[-2\left(\right(Y/\mathrm{ro})^2)]/(\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{v\; ro}\left)\right\}---\left(1\right)$

式中G{E}代表与曝光E(mJ/cm²)响应、与该材料深度拟合良好的函数(对实例1的组合物使用一个二阶自然对数多项式，G{E}(mm)＝-0.66+0.446In[E]-0.0356(In[E])²)；P是影象平面上的射束径向光通量(mW)；Y是离开扫描中心的可变距离；ro是高斯射束射束半径的1/e²；v是在整个表面上的射束扫描速度。令人惊讶的是，即使在把G{E}同二阶自然对数多项式联系起来的方程中曝光单位并非无量纲，拟合也是优异的。

图5显示：

当射束继续存在时，与恒速单扫描线相正交的射束斑切面中心

附近的归一化高斯曝光；

用恒速单矢量扫描的且正交于扫描方向的光硬化材料(用实例

1的组合物)的归一化实际厚度；

在相同条件下扫描的光硬化的归一化预测厚度。

这些曲线归一化成一个共同的最大相对值1，以便更好地说明这些分布的差别。

请注意，一次扫描曝光中心周围的光硬化厚度数学预测的分布基本上与实际材料的测量厚度的分布相匹配，但显著区别于仅根据曝光分布的形状做出的预测。

确定组合物的曝光响应对立体成象至关重要，因为它导致根据系统的分辨率和组合物的响应确定系统产生具有预期公差的物品的总能力。它是该光学系统把激光能量控制在一给定时间/功率分辨率的能力，进而导致保持线、层以及部件公差的能力。一个光学扫描系统可能具有优异的分辨率，它把激光能量对准和聚焦到预期尺寸和位置。然而，它将是材料对制约所产生的线、层和部件的公差的吸收能量的响应。

了解了单扫描线的分布，就可以做如下假设：以一种适当的方式进行重叠，以产生各扫描线之间的合并，并在各线的顶端之间的区域进行填充，从而可把各平行线形成的一个层用由一连续不断的射束扫描的一系列单线的厚度响应的简单加和来模化。这样的数学模式应有如下方程： $\underset{\mathrm{YK}=0}{\overset{\mathrm{YK}}{\mathrm{\Σ}}}G\left\{\mathrm{P\; exp}\right[-2\left(\right(Y-\mathrm{Yk}/\mathrm{ro})^2)]/(\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{v\; ro}\left)\right\}----\left(2\right)$

式中Y代表在正交于扫描方向且平行于影象平面的方向上离开第一个扫描矢量中心的距离，该影象平面就是图1中的表面46；YK代表每个矢量扫描中心相对于Y＝0的轨迹，这综合了它对相邻扫描线的影响。

然而，在我们的研究中发现，这种数学模式远不如基于以后要按照与光硬化厚度相关的组合物曝光响应运算的连续扫描曝光和的模式。这样一种数学模式的方程如下：光硬化厚度＝G{∑E}＝ $G\left\{\underset{\mathrm{YK}=0}{\overset{\mathrm{YK}}{\mathrm{\Σ}}}P\exp \right[-2\left(\right(Y-\mathrm{YK}/\mathrm{ro})^2)]/(\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{v\; ro}\left)\right\}-----\left(3\right)$ 式中，沿位置YK配置的每个矢量扫描的曝光贡献首先对每一个位置Y进行加和，然后把曝光响应G{}计算到该曝光和中。

方程[3]的精确度优于方程[2]的确定性可以通过对图6曲线的说明容易地理解，按照基于方程[2]的数学模式，以特定间隔画出了三条连续扫描线，此模式错误地预测在可光硬化组合物底面上的波纹将是方程[3]以相同间隔画三条线所预测的两倍频率。由实例1所述组合物表面上以同等间隔彼此平行的扫描线形成的各层显微照片所做的测量，证实方程[3]所预测的波纹频率同实际组合物响应相匹配。

图7进一步证实方程[3]的数学模式对于可光硬化组合物响应是一个准确的预测方程，证明这一模式基本上预测了光硬化厚度。

如同上文所指出的，在通常二维成象与立体成象之间的第二个显著差别表现在每层的下表面上。采用二维扫描，例如配合卤化银胶片使用，扫描间隔(即胶片成象时各扫描线之间的距离)的一般做法是宽达影象平面上射束焦点直径的1/e²。某些扫描器提供更紧密的线间距，但很少小于射束直径的1/e^0.693。对于二维成象，这种较宽的间隔就足够了，其原因很多，主要原因之一是人类肉眼对影象黑度密度的变化不敏感，更密的扫描间隔会使之降低。另一方面，立体成象，特别是当要制作高分辨部件时，需要比二维成象更密的扫描间隔。这是由于材料厚度对曝光的非高斯响应不会重叠得足以使可光硬化组合物具有均匀的光硬化深度。对于立体成象来说，扫描间隔最好应当等于或小于成象射束在成象平面上的全宽度半最大值或1/e^0.693个直径，以便使底面波纹减到最低限度。图8的曲线是根据方程[3]的数学模式所做的预测推出的，它说明了在实例1组合物一个成象层的底面上由于连续射束扫描间隔变化引起的波纹变化，在这种情况下，该层的最大厚度为0.127mm。请注意，对于等于1/e光斑直径的扫描间隔，该层在各扫描中心线之间有一大部分被分段。

扫描中心线之间的这种分段效应值得做更多讨论。特性上来说，一个层的硬度随厚度的立方而变化。即，如果厚度减少2倍，则该层的硬度将减少到其以前数值的八分之一。在图8中，以1/e射束直径的间隔连续扫描的材料有一些区域厚度下降到最大厚度的30％。对这样的层，这个低区域中的相对硬度，和正交于扫描线方向上的连续硬度，将下降98.7％。即使以1/e^0.693射束直径的扫描间隔，该层在正交于扫描方向上的硬度可以预期只有扫描方向上硬度的36％。以1/e^0.5的扫描间隔，硬度减少到该方向上最大值的65％。这种硬度差别导致自支撑层破裂，引起该层由于材料内部应力变化而弯曲，而且如果所形成的这一层下面没有该部件的任何部分(即，它是悬臂部分或桥板部分)，则可被看作是最终部件的公差损失。

