用于制作三維物體的方法和自由成形制造系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：用于制作三維物體的方法和自由成形制造系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通過使包括填料和粘合劑的可固化材料固化來制作至少一 個(gè)三維物體的方法和裝置。該方法和裝置特別適用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如，用于制作移植物、骨 頭替代品，特別是用于制作牙齒產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
已知的通過使可固化材料固化來制作至少一個(gè)三維物體的方法和裝置有時(shí)被稱 為快速成型和制造技術(shù)，并且有時(shí)，它們被更具體地稱為立體光刻、激光燒結(jié)、熔融沉積成 型、選擇性光調(diào)制等，但是并不限于這些。以下，將本領(lǐng)域的方法、裝置和系統(tǒng)共同稱為“自 由成形制造”。有時(shí)，尤其是在提供通過自由成形制造形成的強(qiáng)度更高的三維物體的情形下，將 被固化的材料包括填料和粘合劑，并且還可對作為結(jié)果而獲得的被固化的合成產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn) 一步的處理或者不進(jìn)行進(jìn)一步的處理。例如，WO 03/059184A2描述了通過自由成形制造方法和系統(tǒng)制作牙齒修復(fù)物和其 它定制物體，涉及需要沉積包括光固化材料和陶瓷材料的層和選擇性地將該層曝光于期望 圖案中的輻射。然而，發(fā)現(xiàn)在WO 03/059184A2和處理將被固化的合成材料的其它文檔中所述的 以前的自由成形制造系統(tǒng)不令人滿意。具體地講，如果要以可靠的方式制作出具有期望精 度和機(jī)械強(qiáng)度的通過自由成形制造技術(shù)制作的三維物體，則本發(fā)明人已識別出將被固化的 材料中與粘合劑混合的纖維填料的顆粒的存在遇到困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對這種需求而提出，目的是提供一種通過使包括填料和粘合劑的材料固 化來制作三維物體的方法和裝置，該方法或裝置就可靠性而言得到改進(jìn)。根據(jù)實(shí)施例，本發(fā)明提供一種用于制作三維物體的方法，該方法包括提供將 被固化的材料，該材料包括填料和粘合劑；按圖案或圖像將電磁輻射和/或增效激勵(lì) (synergistic stimulation)傳遞到構(gòu)建區(qū)域以用于使所述材料固化；其中，對所述將被 固化的材料的限定面積或體積選擇性地執(zhí)行所述電磁輻射和/或增效激勵(lì)的傳遞；并且其 中，在所述圖案或圖像內(nèi)和/或在所述材料的不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖像之間改變電磁輻 射/或增效激勵(lì)的能量密度。在針對使不同的第一材料和第二材料固化的系統(tǒng)的可替換實(shí)施例中，提供一種用 于制作三維物體的方法，該方法包括提供將被固化以用于生成期望的三維物體結(jié)構(gòu)的至 少一部分的第一材料，該材料包括填料和粘合劑；提供與所述第一材料不同的第二材料，該 材料被固化成期望的三維物體結(jié)構(gòu)的另一部分或者輔助支撐結(jié)構(gòu)；通過被選擇性地傳遞到 所述第一材料和第二材料的分別限定的面積或體積的電磁輻射和/或增效激勵(lì)來使所述 第一材料和第二材料固化；其中，在用于固化的所述第一材料和第二材料的所述分別限定的面積或體積之間改變電磁輻射和/或增效激勵(lì)的能量密度。本發(fā)明還提供一種自由成形制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括將被固化的材料，該材料包括 填料和粘合劑；電磁輻射和/增效激勵(lì)傳遞裝置，該裝置能夠按圖案或圖像將電磁輻射和/ 或增效激勵(lì)傳遞到構(gòu)建區(qū)域以用于使所述材料固化；其中，所述電磁輻射和/或增效激勵(lì) 傳遞裝置被設(shè)計(jì)為選擇性地將電磁輻射和/或增效激勵(lì)傳遞到所述將被固化的材料的限 定面積或體積；其中，在所述圖案或圖像內(nèi)和/或在所述材料的不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖 像之間改變電磁輻射和/或增效激勵(lì)的能量密度。同樣，在針對不同的將被固化的第一材料和第二材料的可替換實(shí)施例中，提供一 種自由成形制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括將被固化以用于生成期望的三維物體結(jié)構(gòu)的至少一部 分的第一材料，該材料包括填料和粘合劑；與所述第一材料不同的第二材料，該材料被固化 成期望的三維物體結(jié)構(gòu)的另一部分或者輔助支撐結(jié)構(gòu)；和電磁輻射和/或增效激勵(lì)傳遞裝 置，該裝置能夠選擇性地將電磁輻射和/或增效激勵(lì)分別傳遞到所述第一材料和第二材料 的限定面積或體積；其中，在所述用于固化的第一材料和第二材料的所述分別限定的面積 或體積之間改變電磁輻射和/或增效激勵(lì)的能量密度。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，本發(fā)明提供一種自由成形制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括將被 固化的材料，該材料包括填料和粘合劑；電磁輻射和/或增效激勵(lì)傳遞裝置，該裝置能夠傳 遞使得可通過所述材料的連續(xù)固化進(jìn)行三維物體的相加生成的電磁輻射/或增效激勵(lì)；其 中，所述電磁輻射和/或增效激勵(lì)傳遞裝置基于掩模曝光系統(tǒng)或投影系統(tǒng)。本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述實(shí)施例中的任何一個(gè)通過電磁輻射和/或增效激勵(lì) 由包括填料和粘合劑的可固化材料形成的自由三維物體。通過根據(jù)本發(fā)明的方法和制造系 統(tǒng)，獲得具有改進(jìn)的產(chǎn)品特性組合的三維物體，具體地，在后處理之前和之后，均可獲得遍 布整個(gè)物體(雖然通過相加生成方法形成)的均勻的機(jī)械強(qiáng)度與高尺寸精度組合的三維物 體，特別是如果后處理為燒結(jié)。以下將對原理、優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)的描述。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)現(xiàn)，根據(jù)與精確固化或者區(qū)別固化特別相關(guān)的特定面積或體積中 的電磁輻射和/或增效激勵(lì)的條件，限定構(gòu)建區(qū)域的面積或體積的部分中的固化行為關(guān)鍵 地受顆粒或纖維填料物質(zhì)的存在(可能地，類型)或者不存在的影響?？筛鶕?jù)本發(fā)明通過 主動地、選擇性地控制通過電磁輻射和/或增效激勵(lì)傳遞的能量密度(還被已知為以J/m2 或mj/cm2或mW/dm2為單位測量的“曝光能量密度”，以下簡要地表示為“能量密度”)來很 好地調(diào)整影響相關(guān)方法和產(chǎn)品特性的機(jī)制。通過至少部分改變的能量密度，可制作出這樣 的三維物體，該三維物體具有起良好平衡的抗衡作用的屬性，例如，均勻的機(jī)械強(qiáng)度和高尺 寸精度，即，避免可由顆粒或纖維填料對電磁輻射和/或增效激勵(lì)行為的不同影響而引起 的局部扭曲(distortion)。根據(jù)本發(fā)明，能量密度的改變意味著，至少在曝光圖案或圖像 的部分中，或者至少在不同構(gòu)建區(qū)域的部分中，相對于未修改/未改變的曝光，存在能量密 度的主動空間修改。這個(gè)改變進(jìn)而又意味著，在三維物體的整個(gè)構(gòu)建區(qū)域或者不同的多個(gè) 構(gòu)建區(qū)域內(nèi)，存在這樣的部分，這些部分接收比其它部分小的用于主要固化的能量密度。可 在限定圖案或圖像的一部分中逐漸地、逐步地、選擇性地施加能量密度的改變，而保持其余 部分不修改/不改變，或者在相對于其它構(gòu)建區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)建區(qū)域中選擇性地施加 能量密度的改變，或者任意組合這兩種操作。假設(shè)根據(jù)相對于將形成的三維物體的整個(gè)構(gòu)建體積的具有X、Y和Z維度的選擇性曝光的面積或體積來限定構(gòu)建區(qū)域，則可在XY平面、 XZ平面、YZ平面或者其它結(jié)構(gòu)的平面或曲面中的投影圖案或圖像中施加能量密度的改變。 可替換地或者除此之外，可施加構(gòu)建區(qū)域內(nèi)的改變、將被固化的材料的不同構(gòu)建區(qū)域的圖 案或圖像之間的改變。如所指出的，在電磁和/或增效輻射的作用下，由于合成材料中所包 含的與粘合劑在一起的填料物質(zhì)的存在和/或空間位置和/或性質(zhì)，而使得根據(jù)本發(fā)明的 能量密度的主動改變變得特別相關(guān)(relevant)。根據(jù)本發(fā)明，可抵消和控制由電磁輻射和 /或增效激勵(lì)在特定位置引起的顆?；蚶w維填料的關(guān)鍵(critical)現(xiàn)象，包括，但不限于， 吸收、反射和/或散射現(xiàn)象。由于上述基于將被固化的包含與粘合劑混合的顆?；蚶w維填料的合成材料的使 用的特定情況，而使得可單獨(dú)根據(jù)或者組合根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)中的至少一個(gè)對電磁輻射和/或 增效激勵(lì)的能量密度的改變進(jìn)行控制，例如通過合適的控制單元或者通過手動操作來進(jìn)行 控制(i)將被固化的材料中所包含的填料的類型和/或量例如，根據(jù)填料是否吸收、反射或散射電磁輻射和/或增效激勵(lì)或者填料吸收、反 射或散射電磁輻射和/或增效激勵(lì)的程度，可根據(jù)構(gòu)建區(qū)域中固化將會發(fā)生的空間位置來 改變能量密度。