CN118003625A - 用于超高吞吐量增材制造的系统、方法及材料 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及用于超高吞吐量增材制造的系统、方法及材料。一种用于从流体介质产生三维物体的系统包含图像处理单元。所述流体介质经配置以在受到规定的光刺激时凝固。每一图像处理单元包含经配置以发射光的至少一个光发射源，及经配置以反射由所述光发射源发射的所述光的至少一个反射镜系统。所述反射镜系统包含用于调整所述经发射光的方向的操纵系统、用于控制所述操纵系统的控制系统、以及经配置以操纵所述经发射光并将所述经发射光投影到所述流体介质的表面的区上以在所述表面上形成图像的至少一个光学元件。所述图像处理单元经配置以在所述表面上形成对应的图像，且经配置以至少在相对于所述表面的横向方向上可移动。
Description
分案申请的相关信息
本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2020年1月24日、申请号为202080017398.3、发明名称为“用于超高吞吐量增材制造的系统、方法及材料”的发明专利申请案。
相关申请案的交叉引用
本申请案要求2019年1月24日申请的第62/796,545号美国临时申请案的利益，其全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于超高吞吐量增材制造的系统、方法及材料。
背景技术
近20年来，基于激光的立体光刻(SLA)及数字光处理(DLP)3D打印工艺一直是用于增材制造的首选方法。SLA及DLP打印机两者通过选择性地将光活性液体树脂曝光到光源而逐层地将所述树脂转化为固体部分。这两种工艺在树脂曝光到光的方式上有所不同。SLA使用激光束绘制每一层。另一方面，DLP打印机使用数字投影屏幕一次闪现每一层的平面图像。每一层的图像由正方形像素构成，从而产生由被称为体素的小矩形块形成的层。这些现有3D打印技术已成功地用于原型开发应用。然而，各种限制阻止了它们用于大批量制造应用。
SLA打印维持良好的分辨率及表面光洁度，即使随着构建体积增加也是如此。然而，制造时间会随着构建体积的增大而变得非常长，这是因为每一层必须被绘制出。为了提高制造速度，已调整SLA树脂以优化其打印速度，但这导致了不良的材料特性。SLA打印材料通常是脆弱且易碎的。因此，由于慢的打印时间及差的材料性质，SLA系统被降级为打印原型而不是生产零件。
DLP打印可实现较快的打印时间，这是因为整个树脂层可曝光到经投影光，但在打印大小、分辨率及表面光洁度方面存在权衡。为了使用DLP打印较大大小的零件，需要增大来自投影仪的图像大小，这可使用放大光学器件来实现。然而，因为当前可用的DLP打印系统通常利用具有固定数目个像素的单芯片投影仪，所以增大图像大小会增大像素大小，从而导致较粗糙的分辨率打印。因此，DLP系统通常被局限到小于11英寸乘7英寸的有效制造面积。针对较大的制造面积使用传统的DLP系统会产生约200微米(μm)的特征大小。虽然芯片技术的改进增加了经投影图像中的像素的数目，但改进还不足以满足制造需要。人们也在另外努力通过将多个图像拼接在一起来增大制造面积，但DLP芯片的制造方式的本质及所涉及的公差使图像拼接几乎不可能。
发明内容
与所公开的实施例一致，提供一种用于从流体介质产生三维物体的系统，所述流体介质经配置以在受到规定的光刺激时凝固。所述系统可包含多个图像处理单元。每一图像处理单元可包含：至少一个光发射源，其经配置以发射光；至少一个反射镜系统，其用于反射由所述至少一个光发射源发射的光，其中所述至少一个反射镜系统包括用于调整所述经发射光的方向的操纵系统及用于控制所述操纵系统的控制系统；以及至少一个光学元件，其经配置以操纵所述经发射光并将所述经发射光投影到所述流体介质的表面的区上以在所述表面上形成图像。所述图像处理单元可经配置以在所述表面上形成对应的多个图像，且可经配置以至少在相对于所述表面的横向方向上可移动。
前述一般描述及以下详细描述仅是示范性及阐释性的，且不限制权利要求书。
附图说明
附图未必按比例或详尽的。代替地，通常重点说明本文所描述的实施例的原理。并入本说明书并构成本说明书一部分的这些附图说明与本公开一致的若干实施例，并与详细描述一起用于阐释本公开的原理。在附图中：
图1A是与所公开的实施例一致的用于三维打印的扫描及投影系统的实例。
图1B及1C展示与所公开的实施例一致的用于三维打印的扫描及投影系统的其它实例。
图1D展示与所公开的实施例一致的示范性扫描台。
图1E提供与所公开的实施例一致的扫描台的另一实例。
图1F展示与所公开的实施例一致的图像处理单元的实例。
图1G展示与所公开的实施例一致的可用于将区域曝光到辐射的光学元件及光源。
图1H及1I展示与所公开的实施例一致的由图像处理单元投影的图像的实例强度分布。
图1J展示与所公开的实施例一致的由图像处理单元投影的图像形状的实例。
图1K展示与所公开的实施例一致的反射镜系统的实例。
图2A展示与所公开的实施例一致的安装在扫描台上的多个图像处理单元。
图2B展示与所公开的实施例一致的多个图像处理单元及所得的经投影图像。
图2C展示与所公开的实施例一致的当图像处理单元移动时经投影图像的重叠的实例。
图3A展示与所公开的实施例一致的需要辐照的区上的实例图像。
图3B展示与所公开的实施例一致的相对于三维物体的横截平面的位置。
图3C展示与所公开的实施例一致的具有由较大剂量表征的暗区域的设计区上的光能剂量分布的实例。
图4展示与所公开的实施例一致的用于接收辐照的实例域及接近所述域的边界的实例曝光区域。
图5表示与所公开的实施例一致的将区域曝光到辐射的实例过程。
图6A表示与所公开的实施例一致的旋转反射镜以产生与需要辐照的区的边界对准的图像的实例过程。
图6B表示与所公开的实施例一致的用不同波长的光的时变强度辐照表面的贴片的实例过程。
图7展示与所公开的实施例一致的将三维几何体分割为不同复杂度的部分的实例。
图8A及8B表示与所公开的实施例一致的用于辐照树脂的体素的实例过程。
图9表示与所公开的实施例一致的用于选择或优化用于三维打印的参数的实例过程。
图10表示与所公开的实施例一致的使用多个三维系统来制造大三维物体的实例过程。
图11展示与所公开的实施例一致的用于打印三维物体的多种树脂的使用。
图12展示与所公开的实施例一致的实例阶跃函数及实例强度分布。
具体实施方式
描述了一种增材制造系统、方法及材料。所述系统能够进行大批量制造，并能够以快速的制造速度生产高分辨率的部件，而无需在大小及速度上进行某些折衷。
现在将详细参考图1到11中所展示的示范性实施例。除非另外界定，否则技术及/或科学术语具有所属领域的一般技术人员通常理解的含义。对所公开的实施例进行足够详细的描述，以使所属领域技术人员能够实践所公开的实施例。应理解，可利用其它实施例，且可在不脱离所公开的实施例的范围的情况下进行改变。因此，所述材料、方法及实例仅是说明性的，并不旨在必要的限制。
图1A说明用于从在受到规定的光模拟时能够凝固的流体介质产生三维物体的系统101的实例实施例。系统101可结合立体光刻(SLA)与数字光处理(DLP)三维(3D)打印的优点。系统101合并与高级扫描台、构建台以及流体处置及重涂器系统组合的图像处理单元(IPU)的阵列集合，以产生基于聚合物的3D打印物体。