然而，在寻求更密的扫描间隔时需要权衡利弊。因为扫描线的密度越高，要形成该层所需的时间就越长。幸运的是这种超额的时间并不太重要，因为沿该线的扫描速度必须加快到足以保持相同的光硬化深度。图9的曲线表示在正交于扫描的方向上层的形成速度作为扫描间隔的函数而变化，请注意，随着扫描间隔越来越密，层的形成速度实际上趋于恒定。实际上，这种速度应当对决定每条矢量扫描线终点的矢量镜所造成的时间损失进行调整。

扫描间隔的确定是重要的，因为它直接导致如前所述体积素尺寸的定义，因而导致立体成象系统的分辨率和公差能力。根据这种定义，一个体积素的X、Y和Z尺寸彼此相等，且等于扫描线间隔距离。光硬化的深度和宽度将因材料曝光特征和射束特征而异。最好是，光硬化深度在单扫描线情况下可与光硬化宽度比拟，换句话说，具有相同数量级。因而在多扫描线重叠的情况下，光硬化的曝光应当根据扫描线之间的间隔距离加以改变。最好是，扫描间隔距离的数值小于或等于曝光束在影象平面上光斑直径的1/e^0.693。

如前所述，对于诸如激光等类射束矢量扫描的已知偏转系统，在达到任何射束速度过程中都涉及质量加速。这种不可避免的速度非均一性造成不合适的厚度变化，尤其是在各层在其下面没有直接基质的那些部分的情况下。这是由于为了保持合理的高强度曝光量就必须使用高速射束，因而需要更长的加速时间，这样在加速期间曝光能量控制不当时，还会导致厚度非均一性。尽管对于低功率激光来说在加速期间厚度非均一性大致可忽略不计，但低强度激光的使用并不能提供良好的解决办法，因为产生一个固体物品的时间变得过长。

如果我们取一个平行于扫描方向且正交于成象平面的薄片而不是正交于扫描方向切片来观察扫描曝光和材料响应，我们就会发现，对于一个以恒定速度进行的连续恒定功率射束扫描，材料的光硬化深度会是恒定的且无波纹。然而，如果使用普通矢量扫描器，扫描速度一般就会显著改变，除非采取特别措施。这种速度变化发生在每个矢量起点处，因为扫描器反光镜加速到最大角速度，然后又从最大角速度加速到矢量终点的刻度。光斑速度随扫描半径发生线性变化，扫描半径就是扫描反光镜离开影象平面的距离，并且非线性地掠过图1中可光硬化组合物40的表面46，因为影象平面在立体成象过程中通常是平整的，而且矢量扫描器通常位于影象平面上方某一距离的一个中心点上。为避免这些效应，扫描器通常定位在离开入射平面46足够长的距离上，这样，对于所有实际用途来说，速度的非线性变化是可以忽略不计的。光学方面也做如下选择：曝光射束的焦点深度长得足以使射束12″能基本上对准入射表面46上的所有点。

这个优选系统中的光学部件全部进行涂覆处理，以便使优选地在紫外光区工作的激光射束达到最佳透射率。首先，激光束12通过一个用来作为能在打开安全联锁开关时阻挡该射束的部件的机械快门。其次，把它聚焦，并对准到一个对于声光调制器的静态和动态操作来说最佳的直径。遵照射束准直光学，让光透射过一个光劈，使射束方向做水平变化，以便使它能以布拉格角进入声光调制器晶体。通过声光调制器时射束直径是十分均匀的，而且其尺寸使得在静止状态下最大衍射效率能达到一级，同时以受第二计算机控制装置34控制的切换速度给出优异的调制效率。这种切换速度，对薄层的生产来说，通常具有2～20兆赫的量级。在通过声光调制器之后，当不进行曝光时，让零级射束(或者当要进行曝光时让零级、一级以及通常还有其它级的射束)通过另一个光劈，使这些光束在水平方向上重新对准其余光路。在该光劈之后，用一个负透镜使这些射束扩大。然后，这种扩大的零级射束及其它级射束，除一级射束外，都被挡住，不能进一步透射到光路上。让一级射束(若存在)继续沿光路传播下去，使它通过一个长焦距镜头，对准X-Y扫描镜20和22，这些镜子把它反射成射束12″，到达可光硬化组合物40的表面46。从这些镜子到表面46的距离略小于最后一个透镜的焦距。最后这个透镜的焦距长，因而扫描半径也长，从而保证该光学系统在整个影象表面上有十分均匀的焦直径，并保证该射束由扫描角引起的象散性很低。对于一给定切换频率，通过该声光调制器的最佳射束直径的计算，在技术上是众所周知的，因此，为简洁起见，在此未予赘述。

当符合这些条件时，一个连续射束扫描的光斑速度变化就直接转变成扫描方向(X方向)上和正交于扫描的方向(Y方向)上光硬化厚度和深度的变化。如同前面解释过的那样，光斑是射束12″与表面46的交叉点。如果该扫描射束是连续的，那么，方程[3]就可用来计算表面46上任何一个位置1(X，Y，t)的光硬化厚度，其条件是：在该点上的光斑速度是已知的，且该速度不沿Y方向变化(即，在影象平面上，扫描速度有无限大的曲率半径)。

在矢量扫描的情况下，尤其在用以展示本发明的设备的情况下，偏转装置(有一个旋转的反光镜)的最大可容许加速度被固定在规定值，并采用相应的适当扫描半径。一些典型的系统规格如下：

