CN1849207B - 光学三维造型方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种方法和装置包括使用可以连续改变掩模图像的平面绘制掩模；相对于光硬化树脂组合物的表面连续移动平面绘制掩模，并且通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射，同时根据将要形成的光硬化树脂层的横截面轮廓图案并且与平面绘制掩模的运动同步地连续改变平面绘制掩模的掩模图像，由此形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层；以及进行光学造型操作以使得光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域在最终获得的立体造型三维物体中不显眼。

Description

光学三维造型方法及装置
技术领域
本发明涉及使用光硬化树脂组合物的立体造型方法和立体造型装置。更具体地说，本发明涉及以很高的造型精度、以很高的造型速度并且以很高的生产率采用光硬化树脂组合物制造立体造型三维物体的立体造型方法和立体造型装置，其中在三维物体的表面中不会出现任何不期望的线条、条纹和脊线，并且三维物体具有很高的表面质量和尺寸精度并且不存在强度和硬度的不均匀性。就本发明来说，从小到大的各种类型的立体造型三维物体都可以平滑地制造。
背景技术
近年来，基于数据输入三维CAD系统通过使光硬化树脂硬化来制造立体造型三维物体的立体造型方法和装置已经进入实际使用。该立体造型技术获得了大量的关注，因为采用该方法可以很轻松地造型复杂的三维物体，如在设计工作的过程中用于验证外观设计的模型、用于检验部件功能的模型、或者用于制作塑料或金属模以用于制造铸模的基本模型。
在通过立体造型术制造三维物体的时候，一种使用造型浴的方法通常被使用。作为该方法的步骤而广泛采用的方法包括下面工序：将液体光硬化树脂放入造型浴中；选择性地照射点状UV激光束由此使树脂光学硬化至预定厚度，以至由此形成硬化的树脂层，其中所述激光束由计算机控制以至于在液体的表面上获得期望的图案；在造型浴内向下移动硬化的树脂层以使造型浴中的光硬化树脂液体在硬化的树脂层上面流动，由此形成一个光硬化树脂液体层；将点状UV激光束照射到光硬化树脂液体层上，由此形成硬化的树脂层；并且重复上述步骤直到形成预定形状和尺寸的立体造型三维物体。
但是，使用点状UV激光束的上述传统方法是所谓的点刻法，并且具有包括大量时间消耗和低生产率的造型问题，该方法通过以运动方式将一个点状激光束照射到光硬化树脂的表面上而形成平面光硬化图案。而且，用作光源的UV激光系统非常昂贵，这使得这种立体造型装置很昂贵。
为了解决传统技术的上述缺陷，立体造型方法已经被提出(参见JP4-305438A)，其中使用了直线曝光掩模，由此通过沿着与光学快门的设置方向垂直的方向扫描曝光掩模的方式根据预定的水平横截面轮廓数据控制光学快门，由此顺序形成一层光硬化树脂层。在采用这种方法的情况下，并非总是需要使用昂贵的UV激光系统作为光源，并且可以使用经济的光源，如普通UV灯。与使用点状UV激光束的传统方法相比，该方法使得能够提高造型速度。但是，该方法是下面所述的方案：其中直线光硬化部分的各行沿光掩模的扫描方向依次形成，并且一层的横截面轮廓图案通过很多次重复形成直线光硬化部分而形成。如果光掩模的扫描速度增加，就不能逐行形成充分硬化的光硬化部分。因此，光掩模必须缓慢地扫描。而且，该方法是通过逐行地依次形成光硬化部分而形成平面光硬化层，这包括用于造型整个物件的大量时间消耗。因此，造型速度不能设定为非常快，并且考虑到生产率不能达到非常令人满意。
用于制造立体造型三维物体的另一种公知的方法重复下面工序：在光源与光硬化树脂组合物的表面之间固定放置平面绘制掩模，该掩模设置有能够遮蔽光和使光通过微点区域的液晶快门；使平面绘制掩模保持静止，同时根据将要形成的一层横截面轮廓图案在平面绘制掩模上面形成预定的掩模图案；经由掩模图案使光硬化树脂组合物的表面被光照射，由此使光硬化树脂组合物硬化，由此形成该层的横截面轮廓图案；在光硬化的横截面轮廓图案上面供应一层光硬化树脂组合物；使平面绘制掩模保持静止，同时根据将要形成的一层横截面轮廓图案在平面绘制掩模上面形成下一个预定的掩模图案；并且经由掩模图案使光硬化树脂组合物的表面被光照射，由此使下一层的光硬化树脂组合物硬化，由此形成该层的横截面轮廓图案。
根据该方法，光硬化树脂组合物的表面被光照射，由此通过单个操作以平面方式形成一层光硬化横截面轮廓图案。因此，与使用点状UV激光的上述传统方法和JP4-305438A中所述的方法相比，可以提高光学造型速度，其中JP4-305438A中所述的方法在前面已经提到并且使用直线形曝光掩模，所述曝光掩模包括能够控制以直线连续布置的微点区域中的光屏蔽的光学快门。
当立体造型三维物体采用该方法制造时，从造型精度(分辨率)的观点来看，从平面绘制掩模投影到光硬化树脂组合物表面上的相邻微点区域之间的间隔要求为0.1mm或更小。因此，例如，其造型面积具有250mm×250mm尺寸的小物件需要至少大约2500×2500点的像素数量。在造型面积具有600mm×600mm尺寸的中等尺寸物件的情况下，需要的像素数量大约为6000×6000点。但是，实现这种高分辨率的液晶掩模(液晶快门)或数字微镜快门目前还不能得到，或者即使可以得到也非常昂贵。
在固定位置的平面绘制掩模停止而实现光照射的方法中，曝光轮廓图案的精确度由平面绘制掩模的精确度(粗糙度)和通过平面绘制掩模投影在光硬化树脂组合物表面上的图案的放大或缩小因子确定。放大因子设定得越小(缩小因子越大)，光硬化树脂组合物表面上的光点之间的距离就变得越小，因此横截面轮廓图案的精确度提高。同时，放大因子设定得越大，光硬化树脂组合物表面上的光点之间的距离就变得越大，因此横截面轮廓图案的精确度降低。
因此，就平面绘制掩模固定设置的这种方法来说，在当前环境下，在制造具有提高的精确度(造型精度)的大尺寸立体造型三维物体时就会碰到困难，并且考虑到精确度(造型精度)，该方法只能应用于小尺寸立体造型三维物体。
为了解决使用固定设置的平面绘制掩模的方法中的缺陷并且使得能够通过使用小尺寸的液晶快门制造大尺寸的立体造型三维物体，下面方法已经被提出(JP8-112863A)。该方法是用于通过重复下面工序制造立体造型三维物体：将选择性地使光透射通过和将其遮蔽的液晶快门(液晶掩模)设置为允许光平行于光硬化树脂液体的表面前进；将液晶快门的前进范围划分成很多细分区域；移动液晶快门至前进范围的细分第一区域并且在该位置停止快门；使快门保持静止，将来自设置在液晶快门背面的光源的光经由液晶快门照射到光硬化树脂的表面上，同时光源在液晶快门的范围内移动，由此形成对应于细分第一区域的硬化区域；移动液晶快门至细分第二前进区域并且在该位置停止液晶快门，使快门保持静止，将来自设置在液晶快门背面的光源的光经由液晶快门照射到光硬化树脂的表面上，同时光源在液晶快门的范围内移动，由此形成对应于细分第二区域的硬化区域；进行相同的操作直到一层预定横截面轮廓图案形成于光硬化树脂组合物的表面上；并且重复这些工序直到形成预定的立体造型三维物体。但是，就JP-8-112863A中所述的方法来说，一层硬化横截面轮廓图案通过重复下面操作而形成：即，将液晶快门移动到细分第一前进区域的操作；将液晶快门保持静止同时使光硬化树脂的表面被光照射(在光硬化树脂的表面上形成光硬化区域)的操作；将液晶快门移动到细分第二前进区域的操作；将液晶快门保持静止同时使光硬化树脂的表面被光照射(在光硬化树脂的表面上形成光硬化区域)的操作。立体造型三维物体通过对很多层重复这些操作而制造。在液晶快门已经运动至所述很多细分前进区域中的每一个区域时，没有进行光的照射。因此，在该方法中，光照射不是连续而是断续地进行，因此造型速度变得很慢。此外，在该方法中，液晶快门的前进范围被划分成很多细分区域，并且光硬化树脂组合物在每个细分区域中硬化，同时液晶快门保持静止。在细分前进区域之间的边界中硬化状态很可能变得不连续或不均匀。结果，很可能出现整个立体造型三维物体的强度上的不均匀性、不充足的强度、不令人满意的表面质量和尺寸精度上的降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种立体造型方法和立体造型装置，其使得能够以很高的造型速度、以很高的造型精度并且以很高的生产率制造高质量的立体造型三维物体，同时防止即使在大尺寸的立体造型三维物体，以及小尺寸或中等尺寸的立体造型三维物体的情况下出现硬化或强度上的变化。具体地说，本发明的目的是提供一种立体造型方法和立体造型装置，其使得能够以很高的造型速度、以很高的造型精度并且以很高的生产率制造高质量的立体造型三维物体，其中光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域不会以线条、条纹或脊线的形式出现在最终获得的立体造型三维物体中，并且三维物体具有不显眼的边界区域和很高的表面质量与尺寸精度。