如图1A中所展示，系统101包含定位在缸112内的构建台118。缸112经配置以含有流体介质(例如，光固化树脂)。光固化树脂(也被称为可聚合液体)可包含当曝光到规定的光时凝固的任何合适的可流动树脂。例如，光固化树脂可包含巯基丙烯酸酯光聚合树脂。在一些情况下，树脂可包括至少一个双官能团单体、至少一个单官能团单体及硫醇。双官能单体可包括聚(乙二醇)二丙烯酸酯、CN9782、CN9167、CN9004、双丙烯酰胺、三环[5.2.1.0.2,6]癸二甲醇二丙烯酸酯中的至少一者。单官能单体可包含丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸羟丙酯、环三羟甲基丙烷正式丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、丙烯酸丁酯、N,N-二甲基丙烯酰胺或甲基丙烯酸2-羟乙基酯中的至少一者。树脂可进一步包含三官能单体，例如三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。硫醇可包含至少一个仲硫醇，例如季戊四醇四(3-巯基丁酸酯)；1,4-双(3-巯基丁氧基)丁烷；1,3,5-三(3-甲基巯基丁氧乙基)-1,3,5-三嗪。树脂还可包含聚(乙二醇)、聚丁二烯、聚二甲基硅氧烷-丙烯酸酯共聚物、聚(苯乙烯-马来酸酐共聚物)中的至少一者。
树脂可包含密封的异氰酸酯光聚合树脂。例如，树脂可包括封闭的异氰酸酯及多功能亲核剂，或封闭的异氰酸酯及一或多个单体的混合物。封闭剂包含例如二聚体异氰酸酯、三聚体异氰酸酯、醇衍生物、受阻胺、己内酰胺、酚类、肟类、吡唑丙二酸盐。异氰酸酯包含例如HDI、IDI、MDI、HMDI或TDI。封闭的异氰酸酯包含例如脲酮、缩二脲、别羟苯甲酸酯或异氰酸酯。
树脂任选地可包括引发剂、抑制剂、染料或填料中的至少一者。引发剂可包含苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、双酰基氧化膦、二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、2,2'-二甲氧基-2-苯乙酮中的至少一者。抑制剂可包含对苯二酚、2-甲氧基对苯二酚、丁基羟基甲苯、二烯丙基硫脲、二烯丙基双酚A中的至少一者。染料可包含2,5-双(5-叔丁基-苯并恶唑-2-基)噻吩、炭黑、分散红1中的至少一者。填料可包含二氧化钛、二氧化硅、碳酸钙、粘土、铝硅酸盐、结晶分子、结晶或半结晶低聚物、分子量介于约1000Da与约20000Da之间的聚合物中的至少一者。在室温或更高温度下，树脂可具有小于约1000厘泊、小于约750厘泊、小于约500厘泊、小于约250厘泊或小于约100厘泊的粘度。替代地，树脂可具有在0℃与80℃之间的一或多个温度下测量的小于约100厘泊、500厘泊或1000厘泊的粘度。
图1A还展示安装在扫描台114上的多个图像处理单元(IPU)119，扫描台114定位在构建台118上。来自IPU 119的个别IPU被称为IPU 113，如图1A中所展示。IPU 113可包含一或多个DLP芯片。DLP芯片可包含各种光学组件(例如，透镜、反射镜、棱镜等)以及光发射源。IPU 113可经设计为独立单元，且多个IPU 113可经组合以实现系统的可伸缩性并向系统提供冗余水平，所述冗余水平可最大化正常运行时间并实现工具的受控维护。如图1A中所展示，通过排列IPU 119，系统101可控制用于将3D物体的横截面的图像投影到树脂的表面上所需的放大率的量。放大率的控制可用于改进正在打印的3D物体的分辨率及表面质量。分辨率中的改进还可实现新的能力，例如打印微桁架或晶格结构。这些能力可实现用于新产品的下一代结构支持，并允许这些产品的重量减轻及用于有针对性的能量阻尼(例如，在运动鞋等服装中)性质。系统101可在例如服装、汽车及航空航天等市场中以减少的成本实现3D打印。
在各种实施例中，IPU 113可包含光源，其光辐照到设计区(流体介质的表面上需要光曝光的区)上。在各种实施例中，光源可包含深紫外(UV)发光二极管(LED)、UV LED、近UV LED、蓝色LED、具有波长滤波器的氙灯及/或类似者。实例LED可经配置以发射210到500纳米(nm)波长范围内的光。在一些情况下，LED可发射355nm、370nm、380nm、385nm、390nm、400nm、405nm及其类似者处的光。在接受足够剂量的辐射(此处界定为光能剂量或阈值剂量)后，具有规定厚度的膜或树脂(也被称为树脂的层)凝固(固化)。经凝固膜的厚度取决于辐照的波长、辐照的强度及持续时间、树脂的类型以及树脂中是否存在光吸收添加剂。这些参数可在三维物体的打印期间被控制。在一些实施例中，这些参数可依据时间而变化，且在一些情况下，这些参数可相对于流体介质的表面横向地变化。
IPU 113的实例DLP芯片在图1K中展示，并可包含用于反射经发射光的多个反射镜系统(例如，198A及198B)。实例反射镜系统可包含操纵系统，用于调整经发射光的方向。反射镜系统还可包含用于控制操纵系统的控制系统。在实例实施例中，操纵系统可包含数字微反射镜装置或任何合适的微光机电(MOEM)元件，其经设计以通过旋转反射镜系统的实例反射镜来调整经发射光的方向(例如，改变绘制到反射镜的表面的法向向量的方向)。这些改变可表征为反射镜的俯仰及横摇移动。另外，反射镜可绕与反射镜表面的法向向量平行的轴旋转(反射镜的偏航移动)。操纵系统可与用于数字光处理的微机电反射镜系统类似。在实例实施例中，MOEM元件可包含轭199，如图1K中所展示，轭199通过顺应式扭转铰链连接到两个支撑柱。轭可实现反射镜旋转及/或朝向光源(打开)或远离光源(关闭)倾斜。安装在MOEM元件上的反射镜可以规定的频率(例如，每秒5000次)旋转/倾斜，以创建所期望的光输出强度。控制系统可包含处理器及到操纵系统的MOEM元件的多个电连接。电连接可经由静电吸引来控制轭的位置。
在各种实施例中，可使用合适的一或多个光学元件(例如，元件171、173及175，如图1F中所展示)将由反射镜发射的光进一步引导到表面的区上。光学元件可包含透镜、棱镜、波导、衍射光栅、各种形状及大小的孔口、渐变折射率透镜、反射镜、抛物面反射器(例如，反射器178，如图1F中所展示)、全内反射透镜、可移动透镜、形状变形透镜、含有流体的光学元件、波长滤波器、波长选择性吸收器及其类似者。在实例实施例中，选定孔口形状可为任何合适的几何形状(例如，矩形、椭圆、圆、三角形及其类似者)。光学元件可经配置以在表面的区上聚焦或扩散光，从而产生区的期望辐照。经照明区(也被称为图像或光的贴片)。
在实例实施例中，来自至少一个IPU的经照明区可经配置以与至少另一IPU的图像重叠。可通过操纵图像处理单元的反射镜(以及光学元件)来调整重叠区。在一些情况下，来自多个图像处理单元的若干图像可经配置以重叠。此外，或替代地，来自相同IPU的不同反射镜的图像可重叠。例如，如果IPU的几个反射镜失效，那么可使用相同IPU的其它反射镜照明给定区。例如，如果反射镜中的一者失效，那么系统101可经配置以使用其它反射镜来适当地覆盖需要照明的区。在实例实施例中，系统101可经配置以在DLP的1％的反射镜失效时、在百分之几的反射镜失效时、在5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％的反射镜失效时或者在更多的反射镜失效时起作用。
来自不同IPU的图像的重叠可提供用于系统101的冗余。例如，如果IPU中的一些失效，那么系统101可经配置以使用其它IPU来适当地覆盖需要照明的区。在实例实施例中，系统101可经配置以在1％的IPU失效、百分之几的IPU失效、5％的IPU失效、10％的IPU失效、15％的IPU失效或更多的IPU失效时起作用。在一些情况下，通过增加3D打印所需的时间，系统101可在IPU发生重大失效的情况下操作。例如，如果百分之五十的IPU失效，那么系统101可能需要将表面曝光到照明光所需的时间加倍。替代地，系统101可经配置以调整用于IPU的光的亮度、波长或任何其它合适的照明参数(例如，在表面上的光的分布、光的聚焦及其类似者)，以考虑失效的IPU。