由偏转装置产生的体积素在X、Y和Z各维上相等，而且每个

体积素在这些维上的较好尺寸是0.0127cm(0.005英寸)。使用一

种材料曝光达到的光硬化深度(cm)与射束辐射通量密度

G{∑E(mJ/cm^₂)}的函数关系用如下函数算子表示：G{∑E}(cm)＝-0.066+0.0446In[∑E]-0.00356(In[∑E])^2    [4]对于用300mW激光功率以0.0127cm 1/e^0.693直径光斑(或ro＝0.0108cm 1/e²)在影象平面上且以单线扫描产生一个D＝0.0127cm深体积素、具有G{∑E}灵敏度的材料，最大扫描速度(Vxmax)是通过合并方程[1]和方程[4]并解所得到的二次方程而确定的： $\mathrm{Vx}\max =\mathrm{Exp}[(1/2C)((B+2C\ln [P/\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{ro}]-$ $\sqrt{(B+2C\ln [P/\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{ro}\left]\right)^2-4C(A-D+B\ln [p/\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{ro}]+C\left(\ln \right[P/\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{ro}\left]\right)^2))]}$ 式中A、B和C代表材料响应方程G{∑E}中的材料系数(即A＝-0.066……，B＝0.0446……，C＝-0.00356……)。

现在我们可以容易地解出该扫描器达到最大速度所需的时间和距离。在这种情况下，它需要约7.02毫秒，但必须移动4.65cm才能达到充分曝光。在这个时间和移动距离期间，材料受到严重的过度曝光，且光硬化深度比预期的深得多。换言之，该扫描系统当没有采取任何附加措施时不能提供足够的曝光能量分辨率来产生具有理想公差的部件(在这种情况下是一条线)。

图10和11画出了在这一加速期间的过度曝光和光硬化深度公差的损失。请注意，对于如我们所描述的这样一种矢量扫描系统，像图1中的射束12″这样一种具有300mW强度、能潜在地提供大大改善的扫描速度的射束，如果在扫描期间连续保持工作状态，在行程达到约4.65cm之前，在这种光敏材料中不会产生预期的曝光量，因而不会产生预期的光硬化深度。由于这种过度曝光发生于扫描终点、也发生于该扫描器减速到停止时，因此，具有300mW射束的扫描器系统不能在影象平面的所有部分扫描一层的预期厚度，这个影象平面就是图1中的表面46。图11是图10所示曲线初始部分的放大，表明甚至连在扫描期间连续保持工作状态的15mW射束也在每条扫描线的起点产生大约一个过度曝光的体积素。在每个矢量终点也会发生类似的过度曝光。受到影响的不仅仅是预期曝光点上的光硬化深度，而且也有扫描线周围区域内的光硬化厚度。

这种在单个矢量起点和终点时的公差损失，在为了填补代表部件横断面的一层而一个一个放置的一系列矢量中也会很显著。这一层会在对应于该矢量填充物起点和终点的边缘获得过大的光硬化深度。这种过大的光硬化深度出现在边缘这一事实导致总部件或刚性物品的公差损失，因为测定一部件的公差合格与否通常是在其外表面进行的。因此，在每个横断面上，该部件往往会比预期的宽，孔的直径会比预期的小(因为在矢量扫描中孔代表一矢量的另一起点和终点)，且在悬臂、搭桥或带有角度的断面中比预期的深。尽管在上述15mW射束的实例情况下所制作的刚性物品也许仍然勉强可以接受，这要看公差设定极限如何，但用300mW射束制作的部件或刚性物品当然大体上会被过分扭曲。

另一方面，曝光控制的利用使得能使用更高功率的激光器，因而能使用更大的扫描速度，使曝光分辨率大大改进，从而能达到精密得多的部件公差。在本发明的一个优选实施方案中，曝光控制基本上能在该扫描矢量范围内提供等量曝光，只需保证光斑在可光硬化组合物表面上移动的每段距离，该激光束都能工作一段规定的时间。如同前面所解释的，该激光束被加以调制，以便使曝光分解成每个体积素所需的多次曝光。该射束在每次曝光期间的功率或强度都相同，而且曝光脉冲的时间也相同(除了在每个矢量的起点和终点外，这在下文还要解释)。大体上能沿矢量扫描线提供更均匀的曝光。

对于这样一个调制矢量扫描系统，利用等时间宽度(W)的数字式方波时间脉冲并从停止加速到最大速度，其一般化曝光方程是： $1/(\mathrm{\πr\; o}^2)\underset{Y=0}{\overset{\mathrm{Yk}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{X=0}{\overset{\mathrm{Xp}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Exp}[-2(Y-\mathrm{Yk})/\mathrm{ro})\underset{t}{\overset{t+w}{^2}}]\∫\mathrm{p\; Exp}[-2((0.5\mathrm{a\; t}^2-\mathrm{Xp})/\mathrm{ro})^2]\mathrm{dt}---\left(6\right)$

式中t代表一个矢量开始的时间，Yk代表在从扫描线Yo开始、正交于扫描方向的一段距离上每个扫描的中心线，Xp代表每个脉中沿始于Xo的扫描线定位的那段距离，“a”代表光斑在扫描方向上的加速度。

方程[6]的积分很容易用X进行代换，并可改写成如下形式： $\underset{\mathrm{Xp}}{\overset{\mathrm{Xp}+w\left(2\mathrm{Xp\; a}\right)^0.5+0.5\mathrm{a\; w}^2}{\∫}}(p/\left(2\mathrm{X\; a}\right)^0.5)\mathrm{Exp}[-2((X-\mathrm{Xp})/\mathrm{ro})^2\mathrm{dx}-----\left(7\right)$

一般来说，当使用方程[7]的积分代替方程[6]的积分计算影象平面内某一点上的曝光时，必须把距该点的1/e²(3～4σ)半径的 ～2倍范围内存在的脉冲的曝光贡献加起来。一旦对于这一点计算出整个曝光，就可以使用方程[4]中描述的运算函数来预测该点上的曝光值。

对于一个被其它矢量扫描以其体积素尺寸为每边0.0127cm的射束光斑直径的1/e^0.693间隔包围的矢量扫描，且当该射束从停止状态开始加速时每个体积素出现4次的光斑脉中，使用数字计算机近似方法计算了光硬化厚度。扫描半径增加时，光斑加速度为1.27×10⁶cm/秒²。光斑以数字方式发生脉冲，w＝3.93×10^-6秒/脉冲，影像平面上的射束功率是150mW。