本发明的另一个目的是提供一种立体造型方法和立体造型装置，其使得即使使用经济的光源，如普通UV灯也能够以很高的造型速度平滑地制造具有高度造型精度并且在硬化和强度上不存在变化的高质量立体造型三维物体，而不使用昂贵的UV激光系统。
为了达到上述目的，本发明已经进行了大量研究。在通过通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射(曝光)的方式制造立体造型三维物体由此顺序形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层的时候，本发明人已经研究出另一种技术，用于代替使平面绘制掩模保持固定或静止而实现光照射的上述传统技术。具体地说，根据新研究的技术，平面绘制掩模在至少一个光学造型步骤中的光照射过程中连续运动，并且在通过连续移动平面绘制掩模而与连续运动同步地光照射之后进行造型，由此根据将要形成的预定横截面轮廓图案连续改变平面绘制掩模所形成的掩模图像(掩模图案)(与运动图像，例如电影或电视屏幕的情况一样，在通过连续改变平面绘制掩模的掩模图像而被光照射之后实现造型)。结果，与传统技术的情况相比，可以以很高的造型精度、以高质量、以更高的造型速度并且以很高的生产率制造立体造型三维物体，同时防止即使在大尺寸的立体造型三维物体，以及小尺寸或中等尺寸的三维物体的情况下出现硬化上的变化。
本发明还发现下面事实。首先，当进行上述光学造型步骤以至于防止光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域在最终获得的立体造型三维物体中显得明显时，可以防止相邻绘制区域之间的边界区域以线条、条纹或脊线的形式出现在最终获得的立体造型三维物体中。因此，可以获得具有很高表面质量和很高尺寸精度并且不存在强度变化的立体造型三维物体。其次，为了防止边界区域变得明显，下面方法中至少一种有效：使照射到相邻绘制区域之间的边界区域上的光的总强度等于或近似于照射到除边界区域之外的其它区域上的光强度的方法；使相邻绘制区域之间的边界区域的形状为曲线的方法；以及使竖直堆叠的各光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界部位的位置错开的方法。
本发明人还发现，在上述方法中，即使使用经济的光源，如普通UV灯而不使用昂贵的UV激光系统，也可以以很高的造型速度平滑地制造具有高度的造型精度并且不存在硬化不均匀性的高质量立体造型三维物体。
而且，本发明人已经发现下面事实。首先，使用平面绘制掩模，其中多个微光学快门(micro-optical shutter)以平面方式布置，而每个微光学快门都能够将光透射遮蔽或使其通过微点区域；具体地说，优选的是，使用一种平面绘制掩模，其中以平面方式布置着液晶快门或数字微镜快门。其次，优选的是，可以与平面绘制掩模同步地连续移动的聚光透镜设置在光源与平面绘制掩模之间。另外优选的是设置投影透镜，其可以在平面绘制掩模与光硬化树脂组合物的表面之间与平面绘制掩模同步地连续移动。本发明人已经基于上述多种发现完成本发明。
本发明提供了一种方法(1)，该方法用于通过顺序重复下面的光学造型步骤直到形成预定的立体造型三维物体而制造立体造型三维物体：以受控的方式通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射，由此形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层；在光硬化树脂层上面施加一层光硬化树脂组合物；并且以受控的方式通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射，由此进一步形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层，该方法包括：
将可以连续改变掩模图像的平面绘制掩模用作所述平面绘制掩模；
进行下面的造型操作：在至少一个光学造型步骤中相对于光硬化树脂组合物的表面连续移动平面绘制掩模，并且通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射，同时根据将要形成的光硬化树脂层的横截面轮廓图案并且与平面绘制掩模的运动同步地连续改变平面绘制掩模的掩模图像，由此形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层；以及
进行光学造型操作以使得光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域在最终获得的立体造型三维物体中不显眼。
为了使最终获得的立体造型三维物体中的光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域不显眼，本发明提供了基于光学三维造型方法(1)的发明(2)，其中进行下面提供的操作(i)至(iii)中的至少一者：
(i)使照射到光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域上的光的总强度等于或近似于照射到除边界区域之外的其它区域上的光强度的操作；
(ii)使光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的形状为曲线形状的操作；以及
(iii)使竖直堆叠的各光硬化树脂层中的光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的位置错开的操作。
本发明还提供了基于光学三维造型方法(1)或(2)的发明(3)，其中以平面方式布置着可阻止或允许光透射进入微点区域的多个微光学快门的平面绘制掩模被用作所述平面绘制掩模；并且在光硬化树脂组合物的表面被光照射的同时，在平面绘制掩模的连续运动过程中根据将要形成的横截面轮廓图案通过所述多个微光学快门连续改变掩模图像。
本发明还提供了基于光学三维造型方法(3)的发明(4)，其中所述平面绘制掩模是其中以平面方式布置着液晶快门或数字微镜快门的平面绘制掩模。本发明提供了一种立体造型装置(5)，其包括：用于在载置台(造型台)或光硬化树脂层上面顺序供应一层光硬化树脂组合物的光硬化树脂组合物供应装置；
光源；
适于连续改变掩模图像的平面绘制掩模；
用于相对于光硬化树脂组合物的表面连续移动平面绘制掩模的移动装置；
用于与平面绘制掩模的运动同步地连续改变平面绘制掩模的掩模图像的装置；以及
用于使最终获得的立体造型三维物体中光硬化树脂层的相邻绘制区域之间的边界区域不显眼的装置。
本发明提供了基于立体造型装置(5)的发明(6)，其中用于使最终获得的立体造型三维物体中光硬化树脂层的相邻绘制区域之间的边界区域不显眼的装置是用于进行下面提供的操作(i)至(iii)中至少一者的装置：
(i)使照射到光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域上的光的总强度等于或近似于照射到除边界区域之外的其它区域上的光强度的操作；
(ii)使光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的形状为曲线形状的操作；以及
(iii)使竖直堆叠的各光硬化树脂层中的光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的位置错开的操作。
本发明还提供了基于立体造型装置(5)或(6)的发明(7)，其中平面绘制掩模是其中以平面方式布置着可阻止或允许光透射进入微点区域的多个微光学快门的平面绘制掩模；
本发明提供了基于立体造型装置(5)至(7)中任一项的发明(8)，其中平面绘制掩模是其中以平面方式布置着液晶快门或数字微镜快门的平面绘制掩模；并且