图1A展示经配置以相对于构建台118移动的扫描台114。例如，可使用马达(例如，线性马达)移动扫描台114。在各种实施例中，扫描台114可经配置以具有高定位准确度。例如，扫描台114可具有误差小于几个微米的从通道到通道的定位准确度。定位准确度可使用精密马达实现。此类定位准确度可提供从通道到通道所需的定位对准。扫描台114可经配置以在保持定位准确度的同时以任何合适的速率移动。例如，台114可经配置以每秒一微米到每秒一米的速率移动。台114的运动速率可取决于要打印的3D物体的属性(例如，运动速率可取决于3D物体的复杂度)。
在各种实施例中，3D打印的速度可不受曝光区的大小限制，因为可基于要打印的部件的大小扩展在曝光区上排列的IPU的数目。这允许系统101具有可伸缩性及模块化。例如，当要打印大的部件时，可通过合并更多IPU 119来放大扫描台114。用于控制3D打印的各种参数包含扫描台114的速度、辐射的强度、辐射波长以及所使用的IPU的数目及类型。
系统101可经配置以用于双向扫描。系统101可包含位于个别IPU内的DLP芯片阵列组，IPU 119被移动以扫描聚合物表面。当系统101的扫描台114移动时，可从阵列IPU的113投影图像。因为DLP芯片能够以高速率(23kHz二进制/1.7kHz 8位灰度)传输图像，且因为系统101具有多个IPU，所以系统101可能够以每层1与10秒之间的速度曝光每层。
图1A还展示，系统101可包含计算机系统105，所述计算机系统105用于控制3D打印的各个方面，例如扫描台114的位置、各种IPU 119的反射镜及透镜的定向、扫描台114的速度、构建台118的竖直位置及其类似者。计算机系统105可包含一或多个处理器107、用于存储指令110的存储器109及用于输入/接收用于系统105的各种参数及指令的接口108。在各种实施例中，计算机系统105可具有用于存储与3D打印工艺相关的任何合适的信息的数据库111。例如，数据库111可存储表示3D物体的几何体的计算机辅助设计(CAD)文件。
图1B展示系统101的实例实施例，扫描台114经配置以沿轨135横向(例如，在x方向上)移动。扫描台114可使用轮子、轴承或任何其它合适的构件(例如，使用磁悬浮)连接到轨135，并可使用马达(例如，电线性马达等)沿轨135引导。轨135可经配置为静止或横向移动(例如，在y方向上)。例如，图1C展示附接到轨134并经配置以沿轨134在y方向上滑动的轨135。在各种实施例中，扫描台114可在相对于表面的横向方向上可移动达至少预定横向距离步长。在一些情况下，预定步长可为几微米、几毫米、几厘米及其类似者。在一些情况下，横向距离步长与由IPU 119投影的图像的平均大小的比率可为无理数或任何合适的预定值(例如，0.1、0.2、0.5、1、5、10、20及其类似者)。可使用例如图像面积的平方根、图像的边界的长度、图像的最大尺寸及其类似的任何适当的度量来确定图像的大小。
图1B展示具有IPU 113单元的扫描台114，扫描台114连接到经配置以向表114的各种组件提供电力及/或数据的脐带121(例如，一或多条电线)。在各种情况下，电线121经配置为可移动且可弯曲以允许台114的运动。脐带121只是将功率及数据传输到表114的一种可能方式，且可使用任何其它合适的方式(例如，导电轨、磁感应、无线传输及其类似者)。扫描台114可包含透镜组合件129，如图1B中所展示，透镜组合件129经定位以将光聚焦到需要固化的树脂的表面上。图1B展示可由通过实例透镜组合件129的来自IPU 113的光辐照的实例区域131。在各种实施例中，透镜组件129可包含多个透镜(例如，凸透镜、凹透镜、具有梯度折射率的透镜及其类似者)。透镜组合件129可经配置以允许组合件129内的透镜的相对运动，从而在经辐照区上控制光强度(例如，透镜的运动可允许在经辐照区的区域内聚焦光或在经辐照区上扩散光)。扫描台114可经配置以安装IPU以供树脂层的区域的辐照。在3D打印工艺的开始处，树脂层可沉积在构建台118上，如图1B中所展示，且在3D打印工艺期间，树脂层可沉积在3D物体的顶部(所述顶部是3D物体的横截面区)，3D物体驻留在构建台118上。在各种实施例中，可使用任何合适的方法沉积树脂。例如，当将表118浸入含有树脂的缸中一定量时，可允许树脂流过表118及3D物体的顶表面。台118浸入缸中处的深度可确定树脂的层的厚度。当正在构建3D物体时，构建台118经配置以向下移动(如图1B中所展示，沿-z方向)，使得3D模型的最顶部与扫描台114之间的距离保持恒定。在实例实施例中，构建台118可使用轨125向下移动，如图1B中所展示，且马达123经配置以允许表118沿着轨125移动。在实例实施例中，马达123可为任何合适的马达(例如，电动马达)。马达123可包含多个传动齿轮以允许构建台118的精确运动。
系统101还可包含重涂器装置。重涂器装置用于确保树脂层的表面在曝光到光之前是平坦的。不均匀的树脂表面可导致由增材制造方法产生的3D物体或涂层的减少的几何保真度。重涂器装置可用于用树脂的层重涂3D模型的最顶部横截面区。实例重涂器115A及115B如图1A中展示，且重涂器137在图1B及1C中展示。重涂器137可包含经配置以在3D模型的最顶部横截面区上提供具有受控厚度的树脂的层的叶片。在某些情况下，重涂器137可包含多于一个叶片。重涂器137的叶片可经配置以相对于构建台在竖直及横向方向上移动。例如，在将树脂沉积在构建台上之后，叶片可向下移动以与树脂层的表面接合。叶片的表面可具有多个刷毛。如图1B中所展示，如区域139所指示，刷毛的末端可具有三角形横截面。在一些情况下，叶片的表面可能具有微针。在各种实施例中，叶片经配置成以流体介质凝固之前移除流体介质，以便使液体树脂平滑。
在实例实施例中，可首先用树脂的层涂覆3D物体(例如，可将3D物体浸入含有树脂的缸中，然后升高到与要曝光的层厚度相对应的树脂的表面正下方的点)。随后，可使用重涂器137使在3D模型上形成的树脂的层平滑及/或减薄。例如，重涂器137可在3D物体上方的树脂的表面上水平移动，使得重涂器137的下边缘可从顶表面移除多余的树脂，从而可使树脂层的上表面平滑并提供树脂层的选定厚度。例如，可通过控制重涂器137与3D物体的上表面之间的距离来控制树脂层的厚度。3D物体的上表面与重涂边缘137之间的距离可使用任何合适的构件(例如，使用测微计、使用相机及/或激光器的三角测量技术及其类似者)来确定。重涂器137可以期望的合适的速度移动，并可完成一或多个通道以提供平滑树脂的层。此外，或替代地，重涂器137可在移动扫描台之前横向移动。在实例实施例中，可以期望的合适的速度完成重涂器137的每一通道(其一个通道与另一通道不同)。针对重涂器137的实例速度可在从约一毫米到几十厘米每秒的范围内变化。
在一些情况下，重涂器137可在3D物体的表面上经过几次以使树脂的层平滑。在实例实施例中，可以第一速度进行重涂器137的第一遍，且可以比第一速度快(或慢)的第二速度进行重涂器137的第二遍。在一些情况下，第二速度可比第一速度快10％、20％、50％、100％、200％、1000％及其类似者。在一些实施例中，重涂器137的第一遍可位于3D物体表面上方的第一距离处，且重涂器137的第二次可位于3D物体表面上方的第二距离处。例如，第二距离可小于第一距离(例如，第二距离可为第一距离的99％、95％、90％、80％及其类似者)。在一些情况下，重涂器137可包含两个通道之间的延迟。例如，第一与第二重涂通道之间的延迟可允许树脂表面中的变化在第二重涂通道之前变得平滑。延迟时间可与树脂的粘度特性及树脂的其它参数(例如，树脂的表面张力、树脂的密度及其类似者)成比例。在一些情况下，重涂器137可对树脂的层的表面施加压力。此外，或替代地，重涂器137可包含用于在树脂的层上诱导振动的机构，以促进树脂的层的平滑。在各种情况下，在重涂器137使树脂层平滑之后，所述层可由IPU 119照明，如图1A中所展示。