图12显示对这样一种扫描的预测光硬化深度。曲线显示沿扫描线中心的预测深度，按定义，这就是光硬化深度。注意，沿扫描线的光硬化深度在完成一个体积素的扫描或走完一个等于扫描间隔的距离之后达到预期的恒定值。在每个矢量的起点和终点或每个填充平面的起点和终点，当应用曝光控制时，一个体积素长度损失代表着比起当利用连续射束扫描时所获得的结果有重大改善。有了曝光控制就可以利用更高功率的曝光射束，使得有快得多的扫描速度。然而，在起点和终点的一个体积素的损失依然转变成那种同一个部件预期尺寸的设定公差有很大关系的损失。

必须对第一个体积素的这种损失的原因有透彻的了解，为的是利用曝光控制来满足预定的公差，进一步改进矢量扫描系统的能力。参照方程[6]以及相邻光斑的曝光必须加和才能计算某点上的总曝光这一事实，可以认识到，在一个矢量的起点，相邻曝光不是存在于该扫描的背后而只是存在于它的前面。这意味着，一个扫描的第一个体积素受到的曝光大约是在它后面的那些体积素受到的曝光量的二分之一。如下事实使这一问题进一步复杂化：附着在反光镜上的译码器(这个译码器为脉冲的发生提供信息)在发生讯号之前必须移动大约一个脉中。因此，一般来说，在上述图12中所示的情况下，第一个体积素将受到比计算值少四分之一的曝光量。

应当有可能增加每个体积素的脉中量，从而降低由于译码器的脉冲损失引起的脉中曝光损失的百分率。这将需要增加该译码器的脉冲密度，由于脉冲回转速度极限性，这终究可能限制扫描器的速度。这也会需要按比例降低脉冲时间宽度，最终也会损害射束切换的光学效率，降低该射束的总功率，并降低最大射束速度或扫描速度。

减少扫描半径(图1中射束12″的长度)会增加脉冲密度，但不会允许进行像原来那么大范围的扫描，最终也会失败，因为当按比例降低脉冲时间宽度来减少曝光时，该系统的光学效率受损失。

优选的解决办法是使扫描线开始时的第一个体积素和该扫描线结束时的最后一个体积素之内的头几个脉冲增加脉冲持续时间。这不会使扫描系统变慢，也不会对该扫描系统的任何其它部分产生任何负效应，但它会使每个矢量起始和结束时的那些体积素得以回复。

在操作上，图1中所示的辐射装置10(最好是一种高功率激光器)提供具有如前所述强度的辐射束12。辐射束12通过调制器14，在此，它的强度可以被从零强度水平调制到最大射束强度，由于能量损失，其数值比未调制的射束强度小。可以使用不同类型的调制器，包括数字型和模拟型两种。数字型较好，因为它使该系统兼备较高的电子稳定性和灵活性，优选声光调制器。对于高能非固态激光器，必须如上所述对调制器做特别安排。调制的射束12′强度因损失而有所减少，该射束又通过偏转装置16，例如以双镜20和22组配形式的矢量扫描器，每个镜子分别由不同的马达24和26单独驱动。由马达24驱动的反光镜20使射束在X方向上偏转，而反光镜22则使该射束在Y方向上偏转，X方向垂直于Y方向。射束12″的强度由于进一步损失也有降低，它对准最接近于可光硬化组合物40的表面46的一个薄层48(该组合物装在容器44中)，在此，它引起薄层48预先选定的部分的光硬化。该射束的合动量是矢量型动量，而且据说该射束以矢量方式运动或加以扫描。由于机电偏转装置16的惯性，射束12″在薄层48上的速度也受到偏转装置16的惯性和机电性质的限制。

两个反光镜20和22分别通过马达24和26的偏转是由第二计算机控制装置34控制的，而对应于所要生产的固体物品形状的图形数据则贮存在第一计算机控制装置30中。

第二计算机控制装置34与调制装置14、偏转装置16及第一计算机控制装置30分别通过控制/反馈线50、54和58连接。把贮存在计算机控制装置30中的图形数据送入计算机控制装置34，经处理后驱动马达24和26，从而带动反光镜20和22，从而把射束偏转到薄层48上的预定位置。偏转装置通过线54把有关反光镜20和22的相对运动的电反馈提供给第二计算机控制装置34。这种反馈与射束在薄层48预定位置上的速度和平均停留时间相关，经过第二计算机控制装置34处理后，通过线50把它作为控制命令送入调制装置14，用来调制射束12的强度，这样，在层48预定部分的每一位置，射束12的强度与平均停留时间之积保持基本上恒定。因此，定义为这两个参数之积的曝光量保持基本上恒定。使曝光量在每个相继薄层的预定部保持恒定，也就使光硬化深度保持基本上恒定。这种修正或补偿非常重要，尤其是在这些薄层的无支撑部分，由于如上所述的矢量扫描边缘初始速度低造成过度曝光，会出现膨胀的边缘。射束12″的强度越高，或者可光硬化组合物的光敏性越高，在没有办法保持曝光水平恒定的情况下，这个问题就变得越严重。此外，组合物40的敏感性越大，若无某种曝光控制装置，这个问题也变得越严重。

可移动台41最初定位在可光硬化组合物40内，离开表面46一段很短的预定距离，在表面46和台41之间造成一个薄层48。这个台的定位是由定位装置42提供的，后者又受到第一计算机控制装置30按照其中所贮存的数据的控制。对应于刚性物品形状第一层的图形数据从计算机控制装置30送入计算机控制装置34，在这里把它们连同从偏转装置16获得的反馈数据一起处理，再送入调制器14用以同样的控制，这样，当射束以矢量方式在薄层48的预定部分上移动时，曝光就保持恒定。

当刚性物品的第一层完成时，可移动台41就通过第一计算机控制装置30的命令由定位装置42降低一段很小的预定距离。按照来自计算机装置30的类似命令，成层装置如刮刀43刮过表面46将其整平。然后按照同样的步骤产生第二层、第三层及以后各层，直至整个刚性物品完成。