本发明提供了基于立体造型装置(5)至(8)中任一项的发明(9)，还包括：聚光透镜，其设置在光源与平面绘制掩模之间并且可以与平面绘制掩模同步地连续移动；以及投影透镜，其设置在平面绘制掩模与光硬化树脂组合物的表面之间并且可以与平面绘制掩模同步地连续移动。
就本发明来说，能够以很高的造型精度、以更高的造型速度并且以很高的生产率制造高质量的立体造型三维物体，其中在对应于相邻绘制区域之间边界区域的区域中不会出现线条、条纹和脊线并且所述物体具有很高的表面质量和尺寸精度并且不存在强度上的变化，同时与传统方法的情况相比，通过使用比要形成的预定横截面轮廓图案更小的相对经济的平面绘制掩模而防止出现硬度上的不均匀性。
就本发明来说，当物件为大尺寸的立体造型三维物体，以及当物件为小尺寸或中等尺寸的立体造型三维物体时，能够以更高的尺寸精度并且以更高的造型速度平滑地制造立体造型三维物体。
而且，就本发明来说，即使使用经济的光源，如普通UV灯而不使用昂贵的UV激光系统，也能够以更高的造型速度平滑地制造上述高质量的立体造型三维物体。
附图说明
图1是显示一个实例的视图，其中形成具有位于绘制区域之间的边界区域(重叠区域)的横截面轮廓图案；
图2是显示另一实例的视图，其中形成具有位于绘制区域之间的边界区域(重叠区域)的横截面轮廓图案；
图3A和图3B是显示另一实例的视图，其中形成具有位于绘制区域之间的边界区域(重叠区域)的横截面轮廓图案；
图4A和图4B是显示本发明的立体造型方法的一个实例的视图，其中进行光学造型以至于绘制区域之间的边界区域(重叠区域)的位置在光硬化的竖直设置的树脂层之间一层与另一层错开；
图5是显示用于本发明中的一个实例的立体造型装置的视图；
图6是显示用于本发明中的另一实例的立体造型装置的视图；
图7是显示用于本发明中的另一实例的立体造型装置的视图；
图8是显示用于本发明中的另一实例的立体造型装置的视图；
图9是显示本发明的一个实例立体造型方法的视图；
图10是显示按照图9所示立体造型方法所形成的横截面轮廓图案的视图。
在图中，参考标记1表示光源；2表示聚光透镜；3表示平面绘制掩模；3a表示其中液晶快门以平面方式布置的平面绘制掩模；3b表示其中数字微镜快门以平面方式布置的平面绘制掩模；4表示投影透镜；5表示造型面；6表示曝光图像；7表示光学传导装置；8表示棒透镜；9表示成像透镜；并且10表示反射镜。
具体实施方式
下面将详细说明本发明。
在本发明中，立体造型三维物体通过顺序重复下面操作直到形成预定的立体造型三维物体而进行制造：以受控的方式通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射(曝光)，由此形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层；在光硬化树脂层上面施加另一层光硬化树脂组合物；并且以受控的方式通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射，由此进一步形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层。
本发明的造型操作可以通过采用造型浴方法而实现，所述方法进行下面工序：将造型台放入填充有液体光硬化树脂组合物的造型浴中；通过降低造型台在造型台上面形成一层液体光硬化树脂组合物层；以受控的方式通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物层被光照射，由此形成具有预定图案和厚度的光硬化树脂层(在下文中经常称为“光硬化层”)，并且通过进一步降低造型台在光硬化层的表面上形成一层液体光硬化树脂组合物层；并且重复下面操作：进一步降低造型台，在光硬化层上面形成一层液体光硬化树脂组合物层，并且通过平面绘制掩模使液体光硬化树脂组合物层以受控的方式被光照射，由此对堆叠方式整体形成具有预定图案和厚度的光硬化层。
本发明的上述造型操作可以通过采用进行下面工序的方法而进行：将造型台放入气体环境中；在造型台的表面上施加一层液体、糊状、粉状或薄膜形光硬化树脂组合物，并且通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物层以受控的方式被光照射，由此形成具有预定图案和厚度的光硬化层；并且重复下面操作：在光硬化层的表面上施加一层液体、糊状、粉状或薄膜形光硬化树脂组合物，并且通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物以受控的方式被光照射，由此形成具有预定图案和厚度的光硬化层。就该方法来说，可以采用下面方法：将造型台或光硬化层保持在竖立方位；在造型台或光硬化层的上表面上施加光硬化树脂组合物；并且通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物被光照射，由此以堆叠方式顺序形成光硬化层。作为选择，还可以采用下面方法：将造型台或光硬化层置于竖直或倾斜方位；在造型台或光硬化层的表面上施加光硬化树脂层；并且通过平面绘制掩模使光硬化树脂层被光照射，由此以堆叠方式顺序形成光硬化层。作为选择，还可以采用下面方法：将造型台或光硬化层置于倒置方位；在造型台的表面上或光硬化层的表面上施加一层光硬化树脂组合物；并且通过平面绘制掩模使光硬化树脂层被光照射，由此沿向下的方向以堆叠方式顺序形成光硬化层。在将光硬化树脂组合物施加于造型台的表面上或光硬化层的表面上时，可以采用合适的方法，例如刮涂、铸涂、辊涂、移膜涂布、刷涂、喷涂等。
根据本发明，在进行上述造型操作时能够连续改变掩模图像的平面绘制掩模被用作所述平面绘制掩模。在造型操作的至少一部分中；也就是说，在形成光硬化预定横截面轮廓图案的全部或一部分步骤中，平面绘制掩模相对于光硬化树脂组合物的表面连续移动。光硬化树脂组合物的表面通过平面绘制掩模被光照射，同时平面绘制掩模的掩模图像根据将要形成的光硬化树脂层的横截面轮廓图案与平面绘制掩模的运动同步地连续改变(即动态改变)，由此形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层。理想的是，平行于造型面移动平面绘制掩模。但是，运动并不总是限于平行方向，根据需要，平面绘制掩模可以相对于造型面以非平行的方式移动。
例如，当立体造型三维物体通过在很多阶段(层)上面重复上述造型操作而制造时，在制造下面所述立体造型三维物体的情况下，即所述物体具有一定形状和结构以至于将要形成的预定横截面轮廓图案成为连续的绘制区域，并且所述绘制区域大于所有光硬化层中平面绘制掩模的尺寸(面积)，那么就可以通过在所述很多层上面重复下面的操作而制造目标立体造型三维物体。也就是说，在很多层上面进行下面操作：相对于光硬化树脂组合物的表面(造型面)连续移动平面绘制掩模，并且在通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射，同时根据将要形成的横截面轮廓图案与平面绘制掩模的运动同步地连续(动态)改变平面绘制掩模的掩模图像，由此形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层。
取决于立体造型三维物体的形状和结构，在造型操作的过程中，可能出现形成大于平面绘制掩模面积的预定横截面轮廓图案的必要性，和形成小于平面绘制掩模的横截面轮廓图案的必要性(例如，在下面情况下，即立体造型三维物体在球形主体的顶点具有尖角，球形主体的横断面积(横截面轮廓图案)大于平面绘制掩模的面积但是对应于尖角的一部分的横断面积(横截面轮廓图案)小于平面绘制掩模的面积；但是，本发明不限于这种情况)。在这种情况下，具有大横截面轮廓图案的主体通过重复在很多层上面连续、动态地改变平面绘制掩模的掩模图像的上述造型操作而形成。相比之下，相对于具有小横截面轮廓图案的尖角部分，平面绘制掩模的掩模图像没有动态移动并且保持静止，并且在很多层上面重复经由掩模图像使造型面被光照射的操作直到完成尖角的形成。于是，可以制造出目标三维造型结构。
本发明包括所有上述方法。因此，在本发明中，平面绘制掩模的掩模图像没有必要在造型过程中自始至终都动态、连续地改变。在一部分造型步骤中，掩模图像可以动态、连续地移动。但是，在另一个造型步骤中，掩模图像可以根据将要形成的横截面轮廓图案保持静止。