图1D展示具有形成IPU的阵列的IPU 113A到113F的扫描台114的实例实施例。扫描台114可经配置以沿图1D中的箭头所指示的x及y方向进行扫描。实例IPU(例如，IPU 113A)可具有一或多个电端口(例如，端口141)以及用于连接用于冷却IPU 113A的冷却液的端口。例如，端口143A可用于使冷却液流入IPU 113A，且端口143B可用于使冷却液流出IPU 113A。在实例实施例中，IPU 113A可包含与冷却液接触的散热器，以用于从IPU 113A提取热量。
如图1D中所展示，透镜组合件129A到129E可与相应的IPU 113A到113F相关联。透镜组合件129A到129E可包含上面所描述的多个透镜，并可将由IPU发射的光聚焦在树脂的表面的选定区上。例如，如图1D中所展示，IPU 113E的透镜组合件129E聚焦光以投影图像150，图像150可为任何合适的形状(正方形、圆形、平行四边形、三角形、加号形状、菱形及其类似者)。在实例实施例中，如图1D中所展示，形状可包含平行四边形图像150，其可经定向使得平行四边形的侧相对于横向x或y.形成角。例如，平行四边形图像150的侧151与方向x形成角143，如图1D中所展示。角143可为任何合适的角，且可经配置以允许与由其它IPU投影的其它图像重叠。在实例实施例中，角143可为无理数。
图1E是具有IPU 163A及163B的阵列的扫描台114的另一视图。虽然图1E展示两行IPU 163A及163B；但可使用多于(或少于)两行的IPU。此外，或替代地，IPU可如下文进一步讨论的那样以任何合适的方式分布。图1E还展示可用于将扫描台114连接到轨135的元件161，如图1B中所展示。
图1F示意性地展示用于投影光的贴片(例如，图像150)的实例IPU 170的各种组件。如上面所描述的，实例IPU可具有各种反射镜及/或光学组件，以产生具有不同形状及大小的图像150，如图1F中所展示。IPU 170可包含光发射源178(例如，一或多个发光二极管)及反射器172，反射器172用于将光从源178引导到一或多个光学元件(例如，元件171及173)。反射器172可包含抛物面反射器、曲面镜、平面镜、棱镜及其类似者。光学元件171可包含曲面镜，且光学元件173可包含凸透镜或凹透镜。反射器172及光学元件171及173可将来自点光源的光转换为光束176。光束176可投影到实例DLP芯片174上，所述实例DLP芯片174可将光束176的至少一部分光重定向到聚焦光学器件175上。聚焦光学器件175可包含一或多个透镜或反射镜。在各种实施例中，如上面所描述的，DLP芯片174可包含用于控制由DLP芯片174反射的光177的反射镜。例如，DLP芯片174可使用DLP芯片174的多个反射镜来控制光177的空间强度分布。在光177通过聚焦光学器件175之后，光束179可从IPU 170发射并投影到表面180上，所述表面180可为树脂的表面。虽然图1F中展示一个DLP芯片174，但IPU170可包含多个DLP芯片(每一芯片含有数百万个反射镜)。DLP芯片的反射镜可将光聚焦在几平方微米、几十平方微米及几百平方微米的面积。此外，IPU 170可包含不同波长的光源。例如，图1G展示两个点光源，例如具有相应波长λ1及λ2的光源178A及178B(例如LED源)。来自这些光源的光可从对应的反射器172A及172B反射，并在通过凹透镜173向DLP芯片174传输之前撞击到曲面镜元件171上。
图1H及1I展示由光191及192生成的图像193及194的光强度的说明性图。图像193可具有尖锐边界195，且图像194可具有扩散边界196。在实例实施例中，边界的锐度可由距离B(光的强度从最小值变化到实质上最大值的距离)与距离S(表征图像194的大小的距离)的比率来表征。例如，如果B/S的比率＝0.1，那么图像194可具有尖锐的边界，且如果B/S的比率＝0.5，那么图像195可具有平滑边界。B/S的比率只是一个标准，且可使用任何其它合适的标准。
在实例实施例中，图像194(如图1I中所展示)可具有由线181、曲线182或曲线183指示的边界。边界内的图像的区域(例如，区域184)经界定为图像的内部区域。图像边界可为连续的闭合曲线(例如，任何环路，例如图像197A到197C的边界，如图1J中所展示)，其可以将树脂的表面划分为具有高于阈值的经发射光的强度的内部区域(例如，区域184，如图1I中所展示)及具有低于阈值的经发射光强度的外部区域，其中阈值可为任何合适的值(例如，可为经发射光的强度182的最大值的五、十、二十及类似百分比)。如图1I中所展示，图像194可具有由曲线182界定的第一边界及由曲线183界定的第二边界。
在实例实施例中，边界区域(例如，区域195及196)可经界定为强度从较小值增加到较大值的区域。例如，边界区域可经界定为最大强度与最小强度之间的差为百分之五、百分之十、百分之十五、百分之二十、百分之三十、百分之四十、百分之五十、百分之六十、百分之七十、百分之八十、百分之九十、百分之一百及图像中的辐射的最大强度的类似者的区域。图像可不含有孔(例如，辐射的强度在图像内不能降低到足够小的值以指示图像内存在内部边界区域，其中边界区域可如上面所界定)。在一些情况下，图像内的辐射的强度可能比图像边界外的辐射的强度高0.01到1000倍。
图1J展示可由IPU投影到树脂的表面上的各种图像。例如，图像197A基本上是平行四边形(例如，图像197A的侧在可接受的误差范围内彼此平行)，图像197B基本上是椭圆，且图像197D基本上是三角形。在各种实施例中，在任何合适的度量中，图像与对应的精确几何形状的偏差可为百分之一到百分之几十。
图1J展示具有与图像187A的最大尺寸对应的大小的向量186A的基本矩形图像187A，以及具有与图像187B的最大尺寸对应的大小的向量186B的基本矩形图像187B。在实例实施例中，如果向量187A基本上与向量187B平行，那么图像187A可经界定为基本上与图像187B平行。在一些情况下，如果向量187A被定位在与向量187B的角处，那么图像187A可经界定为在与图像187B的角处。在一些情况下，图像187A与图像187B之间的角可为几度、几十度及其类似者。图1J还展示图像187A及图像187B可具有相应的最小尺寸188A及188B。
图2A展示多个IPU 119的实例实施例。IPU 119可形成阵列210，IPU 119经布置以形成网格。例如，图2A展示经布置以形成四乘十一网格的IPU。如所说明的，IPU以与扫描方向的轴偏移的角(角143，如图2A中所展示)安装在扫描台114上。IPU偏移的角143可由曝光区的大小、扫描方向上的IPU的数目及期望的重叠来确定，以实现期望的图像保真度。角可为理性的，也可为非理性的。在实例实施例中，角可为几度或几十度(例如，角143可为13度、13.28度或具有任何其它合适的值)。
用于增材制造的系统可经配置为模块化且灵活的。个别IPU可为独立单元。当IPU损坏或需要维护时，可能只需要更换或维修特定的IPU。此类模块化设计可增加正常运行时间，并实现系统101的更受控的维护。多个IPU的使用可减少所需的放大率的量，从而改进打印部件的分辨率及表面质量。改进的分辨率可实现更复杂的3D物体的产生，其可包含微桁架或晶格结构。这些能力实现服装、汽车及航空航天工业的产品生产。图2A展示扫描台114可经配置以具有与3D物体的宽度相对应的宽度211(y方向)，并如箭头212所指示在x方向上扫描。