如前面所提到的，调制器以模拟或数字方式把射束的强度从基本上零度强水平调制到最大强度。在调制器系统中有某些光学损失，在偏转装置中也有另一些损失。最大强度等于未调制射束的强度减去总光学损失。在本发明的一个优选实施方案中。最大射束强度超过一定数值，这取决于可光硬化组合物的感光速度及其它参数。因此，最好的是射束的最大强度提供的光硬化深度大于：光硬化厚度＝G{∑E}＝ $G\left\{\underset{\mathrm{Yk}=0}{\overset{\mathrm{Yk}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{P\; exp}\right[-2((Y-\mathrm{Yk}/\mathrm{ro})^2)]/(\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{v\; ro}\left)\right\}$ 式中G{∑E}代表对曝光E总和进行G{}运算的函数，这样的函数运算把一特定材料光硬化深度响应(cm)与一特定点或区域上受到的曝光总和(mJ/cm²)联系起来。通常这种函数运算是一种自然对数二阶多项式近似，其形式为：G{∑E}＝可光硬化深度＝A+Bln[E]+C(In[E])²其中A、B和C是能为此关系提供良好的数学近似的一种特定材料的系数。

Y代表在影象平面上与扫描方向正交的一个方向上有意义的任何一个位置(cm)。

Yk代表在影象平面上相对于位置Y＝0的一条扫描线的任何中心位置(cm)。

ro是在射束与可光硬化材料的影象平面的截面上该射束半径的1/e²(cm)。

v是表面上的射束光斑在影象平面中的速度(cm/秒)。

矢量扫描的矢量可以包含许多扫描线。这许多扫描线可能包括一组或多组扫描线，每一组扫描线都互相平行。在一组内两条相邻扫描线之间的距离就是两条线之间的扫描间隔，此时扫描间隔是恒定的。然而，在某些情况下，扫描间隔可能因线的不同而有很大差异。在后一种情况下，当射束在扫描任何第一条线时，代表该第一条线的扫描间隔等于第一条线与第二条线之间的距离，第二条线是指在所有其它相邻线当中在距离上最接近于第一条线、且在第一条线扫描之后扫描的那条线。

优选地，射束为了从零速度水平达到最大恒定速度而处于最大加速度时在扫描线上移动的距离大于扫描间隔的一倍，更好的是扫描间隔的5倍，更好的是扫描间隔的10倍。

调制器14最好通过第二计算机控制装置34控制，以基本上方形脉冲的方式开关射束，每个脉冲通常有基本上相同的幅度或强度和与其余脉冲相同的持续时间。当射束扫描可光硬化组合物40的表面46时，脉冲频率由计算机装置34、扫描系统16和反馈装置54安排，以便正比于射束在表面46上移动的速度。光硬化厚度＝G{∑E}＝ $G\{1/(\mathrm{\πro}^2\left)\underset{\mathrm{Yk}=0}{\overset{\mathrm{Yk}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{Xp}=0}{\overset{\mathrm{Xp}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Exp}\right[-2(Y-\mathrm{Yk})/\mathrm{ro})^2{]}^{*}$ $\underset{t}{\overset{t+w}{\∫}}\mathrm{p\; Exp}[-2((0.5\mathrm{at}^2-\mathrm{Xp})/\mathrm{ro})^2]\mathrm{dt}\}$ 其中，G{∑E}代表对曝光E总和进行G{}运算的函数，这样的函数运算把一特定材料光硬化深度响应(cm)同在一特定点或区域上受到的曝光总和(mJ/cm²)联系起来。通常，这个函数运算是一种自然对数二阶多项式近似，其形式为：G{∑E}＝可光硬化深度＝A+Bln[E]+C(ln[E])²

其中A、B和C是能为此关系式提供良好数学近似的特定材料的系数。

ro是该射束在该射束与可光硬化材料影象平面的截面上半径的1/e²(cm)。

P是射束在影象平面上的最大辐射度(mW)，该射束能提供比在受其它参数制约的情况下，不以一种受时间积分制约的方式调制时所预期的更大的聚合深度。

X和Y代表影象平面中可光硬化液体表面上的一个位置(cm，cm)。

Yk代表影象平面中相对于位置Y＝0的一条扫描线的任何一个中心位置。

Xp代表在接受一个射束脉冲的影象平面中相对于位置X＝0的一条扫描线上的任何一个初始位置(cm)。

t代表一个脉冲开始照射影象平面时的时间(秒)。

w代表一个照射脉冲在影象平面中持续的时间长度(秒)。

“a”代表在影象平面中光斑的加速度(cm/秒²)，受反光镜扫描器的角加速能力和扫描半径制约。

通过曝光控制装置对扫描层周边区域光硬化公差的控制具有特殊重要性。这些周边区域由矢量的起点和终点和/或那些得到相邻平行矢量的曝光贡献较少的矢量所组成，它们受到较少的曝光，因而Z方向上的光硬化深度较小，X方向和Y方向上的光硬化深度也较小。在如所述的立体成象方法中，物品是以多层形成的，光硬化深度偏小直接导致X、Y和Z方向上维公差的损失。但此外，Z方向上的光硬化深度损失增加了该物品各层之间脱层的可能。

这种脱层作用之所以发生，是由于Z方向上可光硬化材料的形成不足以同前一层形成一种结合。在立体成象方法中，各层之间结合的形成受到这样一种因素影响，即，所给的曝光略高于产生一个其深度等于在如图1中48所画出的预先光硬化的区域上面的液体层深度的光硬化层所必需的曝光量。这种脱层作用发生于物品的周边，而且对那些能产生薄壁部分的各层的层合作用有显著影响。

这些必须加以控制才能防止脱层的变量是影象平面上的射束功率P(mW)、曝光时间t(秒)、光斑尺寸ro(cm)、扫描间隔Y(k+1)-Yk(cm)、各脉冲之间的距离X(p+1)-Xp(cm)，以及再扫描技术。