在本发明中，其中造型通过根据将要形成的横截面轮廓图案连续改变平面绘制掩模的掩模图像而进行，整个预定横截面轮廓图案不能够通过平面绘制掩模的单次连续移动步骤和光照射步骤覆盖。因此，经常采用下面方法，即在与平面绘制掩模的第一次连续移动和光照射已经进行的位置相邻的位置上进行平面绘制掩模的第二次连续移动和光照射；并且，在一些情况下，三次或更多次地连续进行这种连续移动和光照射，由此形成一层预定横截面轮廓图案。
在这种情况下，在最终获得的立体造型三维物体中，边界区域出现在相邻绘制区域之间(第一绘制区域与第二绘制区域之间的相邻区域，第二绘制区域与第三绘制区域之间的相邻区域，等等)。
在这种情况下，从改进所获得的三维结构强度的观点来看，优选的是，边界区域(第一绘制区域与第二绘制区域之间的相邻区域(边界区域)，第二绘制区域与第三绘制区域之间的相邻区域(边界区域)，等等)的边缘以重叠方式光照射。由此，已经以重叠方式硬化的区域(在下文中称为“重叠区域”)出现在边界区域中。如果在很多层上面重复这种操作直到获得目标立体造型三维物体，那么线条、条纹、脊线等将出现在对应于最终获得的立体造型三维物体中相邻绘制区域之间边界区域的区域中，因此立体造型三维物体的表面质量很可能不令人满意。在一些情况下，尺寸精度上的降低或强度上的不均匀性很可能出现。
尽管对于本发明没有特别的限制，但是，还是结合附图说明上述各点。
例如，如图1中所示，在光学造型中，平面绘制掩模3的掩模图像动态、连续地改变由此形成由A、B、C和D包围的光硬化横截面轮廓图案。横截面轮廓图案不能通过单次连续移动和光照射形成。因此，对应于绘制区域(1)的区域通过第一次连续移动和光照射而光硬化；对应于绘制区域(2)的区域通过第二次连续移动和光照射而光硬化；并且对应于绘制区域(3)的区域通过第三次连续移动和光照射而光硬化。于是，由A、B、C和D包围的光硬化横截面轮廓图案形成。在这种情况下，从保持所获得的立体造型三维物体的强度的观点来看，彼此相邻的绘制区域(1)与绘制区域(2)之间的重叠区域a1(边界区域)和彼此相邻的绘制区域(2)与绘制区域(3)之间的重叠区域a2(边界区域)经常以重叠方式被光照射。因此，重叠区域a1(边界区域)和重叠区域a2(边界区域)的曝光程度变得高于其它区域(除重叠区域a1和a2之外的区域)的曝光程度。结果，重叠区域a1和a2中获得的硬化状态不同于其它区域中获得的硬化状态(即，硬化程度变高)。在最终获得的立体造型三维物体中，线条、条纹或脊线出现在对应于重叠区域a1和a2的区域中，而这反过来引起立体造型三维物体不令人满意的表面质量。在一些情况下，尺寸精度上的降低或强度上的不均匀性很可能出现。
而且，在本发明中，用于光学造型的平面绘制掩模的数量不限于一个。可以通过使用很多(两个或更多)平面绘制掩模进行光学造型。当本发明的光学造型通过使用很多平面绘制掩模进行时，在所述很多平面绘制掩模的使用中，造型速度通过光硬化图1中所示的绘制区域(1)、绘制区域(2)和绘制区域(3)而大大增加。
但是，即使在下面情况下，即为了提高所获得的立体造型三维物体的强度而使绘制区域之间的边界区域以重叠方式光硬化，重叠区域a1和重叠区域a2也会出现。重叠区域a1(边界区域)的曝光程度和重叠区域a2(边界区域)的曝光程度高于其它区域(除重叠区域a1和a2之外的区域)中获得的曝光程度。结果，线条、条纹或脊线出现在最终获得的立体造型三维物体中对应于重叠区域a1和a2的位置，因此立体造型三维物体不令人满意的表面质量、尺寸精度使的降低和强度上的不均匀性很可能出现。
当预定横截面轮廓图案如采用单笔单划绘图的情况一样通过使用一个平面绘制掩模通过动态改变平面绘制掩模的掩模图像同时连续移动平面绘制掩模而形成时，光学造型得以进行以至于起点与终点重合，例如，如图2中所示。如果起点与终点之间的边界区域已经以重叠方式被光照射，以便于提高起点与终点之间边界区域的强度，那么重叠区域“c”将会出现在起点与终点之间。重叠区域“c”的曝光强度(硬化程度)变得高于其它区域中获得的曝光强度。结果，线条、条纹或脊线出现在最终获得的立体造型三维物体中对应于重叠区域“c”的位置，因此立体造型三维物体不令人满意的表面质量、尺寸精度上的降低和强度上的不均匀性很可能出现。
即使光学造型已经以下面方式进行，即绘制区域的边界区域彼此不重叠(没有以重叠方式被光照射)并且绘制区域的端部仅仅彼此邻接，尽管线条或条纹的程度小于边界部分重叠(边界区域以重叠方式被光照射)的情况，但是线条、条纹等还是会出现在最终获得的立体造型三维物体中对应于绘制区域的端部彼此邻接的边界区域的位置，因此不令人满意的表面质量很可能出现。
在本发明中，为了防止相邻绘制区域之间的边界区域以线条、条纹、脊线等形式出现在立体造型三维物体的光硬化树脂层中，光学造型进行为使得光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域在最终获得的立体造型三维物体中不会变得明显。
考虑到这一点，这里使用的术语“光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域”表示下面三种边界区域：如采用单笔单划绘图的情况一样，当光硬化的预定横截面轮廓图案通过连续移动平面绘制掩模和被光照射而形成时所形成的光硬化树脂层的边界区域(例如，图2中所示的情况)；通过不同于上述造型操作的其它造型操作所形成的光硬化树脂层中的边界区域；以及当光硬化的预定横截面轮廓图案通过在很多列上面连续移动平面绘制掩模和被光照射而形成时所形成的光硬化树脂层的边界区域(例如，如图1中所示情况)。而且，这里使用的术语“边界区域”表示下面两种边界区域：绘制区域的端部以重叠方式光硬化的边界区域(即，光硬化已经以重叠方式进行的“重叠区域”)；以及没有遭受重叠光硬化并且光硬化绘制区域的端部仅仅彼此邻接的边界区域。
在本发明中，可以使用任何方法，只要该方法使得有可能使光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域在最终获得的立体造型三维物体中不显眼。
在这些方法中，优选的是，本发明采用下面方法和装置中的至少一种作为使光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域不显眼的方法和装置：
(i)使照射到光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域上的光的总强度等于或近似于照射到除边界区域之外的其它区域上的光强度的方法和装置；
(ii)使光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的形状为曲线的方法和装置；以及
(iii)使竖直堆叠的各光硬化树脂层中的光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的位置错开的方法和装置。
(i)至(iii)的方法和装置可以单独采用，或者其中两个或多个可以组合采用。具体地说，当(i)至(iii)中两个或三个组合采用时，可以更有效地防止光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域显得明显。
方法(i)对于下面情况特别有效：立体造型三维物体通过以重叠方式使相邻绘制区域之间的边界区域曝光的防止制造(即，“重叠区域”出现于边界区域中)。该方法可以通过下面方式实现：在通过连续改变平面绘制掩模的掩模图像实现光学造型时，将计算机编程使得平面绘制掩模显示掩模图像，其中在对应于重叠区域的区域中获得的透射至造型表面或者从其反射的光低于其它区域。
例如，在图1中，使照射到将要遭受平面绘制掩模的第一次连续运动和光照射的绘制区域(1)中重叠区域a1(边界区域)上的光强度低于照射到绘制区域(1)中其它区域上的光强度，由此进行光硬化，同时，使重叠区域a1的硬化程度低于其它区域的硬化程度。接下来，使照射到将要遭受平面绘制掩模的第二次连续运动和光照射的绘制区域(2)中对应于重叠区域a1和a2的区域上的光强度低于照射到绘制区域(2)中其它区域上的光强度，由此进行光硬化。在绘制区域(2)的光硬化已经完成的时刻，使重叠区域a1的硬化程度等于绘制区域(1)和(2)中其它区域(即，除重叠区域a1和a2之外的其它区域)的硬化程度。绘制区域(3)的光硬化也以上述相同的方式进行。在绘制区域(3)的光硬化已经完成的时刻，使重叠区域a2的硬化程度等于绘制区域(1)、(2)和(3)中其它区域(即，除重叠区域a1和a2之外的其它区域)的硬化程度。于是，可以使在由ABCD包围的整个光硬化横截面轮廓图案中获得的硬化程度均匀。在很多层上面重复造型操作直到获得期望的立体造型三维物体。因此，没有线条、条纹或脊线会出现在对应于绘制区域之间的重叠区域的区域中，并且可以获得具有很高表面质量，具有很高尺寸精度并且不存在强度和硬度不均匀性的立体造型三维物体。