图2B指示在树脂的表面上产生光强度辐照图案P的IPU 119的实例阵列210。图案P包含图像(例如，图像I1及I2)。图像可形成具有特性晶格向量a及b的晶格，如图2B中所展示。图2C展示在时间T1与图案P对应的强度辐照图案P(T1)及在时间T2与图案P对应的图案P(T2)。由于扫描台114可如图2A中所展示横向移动(例如，在x方向上)，因此P(T2)可以相对于P(T1)横向移动，如图2C中所展示。在时间T1处的图像I1(这里表示为I1(T1))可移动，且在时间T2处其位于由I1(T2)指示的位置。如图2C所展示，针对足够小的时间差(T2-T1)，I2(T2)可以在重叠位置O1处与I1(T1)重叠。此外，图像I1(T2)可在时间T1(例如，I2(T1))与另一图像的位置重叠，如重叠位置O2所展示。由于辐照的剂量取决于随时间积分的整体接收的光的强度，树脂的给定体素的剂量可取决于固化过程中的各种因素(例如，图像之间的重叠量、扫描台114在横向上移动的速度、辐照的强度、辐射的波长及其类似者)。这些因素中的任一者或其组合可在3D打印工艺期间被控制。当扫描台114沿扫描方向横向移动时，图像的重叠可导致个别图像之间的边界模糊或平均，从而消除缝合的问题。因此，此类重叠可提供打印的3D物体的平滑表面。
重叠图像的另一优点是，给定IPU内的个别DLP芯片或甚至一组DLP芯片的失效可能不会显著影响零件质量。例如，如图2A中所展示，使用多个IPU 119，整个IPU可能会失效而不会显著影响部件质量。当进一步与多个IPU的模块化配置结合时，系统101的此类设计允许最大的系统正常运行时间、较少的非计划维修及较长的维护间隔，从而增加生产时间。
回到图1A，系统101经配置以使用光116辐照构建台118。构建台118可驻留在树脂浴112(也被称为缸112)中。在实例实施例中，在构建台118上制造第一固体层之前，构建台118可涂覆有释放层。释放层确保在制造完成之后，打印的3D物体从构建台118提起而不粘在表118上。在各种情况下，当3D物体完成时，系统101可包含用于从系统101移除3D物体的机构。
除了在缸112中打印3D物体之外，系统101还可经配置以制造用于衬底的涂层。针对此类配置，可首先将衬底(例如，布制或木制品、金属或塑料形状)放置在构建台118上，且可在接收树脂的层之前对衬底的表面进行处理(例如，使用酒精或其它化学试剂清洁)。在一些情况下，当衬底不平滑时，树脂的初始层可具有可变厚度，这可能需要可变横向辐射剂量以供固化(例如，在树脂的层较厚的区域，可能需要较大的辐射剂量)。
在各种实施例中，系统101可经配置以用于打印大的复杂的3D物体，并可要求每秒处理太位的信息以产生复杂的3D物体(例如，分辨率小于200μm且甚至可能小于10μm的物体)。IPU 113的DLP芯片可包含大量的反射镜(例如，在200万到1000万个反射镜之间)，这些反射镜以高频(例如，半kHz、几个kHz、十kHz、十五kHz及其类似者)致动。数十个或数百个DLP芯片可用于系统101。IPUs 119可经配置以固化光树脂的每一体素，同时(例如，以高达每秒数十米的速度)移动穿过树脂的大浴，以使用数千个不同的反射镜分布固化一个体素所需的光子能量。在各种实施例中，传感系统(例如，相机)可用于提供反馈，如下文进一步描述的，以实现实时调整以考虑用于改进的3D打印的局部制造条件(例如，制造设施处的温度、湿度、外部辐射及其类似者)。
流体介质(树脂)可使用任何合适的构件(例如，泵、喷雾器、软管、滚筒或喷嘴)沉积在构建台118上。替代地，构建台118相对于缸112可移动，使得当构建台118降低到缸112中时，树脂沉积在其表面上。如先前所描述的，在沉积之后，可使用重涂器(例如，重涂器137)使流体介质平滑。
缸112可含有树脂及任选的Z-流体及/或A-流体。Z-流体可能比树脂密度大(因此可能沉到树脂下面)，并可能与树脂不混溶(因此与树脂分离)。Z-流体可经配置以移位树脂的一部分以减少打印所需的树脂的量。当树脂驻留在缸112中时，Z-流体可增加树脂刷新率并减小树脂老化。进一步的优点可实现打印中所需的支撑件的数目的减小，并进一步导致打印的部件的后处理时间的减小。示范性Z-流体包含水性流体、小分子醇基流体(例如，甲醇、乙醇或丙醇)、半氟化流体、半氟化聚醚流体、半氟化含硅聚合物流体、氟化聚合物、全氟聚醚(PFPE)、全氟烷基醚(PFAE)、全氟烷基醚(PFPAE)，或氟化油(例如，氟油、全氟聚醚及氟油)。任选地，Z-流体可包括全氟流体、半氟流体及/或半氟含硅聚合物流体的混合物。
A-流体可比树脂轻，并可驻留在树脂表面上。A-流体是惰性的，具有低粘度及低密度。A-流体用于减少气体在树脂中或从树脂的扩散。A-流体可作为树脂的保护边界。
如先前所描述的，图2B中所展示的IPU 119可经配置以图像的形式投影光的区域(例如，图像309A及309B，如图3A中所展示)。图像可重叠，可与需要辐照的区重合(至少部分)，并可具有如上面所描述的不同形状。在各种实施例中，可将一组图像投影在需要辐照的区301上或接近区301(例如，如区域309A及309B所展示)给定的持续时间(也界定为曝光时间)，使得区301中的树脂凝固(即，固化)。如图3A中所展示，图像309A与309B可重叠，从而在重叠区域中增加对光的曝光。使用多个重叠图像，在图像重叠时间最多的区域中对光的曝光可能最高，其朝向重叠较少的区域减小。图3A展示具有强度轮廓的实例圆形区310，在所述区的中部曝光最大并朝向所述区的边缘减小。区301可为3D物体311的横截面切割321，如图3B中所展示，所述截面切割321正受到来自图像处理单元的光的辐照。在各种实施例中，系统101可经配置以在区301内提供大于流体凝固所需阈值剂量的光能剂量，并在区301外提供低于流体凝固所需阈值剂量的光能剂量。例如，在图3A中所展示的点A1及A2处，剂量可刚好足以使流体介质凝固，且光能剂量可由高斯分布307表征。图3C展示具有由较大剂量表征的暗区域的区301上的光能剂量分布325的实例。
图4展示用于辐照具有边界422的区域411的实例过程401。用于流体介质的照明的系统可使用针对过程401的不同照明步骤1到N而不同地定位及旋转的多个图像430(如图4中所展示)来照明边界内的区域。在实例实施例中，在步骤1处，系统101的一或多个IPU可照明区域401持续时间T1，定位图像430，如步骤1中所展示。类似地，在步骤2处，图像430可由一或多个IPU投影持续时间T2，并定位图像430，如步骤2中所展示。照明步骤2可跟随照明步骤1。在步骤3到N中展示图像430的各种其它定向及持续时间。在辐照步骤1到N的完成之后，区域422内的能量剂量可由函数423来描述，如图4中所展示，E0-是用于在边界上的点A1处的流体介质的凝固的最小剂量。
图5展示具有与实例图像的横向特性大小对应的线的长度的图像的大小(由线501A及501B表示)。区域对重叠图像的多次曝光可导致光能剂量的分布，如正态分布所展示的，分布510A所展示的快速衰减及分布510B所展示的慢速衰减。在实例实施例中，快速衰减510A分布可与图像501A的辐照对应，而慢速衰减510B可与图像501B的辐照对应。为了需要辐照的区的边界附近的准确的分辨率，可使用具有急剧衰减的光能剂量，因此需要具有小特性大小的图像。图像的特性大小(L)可基于高斯分布的半最大宽度(FWHM)(例如，L＝FWHM)来计算，所述高斯分布与标准偏差σ有关，因为FWHM＝2.355σ。因此，给定高斯分布的标准差，可计算投影在边界上的特性图像。
图6A展示将图像(例如，图像617到620及图像621到627)投影到3D物体的横截面区610上的过程601的实例实施例。图6A展示用于投影各种图像的多个IPU(例如，IPU 611到613)。例如，IPU 611及612可投影重叠图像617及618，且IPU 613可投影图像619或图像620。在实例实施例中，IPU 613可通过改变反射镜的位置(例如，IPU 613的DLP芯片的反射镜或IPU 613中可能存在的其它反射镜)或IPU 613的光学元件的位置(例如，透镜的位置)，来改变图像(例如，可从投影图像619改变为投影图像620)的形状及/或位置。