为了防止脱层和公差损失，射束功率可以通过模拟装置来增加，例如用前述的声光调制器，以补偿那些受到邻近曝光的曝光贡献较少的区域中的净曝光损失。或者，可以通过数字控制装置，例如前述的数字式脉冲声光调制器，增加射束功率单个脉冲的时间宽度，从而增加曝光时间，以补偿那些受到相邻曝光的曝光贡献较少的区域中的净曝光损失。再扫描技术，例如在光硬化层由平行扫描线形成之前或之后扫描该层的任何一个周边，会补偿在一个物品或一层的任何一个周边上受到的较低曝光。

增加光斑尺寸，减少扫描间隔或减少脉中间隔，都将改善各层间的粘合力，因为曝光更均匀，并将获得更大的粘合面积，但为防止脱层而把这些方法应用于周边区域，可能对物品公差产生有害影响。

在本发明的优选实施方案中，在那些受到相邻曝光的曝光贡献较低的区域中的公差损失和层间粘合力损失，无论这是由于在前述的矢量起始和结束时的效位，还是由于这些扫描线没有受到来自相邻矢量扫描的曝光贡献，都通过数字式脉冲声光调制器的曝光时间宽度脉冲控制予以补偿。

尽管调制射束12的优选方法是数字式的，但以模拟方式调制或模拟方式与数字方式组合，均属于本发明的范围之内。

射束12最好包含紫外辐射。然而，它也可以包含红外辐射、可见光辐射及其与紫外辐射和其它辐射如X-射线、电子束、离子束等的组合。

最后，台41的运动可以是平移的、旋转的、无规的、或它们的组合。

用于立体成象的可光硬化组合物应当包含至少一种可光硬化单体或低聚物，和至少一种光引发剂。为了本发明的目的，单体和低聚物这些词基本上具有相同含义，它们可以互相替换使用。

可以单独使用或与其它单体组合使用的适用单体实例包括：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、丙烯酸和甲基丙烯酸的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烯化三(羟甲基)丙烷酯及美国专利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烯化-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、三丙烯酸聚氧丙烯化三(羟甲基)丙烷酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的1，4-丁二醇酯、三丙烯酸和三甲基丙烯酸的1，2，4-丁三醇酯、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-苯基-亚乙基-1，2-二甲基丙烯酸酯、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，以及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，如，链烯或者由2～15碳的亚链烷基二醇或1～10个醚键的聚亚链烷基醚二醇制备的二丙烯酸聚亚链烷基二醇酯，以及美国专利2,927,022中公开的那些化合物，如具有多个可加成聚合的烯键、尤其是以端链存在时的那些化合物。特别优选的单体是三丙烯酸聚氧乙烯化三(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、二甲基丙烯酸1，10-癸二醇酯。

可在本发明中单独使用或组合物使用的光引发剂实例详见美国专利2,760,863，包括连位酮醇，如苯偶姻、新戊偶姻；偶姻醚，如苯偶姻甲基醚和乙基醚、苯偶酰二甲基酮缩醇；α-羟基取代的芳族偶姻，包括α-甲基苯偶姻、α-烯丙基苯偶姻和α-苯基苯偶姻。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、丙烯酰氧二苯酮、2，4，5-三苯基咪唑基二聚体及授氢体，包括美国专利3,427,161、3,479,185和3,549,367中所述的无色染料及其混合物，均可用作引发剂。也可与光引发剂和光抑制剂一起使用的，有在美国专利4,162,162中公开的增敏剂。受热时不起作用但在185℃或低于185℃受到光化光线照射时能产生自由基的其它适用光引发系统包括取代或未取代的多核醌类，它们是在一个共轭碳环体系中有两个环间碳原子的化合物，如9，10-蒽醌、2-甲基蒽酯、2-乙基蒽醌、2-叔丁基蒽醌、八甲基蒽醌、1，4-萘醌、9，10-菲醌、苯并(a)蒽-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、2，3-二甲基蒽醌、2-苯基蒽醌、2，3-二苯基蒽醌、惹烯醌、7，8，9，10-四氢萘-5，12-二酮、和1，2，3，4-四氢苯并(α)蒽-7，12-二酮。光引发剂或光引发系统，以可光硬化组合物的总重量计，用量为0.05～10％(重量)。

虽然优选的光硬化机理是自由基光聚合，但在本发明范围之内，其它光硬化机理也适用。这样的其它机理包括(但不限于)阳离子聚合、阴离子聚合、缩合聚合、加成聚合等。

实例1中给出了一种优选的可光硬化组合物。实例1Novacure 3704                                          29.6(二丙烯酸双酚A二(2-羟基丙基)酯)TMPTA                                                  29.6(三丙烯酸三(羟甲基)丙烷酯)Plasthall 4141                                         14.8(CP Hall Company)Triton X-100                                           0.78(辛基酚聚醚醇)Irgacure 651                                           1.6(2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮)Core-Shell聚合物^*(RCP-1674)                           26.0^*这种Core-Shell聚合物的核(Core)为丙烯酸丁酯                                             70％二丙烯酸1，4-丁二醇酯                                  5％甲基丙烯酸烯丙酯                                       25％其壳(Shell)为100％甲基丙烯酸甲酯。

这种核-壳聚合物制备如下：

核

把2388克去离子水和37.5克30％十二烷基磺酸钠水溶液加入一个装有机械搅拌器、冷凝器、加热罩、加液漏斗、温度计和氮气入口的四颈五升烧瓶中。该烧瓶的内容物在室温通氮气吹扫30分钟，然后加热到80℃。在此温度，将1/8的由1046克丙烯酸丁酯、279克甲基丙烯酸烯丙酯和70克二丙烯酸1，4-丁二醇酯组成的单体进料一次快速加入。然后立即快速加入19毫升7％磷酸氢钠溶液和20毫升5％过硫酸铵溶液(两者均为水溶液)。停止加热，让反应混合物放热。当放热达到84℃的峰值时，用90分钟时间加入其余的单体进料，并间歇加热，以保持反应温度在80与85℃之间。单体添加完毕后，将反应混合物在80-85℃再加热2.5小时。最终产物是一种浅蓝色乳液，含35.1％固体，粒度为0.097微米。