方法(ii)可以通过下面方式实现：在通过连续改变平面绘制掩模的掩模图像进行光学造型时，将计算机编程使得平面绘制掩模显示掩模图像，其中对应于边界区域的区域变成曲线。
例如，如图3A中所示，即使光学造型已经进行以至于绘制区域(1)与绘制区域(2)之间的重叠区域c1(边界区域)和绘制区域(2)与绘制区域(3)之间的重叠区域c2(边界区域)变成曲线，与重叠区域c1和c2为直线的情况相比还是可以防止在最终获得的立体造型三维物体中对应于重叠区域c1和c2的区域中出现线条、条纹、脊线等。可以获得具有很高表面质量和尺寸精度以及减小的强度和硬度不均匀性的立体造型三维物体。关于图3A中所示的方法，即使在绘制区域(1)、绘制区域(2)和绘制区域(3)的光硬化时不使照射到将要成为重叠区域c1和c2的区域上的光强度小于照射到其它区域上的光强度，与重叠区域c1和c2为直线的情况相比也可以防止在对应于重叠区域c1和c2的区域中出现线条、条纹、脊线等。通过结合方法(ii)和方法(i)可以更有效地防止在对应于重叠区域c1和c2的区域中出现线条、条纹、脊线等。
方法(ii)适用于下面情况：光学造型以下面方式进行，即仅仅使绘制区域的端部彼此邻接而不以重叠方式使绘制区域(1)与(2)之间的边界区域和绘制区域(2)与(3)之间的边界区域被光照射。如图3B中所示，即使使相邻端部(边界区域)d1和d2为曲线，线条或条纹出现在对应于边界区域(相邻区域)的区域中的机会也会减小，因此可以获得具有很高表面质量的立体造型三维物体。
方法(iii)可以通过下面方式实现：将计算机编程使得光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的位置在竖直堆叠以构成立体造型三维物体的光硬化树脂层之间沿竖直方向错开。
图4A和图4B可以作为显示采用方法(iii)的情况而提及(图4A和图4B都是纵向横截面图)。图4A显示了通过以重叠方式使相邻绘制区域之间的边界区域被光照射而形成的立体造型三维物体的部分结构；也就是说，图4A为显示下面情况的示意图：对应于边界区域的重叠区域e1、e2、e3、e4、e5…被形成，同时在竖直堆叠以构成立体造型三维物体的光硬化树脂层之间错开。图4B显示了通过下面方式获得的立体造型三维物体的部分结构：进行光学造型，同时使绘制区域的端部仅仅彼此邻接，而不以重叠方式使相邻绘制区域之间的边界区域被光照射；也就是说，图4B为显示下面情况的示意图：边界区域f1、f2、f3、f4、f5…在竖直堆叠以构成立体造型三维物体的光硬化树脂层之间错开。
从图4A和图4B中可以看到，在方法(iii)情况下，绘制区域之间的边界区域(重叠区域或端部的相邻部分)在竖直层之间错开并且没有集中在同一位置。因此，没有线条、条纹、脊线等出现在最终获得的三维造型结构中，并且可以获得具有很高表面质量和很高尺寸精度以及减小的强度和硬度不均匀性的立体造型三维物体。
关于本发明的立体造型方法和装置，用于相对于光硬化树脂组合物的表面(造型面)连续移动平面绘制掩模的装置或方法不限于任何特定的装置或方法。例如，直线导轨、轴、扁棒等可以用作导向器，并且通过使用滚珠丝杆、梯形螺纹、同步带、齿轮齿条、链条等传递驱动力。交流伺服电机、直流伺服电机、步进电机、脉冲电机等可以用作驱动源。另外，用作导向器和驱动装置的直线电机系统或多关节机器人的手臂也可以使用。如上所述，可以采用任何装置或方法用于移动本系统。考虑到以微间距连续、准确地驱动平面绘制掩模并且使平面绘制掩模的运动同步以至以高精度连续改变掩模图像的能力，在上述电机中，优选的是将脉冲电机用作驱动源。
有可能平面绘制掩模可以只沿一个方向(只有X轴方向和Y轴方向之一)相对于造型面移动。但是，优选的是，掩模可以沿X轴和Y轴两个方向运动。只要使平面绘制掩模可以沿X轴和Y轴两个方向运动，平面绘制掩模就可以沿直线路线、曲线路线或另外的任意路线连续移动，由此以很高的造型精度并且以很高的造型速度形成各种形状的光硬化横截面轮廓图案。例如，可以通过单笔单划画圆，并且可以以很高的造型速度并且以很高的造型精度形成中空光硬化横截面轮廓图案。
在光学造型时所需的平面绘制掩模的连续运动方向和速度通过使用计算机等根据下面参数进行控制和调节：光源类型、照射到光硬化树脂组合物表面上的光强度、通过平面绘制掩模被光照射的光硬化树脂组合物表面上的曝光面积(曝光尺寸)、将要形成的横截面轮廓图案的形状、光硬化树脂组合物的类型、光硬化树脂组合物的光硬化特性、形成光硬化层所需的曝光时间等。一般说来，当平面绘制掩模平行于光硬化树脂组合物的表面以恒定速度从曝光区域的一端直线运动至光硬化树脂组合物表面上相对的另一端时，可以轻松控制照射到光硬化树脂组合物表面上的光量使其均匀。
当平面绘制掩模的掩模图像与平面绘制掩模的连续运动同步地连续(动态)改变时，相对于将要由平面绘制掩模形成的掩模图像的信息与将要形成的横截面轮廓图案的细节和平面绘制掩模的连续运动速度关联地预先存储在计算机中。如果根据该信息连续改变平面绘制掩模的掩模图像就更好。液晶快门和数字微镜快门可以作为这种平面绘制掩模的特定例子而提及。在本发明中优选用作平面绘制掩模的液晶快门或数字微镜快门已经作为能够连续(动态)形成图像的装置被用于其它领域(例如，电视、个人计算机、投影机、汽车导航系统、手提式蜂窝电话等)。
优选的是，平面绘制掩模为正方形或矩形平面绘制掩模，其中可以阻止和允许微点区域中光透射的多个微光学快门以平面方式并排设置(沿X-Y方向)。对于将要设置在平面绘制掩模中的微光学快门的数量没有特别的限制。可以使用迄今为止已知的微光学快门。QVGA(像素数量＝320点×240点)、VGA(像素数量＝640点×480点)、SVGA(像素数量＝800点×600点)、UXGA(像素数量＝1024点×768点)、QSXGA(像素数量＝2560点×2648点)等都可以用作液晶快门(液晶显示元件)。
例如，由德州仪器公司制造的“DLP技术”(注册商标)的DMD(注册商标)设备可以用作数字微镜快门。
由优选用于本发明中的上述液晶快门或数字微镜快门形成的平面绘制掩模可以在平面绘制掩模的连续运动过程中根据将要形成的横截面图案通过使所述多个微光学快门阻止和/或允许光透射而以，例如电视或电影的运动图像的方式连续改变掩模图像。结果，对应于在连续运动的同时连续改变的掩模图像(动态掩模图像)的光连续照射到光硬化树脂组合物的表面上，同时照射位置连续移动。位于曝光区域中的光硬化树脂组合物的表面连续硬化，由此形成一层预定横截面轮廓图案。
通过使用所述液晶快门，光硬化树脂组合物表面上的像素间距(相邻像素之间的距离)被设置为具有0.1mm的值(光学造型所需的造型精度)。在液晶快门保持停止的同时实现照射的相关技术的情况下，曝光平面对于QVGA具有32mm×24mm的尺寸、对于VGA具有64mm×48mm的尺寸、对于SVGA具有80mm×60mm的尺寸、对于UXGA具有102.4mm×76.8mm的尺寸、对于QSXGA具有256mm×264.8mm的尺寸。制造其中单侧曝光平面超过300mm尺寸的大尺寸立体造型三维物体已经非常困难。相比之下，本发明使用平面绘制掩模，如传统商用的液晶快门。在掩模图像与液晶快门的移动同步地以运动图像方式连续改变并且同时掩模相对于光硬化树脂组合物的表面连续移动的同时进行光照射。因此对于曝光平面(横截面轮廓图案)的尺寸没有限制，并且任意尺寸的光硬化横截面轮廓图案都可以形成。因此，就本发明来说，可以以很高的造型精度、以提高的造型速度并且以很高的生产率轻松制造其单侧超过300mm尺寸的大尺寸立体造型三维物体。
光源设置在平面绘制掩模的背面，并且从光源发出的光通过平面绘制掩模照射到光硬化树脂组合物的表面上。对于光源的类型没有特别的限制，并且可以使用任何光源，只要光源可以用于立体造型。例如，可以使用经济的一般用途的灯，如氙气灯、金属卤化物灯、水银弧光灯、荧光灯、卤素灯或白炽灯。于是，可以使立体造型装置使用经济并易于使用。