在各种实施例中，由各种IPU投影的图像可经配置以具有与横截面区610对准的形状及定向。例如，由IPU形成的图像可经定向(例如，使用反射镜或光学元件)使得图像的侧与区610的侧对准。在实例实施例中，在过程601期间，可使用若干步骤(例如，步骤1到4)投影图像，如图6A中所指示。例如，在步骤1(在时间T1)处，图像621(可为从一或多个IPU投影的光的结果)可与区610的侧对准，使得构造到图像(N1)的侧的法向向量可与构造到设计区的边界的法向向量N2平行。在步骤2(时间T2)处，来自IPU的光可投影到新图像623，新图像623可位于与图像621不同的位置，并还可如图6A所展示的与几何体610对准。在实例实施例中，用于投影图像621的IPU(例如，IPU 611)可用于通过调整IPU 611的反射镜或光学元件来投影图像623。此外，或替代地，可使用不同的IPU(例如，IPU 612)来投影图像623。在步骤3(时间T3)处，来自一或多个IPU的光可投影到图像625，如图6A中所展示，图像625可与区610的不同部分对准，且在步骤4(时间T4)处，来自一或多个IPU的光可投影到图像627。虽然图6A展示具有特性矩形形状的图像621到627，但可使用任何合适的形状的图像(例如，圆形图像、平行四边形图像及其类似者)。此外，当光投影到区610的不同位置时，图像的形状及/或大小可改变。
图6B展示在表面的贴片上辐射强度依据时间而变的实例分布，例如树脂的实例体素。例如，图651展示波长为λ1的光源的强度依据时间I1(t,λ1)而变的第一分布，图652展示波长为λ2的另一光源的强度依据时间I2(t,λ2)而变的第二分布。两个光源可为单个IPU的一部分，也可来自不同的IPU。如图6B中所展示，在表面的贴片上的光的强度在时间上可能不是恒定的。例如，系统101可经配置以在表面的贴片上递送脉冲光，使得树脂的表面的贴片在照明期间且照明周期之间部分固化。分布I1及I2可根据被照明的树脂或性质来确定(例如，如果树脂在被照明一段时间τ后固化，那么光的脉冲可由τ的量级的时间段分开)。在实例实施例中，第一光源可发射第一波长下的光脉冲，接着第二光源发射第二波长下的另一光脉冲。
图7展示3D物体710的实例横截面俯视图，所述3D物体710可包含具有大的复杂度的区域722(例如，具有有许多曲率变化很快的表面的边界的区域)。例如，区域722可包含空缺711A及711B。此外，3D物体710可包含具有较低复杂度的区域723。例如，区域713可具有一个较大的空缺712，其表面具有几乎恒定的曲率(除了空缺712的隅角之外，空缺712的表面具有零曲率)。在实例实施例中，可使用四叉树将几何体710分割为四叉树注释(例如，正方形小区，如图7中所展示，也被称为正方形区域或体素)。图7展示大体素735及较小体素736的实例。较小体素可用于表示复杂区域(例如，区域722)中的3D物体710的几何体，而较大体素可用于表示较不复杂区域(例如，区域723)中的物体710的几何体。在一些情况下，可在3D打印工艺的开始之前基于3D物体的CAD表示来计算体素，且在其它情况下(尤其当3D物体包含复杂几何体时)，可在3D打印工艺期间计算体素。可使用任何合适的网格生成算法(例如，Cart 3D Cubes算法)来计算体素。
针对每一体素，在3D打印工艺期间，系统101可经配置以计算辐照剂量。例如，大体素可接收比较小体素更大的辐照剂量。为了向较小体素递送辐射剂量，可将小的大小的图像投影到较小体素上，且为了向较大体素递送辐射剂量，可使用较大图像。在实例实施例中，图像大小可与被辐照的体素的大小成比例。在一些情况下，其它参数(例如，光的波长、图像的重叠的量、依据时间而变的强度)针对不同的体素可能不同。
图8A展示用于辐照体素的实例过程801。在过程801的步骤811处，可选择3D物体的许多体素V中的一者来确定这些体素的辐照剂量。在实例实施例中，由计算机系统105进行体素V的选择(如图1A中所展示)。在步骤813处，计算机系统105可确定体素V的剂量以及穿过体素V的任何/部分/全部的强度的分布(例如，计算系统可确定体素的中心部分需要比接近体素的边界的体素的部分更高的强度)。在步骤815处，当扫描台114在树脂的表面上移动时，计算机系统105可确定来自各种IPU的照明，使得体素V在树脂的表面上接收扫描台114的一或多个通道的确定的辐射剂量(辐射的剂量可从一个体素到另一体素不同，例如，取决于体素的大小)。由于存在可用于控制树脂的表面的照明的各种参数，因此计算机系统105可经配置以最小化打开/关闭各种IPU的辐射的源并最小化光学元件的移动。在实例实施例中，计算机系统105可经配置以通过控制含有在IPU中的DLP芯片的各种反射镜的位置，并在必要时通过打开/关闭IPU的光的源来控制来自IPU的树脂的表面上的强度分布。在步骤817，计算机系统105可将用于体素V的辐照的命令发送到扫描台114的IPU，且扫描台的IPU可通过辐照表面或树脂来执行这些命令，以向体素递送所需的辐照剂量。
图8B展示实例过程802，其可包含过程801的所有步骤以及额外步骤819。额外步骤819可包含通过计算机系统105接收并存储关于树脂体素的固化程度的反馈信息。可使用用于检测来自树脂的经固化部分的光的光学构件(例如，通过可见光、紫外或红外相机的使用)来获得此类信息。在一些情况下，基于反馈信息，计算机系统105可经配置以重新计算用于需要辐照的树脂的下一层的照明。例如，如果树脂的当前层具有尚未固化的一或多个体素，那么计算机系统105可确定树脂的下一层可包含需要辐照的更多体素。例如，当3D打印含有孔时，可进行此类确定。如果树脂的层具有比先前确定的更大大小的孔，那么可确定接下来的一或多个层具有比计算机系统105先前确定的更小大小的孔。可基于含有孔的区域的功能性质(例如，基于区域的热导率、导电率、机械弹性、声音传输及其类似者)来计算孔的确切数目及大小。
在各种实施例中，由于3D物体的制造过程是确定的，因此可使用数值模拟来识别可用于3D物体的制造的最佳参数。例如，参数可包含辐射的强度、由IPU形成的图像的定位、图像的曝光的持续时间、图像的形状、IPU的横向移动方向、IPU的横向速度等。在实例实施例中，计算机系统105可接收3D几何体并通过使用数值模拟虚拟地固化流体介质来制造虚拟的3D物体。例如，计算机系统105可选择用于将设计区曝光到辐照的图像的位置及持续时间，以将所需的光能剂量递送到设计区。在实例实施例中，计算机系统105可模拟制造的所有方面，包含IPU的运动、光学元件的定位及其类似者。图9证实标记为父A的实例过程，计算机系统105在步骤901A中接收3D几何体，在步骤902A中模拟制造虚拟的3D物体的过程，并在步骤903A中评估结果。结果的评估可包含计算确定过程父A的性能的度量函数。例如，第一度量函数可包含计算所制造的虚拟的3D物体与3D几何体之间的差。在实例实施例中，此类度量函数可包含从虚拟的3D物体的体积中减去3D几何体，并计算两个几何体的体积之间的差的平方的总积分。第二度量函数可包含评估构建虚拟的3D物体所需的时间。第三度量函数可包含第一与第二度量函数的加权平均。度量函数的实例仅是说明性的，且可使用其它度量函数。
在实例实施例中，可针对各种参数集(例如，参数集可为过程父A的SA)同时实施多个模拟。多个模拟可用作遗传算法的一部分，以用于优化3D物体的制造。多个模拟示意性地由过程父A到父D指示，并具有对应的参数集SA到SD。在实例实施例中，可进一步组合产生充足的度量函数的过程(例如，可组合过程父A及父B以生成具有参数集SAB的子过程子AB，所述参数集SAB合并来自父A的一些参数及来自父B的一些参数)。类似地，其它过程可生成子过程(例如，子CD，如图9中所展示)。子过程的组合(例如，通过组合用于每一子过程的参数来制造三维物体)可导致具有改进的度量函数的后续子过程(例如，子ABCD)。