壳

把2000克上述核乳液放置于一个五升烧瓶中，其装备类似于核合成所用的装备。该烧瓶的内容物在室温通氮气吹扫30分钟。在氮气吹扫之后，用30分钟时间，边搅拌边往烧瓶里添加一种混合物，其中有1.45克过硫酸铵、2.9克30％十二烷基磺酸钠水溶液、和332克去离子水。然后将该烧瓶的内容物加热到85℃，再用60分钟时间添加179克甲基丙烯酸甲酯。所有单体都添加完毕后，将反应混合物再加热2小时。最终产物是一种浅蓝色乳液，含36.2％固体，粒度为0.107微米。核与壳之比大体上为4.1。

这种浅蓝色乳液在冰箱中放置3天，然后将其融化、过滤、用去离子水洗涤，并在室温干燥大约3天。对于大样品，例如在小型工厂或工厂批量生产的情况下，可以使用喷雾干燥技术，采用100～150℃的热空气进行。

Claims (28)

1、一种由连续数层液体可光硬化组合物制造整体三维刚性物品的方法，包括下列步骤：

把液体可光硬化组合物放在一个容器中；

利用辐射装置产生具有某一强度的射束；

利用调制装置把该射束的强度从基本上零强度水平到最大强度进行

可控调制；

利用偏转装置以矢量扫描方式把该射束可控地偏转到各连续薄层上

的预定位置，以便引起液体可光硬化组合物的预选部分的光硬化达

到某一光硬化深度，而且也以从零水平到最大加速度的某一加速度

和从零水平到最大速度的某一速度使射束偏转；

贮存对应于刚性物品形状的图形数据；

把第二计算机控制装置同调制装置、偏转装置及第一计算机控制装

置耦联起来，用以在液体可光硬化组合物的预定部分上提供基本上

恒定的曝光量，从而在每个连续薄层内达到基本上恒定的光硬化深

度；

把该刚性物品支撑于容器内的一个可移动的、基本上平整的台上；

利用定位装置可控地移动该平台，该定位装置由第一计算机控制装

置控制；

用成层装置形成液体可光硬化组合物的各连续薄层，该成层装置也

由第一计算机控制装置控制。

2、如权利要求1所限定的方法，其特征在于，射束的最大强度引起大于由下列方程给出值的光硬化深度： $G\left\{\mathrm{\ΣE}\right\}=G\left\{\underset{\mathrm{Yk}=0}{\overset{\mathrm{Yk}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{P\; exp}\right[-2\left(\right(Y-\mathrm{Yk}/\mathrm{ro})^2)]/(\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{v\; ro}\left)\right\}$ 式中，G{∑E}是在数学上使光硬化的材料的深度符合曝光E(mJ/cm²)响应曲线的方程，Yk(cm)代表在影象平面中定位相对于Y＝0的每条扫描线的中心，Y(cm)是一个位置变量，其轴的走向垂直于扫描方向，P是曝光射束在影象平面上的辐射度(mW)，v是射束光斑在影象平面上的速度(cm/秒)，ro是与影象平面相交的高斯射束光斑半径的1/e²(cm)。

3、如权利要求2所限定的方法，其特征在于，矢量扫描包含基本上互相平行的多条扫描线，所述扫描线有一扫描间隔，其中射束为了从零速度水平达到最大恒定速度而以该射束的最大加速度在一条扫描线上移动的距离大于该扫描间隔。

4、如权利要求3所限定的方法，其特征在于，射束为了从零速度水平达到所述规定的最大恒定速度而以该射束的最大加速度在一条扫描线上移动的距离大于扫描间隔的5倍。

5、如权利要求4所限定的方法，其特征在于，射束为了从零速度水平达到所述规定的最大恒定速度而以该射束的最大加速度在一条扫描线上移动的距离大于扫描间隔的10倍。

6、如权利要求3所限定的方法，其特征在于，射束的强度被调制成规定频率的脉冲，每个脉冲都有一规定的持续时间和强度。

7、如权利要求6所限定的方法，其特征在于，这些脉冲具有基本上相等的持续时间，基本上相等的强度，且频率变化正比于所述射束速度。

8、如权利要求7所限定的方法，其特征在于，在射束加速期间，该射束的强度提供的光硬化厚度基本上等于： $G\left\{\mathrm{\ΣE}\right\}=G\{1/(\mathrm{\πro}^2\left)\underset{\mathrm{Yk}=0}{\overset{\mathrm{Yk}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{Xp}=0}{\overset{\mathrm{Xp}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Exp}\right[-2(Y-\mathrm{Yk})/\mathrm{ro})^2]*$ $*\underset{t}{\overset{t+w}{\∫}}\mathrm{P\; Exp}[-2((0.5\mathrm{at}^2-\mathrm{Xp})/\mathrm{ro})^2\mathrm{dt}\}$ 式中，G{∑E}是在数学上使光硬化的材料的深度符合曝光E(mJ/cm²)响应曲线的方程；ro是与影象平面相交的高斯射束光斑半径的1/e²(cm)；Yk(cm)代表在该影象平面中定位相对于Y＝0的每条扫描线的开始位置；XP(cm)代表在影象平面中定位相对于X＝0的每个射束脉冲的中心位置；X(cm)是一个位置变量，其轴的走向平行于扫描方向；Y(cm)是一个位置变量，其轴的走向垂直于扫描方向；t(秒)是相对于任意时间t＝0，在影象平面中单个射束脉冲开始的时间；w(秒)是每个脉冲的时间宽度；P是每个脉冲的曝光射束在影象平面上的辐射度(mW)；“a”是射束光斑在影象平面中的加速度(cm/秒²)。