对于光源的形状、尺寸和数量也没有特别的限制。光源的形状、尺寸和数量可以根据平面绘制掩模的形状和尺寸以及将要形成的光硬化横截面轮廓图案的形状和尺寸适当选择。光源可以形成为类似，例如点、球、杆或平面。而且，点状或球状光源可以以一条直线或多条直线的形式设置在平面绘制掩模的背面。
光源还可以设置在平面绘制掩模的背面以至于可以与平面绘制掩模一起连续移动。为了提高造型精度和造型速度，减小装置的重量，并提高维修的容易性，光源可以静止设置在固定位置，并且从光源发出的光可以经由光导或另外的光学传导装置被引导到平面绘制掩模的背面。此外，传导装置，如光纤、光导等可以设置为可以与平面绘制掩模一起连续移动。
为了提高造型速度而通过使用多个光源聚集光由此获得高光能的方法也可以被采用。具体地说，当光纤或光导被使用时，就可能存在便于从所述多个光源聚集光的优点。
为了提高造型精度和造型速度，减小装置的重量，提高维修的容易性，并且削减装置的成本，优选的是，用于将来自光源的光适当引导至平面绘制掩模的装置(例如，聚光透镜、菲涅耳透镜等)和用于以很高精度在光硬化树脂组合物表面上的预定位置使平面绘制掩模形成的掩模图像(即由已经通过平面绘制掩模的光形成的图像)曝光的装置(例如，投影透镜、投影机透镜等)根据设置在平面绘制掩模背面的光源的类型、形状和数量以及平面绘制掩模的形状和尺寸设置。优选的是，这些装置设置为与平面绘制掩模的连续运动同步地连续移动。
对于本发明中使用的光硬化树脂组合物的种类没有特别的限制。可以使用液体光硬化树脂组合物、粉状光硬化树脂组合物和薄膜形光硬化树脂组合物。
在本发明中，可以使用的光硬化树脂组合物如果需要可以包括光引发剂、感光剂，以及迄今为止已经用于光学造型的一种或两种或更多种组合物；例如，各种低聚物，如氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物、环氧丙烯酸酯低聚物、酯丙烯酸酯低聚物和多官能环氧树脂；丙烯酸化合物，如丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯、二环戊烯基丙烯酸酯、二环戊烯基甲基丙烯酸酯、二环戊烯氧基丙烯酸乙酯、环戊烯氧基甲基丙烯酸乙酯、双环戊烷基丙烯酸酯、双环戊烷基甲基丙烯酸酯、丙烯酸冰片酯、甲基丙烯酸冰片酯、丙烯酸-2-羟基乙酯、丙烯酸环己酯、丙烯酸-2-羟基丙酯、苯氧基丙烯酸乙酯、吗啉丙烯酰胺、吗啉甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺等；各种单官能乙烯基化合物，如N-乙烯基-吡咯烷酮、N-乙烯基-己内酰胺、醋酸乙烯、苯乙烯等；多官能乙烯基化合物，如三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、环氧乙烷变性的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二醇双丙烯酸酯、四乙二醇双丙烯酸酯、聚乙二醇双丙烯酸酯、1，4-丁二醇二丙烯酸酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、双环戊烷基二丙烯酸脂、聚酯二丙烯酸酯、环氧乙烷变性的双酚A二丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、环氧丙烷变性的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、环氧丙烷变性的双酚A二丙烯酸酯、三(丙烯酰氧乙基)异氰脲酸酯；以及各种环氧基化合物，如氢化双酚A环氧甘油醚、3，4-环氧环己基甲基-3，4-环氧环己烷羧酸酯、2-(3，4-环氧环己基-5，5-螺-3，4-环氧基)环己烷-甲基-二噁烷、双(3，4环氧环己基甲基)己二酸酯等。
如果需要，本发明中使用的光硬化树脂组合物可以含有填充剂，如固体微粒或晶须。当使用含有填充剂的光硬化树脂组合物时，可以尝试通过减小硬化操作中的体积收缩而实现提高尺寸精度，并提高机械特性和抗热性。
用作填充剂的固体微粒包括，例如无机微粒，如碳黑微粒，和有机聚合物微粒，如聚苯乙烯微粒、聚乙烯微粒、聚丙烯微粒、丙烯酸树脂微粒、合成橡胶微粒等。可以使用这些微粒中的一种或两种或更多种。对于固体微粒的粒度没有特别的限制。一般说来，优选的是，使用具有200mm或更小的平均粒度，具体地说，100mm或更小的平均粒度的微粒。
优选使用的晶须包括具有0.3至1mm直径，具体地说，0.3至0.7mm尺寸；10至70mm长度，具体地说，20至50mm长度；以及10至100mm直径长度比，具体地说，20至70mm直径长度比的晶须。这里提到的晶须的尺寸和直径长度比是通过使用激光衍射/散射型粒度分布测量设备测量的数据。对于晶须的种类没有特别的限制。例如，可以是基于溴化铵的晶须、基于氧化铝的晶须、基于氮化铝的晶须、基于硫酸氧化镁的晶须、基于氧化钛的晶须等。可以使用一种或两种或更多种晶须。
当使用含有固体微粒和/或晶须的光硬化树脂组合物时，优选的是，固体微粒以光硬化树脂组合物总体积的5至70的体积百分比的比率包含。此外，优选的是，晶须的含量设定为5至30的体积百分比。当含有固体微粒和晶须时，优选的是，微粒和晶须的总含量相对于光硬化层的总体积为10至75的体积百分比。
可以通过使用硅烷耦合剂使固体微粒和/或晶须遭受表面处理或者可以不遭受表面处理。但是，优选的是，固体微粒遭受表面处理。当固体微粒和/或晶须已经通过使用硅烷耦合剂遭受表面处理时，可以获得具有更高热变形温度、更高弯曲模量和更高机械强度的光硬化物件。在这种情况下，可以使用迄今为止已经用于表面处理的任何一种硅烷耦合剂。氨基硅烷、环氧硅烷、乙烯基硅烷和(甲基)丙烯酸硅烷可以作为优选的硅烷耦合剂被提及。
(实施例)
下面将结合附图具体地说明本发明。但是，本发明不限于所述实施例。
图5至图8显示了用于本发明的立体造型方法(光学造型方法)中的立体造型装置(光学造型装置)的主要部分的特定实例。图9显示了在通过使用如图5至图8所示的光学造型装置根据本发明的方法进行光学造型时所需的步骤(操作过程)。
在图5至图9中，参考标记1表示光源；2表示聚光透镜；3表示平面绘制掩模。在平面绘制掩模中，参考标记3a表示其中液晶快门以平面方式布置的平面绘制掩模(在下文中有时称为“液晶平面绘制掩模”)；3b表示其中数字微镜快门以平面方式布置的平面绘制掩模(在下文中有时称为“DMD平面绘制掩模”)。此外，参考标记4表示投影透镜；5表示由光硬化树脂组合物的表面形成的造型面(一层的造型面)；5a表示造型面的一端；5b表示造型面的另一端；6表示在造型面上形成的曝光图像(光硬化树脂层)；7表示光学传导装置，如光纤或光导；8表示棒透镜；9表示成像透镜；并且10表示反射镜。
如图5至图9中所示，从光源1发出的光通过使用聚光透镜2照射以至于覆盖平面绘制掩模3(3a、3b等)的整个表面。
此时，如图5中所示，可以使从光源1发出的光通过棒透镜8和成像透镜9，然后由反射镜10反射，由此将光引导至聚光透镜2。如图6和图7中所示，光源1可以直接设置在聚光透镜2的背面，由此将从光源1发出的光直接引导至聚光透镜2。作为选择，如图8中所示，光源1可以设置在远离聚光透镜2的位置上，并且从光源1发出的光可以经由光传导装置7，如光纤或光导被引导至聚光透镜2。
在如图5至图7所示的系统的情况下，其中光源1设置在聚光透镜2的背面，光源1在光学造型过程中与聚光透镜2、平面绘制掩模3(3a、3b等)、投影透镜4、棒透镜8、成像透镜9和反射镜10一起沿着扫描方向连续移动。
如图8中所示，当从光源1发出的光经由光传导装置7，如光纤或光导被引导至聚光透镜2的背面时，光源1固定设置在预定位置上，并且柔性光传导装置7，如光纤或光导在光学造型过程中可以与聚光透镜2、平面绘制掩模3(3a、3b等)和投影透镜4一起沿着扫描方向连续移动。
对于光源1的类型和形状没有特别的限制。例如，如图5至图9中所示，光源可以具有圆形发光部分。作为选择，光源可以具有未说明的另外形状。如图5至图7中所示，优选的是，光源1朝向水平方向。
在光学造型操作过程中，与将要形成的光硬化树脂层的横截面轮廓图案地与平面绘制掩模的运动同步地连续改变的预定掩模图像动态形成于平面绘制掩模3(3a、3b等)上。因此，已经经由聚光透镜2照射到平面绘制掩模3(3a、3b等)的整个表面上的光经由预定掩模图像被允许通过或阻止(或者在DMD平面绘制掩模的情况下被反射)，其中预定掩模图像在由平面绘制掩模3(3a、3b等)每时每刻连续改变的同时形成。只有通过暴露(未遮蔽)区域的光经由投影透镜4被照射到由光硬化树脂组合物形成的造型面5上，于是预定形状图案的曝光图像(光硬化部分)6形成于造型面5上面。