例如，可在構(gòu)建區(qū)域內(nèi)吸收現(xiàn)象強(qiáng)于反射或散射現(xiàn)象的位置處增加能量密 度。相反，可在構(gòu)建區(qū)域內(nèi)反射和/或散射現(xiàn)象強(qiáng)于吸收現(xiàn)象的位置處減小能量密度。吸 收或反射/散射現(xiàn)象是否占優(yōu)勢可以，尤其是，依賴于填料的類型。因此，根據(jù)本發(fā)明的能 量密度的主動改變使得能夠適于使用多種不同的填料物質(zhì)，包括，但不限于，如以下更詳細(xì) 描述的陶瓷、玻璃、固態(tài)聚合物顆粒、金屬、金屬合金，并且包括修改形式，例如通過合適的 涂層使吸收性金屬顆粒反射，比如，通過蠟類(waxes)、偶聯(lián)劑、聚合物等使吸收性金屬顆粒 反射。本發(fā)明還允許考慮以顆粒(或粉末)或纖維形式存在的填料物質(zhì)的尺寸和/或量， 以及對制造過程期間的填料沉積這樣的情況作出響應(yīng)。而且，本發(fā)明提供這樣的優(yōu)點(diǎn)，即， 仍然使用利用適應(yīng)改變的能量密度的一種制造系統(tǒng)，可通過使用兩種或更多種將被固化的 不同材料來更可靠地制作三維物體，所述材料中的至少一種包括填料。(ii)粘合劑的類型和/或量同樣，對于構(gòu)建區(qū)域內(nèi)的特定位置，與填料物質(zhì)的特定類型和/或量組合，可根據(jù) 粘合劑的類型和/或量主動地影響關(guān)鍵固化標(biāo)準(zhǔn)，包括吸收、反射和/或散射現(xiàn)象。(iii)硬化深度發(fā)現(xiàn)，由于填料物質(zhì)的存在，特別是隨著其量增加，穿透深度(Dp)和引起凝膠化所 需的最小曝光劑量(E。)可沿著給定的硬化深度方向大幅度降低，除非執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的能 量密度的主動改變。在特定實(shí)施例中，可通過以下方式執(zhí)行能量密度改變，即，首先，在電 磁輻射和/或增效激勵(lì)撞擊構(gòu)建區(qū)域的表面(例如，包含填料物質(zhì)的光聚合或光固化樹脂 的表面)處選擇性地、主動地撤出能量密度，比如，通過冷卻或者通過干涉輻射撤出能量密 度，從而向著深度方向相對提高能量密度，第二，將曝光系統(tǒng)的焦平面移到遠(yuǎn)離前述表面的 面積或平面，第三，適當(dāng)?shù)丿B置電磁輻射和/或增效激勵(lì)場以將它們集中在某一期望的硬 化深度處，以及/或者，第四，應(yīng)用來自與意圖用于材料固化的電磁輻射和/或增效激勵(lì)的 曝光方向相對的一側(cè)的另外的紅外線電磁輻射(即，熱量)，以將溫度梯度與增加的硬化深 度處更高的溫度疊加。通過這些手段或者等同手段中的一種或多種，可抵制曝光表面區(qū)域
9處占優(yōu)勢的硬化，并使期望的硬化深度方向上的能量密度更均勻。(iv)下層或上層固化的包含填料的材料的存在或不存在根據(jù)先前固化的包含填料的材料是具有吸收特性還是具有反射和散射特性，可通 過合適的改變而考慮到這樣的下層/上層的包含填料的材料在特定位置的存在或不存在。 當(dāng)具有吸收性時(shí)，分別與圖案或圖像內(nèi)的其它部分相比，或者與不存在這樣的下層/上層 的固化的包含填料的材料的其它構(gòu)建區(qū)域(比如，在將形成的物體結(jié)構(gòu)的懸垂部分或腔體 部分處的構(gòu)建區(qū)域)相比，可通過相對高的能量密度使下層/上層部分有些過度曝光，而當(dāng) 具有反射和散射屬性時(shí)，可通過相對低的能量密度使它們有些曝光不足。(ν)將被固化的材料在構(gòu)建區(qū)域中的限定面積或體積的尺寸在特定的未修改的制造系統(tǒng)中，相對于較小的或者更纖細(xì)的曝光面積或體積，較 大的曝光面積或體積趨于每單位面積接收較大量的能量。這種趨勢可受曝光面積或體積中 的填料的存在的影響。因此，相對于共同曝光的較小構(gòu)建區(qū)域，具有較大尺寸的構(gòu)建區(qū)域的 至少部分面積或體積就能量密度而言可被曝光不足。(vi)電磁輻射和/或增效激勵(lì)到與將形成的三維物體的邊界區(qū)域相對的面積或 體積區(qū)域的傳遞這些不同的區(qū)域在吸收、反射和/或散射性能以及收縮性能方面表現(xiàn)出明顯不同 的特性。大致地講，在面積或體積區(qū)域內(nèi)這些特性相對各向同性地受到影響，但是在由當(dāng)時(shí) 存在的邊緣而引起的邊界區(qū)域處，這些特性相對各向異性地受到影響?？删褪褂镁哂蟹瓷浜蜕⑸涮匦缘奶沾商盍喜牧系那闆r作為示例進(jìn)行說明在使 面積或體積區(qū)域中材料的粘合劑在期望的硬化深度處固化所需的一定量的能量或能量密 度給定的情況下，在邊界區(qū)域中傳遞相對較少量的能量或能量密度，從而抵消由這樣的邊 界區(qū)域中的反射和散射現(xiàn)象引起的尺寸誤差，所述硬化深度典型地延伸到先前固化的材料 中。因此，可根據(jù)是構(gòu)建區(qū)域的面積區(qū)域還是構(gòu)建區(qū)域的邊界區(qū)域被曝光來選擇性地 控制能量密度的改變。(vii)將被固化的材料的粘度和/或流動性將被固化的材料的粘度和/或流動性特性可受到材料中的填料物質(zhì)的存在的強(qiáng) 烈影響，可包括，例如，液態(tài)、流態(tài)、觸變、半固態(tài)、糊狀、高粘度、中度粘度和低粘度狀態(tài)。這 些狀態(tài)可根據(jù)三維物體的整個(gè)構(gòu)建過程內(nèi)的狀態(tài)和時(shí)間點(diǎn)而改變，或者可在不同的構(gòu)建面 積或區(qū)域之間改變，或者可在整個(gè)構(gòu)建過程中所使用的第一可固化材料和第二可固化材料 之間改變。例如，構(gòu)建區(qū)域中或者構(gòu)建區(qū)域處、以及/或者物體載體中或者物體載體處、以 及/或者可固化材料載體/供給件中、可固化材料載體/供給件處或者可固化材料載體/ 供給件附近存在的實(shí)際粘度和/或流動性可明顯不同，尤其是位于物體載體(或者承載于 其上的先前固化的材料)和可固化材料載體/供給件之間的構(gòu)建區(qū)域中或者該構(gòu)建區(qū)域處 存在的實(shí)際粘度和/或流動性可明顯不同。本發(fā)明通過能量密度的相應(yīng)預(yù)設(shè)改動或者原位(in-situ)控制來使得可有效地 適應(yīng)這樣的改變狀態(tài)中的每種狀態(tài)。(viii)在材料固化期間實(shí)際構(gòu)建區(qū)域中發(fā)生的壓力和/或應(yīng)變與對(vii)的觀察類似的觀察適用于構(gòu)建區(qū)域中或者構(gòu)建區(qū)域處的應(yīng)變和/或接觸壓力的條件。這些特性可受到將被固化的材料中的填料物質(zhì)的存在的顯著影響。具體地 講，在位于物體載體(或者承載于其上的先前固化的材料)和可固化材料載體/供給件之 間的構(gòu)建區(qū)域中或者該構(gòu)建區(qū)域處，從壓力、應(yīng)變和材料流動性中選擇的條件變得密切相 關(guān)。也就是說，物體載體和/或可固化材料載體/供給件以彼此垂直和/或水平方式的移動 (用于至少在構(gòu)建區(qū)域中提供包含填料的可固化材料)將對前述壓力、應(yīng)變和材料流動性 的條件中的至少一個(gè)具有相關(guān)的影響，所述壓力、應(yīng)變和材料流動性是指可固化材料載體/ 供給件中或可固化材料載體/供給件處或者可固化材料載體/供給件附近、以及/或者構(gòu) 建區(qū)域中或者構(gòu)建區(qū)域處、以及/或者物體載體中或者物體載體處的壓力、應(yīng)變和材料流 動性。分別在可固化材料載體/供給件中、可固化材料載體/供給件處或者可固化材料載體 /供給件附近、以及/或者構(gòu)建區(qū)域中或者構(gòu)建區(qū)域處、以及/或者物體載體中或者物體載 體處的壓力或應(yīng)變太高或者太低，或者材料流動性太高或者太低，可對構(gòu)建過程造成損害。根據(jù)在固化包含填料的材料期間實(shí)際構(gòu)建區(qū)域中發(fā)生的壓力和/或應(yīng)變對能量 密度的預(yù)設(shè)和/或原位控制如此提供了自由成形制造系統(tǒng)的有效微調(diào)。在執(zhí)行本發(fā)明時(shí)，可通過理論考慮或者通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)來確定和弄清對于前述情形 (i)至(viii)或者對于其它情形的能量密度的被控改變。在制造系統(tǒng)適于使用還未經(jīng)實(shí)驗(yàn) 的將被固化的包含填料的材料的情況下，優(yōu)選實(shí)際測試或驗(yàn)證。因此，通過測試以上討論的 一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，可容易地對改變的能量密度(特別是曝光圖案或圖像的至少一部分中的 或者不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖像之間的選擇性過度曝光或曝光不足)的效果進(jìn)行測量。這 使得可根據(jù)整個(gè)制造過程中的各個(gè)構(gòu)建參數(shù)以及分別期望的將被固化的結(jié)構(gòu)及其周圍結(jié) 構(gòu)來進(jìn)行更精確的調(diào)整，所述構(gòu)建參數(shù)例如填料參數(shù)、粘合劑參數(shù)、粘度、流動性、期望的選 擇性硬化深度。電磁輻射和/或增效激勵(lì)的選擇性傳遞適于包括合適的源，該源能夠發(fā)射足以使 將被固化的材料固化的電磁輻射和/或增效激勵(lì)。根據(jù)本發(fā)明的通過電磁輻射和/或增效 激勵(lì)的固化可被理解為沒有光反應(yīng)的固化過程，例如，凝膠、熔融和/或燒結(jié)，但是更優(yōu)選 地，被理解為通過光反應(yīng)或者通過熱定形(thermal setting)反應(yīng)的凝膠和/或固化過程。 因此，可從以下組選擇粘合劑，該組包括惰性粘合劑；可沒有光反應(yīng)地或者有光反應(yīng)地實(shí) 現(xiàn)凝膠或固化的膠粘劑；和可通過光反應(yīng)實(shí)現(xiàn)凝膠或固化或硬化的光聚合物或輻射敏感樹 脂，其通常包括光聚合作用、交聯(lián)/或網(wǎng)絡(luò)形成過程。除了可通過電磁輻射和/或增效激勵(lì) 的選擇性傳遞進(jìn)行固化或硬化的這樣的粘合劑(第一粘合劑)之外，此外還可使用另外的 粘合劑(第二粘合劑)，該粘合劑不受電磁輻射和/或增效激勵(lì)的影響，或者受電磁輻射和 /或增效激勵(lì)的影響，但是為一種變型的粘合劑(比如，波長或強(qiáng)度不同)。用于選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵(lì)的裝置還優(yōu)選包括掩模投影儀和/或 投影單元，用于將電磁輻射和/或增效激勵(lì)選擇性地傳遞到將被固化的材料的限定面積或 體積?？赏ㄟ^另外的合適的組件將電磁輻射和/或增效激勵(lì)傳遞到構(gòu)建區(qū)域或者其部分， 所述組件包括，但不限于，光學(xué)元件、透鏡、快門、體素(voxel)矩陣投影儀、位圖生成器、 掩模投影儀、鏡和多鏡元件等。選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵(lì)的合適的輻射技術(shù) 的示例包括，但不限于，空間光調(diào)制器(SLM)、基于數(shù)字光處理(DLP )、DMD 、IXD、 ILA 、LCOS、SXRD等的投影單元、反射且透射的LCD、接線或矩陣發(fā)射的LED或激光二極 管、光閥、MEM、激光系統(tǒng)等。優(yōu)選使用DLP掩膜投影儀。
