[发明专利]逐层形成三维目标的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及在用于逐层形成三维目标的设备中使用的、一种在受像素的投影尺寸限制的图像投影系统中达到改进的壁光滑度和特性精度的技术，这种限制诸如是对于使用基于DMD或LCD的投影仪的光阀投影仪发生的。更具体地，本发明涉及一种用于通过利用使用随投影图像的灰度或时间或者这两者变化的曝光水平形成三维目标的设备和方法，以便在响应于由紫外线(UV)或可见光进行的曝光从可变硬的光聚合的介质形成的三维目标中得到在xy平面上和在z轴边缘的增强的光滑度、特性精度和更好的分辨率。 

背景技术

近年来，已开发出许多不同的快速产生三维模型的技术用于工业应用。这些立体成像技术有时被称为快速原型和制造(“RP&M”)技术。通常，快速原型和制造(“RP&M”)技术利用代表要形成的目标的截面的分片的数据组从工作介质逐层地构建三维目标。典型地，目标表示最初由计算机辅助设计(CAD)系统提供。 

立体平版印刷术-当前最通用的RP&M技术-是第一个商业上成功的、从CAD数据创建三维目标的立体成像技术。立体平版印刷术可被定义为用于从流体状的光聚合物构建材料利用在工作面上对材料的层的选择性曝光来固化和粘结目标的连续的层(即，分层)而自动制作三维目标的技术。在立体平版印刷术中，代表三维目标的数据作为-或被变换为-代表目标的截面的二维层数据被输入。光聚合物构建材料的层通过使用计算机控制的紫外线(UV)辐射激光束根据二维层数据被连续地形成并被有选择性地变换或硬化(即，固化)成连续 的分层。在变换期间，连续的分层被粘结到先前形成的分层，以允许整体形成三维目标。这是相加的过程。最近，立体平版印刷设计利用了数字化光处理技术，其中可见光引起聚合化反应以固化光聚合物构建材料(即，也称为树脂)。 

立体平版印刷术代表了一种不用工具快速制作复杂的或简单的部件的前所未有的方法。由于这种技术取决于使用计算机来生成它的截面图案，所以有与CAD/CAM的自然数据链接。这样的系统会遇到并且必须克服与收缩、弯曲和其它变形以及分辨率、精度有关的困难和在产生某些目标形状时的困难。虽然立体平版印刷术本身已经表现为用于形成三维目标的有效技术，但随着时间也开发出了其它立体成像技术，解决在立体平版印刷术中固有的困难以及提供其它RP&M优点。 

这些替代技术，连同立体平版印刷术一起，一同被称为立体自由形状制作或立体成像技术。它们包括分层的目标制造(LOM)、激光烧结、熔化沉积建模(FDM)，以及各种基于喷墨的系统，以便将液体粘结剂传送到粉状材料或构建材料，通过温度改变或光固化处理而被固化。每个这些附加技术在精度、构建速度、材料特性、降低成本、和构建目标的外观的一项或多项方面带来各种改进。 

在立体成像或立体自由形状制作发展的同时，二维成像工业开发出了在屏幕上或者在印刷工业的情况下，在接收基片上移位投影图像的方法。这些方法解决了数字光投影仪产生粗分辨率的图像的基本问题。数字光投影仪典型地对于10.24英寸×7.68英寸的图像尺寸只投影每英寸100个像素，所以它们的分辨率受像素尺寸限制。照相印刷工业具体地利用移位二维图像的技术，通过各种技术提高分辨率，包括移动光源或光阀。其它方法包括移动或移位照相纸，使用偏振或双折射板，以及在图像投影系统的情况下使用多个空间光调制器。所有这些系统解决当投影重新定尺寸的数字图像时图像失真的固有限制，或者诸如液晶显示器(LCD)或数字微镜面器件(DMD)那样的光阀投影仪具有固定数目的像素的问题。试图对于在立体成像应用中的数字图像 投影利用图像移位技术，因为产生目标的三维外观，带来独特的问题。二维数字图像投影在被应用到三维立体成像时的问题引起错误的特性放置、特性细节的潜在损失、以及在目标的弯曲或边缘处的光滑度被构建为粗糙化或不均匀并被很差地限定。最近，开发出了使用像素移位的技术以解决这个问题。然而，这些方法存在需要多次曝光各个像素的缺陷，由此固有地减慢了处理过程，并且需要机械硬件来完成像素移位。另外，当对于诸如像素移位那样的技术使用多次曝光时，必须要解决对准问题，以保证正确地布置曝光区域，以得到最大的分辨率和想要的边缘光滑度。 

最后，虽然作出了很大的改进，但还没有一种现有的立体自由形状制作方法能实现在短的构建时间内产生高度精确的和视觉表现的三维目标的真正的低成本系统。