对于平面绘制掩模3(3a、3b等)的形状没有特别的限制。可以根据将要制造的立体造型三维物体的形状和尺寸(具体地说，横截面轮廓图案和尺寸)采用适当形状的绘制掩模。平面绘制掩模3(3a、3b等)可以具有，例如图5至图9中所示的正方形或基本上为矩形的形状或另外的形状。
而且，还可以根据将要制造的立体造型三维物体的形状和尺寸(具体地说，横截面轮廓图案和尺寸)采用适当的尺寸作为平面绘制掩模3(3a、3b等)的尺寸。例如如图5至图9中所示，可以采用其宽度小于将要形成的预定光硬化横截面轮廓图案的总宽度(造型面的整个宽度)的平面绘制掩模3(3a、3b等)，由此使得能够制造大于平面绘制掩模3的预定光硬化横截面轮廓图案。
当液晶平面绘制掩模3a被用作所述平面绘制掩模3时，装置设计为与液晶平面绘制掩模3a的连续运动关联地根据将要形成的预定横截面轮廓和预先存储在计算机中的信息连续(动态)重复下面操作直到形成具有预定横截面轮廓的光硬化树脂层；即，在置于液晶平面绘制掩模3a中的多个微晶快门之间打开位于光将要通过的位置上的液晶快门以允许光透射并且关闭位于光不通过的位置上的液晶快门由此阻止光透射。
当DMD平面绘制掩模3b被用作所述平面绘制掩模3时，装置设计为与DMD平面绘制掩模3b的连续运动关联地根据将要形成的预定横截面轮廓和预先存储在计算机中的信息连续(动态)重复下面操作直到形成具有预定横截面轮廓的光硬化树脂层；即，在以平面方式设置的多个反射镜快门(mirror shutter)之间将位于光将要通过的位置上的特定反射镜快门定向为光朝向投影透镜4和透明平面5反射(引导)的方向，并且将位于光不通过的位置上的反射镜快门定向为光不朝向投影透镜4和透明平面5反射(引导)的方向。
当通过使用液晶平面绘制掩模3a或DMD平面绘制掩模3b进行光学造型时，计算机被编程使得平面绘制掩模显示掩模图像，此时在对应于绘制区域之间边界区域(重叠区域)的掩模区域中获得的透射到造型表面上或者从造型表面反射的光少于在其它掩模区域中获得的。因此，使照射到相邻绘制区域之间的边界区域上的光强度等于或近似于照射到除边界区域之外的其它区域上的光强度，由此防止绘制区域之间的边界区域(重叠区域)的过量光硬化。作为选择，计算机已经预先被编程，以至于在对应于绘制区域之间的边界区域的掩模区域中形成曲线掩模图像，由此，边界区域以曲线方式形成。在任何情况下，可以防止线条、条纹、脊线等出现在对应于最终获得的立体造型三维物体中边界区域的区域中，并且可以获得具有很高表面质量、很高尺寸精度并且不存在强度和硬度不均匀性的立体造型三维物体。
在如图5至图9所示的光学造型装置中，光源1或光传导装置7、棒透镜8、成像透镜9、反射镜10、聚光透镜2、平面绘制掩模3a或3b、投影透镜4被设计为在通过使光硬化树脂组合物的表面被光照射形成光硬化树脂层的光学造型操作过程中通过移动装置(未示出)相对于造型面5(光硬化树脂组合物的表面)以整体方式连续移动(沿如图5至图9所示箭头方向连续移动)。
如上所述，造型面5(光硬化树脂组合物的表面)被光照射，同时平面绘制掩模3(3a、3b等)的掩模图像(掩模图案)根据已经预先存储在计算机等中并且相对于掩模图像的信息并且与，例如如图9中所示将要形成的光硬化树脂层的预定横截面轮廓图案关联地与平面绘制掩模3(3a、3b等)的连续运动同步地连续、动态地改变。因此，具有预定横截面轮廓的光硬化树脂层(曝光图像6)连续形成。
图9显示了在通过使用平面绘制掩模3(平面绘制掩模3的宽度基本上为图9中所示情况下造型面5的宽度的一半)进行本发明的光学造型时所进行的一系列操作，其中平面绘制掩模3的宽度小于将要形成的预定光硬化横截面轮廓图案(曝光图像6)的整体宽度(或造型面5的整体宽度)。
首先，如图9中(1)所示，在光学造型的开始，平面绘制掩模3和投影透镜4定位为使得移动光的末端到达造型面5的端部5a。接下来，如图9中(2)至(5)所示，光源1(或光传导装置7)、聚光透镜2、平面绘制掩模3和投影透镜4朝向造型面5的另一个端部5b平行于造型面5连续移动。此时，对应于掩模图像的光被照射到造型面5上，由此形成曝光图像6，同时掩模图像根据将要形成的预定横截面图案连续、动态地改变。当光学造型操作已经进行到图9中所示阶段(5)时，将要形成的预定横截面轮廓图案的曝光图像6的一半形成。在该阶段，光源1(或光传导装置7)、聚光透镜2、平面绘制掩模3和投影透镜4移动到造型面5的剩下一半(图9中所示(6))。如图9中(6)至(10)所示，与上面所述操作类似的光学造型操作从造型面5的端部5b到造型面5的端部5a进行重复。通过该操作，可以形成具有将要形成的预定横截面轮廓图案的一层光硬化树脂层(曝光图像6)。
就图9中所示的光学造型方法来说，如此获得的立体造型三维物体具有图10中所示的横截面轮廓图案。如图10中所示，边界区域(重叠区域)“g”形成于右半光硬化造型图案部分与左半光硬化造型图案部分之间，其中右半光硬化造型图案部分通过图9中(1)至(5)所示的一系列平面绘制掩模3的连续移动与光照射形成，而左半光硬化造型图案部分通过图9中(6)至(10)所示的一系列平面绘制掩模3的连续移动与光照射形成。因此，使得照射到边界区域(重叠区域)“g”上的光的总强度等于或近似于照射到除边界区域(重叠区域)之外的其它区域的光强度(方法(i))，使边界区域“g”的形状为曲线(方法(ii))，和/或使边界区域(重叠区域)“g”的位置在竖直堆叠的各光硬化树脂层之间错开(方法(iii))。因此，可以防止或减小线条、条纹、脊线等出现在最终获得的立体造型三维物体中对应于重叠区域“g”的区域中。因此，可以获得具有很高表面质量和尺寸精度并且没有强度和硬度不均匀性的立体造型三维物体。
在进行图9中所示的一系列光学造型操作的时候，优选的是，光源1(或光传导装置7)的连续移动速度、聚光透镜2的连续移动速度、平面绘制掩模3的连续移动速度和投影透镜4的连续移动速度在形成一层光硬化树脂层(曝光图像6)的时候(即，在连续造型操作过程中)要均匀。此外，优选的是，在光学造型操作过程中，通过平面绘制掩模3和投影透镜4到达造型面5的光强度在边界区域(重叠区域)之外的区域中保持不变。
就本发明的光学造型方法来说，其中光学造型进行的同时平面绘制掩模3的掩模图像根据将要形成的光硬化树脂层的横截面轮廓图案(曝光图像6)与平面绘制掩模3的连续运动同步地连续、动态地改变，例如，如图9中所示小于预定横截面轮廓图案(曝光图像6)的平面绘制掩模3被使用。因此，可以轻松并且以很高的造型精度平滑地制造从小到大的各种尺寸的立体造型三维物体，同时由平面绘制掩模3投影到光硬化树脂组合物表面上的相邻微点区域之间的距离可以保持很小。另外，通过曝光形成的曝光图像6(光硬化树脂层)的单个部分(例如，由如图9中所示6a表示)没有仅仅通过单次曝光硬化。曝光图像在下面时间段内连续曝光，即经由投影透镜4照射到造型面5上并且连续改变的动态预定图案的光完全通过单个部分(例如，区域6a)，由此形成光硬化树脂层。因此，就本发明来说，即使在光学造型的过程中获得的照射光的前进速度增加，也可以进行充分的光硬化，并且可以在短时间内以很高的生产率制造目标立体造型三维物体。而且，就本发明来说，照射到所形成的曝光图像6(具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂)上单个部分上面的光量通过连续照射而均匀。因此，在使平面绘制掩模3保持静止而照射光的传统技术中产生的相邻曝光区域之间的不连续性和不均匀照射不会出现。整个横截面轮廓图案被均匀地曝光而不存在不均匀性，并且立体造型三维物体的尺寸精度和造型精度得到提高，并且强度上的不均匀性被消除。于是，获得很高的表面质量。