因此，在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例中，獨(dú)立地提供一種自由成形制造系統(tǒng)，該系 統(tǒng)包括將被固化的材料，該材料包括填料和粘合劑；電磁輻射和/或增效激勵(lì)傳遞裝置， 該裝置能夠傳遞使得可通過所述材料的連續(xù)固化進(jìn)行三維物體的相加生長的電磁輻射和/ 或增效激勵(lì)；并且其中，所述電磁輻射和/或增效激勵(lì)傳遞裝置基于掩模曝光系統(tǒng)或投影 系統(tǒng)。通過選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵(lì)，上述具有掩模單元和/或投影單元的 裝置特別適用于這個(gè)實(shí)施例。這樣的自由成形制造系統(tǒng)的很適于并且能夠以快速的、有效 率的和可靠的方式執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。與其它制作三維物體的系統(tǒng)相比，它制作出實(shí) 際具有高尺寸精度的物體(相對于所期望的標(biāo)稱尺寸)；并且它提供按照期望進(jìn)行設(shè)計(jì)和 相對于填料和粘合劑基體(matrix) 二者選擇材料的高度自由。此外，這種優(yōu)選的自由成形 制造系統(tǒng)提供自己的有用實(shí)施例與能量密度的改變無關(guān)地，可根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)中的至少一 個(gè)通過預(yù)先設(shè)置或者通過控制單元分別設(shè)置或者控制電磁輻射和/或增效激勵(lì)傳遞裝置 的能量密度(i)將被固化的材料中所包含的填料的類型、尺寸和/或量；(ii)將被固化的材料中所包含的粘合劑的類型或量；(iii)硬化深度；(iv)下層被固化的、包含填料的材料的存在或不存在；(ν)所述將被固化的材料的限定面積或體積的尺寸；(vi)電磁輻射和/或增效激勵(lì)到將形成的三維物體的面積區(qū)域或邊界區(qū)域的傳 遞；(vii)將被固化的材料的粘度和/或流動性；和(viii)在材料固化期間實(shí)際構(gòu)建區(qū)域中發(fā)生的壓力和/或應(yīng)變。這里，對參數(shù)的設(shè)置或者控制可在制造之前根據(jù)將所使用的材料(特別是就(i) 和(ii)的情形而言)或者根據(jù)期望的構(gòu)建參數(shù)(特別是就(iii)的情形而言)通過合適的 預(yù)設(shè)來實(shí)現(xiàn)，在構(gòu)建規(guī)劃期間根據(jù)整個(gè)過程的狀態(tài)或時(shí)間點(diǎn)(特別是就(iii)至(vi)中的 任何一個(gè)情形而言)通過合適的預(yù)設(shè)來實(shí)現(xiàn)，或者通過原位測量和反饋控制(特別是使用 比如合適的傳感器(例如流測量器件、壓力傳感器或應(yīng)變傳感器)的(viii)的情形而言) 來實(shí)現(xiàn)。合適的傳感器例如為流量計(jì)、例如壓電器件的力傳感器、應(yīng)變計(jì)、微分壓力傳感器、 觸摸傳感器、位移傳感器或者任何其它已知的或者研發(fā)的壓力或應(yīng)變傳感器。當(dāng)可固化材料被放在合適的載體或供給件中或者合適的載體或供給件上時(shí)，對該 材料進(jìn)行選擇性傳遞。本發(fā)明中所使用的可固化材料載體/供給件的合適的示例包括，但 不限于，容納可固化材料的容器或缸、或者運(yùn)送可固化材料的撓性的和/或干凈的和/或有 彈性的膜/箔。當(dāng)該材料被實(shí)施為膜時(shí)，則可在固化步驟之前、期間或者之后通過合適的膜 傳送技術(shù)來傳送該材料?？蓛Υ孑^大量的可固化材料，并從儲存庫或者可固化材料盒供應(yīng) 這些可固化材料以運(yùn)送給可固化材料供給件。此外，在合適的載體或支撐件上可承載生長的連續(xù)或斷續(xù)構(gòu)建的三維物體。通常 可在制造系統(tǒng)中可移動地布置物體載體/支撐件以使得可在空間上控制與將被固化的材 料的關(guān)系?？商鎿Q地或者與其組合地，可按與物體載體/支撐件(從而與先前固化的物體) 的空間受控關(guān)系可移動地布置可固化材料載體/供給件。當(dāng)應(yīng)用本發(fā)明的原理時(shí)，各種變 型是可行的。
能夠以各種合適的方式相對于將被固化的材料及其供給件和/或載體布置上述 用于傳遞電磁輻射和/或增效激勵(lì)的源和另外的光學(xué)元件。例如，可這樣進(jìn)行布置，即，從 構(gòu)建區(qū)域或者可固化材料載體/供給件上方傳遞電磁輻射和/或增效激勵(lì)(在這種情況 下，用于承載制作的三維物體的載體通常位于構(gòu)建區(qū)域或者可固化材料載體/供給件下 方)，或者從構(gòu)建區(qū)域或者可固化材料載體/供給件下方傳遞電磁輻射和/或增效激勵(lì)(在 這種情況下，用于承載制作的三維物體的載體通常位于構(gòu)建區(qū)域或者可固化材料載體/供 給件上方)。再次，各種變型是可行的。例如可根據(jù)具有X、Y、Z方向上的期望尺寸(包括，但不限于，XY平面和面積、XZ 平面和面積、YZ平面和面積以及任何x、Y、z體積)的構(gòu)建平面/面積或者構(gòu)建體積來形成 構(gòu)建區(qū)域。構(gòu)建面積可以是平坦的，但是不必是平坦的。此外，構(gòu)建區(qū)域可形成為層、剖面、 矩陣或者任何其它形式，所述矩陣?yán)琰c(diǎn)矩陣、行矩陣、特別是體素矩陣。最后可通過相加 生成方法來形成期望的三維物體，所述相加生成方法涉及材料在各個(gè)構(gòu)建區(qū)域中的連續(xù)固 化。根據(jù)本發(fā)明，能夠以各種方式或手段將能量密度傳遞到曝光圖案或圖像和/或?qū)?被固化的材料的不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖像。為了使得能量密度的改變有效率和可控，電 磁輻射和/或增效激勵(lì)的選擇性傳遞優(yōu)選基于包括預(yù)定數(shù)量的離散成像元件或像素的成 像單元，并通過以選擇性方式控制離散成像元件或像素來執(zhí)行能量密度的改變。對改變能 量密度曝光有利的優(yōu)選曝光系統(tǒng)是使用體素矩陣，根據(jù)本發(fā)明體素矩陣被定義為固化的體 素(立體像素)的光柵(rastered)布置，其中，體素成像像素矩陣的圖像點(diǎn)，每個(gè)體素的硬 化深度依賴于每個(gè)圖像點(diǎn)輸入的能量。前述曝光系統(tǒng)特別適用于立體光刻的自由成形制造 方法。根據(jù)本發(fā)明，可通過合適的方式或手段改變電磁輻射和/或增效激勵(lì)的能量密 度。特別優(yōu)選的方式或手段單獨(dú)地或者組合地包括以下項(xiàng)(a) 一個(gè)或多個(gè)構(gòu)建區(qū)域的XY、XZ、YZ維度內(nèi)的或者Z方向上的各種曝光時(shí)間。例 如，這也可通過使用具有合適定時(shí)的選擇性快門或者選擇性掩模曝光來實(shí)現(xiàn)。(b)圖案或圖像的至少部分或者不同構(gòu)建區(qū)域中的至少一個(gè)的圖案或圖像的多次 曝光的數(shù)量。例如，這可通過應(yīng)用將形成的三維物體的一定剖面面積或者其它構(gòu)建區(qū)域的多次 掩模曝光來執(zhí)行，其中，多個(gè)掩模各自的部分優(yōu)選重疊，以用于所選擇面積或區(qū)域的過度曝光。(c)曝光圖案或圖像的一個(gè)或多個(gè)部分中的或者不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖像之間 的能量密度的分級。可通過將特定灰度值或者顏色值分配給圖案或圖像的相應(yīng)部分或者多個(gè)構(gòu)建區(qū) 域中的一個(gè)構(gòu)建區(qū)域來最有效率地執(zhí)行這個(gè)分級?；叶戎祷蝾伾邓峙涞牟糠窒鄬τ谌?亮度值相應(yīng)地被曝光不足，而相對于黑色值被過度曝光。在像素矩陣或者體素矩陣系統(tǒng)中， 逐像素地進(jìn)行灰度值或顏色值分配最有效率。由于在使用將被固化的包含填料的材料時(shí)能 量密度的分級將易于處理和高精度的實(shí)現(xiàn)組合起來，所以優(yōu)選單獨(dú)應(yīng)用這個(gè)實(shí)施例或者與 其它改動手段組合應(yīng)用這個(gè)實(shí)施例。(d)焦平面或焦點(diǎn)在構(gòu)建區(qū)域內(nèi)的位置