9、如权利要求2所限定的方法，其特征在于，射束强度是用模拟方式调制的。

10、如权利要求2所限定的方法，其特征在于，射束包含红外辐射。

11、如权利要求2所限定的方法，其特征在于，射束包含可见辐射。

12、如权利要求2所限定的方法，其特征在于，射束包含紫外辐射。

13、一种用于由液体可光硬化组合物的连续薄层精确制造整体三维刚性物品的设备，包括：

用于盛放液体可光硬化组合物的容器；

用于提供有一定强度射束的辐射装置；

用于把射束的强度从基本上零强度水平到最大射束强度由行调制的调制装置；

偏转装置，用于把矢量扫描方式的射束可控地偏转到各连续薄层上的预定位置，以便引起该液体可光硬化组合物预选部分的光硬化达到某一光硬化深度，该偏转装置也以从零水平到最大加速度的某一加速度和从零水平到最大恒定速度的某一速度使射束偏转；

第一计算机控制装置，用于贮存对应于刚性物品形状的图形数据；

第二计算机控制装置，它与调制装置、偏转装置及第一计算机控制装置耦联，用于在液体可光硬化组合物的预定部分提供基本上恒定的曝光量，以便在每个连续薄层内达到基本恒定的光硬化深度；

一个基本上平整的可移动台，在容器内用于支撑刚性物品；

定位装置，由第一计算机控制装置控制，用于对可移动台提供一种运动，以便精确地控制可移动台在容器内的定位；

成层装置，位于可移动台上方，该成层装置也由第一计算机控制装置控制，用于形成液体可光硬化组合物的各连续薄层。

14、如权利要求13所限定的设备，其特征在于，射束的最大强度提供的光硬化深度大于： $G\left\{\mathrm{\ΣE}\right\}=G\left\{\underset{\mathrm{Yk}=0}{\overset{\mathrm{Yk}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{P\; exp}\right\{-2\left(\right(Y-\mathrm{Yk}/\mathrm{ro})^2)]/(\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{v\; ro}\left)\right\}$ 式中，G{∑E}是在数学上使光硬化的材料的深度符合曝光E(mJ/cm²)响应曲线的方程，Yk(cm)代表在影象平面上定位相对于Y＝0的每条扫描线的中心，Y(cm)是位置变量，其轴的走向垂直于扫描方向，P是曝光射束在影象平面上的辐射度(mW)，v是射束光斑在影象平面上的速度(cm/秒)，而ro是与影象平面相交的高斯射束光斑半径的1/e²(cm)。

15、如权利要求13或14所限定的设备，其特征在于，矢量扫描包含基本上互相平行的多条扫描线，这些线有一扫描间隔，其中，射束为了从零速度水平达到最大恒定速度而以该射束的最大加速度在一扫描线上移动的距离大于扫描间隔。

16、如权利要求15所限定的设备，其特征在于，射束为了从零速度水平达到最大恒定速度而以该射束的最大加速度在一扫描线上移动的距离大于扫描间隔的5倍。

17、如权利要求16所限定的设备，其特征在于，射束为了从零速度水平达到最大恒定速度而以该射束的最大加速度在一扫描线上移动的距离大于扫描间隔的10倍。

18、如权利要求15所限定的设备，其特征在于，射束的强度被调制成某一频率的脉冲，每个脉冲都有一持续时间和强度。

19、如权利要求18所限定的设备，其特征在于，这些脉冲具有基本上相等的持续时间、基本上相等的强度、及不同的频率。

20、如权利要求19所限定的设备，其特征在于，在射束加速期间该射束的强度所提供的光硬化厚度基本上等于： $G\left\{\mathrm{\ΣE}\right\}=G\{1/(\mathrm{\πro}^2\left)\underset{\mathrm{Yk}=0}{\overset{\mathrm{Yk}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{Xp}=0}{\overset{\mathrm{Xp}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Exp}\right[-2(Y-\mathrm{Yk})/\mathrm{ro})^2]*$ $*\underset{t}{\overset{t+w}{\∫}}\mathrm{P\; Exp}[-2((0.5\mathrm{at}^2-\mathrm{Xp})/\mathrm{ro})^2\mathrm{dt}\}$ 式中，G{∑E}是在数学上使光硬化的材料的深度符合曝光E(mJ/cm²)响应曲线的方程；ro是与影象平面相交的高斯射束光斑半径的1/e²(cm)；Yk(cm)代表在影象平面中定位相对于Y＝0的每条扫描线的中心；XP(cm)代表在影象平面中定位相对于X＝0的每个射束脉冲的起点；X(cm)是一位置变量，其轴的走向平行于扫描方向；Y(cm)是一位置变量，其轴的走向垂直于扫描方向；t(秒)是相对于任意时间t＝0，单个射束脉冲在影象平面中开始的时间；w(秒)是每个脉冲的时间宽度；P是每个脉冲的曝光射束在影象平面上的辐射度(mw)；“a”是射束光斑在影象平面中的加速度(cm/秒²)。

21、如权利要求14所限定的设备，其特征在于，射束的强度以模拟方式调制。

22、如权利要求14所限定的设备，其特征在于，射束包含红外辐射。

23、如权利要求14所限定的设备，其特征在于，射束包含可见辐射。

24、如权利要求14所限定的设备，其特征在于，射束包含紫外辐射。

25、如权利要求20所限定的设备，其特征在于，这些扫描线都有一个起点和一个终点，其中在这些扫描线的起点和终点处，在一段等于光斑半径1/e²两倍的距离内，射束脉冲的持续时间大于其余脉冲的持续时间。

26、如权利要求20所限定的设备，其特征在于，从一层的任何一个边缘算起，在一段等于光斑半径1/e²两倍的距离内的扫描线具有比其余脉冲持续时间更长的射束脉冲。

27、如权利要求20所限定的设备，其特征在于，除了某一层的平行线扫描外，还对该层的任何边缘进行扫描。

28、如权利要求15所限定的设备，其特征在于，射束辐射度由调制装置以模拟方式控制，以便在该影象平面中所形成的一层的任何边缘的光斑半径1/e² 2倍范围内，提供比一层的其余部分更大的曝光。

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