而且，就本发明来说，光学造型可以通过缩小投影屏幕的方式进行，因此可以相应地提高绘制分辨率。当缩小投影屏幕时，将提高绘制区域中每单位面积上的光强度，这将产生能够缩短曝光区域的曝光时间的优势。例如，假定使用具有5mJ硬化灵敏度的光硬化树脂组合物并且通过使用静止(固定)平面绘制掩模将光硬化树脂组合物集中曝光至250mm×250mm的尺寸而形成1mW/cm2的图像，那么这种情况下所需的曝光时间为5秒。该图像(曝光区域)被缩小至尺寸(125mm×125mm)并且尺寸上等于250mm×250mm的曝光层通过本发明的方法(连续移动平面绘制掩模并且与平面绘制掩模的连续移动同步地连续、动态地改变掩模图像)而最终形成。在这种情况下，与平面绘制掩模保持静止(固定)同时使曝光层集中曝光的情况相比，绘制分辨率变成4倍。此外，与集中曝光的情况相比，每单位面积的光强度也变成4倍，达到4mW/cm2。此时，通过连续移动使250mm×250mm的区域曝光所需的时间与集中曝光的情况一样为5秒。换句话说，由于本发明的方法通过使用缩小光学系统而实现，在与通过使用静止平面绘制掩模实现集中曝光的情况下获得的相同的造型时间段内，造型精度可以大大提高。
《第一实施例》
一种光学造型装置得到使用，该装置示于图5中，并且具有作为光源1的120W超高压水银灯和Casio Computer Co.，Ltd.制造的TFT型VGA(640×480像素)液晶。此外，由CMET Inc.制造的CPX-1000(2.5mJ的硬化灵敏度)被用作光硬化树脂组合物。在下面情况下，即在造型面5(光硬化树脂组合物的表面)上28.8mm(沿装置的前进方向)×38.4mm(与前进方向垂直的方向)的(矩形)投影尺寸、造型面5上2.5mW/cm2的光能强度，光源1、棒透镜8、成像透镜9、反射镜10、聚光透镜2、平面绘制掩模3和投影透镜4以28.8mm/sec的速度平行于造型面5沿前进方向以整体方式连续移动。在移动过程中，由液晶形成的平面绘制掩模3的掩模图像根据将要形成的预定横截面轮廓图案连续、动态地改变，由此制造具有图10中所示横截面轮廓图案(高度×宽度×深度＝70mm×70mm×15mm)的立体造型三维物体。在该光学造型操作过程中，光硬化层的单个部分的曝光时间为7秒，并且照射到除边界区域(重叠区域)之外其它区域上的光量为2.5mJ。图10中所示右边绘制区域与左边绘制区域之间的边界区域(重叠区域)“g”的宽度为6.8mm。由于在设置有梯度的各个连续移动和曝光步骤的过程中获得的液晶显示，照射到边界区域(重叠区域)“g”上的光量为1.25mJ。照射到最终获得的光硬化横截面轮廓图案中边界区域(重叠区域)“g”上的总光量为2.5mJ，与其它区域获得的相同。因此，可以以很高的造型速度平滑地制造没有线条、条纹或脊线出现在对应于边界区域(重叠区域)“g”的区域中并且具有很高表面质量和尺寸精度、不存在硬度不均匀性且具有很高强度的立体造型三维物体。
尽管已经结合特定实施例详细说明了本发明，但是，对于本领域的技术人员，很显然，可以在不脱离本发明的精神和范围的条件下对本发明进行各种改变或修正。
本专利申请是基于2003年9月11日提出的日本专利申请(JP2003-319572A)，其内容在此被引作参考。
<工业实用性>
本发明的立体造型方法和装置可以有效用于以很高的造型精度、以很高的造型速度并且以很高的生产率制造高质量的立体造型三维物体，其中在三维物体的表面中不会出现任何不期望的线条、条纹和脊线，并且三维物体具有很高的表面质量和尺寸精度并且不存在强度和硬度上的不均匀性。
本发明的立体造型方法和装置可以有效用于制造从小到大的各种类型的立体造型三维物体。
本发明的方法和装置使得能够以很高的造型速度、以很高的尺寸精度平滑地制造用于生产精密部件、电/电子部分、家具、建筑结构、汽车部件、各种容器、铸件、金属模具、主块的模型或机械加工模型；用于设计复杂热介质回路的部件；用于分析和设计复杂结构的热介质行为的部件；以及具有复杂形状和结构的其它各种类型的立体造型三维物体。

Claims (9)

1.一种用于形成立体造型三维物体的立体造型方法，该方法顺序重复下面的光学造型步骤直到形成预定的立体造型三维物体：以受控的方式通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射，由此形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层；在光硬化树脂层上面施加一层光硬化树脂组合物；并且以受控的方式通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射，由此进一步形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层；
所述方法包括：
将可以连续改变掩模图像的平面绘制掩模用作所述平面绘制掩模；
进行下面的造型操作：在至少一个光学造型步骤中相对于光硬化树脂组合物的表面连续移动平面绘制掩模，并且通过平面绘制掩模使光硬化树脂组合物的表面被光照射，同时根据将要形成的光硬化树脂层的横截面轮廓图案并且与平面绘制掩模的运动同步地连续改变平面绘制掩模的掩模图像，由此形成具有预定横截面轮廓图案的光硬化树脂层；以及
进行光学造型操作，其中基于存储在计算机中的有关与光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域相对应的掩模区域的信息显示掩模图像的预定图案，以使得所述边界区域在最终获得的立体造型三维物体中不显眼。
2.根据权利要求1所述的立体造型方法，其特征在于，通过进行下面提供的操作(i)至(iii)中的至少一者而使得最终获得的立体造型三维物体中的光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域不显眼：
(i)使照射到光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域上的光的总强度等于或近似于照射到除边界区域之外的其它区域上的光强度的操作；
(ii)使光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的形状为曲线形状的操作；以及
(iii)使竖直堆叠的各光硬化树脂层中的光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的位置错开的操作。
3.根据权利要求1所述的立体造型方法，其特征在于，其中以平面方式布置着可阻止或允许光透射进入微点区域的多个微光学快门的平面绘制掩模被用作所述平面绘制掩模；并且在光硬化树脂组合物的表面被光照射的同时，在平面绘制掩模的连续运动过程中根据将要形成的横截面轮廓图案通过所述多个微光学快门连续改变掩模图像。
4.根据权利要求3所述的立体造型方法，其特征在于，所述平面绘制掩模是其中以平面方式布置着液晶快门或数字微镜快门的平面绘制掩模。
5.一种立体造型装置，包括：
光硬化树脂组合物供应装置，其用于在载置台或光硬化树脂层上面顺序供应一层光硬化树脂组合物；
光源；
适于连续改变掩模图像的平面绘制掩模；
用于相对于光硬化树脂组合物的表面连续移动平面绘制掩模的移动装置；
用于与平面绘制掩模的运动同步地连续改变平面绘制掩模的掩模图像的装置；以及
用于使最终获得的立体造型三维物体中光硬化树脂层的相邻绘制区域之间的边界区域不显眼的装置，其基于存储在计算机中的有关与所述边界区域相对应的掩模区域的信息显示掩模图像的预定图案。
6.根据权利要求5所述的立体造型装置，其特征在于，用于使最终获得的立体造型三维物体中光硬化树脂层的相邻绘制区域之间的边界区域不显眼的装置是用于进行下面提供的操作(i)至(iii)中至少一者的装置：
(i)使照射到光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域上的光的总强度等于或近似于照射到除边界区域之外的其它区域上的光强度的操作；
(ii)使光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的形状为曲线形状的操作；以及
(iii)使竖直堆叠的各光硬化树脂层中的光硬化树脂层中相邻绘制区域之间的边界区域的位置错开的操作。
7.根据权利要求5所述的立体造型装置，其特征在于，平面绘制掩模是其中以平面方式布置着可阻止或允许光透射进入微点区域的多个微光学快门的平面绘制掩模。
8.根据权利要求5所述的立体造型装置，其特征在于，平面绘制掩模是其中以平面方式布置着液晶快门或数字微镜快门的平面绘制掩模。
9.根据权利要求5所述的立体造型装置，还包括：聚光透镜，其设置在光源与平面绘制掩模之间并且可以与平面绘制掩模同步地连续移动；以及投影透镜，其设置在平面绘制掩模与光硬化树脂组合物的表面之间并且可以与平面绘制掩模同步地连续移动。
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