通常，焦平面或焦點(diǎn)，特別是使用用于選擇性地傳遞到將被固化的材料的限定面 積或體積的掩模曝光或投影單元的系統(tǒng)中的焦平面或焦點(diǎn)與將被固化的材料的表面一致。 然而，將這種通常布置修改成所應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)的焦平面或焦點(diǎn)與這個(gè)表面分隔，即，將該 焦平面或焦點(diǎn)主動變成位于這個(gè)表面下方的特定深度處，相對于未修改/未改變的通常系 統(tǒng)，這將使該表面曝光不足，并使相應(yīng)深度區(qū)域過度曝光，以抵制合成材料、尤其是表面區(qū) 域中的填料物質(zhì)的高能量吸收率。(e)應(yīng)用電磁輻射和/或增效激勵(lì)的第二源或第二傳遞。例如，電磁輻射和/或增 效激勵(lì)的第二源或第二傳遞可通過雙重或多重照射系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，所述雙重或多重照射系統(tǒng) 包括兩個(gè)或更多個(gè)輻射源的使用，這些輻射源分別具有相同或不同的波長。在這個(gè)實(shí)施例 中，可將第二或另外的照射源選擇性地引向圖案或圖像的這些部分或者其它構(gòu)建區(qū)域中如 以上所說明的需要在期望的空間位置處被過度曝光的那個(gè)構(gòu)建區(qū)域?？商鎿Q地，一般的紅 外線(IR)加熱源可用于基本能量密度的一般傳遞，而將用于傳遞用于使材料固化的電磁 輻射和/或增效激勵(lì)的特定源選擇性地應(yīng)用于圖案或圖像內(nèi)的那些部分或者其它構(gòu)建區(qū) 域中需要被另外的能量密度曝光的那個(gè)構(gòu)建區(qū)域。電磁輻射和/或增效激勵(lì)的第一和第二 或另外的源或傳遞可位于與構(gòu)建區(qū)域相同的一側(cè)或者不同的一側(cè)。此外，可分別按相同的 方向或者不同的方向定位第一和第二或另外的電磁輻射和/或增效激勵(lì)的傳遞。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，任何改動或者以上改動實(shí)施例的組合是可能的且可行的。根據(jù)本發(fā)明的要與粘合劑混合以提供要被固化的材料的填料通常為固態(tài)或基 本固態(tài)的物質(zhì)，可包括，但不限于陶瓷物質(zhì)，例如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯、其它過渡金 屬的陶瓷氧化物(例如氧化鈦、氧化鉿、稀土金屬氧化物、尖晶石型雙金屬氧化物陶瓷) 或者其混合物；金屬陶瓷；硅酸鹽、鋁硅酸鹽、磷灰石、氟磷灰石(fluoroapatite)、羥磷 灰石(hydroxylapatite)、磷酸鹽(例如，磷酸三鈣、磷酸鈣鎂、磷酸鈣銨)、多鋁紅柱石 (mullite)、尖晶石(spinels)、以及其混合物；玻璃材料，例如硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、 石英玻璃、以及其混合物；金屬和金屬合金，例如不銹鋼、鈦或鈦合金、鎳合金、銅或銅合金 (例如黃銅(70%銅、30%鋅)、鋁或鋁合金、鐵或鐵合金、和其混合物；固態(tài)聚合物或共混聚 合物，例如聚合丙烯酸樹脂和其混合物或共聚物、像聚亞安酯/聚丙烯酸脂、丙烯腈/ 丁二 烯/苯乙烯聚合產(chǎn)物(ABS)、環(huán)氧化物和其共聚物、尼龍和其混合物或共聚物、聚酰胺彈性 體(elatomers)和其混合物、以及其它填料物質(zhì)。在就實(shí)現(xiàn)高機(jī)械強(qiáng)度、與高尺寸精度組合 的良好均勻性而言對牙科應(yīng)用特別有利(尤其是當(dāng)方法包括例如燒結(jié)、從而從第一圓周尺 寸變換到第二圓周尺寸的后處理時(shí))的優(yōu)選實(shí)施例中，填料物質(zhì)為陶瓷粉末，優(yōu)選為包括 從氧化鋁、氧化鋯或其混合物中選擇的陶瓷材料的粉末。特別優(yōu)選的陶瓷粉末包括從單斜 或非單斜氧化鋯、氧化釔摻雜的或穩(wěn)定的四方單斜晶系或非單斜晶系、單相或非單相氧化 鋯(即，包含3-5mol-% Y2O3的&02)、特別是3YTZP中選擇的陶瓷材料。填料成分還可包括一種或多種添加劑，例如，但不限于，分散劑、例如顏料的染料、 例如燒結(jié)助劑或穩(wěn)定劑的后處理輔助添加劑，等等。填料可在用于固化的電磁輻射和/或增效激勵(lì)的作用下使自身共同熔融或者共 同燒結(jié)(比如，尤其是當(dāng)使用聚合物填料時(shí))。另一方面，優(yōu)選地，相對于使與填料混合的粘 合劑固化的級別的電磁輻射和/或增效激勵(lì)，填料本身是惰性的，但是在稍后描述的后處 理中仍然可共同熔融或者共同燒結(jié)(比如，當(dāng)使用陶瓷、玻璃或金屬/金屬合金時(shí))。
填料可以是顆粒、粉末、纖維、網(wǎng)、支架(scaffold)等形式。特別優(yōu)選的填料的顆 粒形式為具有合適顆粒尺寸的粉末，優(yōu)選地為球形或基本球形，進(jìn)一步優(yōu)選地，平均顆粒尺 寸的范圍為約0. 001 μ m至100 μ m，更優(yōu)選地，該范圍為約0. 01 μ m至50 μ m，特別地，該 范圍為約0. ιμπι至 ομπι。關(guān)于填料的絕對顆粒尺寸的分布，其范圍可以為從約Inm至 1000 μ m或更大，更優(yōu)選地，從約0. 1 μ m至100 μ m。通過使用相同或不同的填料材料，填料 可具有單峰、雙峰或三峰尺寸分布。從當(dāng)曝光于電磁和/或增效輻射時(shí)自身可使合成材料固化的物質(zhì)中合適地選擇 根據(jù)本發(fā)明的用于將被固化的材料的粘合劑物質(zhì)。如此選擇的粘合劑可以不必是通過光反 應(yīng)固化，而是可通過例如凝膠的其它機(jī)制固化，或者它可利用通過電磁和/或增效輻射的 活化作用之后的化學(xué)反應(yīng)固化，該化學(xué)反應(yīng)可能與其它共同反應(yīng)物一起。這種類型的粘合 劑的合適示例為膠粘劑，包括，但不限于，蠟類和變型蠟類、例如環(huán)氧化物的熱聚合樹脂等。 在使將被固化的材料固化之前可不施加膠粘劑的膠粘屬性，從而使包含顆?；蚶w維填料的 部分結(jié)構(gòu)連續(xù)地附著在一起，從而在甚至不執(zhí)行光固化反應(yīng)的情況下構(gòu)成三維物體，所述 部分結(jié)構(gòu)例如層、絲條(strand)、點(diǎn)或其它結(jié)構(gòu)或支架。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，粘合劑包含從光聚合物和熱硬化樹脂中選擇的至少一種，特別 是當(dāng)受到感興趣的電磁輻射和/或增效激勵(lì)時(shí)硬化的光聚合物。因此，將被用作粘合劑材 料的光聚合物可包括，但不限于包含丙烯酸鹽和/或甲基烯酸鹽的化合物(例如，單_、 二-、三-、四-、五丙烯酸(pentaacrylate))、諸如烷基或烷氧基(甲基)丙烯酸鹽，具有短 或長鏈烷基酯基團(tuán)的(甲基)丙酸烯酯，比如，烷基乙二醇二(甲基)烯酸鹽；包含環(huán)氧基 團(tuán)的化合物；包含乙烯基基團(tuán)的化合物或者包含乙烯醚基團(tuán)的化合物；聚硅氧烷；等等，以 及其混合物。或者，可使用熱硬化聚合物物質(zhì)，例如包含環(huán)氧基團(tuán)的化合物，其優(yōu)選受響應(yīng) 于光和/或熱而分解的胺基團(tuán)保護(hù)。根據(jù)本發(fā)明的將被固化的合成材料還可包含輔助劑，分別單獨(dú)地或者組合地 包括，但不限于可根據(jù)電磁和/或增效輻射的期望波長選擇的光敏引發(fā)劑，例如2-芐 基-2- 二甲基氨基-l-(4-嗎啉苯基)丁酮、1，2，2’ -二甲氧基-2-苯基苯乙酮、二咪唑 (bisimidazole)、苯甲酮、α -氨基酮、氧雜蒽、芴、熒光酮、二茂絡(luò)鐵等；共同引發(fā)劑和/或 活性劑，例如噻噸酮(比如，異丙基噻噸酮1-氯-4-丙氧基噻噸酮)、4_苯甲酰-4'-甲 基二苯硫醚、乙基-P- 二甲氨基苯甲酸甲酯、N, N- 二烷基-甲苯胺或-苯胺、苯甲酮、二芳 基化合物、硼酸鹽、亞磷酸鹽等；流變學(xué)調(diào)整劑；粘度調(diào)整劑；稀釋劑；溶劑；著色劑，例如染 料和/或顏料；觸變劑；增稠劑；穩(wěn)定劑；偶聯(lián)劑；貼邊(welting)劑；分散劑；潤滑劑；膠粘 劑；造孔劑等。可以以合適的形式提供將被固化的材料，包括，但不限于，液態(tài)、流態(tài)、觸變、半 固態(tài)、糊狀、高粘度、中度粘度和低粘度材料。優(yōu)選地，但絕不是限制，它的粘度范圍為約 0. IPa · s 至 5X IO3Pa · s,優(yōu)選地，約 0. 2Pa · s 至約 IXlO3Pa · s,更優(yōu)選地，IPa · s 至 200Pa · s，特別是，IOPa · s至IOOPa · s,以上粘度范圍分別在25°C時(shí)測量。填料物質(zhì)在將被固化的整個(gè)材料中的合適含量范圍為約0. 5% (重量)至99. 9% (重量)，優(yōu)選地，約(重量)至約99% (重量)，更優(yōu)選地，10% (重量)至85% (重 量)，特別是50% (重量)以上至85% (重量)，還更優(yōu)選地，70% (重量)至80% (重 量)O
在固化之后，還可對如此制作的三維物體進(jìn)行一種或多種后處理。從后硬化、去粘 合(debinding)、熔融和燒結(jié)中單獨(dú)或者組合選擇合適的后處理?？赏ㄟ^大體上曝光于合 適的電磁和/或增效輻射，例如，微波照射來執(zhí)行后硬化?？赏ㄟ^合適的熱處理來執(zhí)行合適 的用于移除或基本移除粘合劑或者合成材料中除了填料物質(zhì)之外的另一成分的去粘合過 程，所述合適的熱處理例如為，至少200°C的范圍(例如200°C -600°C )的熱處理，該熱處 理可在普通大氣、惰性氣體氣氛和/或真空下進(jìn)行。可在對所使用各種填料物質(zhì)進(jìn)行調(diào)整 的溫度下執(zhí)行熔融和/或燒結(jié)，適宜溫度低于填料物質(zhì)的熔點(diǎn)。例如，對于金屬或金屬合 金填料，可在約1050°C和1450°C之間的溫度，特別是約1150°C和1300°C之間的溫度下執(zhí)行 燒結(jié)，可根據(jù)最初被用作填料的粉末的顆粒尺寸分布和/或最終燒結(jié)產(chǎn)品的期望密度在約 900°C至約1850°C之間的溫度下對陶瓷填料材料進(jìn)行燒結(jié)，更特別地，在約900°C和1700°C 之間的溫度下對陶瓷填料材料進(jìn)行燒結(jié)。溫度處理方案可包括被控的加熱速度和依照要求 的合適的冷卻速度，所述加熱速度的范圍例如為0. I-IO0C /min，更優(yōu)選地，在使物體長時(shí) 間保持在前述溫度范圍內(nèi)的同時(shí)，加熱溫度范圍為0. 2-20C /min?？稍谶x擇合適的溫度和 時(shí)序的同時(shí)，彼此連續(xù)或者斷續(xù)地或者以任何組合在不同的步驟中分別執(zhí)行去粘合和燒結(jié) 的后處理。