图10说明针对大型3D物体，可使用单独的系统(例如，系统A到B)并行地制造3D元件。然后，可使用组装器系统1001来组合这些元件。系统A到B可为用于制造三维元件的任何系统。在一些实施例中，这些系统可包含多个IPU、可移动IPU、具有多个反射镜系统的IPU、安装在扫描台上的IPU及/或其类似者。在各种实施例中，由系统A到B制造的元件A到B可包含可移动定位支撑区域1012，其可用于将元件定位在支撑固持器1015中。三维元件及支撑固持器可用于组装器系统1001中组装的3D物体的制造，如图10中所展示。例如，三维元件A到B可附接到使用组装器系统1001制造的三维区域1025。在组装的三维物体完成之后，可移除支撑固持器1015及定位支撑区域1012，从而形成组装的物体1030。
图11说明当几种不同类型的树脂可用于制造由不同的材料(例如，聚合物)构成的3D物体时的过程1100的实例实施例。在过程1100的步骤1处，3D物体1111可被树脂的第一类型的层1123覆盖。在步骤2处照明树脂之后，可形成所得的3D物体1112。在步骤3处，3D物体1112可被树脂的第二类型的层1125覆盖，所述第二类型树脂可与第一类型树脂不同。在步骤4处照明树脂之后，可形成所得的3D物体1115，其可具有由第一类型树脂形成的至少一个部分(例如，部分1112)及由第二类型树脂形成的至少一个部分(例如，部分1113)。使用多种类型的树脂允许3D物体具有复杂的定制性质(例如，定制的热、导电或机械性质)。在实例实施例中，第二类型的树脂可提供用于第一类型的树脂的以下层的支撑，并可在制造完整的3D物体之后溶解，从而在3D物体内形成空腔。
如上面所描述的，如图1A中所展示，计算机系统105可包含例如处理器、存储器装置、输入装置及数据库的组件。在一些实施例中，系统105可包含多个核心处理器以同时处置多个操作。例如，如图1A中所展示，系统105可包含用于计算IPU 119中的每一者的照明的并行处理单元。计算机系统105的一或多个处理器(例如，处理器107，如图1A中所展示)可包含一或多个已知的处理装置，例如但不限于来自由IntelTM制造的PentiumTM或XeonTM系列的微处理器、由AMDTM制造的TurionTM系列，或来自其他制造商的各种处理器中的任一者。然而，在其它实施例中，处理器107可为耦合的多个装置，且经配置以执行与本公开一致的功能。例如，处理器107可包含多个协处理器，每一者经配置以运行例如浮点算术、图形、信号处理、字符串处理、加密或I/O接口的特定操作。在一些实施例中，处理器可包含现场可编程门阵列(FPGA)、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)及其类似者。
数据库111可包含一或多个计算装置，所述计算装置经配置以具有适当的软件以执行用于向服务器110提供内容的操作。数据库111可包含，例如，OracleTM数据库，SybaseTM数据库，或其它相关数据库或非相关数据库，例如HadoopTM序列文件、HBaseTM，或CassandraTM。在说明性实施例中，数据库111可包含计算组件(例如，数据库管理系统、数据库服务器等)，所述计算组件经配置以接收并处理对存储在数据库的存储器装置中的数据的请求，并提供来自数据库的数据。
在各种实施例中，计算机系统105可包含软件110，如图1A中所展示。软件110可包含用于处理CAD数据及使用隐式数据表示、深度学习网络及自适应分层数据结构来表示3D几何体的模块，其可优化并加速在增材制造中的产品开发的设计生命周期。软件110可经配置以小文件大小(例如，用于3D打印的小于1兆字节的数据，其可能需要每秒10太位)对复杂信息进行编码。在一些情况下，软件110可经配置以制造包含微桁架结构的3D物体。在实例实施例中，软件110可不要求设计者为实例3D物体手动添加每一边缘、顶点及拓扑结构，而是可使用广泛的设计指南及神经网络来确定3D物体的边缘及顶点。实例3D物体的各种细节可由软件110在打印时或呈现时以及针对打印的特定分辨率来确定。软件110可包含用于设计优化处理的Adaptive Neural Network InfrastructureTM、用于超高速呈现及打印的Adaptive Difference-Field EngineTM，以及可经由数据流体系结构实现反应式编程以有利于将响应、自适应的现代图形用户界面(GUI)设计与计算繁重的操作分离的python包装器。软件110可经配置以辨认多个计算机辅助设计(CAD)文件类型，包含.STL、.WAV、.3MF、.AMF、.DXF、.IGES、.ISFF，并可取决于第三方集成及支持而支持文件类型，例如.CGR、.CKD、.CKT、.EASM、.EDRW、.IAM、.IDW、.PAR、.PRT、.SKP、.SLDASM、.SLDDRW、.SLDPRT、.TCT、.WRL、.X_B、.X_T及.XE。
在各种实施例中，为了估计树脂软件110的给定体素所接收的能量的剂量，可使用积分D(t)是在时间t处递送的剂量，S(r)是体素的位置处的单位阶跃函数，且I(t,r)是作为时间t与空间r(r＝{x,y})的函数的强度分布。总剂量可通过积分剂量来计算/>在适当的时间间隔Tp上，例如，可为扫描台114在树脂表面上过一遍所需的时间。图12展示标记为1213的实例阶跃函数S(r)及标记为1215的实例I(t＝t0,r)。图12展示表示强度I随时间的运动的箭头1217。
应理解，为了便于描述，本文已界定系统101的组件的配置及功能性。只要适当地执行指定的功能及其关系，就可界定替代配置。替代物(包含本文所描述的等效物、扩展、变化、偏差等)将是显而易见的。此类替代物落在所公开的实施例的范围及精神内。
前述描述为了说明的目的而提出。本公开并不穷尽且不限于所公开的精确形式或实施例。从对所公开的实施例的说明书及实践的考虑，实施例的修改及调适将是显而易见的。例如，虽然某些组件被描述为彼此耦合，但此类组件可彼此集成或以任何合适的方式分布。
此外，虽然本文描述了说明性实施例，但范围包含基于本公开的具有等效元件、修改、省略、组合(例如，跨各种实施例的方面)、调适及/或改变的任何及所有实施例。权利要求书中的元件将基于权利要求书中运用的语言进行广泛解释，而不限于本说明书中描述的实例或在申请案的审查期间描述的实例；此类实例应解释为非排他性的。进一步来说，所公开的方法的步骤可以任何方式修改，包含重新排序步骤及/或插入或删除步骤。
本公开的特征及优点从详细说明书中是显而易见的，因此，希望所附权利要求书涵盖落入本公开真正精神及范围内的所有系统及方法。如本文所使用的，不定冠词“一”及“一个”意指“一或多个”。类似地，复数术语的使用未必表示复数，除非它在给定上下文中是明确的。除非另有特定指示，否则“及”或“或”是指“及/或”。进一步来说，由于通过研究本公开将容易发生许多修改及变化，因此不希望将本公开限制到说明及描述的确切构造及操作，且相应地，可诉诸的所有合适的修改及等效物都在本公开的范围内。
从本文所公开的实施例的说明书及实践的考虑，其它实施例将是显而易见的。希望本说明书及实例仅被视为实例，所公开的实施例的真实范围及精神由所附权利要求书指示。
Claims (23)
1.一种用于从流体介质产生三维物体的系统，所述流体介质经配置以在受到规定的光刺激时凝固，所述系统包括多个图像处理单元(119)，所述多个图像处理单元中的每一者包括：
至少一个光发射源，其经配置以发射光；
至少一个反射镜系统，其用于反射由所述至少一个光发射源发射的光，其中所述至少一个反射镜系统包括用于调整经发射的所述光的方向的操纵系统以及用于控制所述操纵系统的控制系统；及
至少一个光学元件，其经配置以操纵经发射的所述光并将经发射的所述光投影到所述流体介质的表面的区上以在所述表面上形成图像，
其中所述多个图像处理单元经配置以在所述表面上形成对应的多个图像，其中所述多个图像处理单元相对于扫描台(114)以网格图案布置，其中所述扫描台(114)经配置以相对于所述表面在横向方向上的扫描方向上可移动，且