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選系統(tǒng)包括使用用于傳遞電磁輻射和/或增效激勵(lì)的掩模曝光 系統(tǒng)或投影系統(tǒng)的自由成形制造系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上，在固化之后，對獲得的三維物體進(jìn)行燒 結(jié)，以獲得期望的最終的三維尺寸。在相加或生成過程之后，后處理可很好地導(dǎo)致通常更小 的第二圓周尺寸，特別是在燒結(jié)狀態(tài)下可導(dǎo)致通常更小的第二圓周尺寸，所述相加或生成 過程包括用于在未經(jīng)處理的狀態(tài)下獲得具有第一圓周尺寸的三維物體的全部固化。當(dāng)將被 固化的材料除了粘合劑之外還包括陶瓷填料時(shí)，應(yīng)用這個(gè)實(shí)施例特別有利。本發(fā)明使得可基于前面定義的包括填料和粘合劑的合成材料獲得自由形成的三 維物體，以使作為結(jié)果而獲得的物體可具有優(yōu)良的均勻的機(jī)械強(qiáng)度。因此，可使通過自由成 形制造系統(tǒng)形成的三維物體內(nèi)的機(jī)械強(qiáng)度均勻，該三維物體的物體內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大為10% 或更低，優(yōu)選最大為5%或更低，更優(yōu)選最大為2%或更低，甚至或更低，該標(biāo)準(zhǔn)偏差通 過下述方式來確定，即，測量所形成的物體內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)，優(yōu)選至少5個(gè)點(diǎn)，通常為10個(gè)點(diǎn)處 的機(jī)械強(qiáng)度屬性(通常為撓曲強(qiáng)度)，并確定相對于所測量的點(diǎn)的平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。本 發(fā)明的特別特征在于，可以以高水準(zhǔn)與相反的權(quán)衡(opposite trade-off)屬性(即，尺寸 精度)唯一組合地獲得前述均勻的機(jī)械強(qiáng)度。從而，可將高水準(zhǔn)的前述均勻的機(jī)械強(qiáng)度與 相對于用于設(shè)計(jì)三維物體的模型的標(biāo)稱空間尺寸(例如長度、寬度、對角線等)的最大為 5%的尺寸精度組合起來，更優(yōu)選地，所述尺寸精度最大為2%，仍更優(yōu)選地，最大為1%，特 別是最大為0. 5%。因此，根據(jù)本發(fā)明，可在由基于填料物質(zhì)的在空間上不同的吸收/反射 /散射現(xiàn)象引起的權(quán)衡屬性與收縮，尤其是主要由粘合劑引起的差異收縮現(xiàn)象之間進(jìn)行折 衷處理，每種現(xiàn)象各向同性地或者各向異性地影響固化的三維物體內(nèi)的反作用的扭曲或變 形。在可選的后處理，例如后硬化、去粘合、熔融和/或燒結(jié)之后，有利的屬性和通過本發(fā)明 實(shí)現(xiàn)的屬性與固化的三維物體的組合將被變換到最終的三維物體中。因此，可根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)最終燒結(jié)的三維物體，該物體相對于最初期望的標(biāo)稱圓 周尺寸的絕對尺寸精度可為士 IOOym或低于士 100 μ m，更有利地，在士5μπι到50μπι范 圍內(nèi)，甚至在士 5μπι或者低于士 5μπι的范圍內(nèi)。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)獲得極其高的低于2%的燒
16結(jié)密度，優(yōu)選地，燒結(jié)密度低于1 %，特別是低于0.2%，甚至接近于0 %，燒結(jié)密度例如根據(jù) 總孔隙率來定義，總孔隙率將包括開著的和閉合的孔隙。與除了自由成形制造之外的制作 三維大體積物體的傳統(tǒng)技術(shù)相比，特別是與已經(jīng)過燒結(jié)的最終必須經(jīng)過銑削(milling)工 藝，可選地，還必須經(jīng)過高密度加壓(pressurizing)工藝這樣的傳統(tǒng)物體相比，根據(jù)本發(fā) 明的自由成形(即，相加/生成)3D物體制造系統(tǒng)，從而，最終燒結(jié)的3D物體可避免這樣的 銑削和高密度加壓工藝步驟，因此，不具有與其相關(guān)的結(jié)構(gòu)缺陷，例如，表面瑕疵和形成裂 縫。當(dāng)應(yīng)用立體光刻系統(tǒng)時(shí)，自由成形制造系統(tǒng)特別有利，因此，優(yōu)選通過立體光刻方 法獲得自由成形的三維物體?？砂磳?、其它剖面構(gòu)建結(jié)構(gòu)、基于立體像素的構(gòu)建結(jié)構(gòu)連續(xù)地 或者間斷地或者其任何組合地執(zhí)行自由成形制造系統(tǒng)。因此，特別有利的是，不是必須要求 依層形成，這進(jìn)一步改進(jìn)了制造自由。自由成形制造系統(tǒng)，優(yōu)選地，立體光刻制造系統(tǒng)優(yōu)選 應(yīng)用于制造在材料的構(gòu)建方向上包括分別具有不同剖面面積的多個(gè)部分的三維物體，并且 在期望時(shí)，優(yōu)選應(yīng)用于多個(gè)三維物體或者分別具有不同構(gòu)建區(qū)域的任何其它復(fù)雜的構(gòu)建結(jié) 構(gòu)。除了輔助支撐結(jié)構(gòu)之外，這還包括包含有特定用途的三維物體部分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。本發(fā) 明的特別優(yōu)點(diǎn)在于，能夠部分不用填料或者用包含不同類型和/量的填料物質(zhì)的另一合成 材料來如此形成不同構(gòu)建結(jié)構(gòu)或者除了輔助支撐結(jié)構(gòu)之外的構(gòu)建結(jié)構(gòu)。由于上述有利的特性，本發(fā)明特別適用于設(shè)計(jì)作為醫(yī)療產(chǎn)品的自由成形的三維物 體，例如，移植物、人工組織、骨頭填補(bǔ)物或骨頭替代品，特別是牙齒產(chǎn)品。合適的牙齒產(chǎn)品 包括，但不限于，填補(bǔ)物、修復(fù)物、齒冠(crown)、牙罩冠(veneer)、假體(prosthetic)、充填 物、填補(bǔ)物、假牙、附件、人造牙等。牙齒產(chǎn)品通常為經(jīng)過燒結(jié)的材料。經(jīng)過燒結(jié)的材料可設(shè) 有另外的釉料、燒結(jié)的陶瓷和/或玻璃陶瓷層。


將參照優(yōu)選實(shí)施例、示例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，然而，優(yōu)選實(shí)施例， 示例和附圖僅僅是用于示例性目的，而不應(yīng)該以限制性方式理解它們，其中圖1參照自由成形制造系統(tǒng)的特定實(shí)施例示意性地顯示本發(fā)明的原理，在該實(shí)施 例中，在XY平面中的圖案或圖像內(nèi)改變電磁輻射和/或增效激勵(lì)的能量密度；圖2通過自由成形制造系統(tǒng)的另一特定實(shí)施例示意性地顯示本發(fā)明的原理，在該 實(shí)施例中，在XY平面中的曝光圖案的Z方向上改變電磁輻射和/或增效激勵(lì)的能量密度；圖3示意性地顯示特定實(shí)施例中的本發(fā)明的原理，在該實(shí)施例中，采用根據(jù)構(gòu)建 區(qū)域內(nèi)的具體位置來改變能量密度，即，根據(jù)是懸垂結(jié)構(gòu)，還是在先前被固化的材料的上層 /下層或者在空腔的上方/下方的結(jié)構(gòu)將會被固化來改變能量密度；圖4使用根據(jù)另一實(shí)施例的基于承載將被固化的材料的透明膜的自由成形制造 系統(tǒng)來示意性地顯示本發(fā)明的原理，其中，通過將來自不同傳遞源的電磁和/或增效輻射 疊置來實(shí)現(xiàn)改變的能量密度；圖5A和圖5B示意性地顯示根據(jù)另一實(shí)施例的本發(fā)明的原理，其中，通過改變的能 量密度形成不同的構(gòu)建區(qū)域，分別涉及具有包含填料的將被固化的第一材料的構(gòu)建區(qū)域和 使用不同的將被固化的第二材料的一個(gè)或多個(gè)其它構(gòu)建區(qū)域，其中，不同構(gòu)建區(qū)域與相應(yīng) 不同的能量密度相關(guān)；
圖6示意性地顯示本發(fā)明的另一實(shí)施例，該實(shí)施例使用具有用于選擇性地傳遞電 磁輻射和/或增效激勵(lì)的投影單元的自由成形制造系統(tǒng)，其中，根據(jù)包含填料和粘合劑的 將被固化的材料的組成和/或特性來對能量密度進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)設(shè)或調(diào)整；和圖7示意性地顯示本發(fā)明的另一實(shí)施例，該實(shí)施例使用利用膜傳送技術(shù)和掩膜曝 光單元的自由成形制造系統(tǒng)，掩膜曝光單元用于選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵(lì)， 其中，與圖6的實(shí)施例類似，根據(jù)包含填料和粘合劑的將被固化的材料的組成和/或特性來 對能量密度進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)設(shè)或調(diào)整。
具體實(shí)施例方式根據(jù)圖1，在基于立體光刻技術(shù)制作三維物體的自由成形制造方法和系統(tǒng)的特定 實(shí)施例中，使用用于提供將被固化的材料7的容器或缸1，材料7包括顆粒填料6和粘合劑 5，顆粒填料6例如氧化釔穩(wěn)定四方氧化鋯相材料(3YTZP)，粘合劑5例如丙烯酸樹脂。將被 固化的材料7還可包含上述組分，例如填料物質(zhì)中的燒結(jié)助劑和粘合劑中的光敏引發(fā)劑， 可選地還可包含輔助劑。圖1顯示在執(zhí)行期間的特定時(shí)刻的方法和系統(tǒng)，其中，期望的三維 物體的一部分9已被制作，并被承載于三維物體載體/供給件10上，這里三維物體載體/ 供給件10示出為平臺的形式。通過三維物體載體/支撐件10的向上移動(在三維物體載 體/支撐桿處用箭頭指示)在先前固化的部分物體9的表面和容器或缸1的底部2之間形 成間隙。通過這種向上移動，仍有待被固化的材料填充間隙，從而將要被固化的材料7設(shè)在 期望的構(gòu)建區(qū)域8中。缸或容器1的底部2至少在底部的功能部分中對于將用于固化的電 磁輻射和/或增效激勵(lì)是透明的或者能透射的。在根據(jù)XY限定的面積或者在Z方向上延伸從而具體限定期望的構(gòu)建區(qū)域8的相 應(yīng)體積內(nèi)，如缸1的底部2下方的平行箭頭所示，選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激勵(lì)。 這里，以下述方式在相應(yīng)曝光圖案的邊界區(qū)域中改變曝光能量密度，即，基于作為填料物質(zhì) 6的金屬粉末填料的占優(yōu)勢的反射和散射性質(zhì)，邊界區(qū)域中的曝光能量密度E1比內(nèi)部面積 區(qū)域中所應(yīng)用的能量密度Etl低?？赏ㄟ^相對于內(nèi)部面積區(qū)域中的掩膜的未分級的亮度曝 光級將灰度級分配給掩膜曝光系統(tǒng)的邊界區(qū)域來實(shí)現(xiàn)能量密度的改變。相反，通過使用吸收占優(yōu)勢的填料物質(zhì)修改制造系統(tǒng)，能夠以不同的方式(未顯 示)修改能量密度改變，以使可在邊界區(qū)域中曝光較高的能量密度(E/ )，而將相對低的基 本能量密度(Ec/ )曝光到除了邊界區(qū)域之外剩余的內(nèi)部面積。以這種方式，可將自由成形制造系統(tǒng)適配和調(diào)整為使用顆粒填料物質(zhì)。而且，在預(yù) 定系統(tǒng)給定的情況下，通過分別對于邊界區(qū)域和大的結(jié)構(gòu)面積區(qū)域進(jìn)行區(qū)別控制，可顯著 地改進(jìn)精度、收縮率控制和均勻的機(jī)械強(qiáng)度。圖2和圖3顯示圖1的制造系統(tǒng)的可替換實(shí)施例或變型，進(jìn)一步示出了本發(fā)明的 原理。盡管在圖2和圖3中都示出了期望的構(gòu)建區(qū)域中的相關(guān)部分，但是其它組成部分和 條件可與圖1中所示的組成部分和條件相同，所述相關(guān)部分包括將被固化的材料的具體選 擇和限定的面積或體積。根據(jù)圖2，應(yīng)用能量密度的改變，其中，不同尋常地從在其中電磁輻射和/或增效 激勵(lì)撞擊將被固化的材料的表面向著先前固化的三維物體9表面，S卩，沿著間隙中形成的 構(gòu)建區(qū)域8內(nèi)的Z照射方向增加能量密度。在圖2中通過將能量密度逐漸從Etl增加到E1來示出這種改變。因此，與由于填料物質(zhì)的存在而將會增強(qiáng)能量密度從Ec^IjE1的減小的未修 改系統(tǒng)相反，應(yīng)用能量密度沿著構(gòu)建方向Z( S卩，遍布曝光XY平面)的不尋常改變。這可通 過沿著Z方向移動曝光圖案或圖像的焦平面遠(yuǎn)離(底部平面2處的)固化表面2來實(shí)現(xiàn)， 比如，將該焦平面移到物體9的先前固化的表面處的位置(即，與通過構(gòu)建區(qū)域8的Z維而 確定的間隙距離一致)，或者可替換地，將該焦平面移到更小或更大的距離處?？商鎿Q地或 者另外，實(shí)現(xiàn)它的另一手段是可以在僅被引向構(gòu)建區(qū)域的場(未顯示)中疊置從相對側(cè)發(fā) 射的另一電磁輻射和/或增效激勵(lì)場。從而，全部電磁輻射和/增效激勵(lì)場從Etl增加到E115 為此，可以使用，例如，用于從圖2的上側(cè)發(fā)射和傳遞熱能的紅線外(IR)輻射。例如，可將 IR發(fā)射器合并到三維物體載體/支撐件10中，優(yōu)選地，可將IR發(fā)射器選擇性地控制在XY 平面內(nèi)用于在期望的構(gòu)建區(qū)域中進(jìn)行選擇性的超曝光。根據(jù)圖3，根據(jù)構(gòu)建區(qū)域的哪個(gè)剖面部分被關(guān)注來執(zhí)行能量密度曝光的改變。這 里，在所示出的特定實(shí)施例中，在曝光圖案的部分中使用基本能量密度Etl，而將修改的能量 密度E1和E2分別分配給表示腔體部分或懸垂部分的構(gòu)建區(qū)域8@和8 部分，所述曝光圖案 的部分被分配給構(gòu)建區(qū)域8中存在上層/下層的先前固化的材料9的部分。通過使用包括反射和/或散射填料物質(zhì)的固化材料，可以以Etl比E1和E2中的每 個(gè)高的方式調(diào)整系統(tǒng)。此外，可設(shè)置條件E1 SE2。在圖4和圖5A、圖5B所示的另外的實(shí)施例中，基于膜傳送成像技術(shù)的自由成形制 造系統(tǒng)和方法的改變被用于應(yīng)用本發(fā)明的原理。在這些實(shí)施例中，可設(shè)為環(huán)形帶形式的帶 30由透明的和/或撓性的和/或有彈性的橡膠/膜/箔形成以在其上提供將被固化的材料 17。將被固化的材料17再次包含填料物質(zhì)16和粘合劑15，可選地，還包含上述組分。附圖 顯示整個(gè)制造過程內(nèi)的一定階段，其中，最終的三維物體的一部分19已經(jīng)形成，并置于被 實(shí)施為構(gòu)建平臺的三維物體載體/支撐件20上。當(dāng)材料的另一層將會置于物體部分19的 頂部時(shí)，通過載體/支撐件20的向上移動來移動物體部分19以使得與仍有待被固化的材 料17接觸。一旦達(dá)到接觸，就在構(gòu)建區(qū)域的限定面積內(nèi)以相關(guān)的基本能量密度Etl在圖案 或圖像中傳遞電磁輻射和/或增效激勵(lì)。根據(jù)圖4所示的實(shí)施例，通過使用電磁輻射和/或增效激勵(lì)的另外的第二源進(jìn)行 超曝光來改變能量密度，所述第二源傳遞或者供應(yīng)曝光圖案或圖像的期望部分中的另外的 能量密度E115這里，當(dāng)陶瓷填料物質(zhì)可與粘合劑物質(zhì)一起并入到材料中時(shí)，為了抵制由邊界 區(qū)域中的散射現(xiàn)象引起的不均勻性，在將形成的層的內(nèi)部面積區(qū)域內(nèi)執(zhí)行使用EJEtl的超 曝光，而在邊界區(qū)域中保留基本能量密度&。與Etl相關(guān)的第一電磁輻射和/或增效激勵(lì)和 與E1相關(guān)的第二電磁輻射和/或增效激勵(lì)可具有相同或不同的波長。在圖5A和圖5B所示的另一實(shí)施例中，當(dāng)使用不同構(gòu)建區(qū)域或不同層時(shí)，或者可 替換地，當(dāng)將不同的第一材料和第二材料用于一個(gè)或多個(gè)構(gòu)建區(qū)域時(shí)本發(fā)明的原理進(jìn)行說 明。在圖5A所示的具體舉例的步驟中，將修改的第二材料18用于通過僅曝光于與能量密 度E3相關(guān)的電磁輻射和/或增效激勵(lì)在構(gòu)建區(qū)域處以形成纖細(xì)的結(jié)構(gòu)部分(例如修改的結(jié) 構(gòu)或者輔助支撐結(jié)構(gòu))，所述修改的第二材料18不具有填料物質(zhì)或者具有與上述圖4的成 份15、16或17不同的另一種填料物質(zhì)。在從帶30分離之后，供應(yīng)這個(gè)帶30或者再次承載 將被固化的包含填料16和粘合劑15的第一材料17的另一個(gè)帶。在利用載體/支撐件20 的向上的和朝向物質(zhì)17的移動重指(redirect)部分物體(結(jié)構(gòu)19加19')的進(jìn)一步的接觸時(shí)，對下一建造面積或下一層曝光相對于E3而改變的基本能量密度Etl以用于形成三維 物體的另一部分?？商鎿Q地，代替使用不同的將被固化的第一材料17和第二材料18，分別 地，即使使用相同的將被固化的材料，仍可有利地應(yīng)用改變的能量密度E3和Etl，但是由于完 全不同的構(gòu)建區(qū)域結(jié)構(gòu)(物體19的整個(gè)剖面上形成的纖細(xì)的結(jié)構(gòu)19’和上層)而導(dǎo)致執(zhí) 行改變。在圖6和圖7所示的實(shí)施例中，不是必須，但是仍可如在前面的實(shí)施例中所述那樣 在圖案或圖像內(nèi)、以及/或者在相同或不同的材料的不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖像之間改變 能量密度。然而，在使其自己有用的這些實(shí)施例中，可根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)(i)至(viii)中的至 少一個(gè)通過預(yù)先設(shè)置或者通過合適的控制單元分別對這樣的電磁輻射和/或增效激勵(lì)傳 遞裝置的能量密度進(jìn)行設(shè)置或控制。圖6中顯示的實(shí)施例再次使用將被固化的至少包含粘合劑5和填料6的材料7，材 料7容納在缸、容器或槽40中。缸/容器/槽40的底部和用于其支撐的玻璃或塑料板41 對于所使用類型的電磁輻射是透明的。在這個(gè)實(shí)施例中，從投影單元50通過快門46經(jīng)由 反射器45投影電磁輻射以在構(gòu)建區(qū)域中或者構(gòu)建區(qū)域處形成期望的曝光圖像，從而使材 料7固化并將其與先前形成在三維物體載體/支撐件10上的部分9粘合，三維物體載體/ 支撐件10再次被實(shí)施為構(gòu)建平臺。以這種方式，可接連連續(xù)地或者斷續(xù)地形成期望的三維 物體，例如，逐層地且具有中間分隔層地或者按照合適的立體像素矩陣形成期望的三維物 體。通過計(jì)算機(jī)單元60實(shí)施的控制單元用于控制合適位置處的自由成形制造系統(tǒng)的操作， 比如，控制用于調(diào)整能量密度E的投影單元50、用于打開和關(guān)閉電磁輻射的路徑的快門45、 以及其移動(比如，如箭頭所示向上)使得可傳遞新進(jìn)的將被固化的材料的三維物體載體 /支撐件10的操作。這里，能夠例如根據(jù)所使用的以前知道的材料(即，根據(jù)上述參數(shù)⑴ 和(ii)中的任何一個(gè)或者組合，例如，填料的類型、顆粒尺寸或量；粘合劑的類型或量)在 構(gòu)建過程之前通過合適的控制模塊61手動預(yù)設(shè)和輸入投影和曝光單元的能量密度E?？商?換地或者另外，可根據(jù)上述參數(shù)(iii)或(viii)中的任何一個(gè)或者組合在構(gòu)建規(guī)劃和構(gòu)建 過程期間手動將能量密度E設(shè)置和輸入到控制單元61中，或者原位調(diào)整能量密度E。作為另一可能的可選方法，如果期望可提供流量計(jì)或粘度計(jì)(標(biāo)號55所示)，從而 使得可預(yù)先為預(yù)設(shè)操作測量流動性或粘度或者這二者，或者在構(gòu)建過程期間原位測量流動 性或粘度或者這二者，以經(jīng)由控制單元60控制通過投影單元50傳遞的能量密度E。