其中所述多个图像处理单元以与所述扫描方向的轴偏移的角而安装。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述角是有理角。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述角是无理角。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述角为13度或13.28度。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个图像中的每一者与所述多个图像中的至少另一者重叠。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统经配置以使得所述流体介质的所述表面上的至少一个区域从至少两个图像处理单元接收经发射的光。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个光学元件包括透镜、衍射光栅、棱镜、选定形状的孔口、渐变折射率透镜、反射镜、抛物面反射器、全内反射透镜、可移动透镜、形状变形透镜、含有流体的光学元件、波长滤波器及波长选择性吸收体中的一者，可选地其中所述选定形状包含基本上矩形或基本上圆形形状。
8.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含构建台，所述构建台经配置以：
支撑三维物体；及
移动，使得所述流体介质能够延伸越过所述三维物体的顶部，
可选地进一步包括经配置以使在所述三维物体的所述顶部上形成的膜平滑并调整所述膜的厚度的重涂器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中包含在所述多个图像处理单元中的每一者中的所述至少一个光发射源经配置以发射波长在250到480nm的范围内的光。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个图像处理单元中的每一者包括多个光发射源，其中所述多个光发射源中的至少一者经配置以发射第一波长下的光，且所述多个光发射源中的至少另一者经配置以发射第二波长下的光，所述第二波长与所述第一波长不同，可选地其中包含在所述多个图像处理单元中的每一者中的所述至少一个光学元件包含经配置以操纵在所述第一波长下发射的光的第一光学元件及经配置以操纵在所述第二波长下发射的光的第二光学元件。
11.根据权利要求1所述的系统，其中包含在所述多个图像处理单元中的每一者中的所述至少一个光发射源经配置以发射第一波长下的光脉冲，接着发射第二波长下的另一光脉冲，所述第二波长与所述第一波长不同。
12.根据权利要求1所述的系统，其中与所述多个图像中的至少一者相关联的形状不同于与所述多个图像中的至少另一者相关联的形状。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个反射镜系统经配置以使从所述光发射源中的一或多者发射的所述光的强度随时间而变化，或者其中所述至少一个反射镜系统经配置以使从所述光发射源中的一或多者发射的所述光的强度相对于所述流体介质的所述表面在空间上变化。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个图像中的每一者包含至少一个图像边界，其中所述至少一个图像边界由阈值经发射光强度水平所界定，其中所述至少一个边界的第一侧上的强度水平低于所述至少一个边界的与所述至少一个边界的所述第一侧相对的第二侧上的强度水平，可选地其中：
(a)所述第一侧上的所述强度水平小于用于形成来自所述多个图像当中的图像的经发射的所述光的最大强度的10％；
(b)所述图像仅由一个图像边界界定；
(c)所述多个图像处理单元经配置以在相对于所述表面的横向方向上可移动达至少预定横向距离步长，且其中所述横向距离步长对所述多个图像的平均大小的比率是无理数，可选地其中来自所述多个图像的图像的大小由内部区域的面积的平方根、所述图像边界的长度或图像的最大尺寸中的至少一者界定；或者
(d)所述多个图像处理单元经配置以在相对于所述表面的横向方向上可移动达至少预定横向距离步长，且其中所述横向距离步长对所述多个图像的平均大小的比率是预定值。
15.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括计算机系统，所述计算机系统经配置以：
根据图案辐照所述流体介质的所述表面的区域以形成三维物体；及
经由经发射的所述光向所述区域递送能量，所述能量足够使所述流体介质凝固，可选地其中：
(a)所述计算机系统经配置以：
使用具有四叉树节点的四叉树分割所述区域，所述节点与正方形区域对应；
针对每一正方形区域，投影来自所述多个图像的图像，所述图像具有与所述正方形区域的面积大小类似的面积大小；或者
(b)来自所述多个图像的每一图像具有基本上矩形形状，且其中所述计算机系统经配置以：
使选自所述多个图像的至少一个图像定向，以使所述至少一个图像的侧与所述区域的边界对准。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体介质包含经配置以在受到光时凝固的多于一种成分。
17.一种用于在3D打印系统中辐照体素的过程，其中所述系统包括计算机系统(105)、相对于扫描台(114)以网格图案布置的多个图像处理单元以及树脂，所述过程包括以下步骤：
(a)选择树脂的体素V；
(b)确定针对所述体素V的辐照剂量；
(c)计算照明以使得所述体素V通过所述树脂的表面上方的所述扫描台的一或多个通道接收经确定的所述辐照剂量；
(d)使用经计算的所述照明通过所述一或多个通道来辐照所述体素V。
18.根据权利要求17所述的过程，其中步骤(b)额外包括确定跨越所述体素V中的任意者、若干者或所有者的强度的分布。
19.根据权利要求17所述的过程，去包括额外的以下步骤：
(e)接收或存储关于树脂体素的固化程度的反馈信息。
20.根据权利要求17-19中任一项权利要求所述的过程，其中在步骤(c)中，所述照明经计算以使得所述体素V通过所述树脂的所述表面上方的所述扫描台的多于一个通道接收经确定的所述辐照剂量；且在步骤(d)中，使用经计算的所述照明通过所述多于一个通道来辐照所述体素V。
21.一种用于从流体介质产生三维物体的系统，所述流体介质经配置以在受到规定的光刺激时凝固，所述系统包括多个图像处理单元，所述多个图像处理单元中的每一者包括：
至少一个光发射源，其经配置以发射光；
至少一个反射镜系统，其用于反射由所述至少一个光发射源发射的光，其中所述至少一个反射镜系统包括用于调整经发射的所述光的方向的操纵系统以及用于控制所述操纵系统的控制系统；
至少一个光学元件，其经配置以操纵经发射的所述光并将经发射的所述光投影到所述流体介质的表面的区上以在所述表面上形成图像；
计算机系统，其经配置以：
根据图案辐照所述流体介质的所述表面的区域以形成三维物体；及
经由经发射的所述光向所述区域递送能量，所述能量足够使所述流体介质凝固；
其中所述多个图像处理单元经配置以在所述表面上形成对应的多个图像，其中所述多个图像处理单元经配置以相对于所述表面至少以横向方向可移动，且其中所述多个图像处理单元安装到具有横向扫描台尺寸的移动的扫描台，且其中所述扫描台的移动的速度以及由所述多个图像处理单元发射的所述光的强度经选择以使得经选择的所述区域经由经发射的所述光接收能量，所述能量替代在所述区域上方所述扫描台的单一通道期间致使所述流体介质凝固所要求的能量。
22.根据权利要求17所述的过程，其中所述多个图像处理单元经配置以使用数千个反射镜以分布光子能量，所述光子能量足以在移动穿过所述树脂的至少一个浴的同时固化所述体素V中的至少一者。
23.根据权利要求22所述的过程，其中所述多个图像处理单元经配置以使用所述数千个反射镜以在以高达每秒数十米的速度移动穿过所述至少一个浴的同时分布所述光子能量。
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