作為另一可能的可選方法，如在前面的實(shí)施例中基本上說明的，如果期望，在構(gòu)建 區(qū)域的曝光面積中改變通過投影儀傳遞的能量密度E，以進(jìn)一步抵消由填料6引起的散射、 反射和/或吸收現(xiàn)象(即，通過傳遞在空間上不同的能量密度EpE1等)。圖7所示的實(shí)施例示出以上實(shí)施例用于膜傳送成像技術(shù)的變型。這里，根據(jù)本發(fā) 明的自由成形制造系統(tǒng)的實(shí)施例使用傳送將被固化的材料7的撓性的和/或干凈的和/或 有彈性的膜/箔(分別用標(biāo)號75表示)，材料7再次至少包含粘合劑5和填料6。這里至 少在構(gòu)建面積中對感興趣的電磁輻射透明的膜75適于運(yùn)送將被固化的材料7，以使得在期 望的構(gòu)建區(qū)域中通過規(guī)定的能量密度E的傳遞對材料7進(jìn)行輻射動作，其中，材料7從固化 材料儲存庫70分發(fā)到膜的一側(cè)上，從供應(yīng)站分發(fā)到構(gòu)建面積?？稍诳刂茊卧?0的控制下 通過主動輥762來執(zhí)行運(yùn)送，而其它輥761和763可以是被動的，僅僅是卷起撓性膜75的剩 余端。進(jìn)一步提供的是透明玻璃或塑料板42，其用于提供對撓性膜75的支撐，撓性膜75承載構(gòu)建面積處的材料7。當(dāng)期望平坦的參考平面時(shí)，這增強(qiáng)了該參考平面的提供。在這個(gè)實(shí)施例中，通過包括位圖生成器和掩膜投影儀(共同用標(biāo)號80表示)的掩 膜曝光系統(tǒng)實(shí)施電磁輻射和/或增效激勵(lì)裝置。通過掩膜曝光系統(tǒng)(可選地，還有未顯示 的另外的能量源)，將能量密度E選擇性地傳遞到參考平面中或者參考平面處的構(gòu)建區(qū)域 的期望面積。控制單元60被布置為控制用于調(diào)整能量密度E的掩膜曝光系統(tǒng)80，還可在合 適的其它位置處控制整個(gè)系統(tǒng)，例如在其移動(比如，用雙向箭頭指示的向上和向下)使得 可執(zhí)行接觸新進(jìn)材料7的步驟和固化之后分離的步驟的三維物體載體/支撐件10處、在用 于控制分發(fā)新進(jìn)材料膜7的固化材料儲存庫70的開口處、等等。與圖6的實(shí)施例類似，可 在構(gòu)建過程之前通過合適的控制模塊61手動預(yù)設(shè)和輸入掩膜曝光系統(tǒng)的能量密度E，或者 可替換地或者另外，可根據(jù)上述參數(shù)(i)至(viii)中的任何一個(gè)或者組合在構(gòu)建規(guī)劃和構(gòu) 建處理期間原位調(diào)整掩膜曝光系統(tǒng)的能量密度E。在圖7所提出的實(shí)施例中，示出如果期望可根據(jù)材料固化期間在實(shí)際構(gòu)建區(qū)域中 發(fā)生的壓力和/或應(yīng)變來調(diào)整能量密度。使壓力/應(yīng)變傳感器56與撓性膜75接觸，可選 地，僅在使部分9與承載材料7的撓性膜75接觸的步驟期間、在通過輻射曝光進(jìn)行固化期 間、和/或在使現(xiàn)在支承另外被固化的材料的部分9與撓性膜75分離的步驟期間，使壓力 /應(yīng)變傳感器56與撓性膜75接觸。與圖6的實(shí)施例相同，另一種可能的可選方法是，如在前面的實(shí)施例中基本上 說明的，如果期望，可在構(gòu)建區(qū)域的曝光面積中改變通過掩膜曝光系統(tǒng)傳遞的能量密度 E (即，通過傳遞在空間上不同的能量密度‘ E1等)。作為圖6的實(shí)施例的另外的變型，可用用于選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激 勵(lì)的掩膜曝光系統(tǒng)來替代投影單元50和反射器45?？稍O(shè)想圖6和圖7的實(shí)施例的另外的變型。例如，可用圖6中的掩膜曝光系統(tǒng)替 代投影單元50和反射器45，反之亦然，用另一投影系統(tǒng)替代圖7的掩膜曝光系統(tǒng)80，所述 圖6中的掩膜曝光系統(tǒng)和所述另一投影系統(tǒng)分別用于選擇性地傳遞電磁輻射和/或增效激 勵(lì)。圖6和圖7的描述示出當(dāng)使用基于投影單元或掩膜曝光單元的自由成形制造系統(tǒng) 時(shí)，可根據(jù)包含填料和粘合劑的將被固化的材料的組成和/或特性來進(jìn)行可靠的微調(diào)。無 論使用哪種系統(tǒng)，比如，立體光刻系統(tǒng)、膜傳送系統(tǒng)或者其它自由成形制造系統(tǒng)，均獨(dú)立顯 示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。可將上述實(shí)施例組合起來，并且可在仍應(yīng)用本發(fā)明的原理的同時(shí)對這些實(shí)施例進(jìn) 行修改。還需要指出的是，僅為了示例性目的對所提出的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是各種另外 的變形和改動是可能的，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可在本發(fā)明的范圍和要點(diǎn)內(nèi)應(yīng)用這些變型和 改動。
權(quán)利要求
一種制作三維物體的方法，包括提供將被固化的材料，該材料包括填料和粘合劑；按圖案或圖像將電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞到構(gòu)建區(qū)域以用于使所述材料固化；其中，對所述將被固化的材料的限定面積或體積選擇性地執(zhí)行所述電磁輻射和/或增效激勵(lì)的傳遞；和其中，在所述圖案或圖像內(nèi)至少部分改變電磁輻射或增效激勵(lì)的能量密度，或者在所述材料的不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖像之間改變電磁輻射或增效激勵(lì)的能量密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供材料包括提供將被固化以用于生成期望的三維物體結(jié)構(gòu)的至少一部分的第一材料，第一材料包 括填料和粘合劑；和提供與所述第一材料不同的第二材料，第二材料將被固化為期望的三維物體結(jié)構(gòu)的另 一部分或者被固化為輔助支撐結(jié)構(gòu)；其中，傳遞電磁輻射或增效激勵(lì)包括通過選擇性地傳遞到所述第一材料和第二材料的 分別限定的面積或體積的電磁輻射或增效激勵(lì)使所述第一材料和第二材料固化；和其中，代替在圖案或圖像內(nèi)改變或者在相同材料的不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖像之間改 變，在所述分別限定的用于固化的第一材料和第二材料的面積或體積之間至少部分改變電 磁輻射或增效激勵(lì)的能量密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述電磁輻射或增效激勵(lì)的選擇性傳遞包括 使用掩膜或投影單元，以將電磁輻射或增效激勵(lì)選擇性地傳遞到將被固化的材料的限定面 積或體積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任何一個(gè)所述的方法，其中，根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)中的至少一個(gè)執(zhí) 行所述電磁輻射或增效激勵(lì)的強(qiáng)度的改變(a)在XY中或者Z中改變的曝光時(shí)間；(b)所使用的多個(gè)圖案或圖像的數(shù)量；(c)一個(gè)或多個(gè)圖案或圖像中的能量強(qiáng)度的分級；(d)焦平面或焦點(diǎn)在構(gòu)建區(qū)域內(nèi)的位置；和(e)應(yīng)用第二電磁或增效輻射的第二源或第二傳遞。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任何一個(gè)所述的方法，其中，所述電磁輻射或增效激勵(lì)的選 擇性傳遞基于包括預(yù)定數(shù)量的離散成像元件或像素的成像單元；并且其中，通過控制所述 像素的至少一部分的灰度值或顏色值來執(zhí)行能量強(qiáng)度的改變。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任何一個(gè)所述的方法，其中，根據(jù)分別單獨(dú)應(yīng)用或者組合 應(yīng)用的以下標(biāo)準(zhǔn)中的至少一個(gè)通過控制單元來控制所述電磁輻射或增效激勵(lì)的強(qiáng)度的改 變(i)將被固化的材料中所包含的填料的類型、尺寸或量； ( )將被固化的材料中所包含的粘合劑的類型或量；(iii)硬化深度；(iv)下層固化的包含填料的材料的存在或不存在； (ν)所述將被固化的材料的限定面積或體積的尺寸；(vi)電磁輻射或增效激勵(lì)到將形成的三維物體的面積區(qū)域或邊界區(qū)域的傳遞；(vii)將被固化的材料的粘度或流動性；和(viii)在材料固化期間在構(gòu)建區(qū)域中或者在構(gòu)建區(qū)域處產(chǎn)生的壓力或應(yīng)變。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任何一個(gè)所述的方法，其中，所述填料包括陶瓷顆粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，從氧化鋁顆?；蚍勰?、或者氧化鋯顆?；蚍勰?、 或者其混合物中選擇所述陶瓷顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述陶瓷顆粒為具有或者不具有燒結(jié)添加劑或 分散劑的氧化釔穩(wěn)定四方氧化鋯(YTZP)的粉末。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任何一個(gè)所述的方法，其中，所述填料為平均顆粒尺寸范圍 為約0. Inm至約100 μ m的粉末或顆粒。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中的任何一個(gè)所述的方法，其中，從包括光聚合物和膠粘劑的 組中選擇所述粘合劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中的任何一個(gè)所述的方法，其中，所述填料的含量按重量為將 被固化的全部材料的約10%至約99%。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中的任何一個(gè)所述的方法，其中，所述將被固化的材料的粘合 劑包括使得兩層或更多層、或者包含合成材料的填料的其它多個(gè)結(jié)構(gòu)部分被連續(xù)附著在一 起的膠粘劑。
14.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的方法，其中，對制作的三維物體進(jìn)行從后 硬化、去粘合或燒結(jié)中選擇的后處理。
15.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的方法，其中，使材料固化之后的三維物體 在未處理狀態(tài)下具有第一圓周尺寸，在后處理狀態(tài)下、特別是在燒結(jié)狀態(tài)下具有第二圓周 尺寸，其中，所述第一圓周尺寸比所述第二圓周尺寸大。
16.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的方法，其中，制作的三維物體為牙齒產(chǎn)品 或者牙齒產(chǎn)品的一部分。
17.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的方法，其中，三維物體被構(gòu)建在物體載體 或支撐件上，其中，隨著構(gòu)建的三維物體增長，所述物體載體或支撐件向上移動。
18.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的方法，其中，在傳遞電磁輻射或增效激勵(lì) 的階段，將要被固化的材料設(shè)在透明膜上的構(gòu)建區(qū)域中。
19.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的方法，其中，將被固化的材料包括作為所 述粘合劑的光固化樹脂。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-18中的任何一個(gè)所述的方法，其中，粘合劑包括第一粘合劑物質(zhì) 和第二粘合劑物質(zhì)，第一粘合劑物質(zhì)包括光固化樹脂。
21.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的方法，其中，將被固化的材料被從樹脂源 運(yùn)送到可移動膜上的構(gòu)建區(qū)域。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，掩膜投影儀設(shè)在所述膜下方以透過所述膜投 影圖像。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，掩膜投影儀為數(shù)字光投影儀。
24.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的方法，其中，三維物體被構(gòu)建在置于用于 傳遞電磁輻射或增效激勵(lì)的裝置上方的物體載體或支撐件上，以及透明板設(shè)在所述透明物 體載體或支撐件與所述輻射或增效激勵(lì)傳遞裝置之間。
25.一種用于制作三維物體的方法，包括提供將被固化的材料，該材料包括填料和作為粘合劑的光固化樹脂； 按圖案或圖像將電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞到構(gòu)建區(qū)域以用于使所述材料固化； 其中，通過使用掩膜投影儀對所述將被固化的材料的限定面積或體積選擇性地執(zhí)行所 述電磁輻射或增效激勵(lì)的傳遞；以及其中，三維物體被構(gòu)建在物體載體或支撐件上，并且其中，隨著構(gòu)建的三維物體生長， 所述物體載體或支撐件向上移動，以及其中，將被固化的材料被從樹脂源運(yùn)送到可移動膜上的構(gòu)建區(qū)域。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述掩膜投影儀為數(shù)字光投影儀。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的方法，其中，所述可移動膜是透明的。
28.—種自由成形制造系統(tǒng)，包括將被固化的材料，該材料包括填料和粘合劑；電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞裝置，該裝置能夠按圖案或圖像將電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞 到構(gòu)建區(qū)域以用于使所述材料固化；其中，所述電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞裝置被設(shè)計(jì)為將電磁輻射或增效激勵(lì)選擇性地傳 遞到所述將被固化的材料的限定面積或體積；以及其中，在所述圖案或圖像內(nèi)至少部分改變電磁輻射或增效激勵(lì)的能量密度，或者在所 述材料的不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖像之間改變電磁輻射或增效激勵(lì)的能量密度。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的自由成形制造系統(tǒng)，還包括物體載體或支撐件，其可向上 或向下移動，或者既可向上移動也可向下移動。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的自由成形制造系統(tǒng)，還包括對于電磁輻射或增效激勵(lì) 的傳遞透明的膜，其中，所述將被固化的材料被置于所述透明膜上。
31.根據(jù)權(quán)利要求28-30中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述將被固化 的材料包括作為所述粘合劑的光固化樹脂。
32.根據(jù)權(quán)利要求28-31中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述粘合劑包 括第一粘合劑物質(zhì)和第二粘合劑物質(zhì)，而且第一粘合劑物質(zhì)包括光固化樹脂。
33.根據(jù)權(quán)利要求28-32中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，還包括運(yùn)送系統(tǒng)，用 于將要被固化的材料從材料源運(yùn)送到可移動膜上的構(gòu)建區(qū)域。
34.根據(jù)權(quán)利要求28-33中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述電磁輻射 或增效激勵(lì)傳遞裝置包括掩膜投影儀。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述掩膜投影儀置于膜下方以 通過膜投影圖像，其中，所述將被固化的材料被設(shè)在所述膜上。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述掩膜投影儀為數(shù)字光投影儀。
37.根據(jù)權(quán)利要求28-36中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，還包括物體載體或支撐件，在其上構(gòu)建三維物體；所述物體載體或支撐件置于所述輻射或增 效激勵(lì)傳遞裝置上方；和透明板，其置于所述物體載體或支撐件與所述輻射或增效激勵(lì)傳遞裝置之間。
38.根據(jù)權(quán)利要求28-37中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述將被固化的材料包括將被固化以用于生成期望的三維物體結(jié)構(gòu)的至少一部分的第一材料，第一材料 包括填料和粘合劑；和與所述第一材料不同的第二材料，第二材料要被固化為期望的三維 物體結(jié)構(gòu)的另一部分或者要被固化為輔助支撐結(jié)構(gòu)；其中，所述電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞裝置能夠?qū)㈦姶泡椛浠蛟鲂Ъ?lì)選擇性地傳遞到 所述第一材料和第二材料的分別限定的面積或體積；以及其中，代替在圖案或圖像內(nèi)改變、或者在相同材料的不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖像之間 改變，在所述用于固化的第一材料和第二材料的所述分別限定的面積或體積之間至少部分 改變電磁輻射或增效激勵(lì)的能量密度。
39.一種自由成形制造系統(tǒng)，包括將被固化的材料，該材料包括填料和粘合劑；電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞裝置，該裝置能夠傳遞使得可通過所述材料的連續(xù)固化進(jìn)行 三維物體的相加生成的電磁輻射或增效激勵(lì)；其中，所述電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞裝置基于掩膜曝光系統(tǒng)或投影系統(tǒng)。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，根據(jù)分別單獨(dú)應(yīng)用或者組合應(yīng) 用的以下標(biāo)準(zhǔn)中的至少一個(gè)通過預(yù)先設(shè)置或者通過控制單元分別設(shè)置或者控制所述電磁 輻射或增效激勵(lì)傳遞裝置(i)將被固化的材料中所包含的填料的類型、尺寸或量； ( )將被固化的材料中所包含的粘合劑的類型或量；(iii)硬化深度；(iv)下層固化的包含填料的材料的存在或不存在； (ν)所述將被固化的材料的限定面積或體積的尺寸；(vi)電磁輻射或增效激勵(lì)到將形成的三維物體的面積區(qū)域或邊界區(qū)域的傳遞；(vii)將被固化的材料的粘度或流動性；和(viii)在材料固化期間在構(gòu)建區(qū)域中或者在構(gòu)建區(qū)域處產(chǎn)生的壓力或應(yīng)變。
41.根據(jù)權(quán)利要求39或40所述的自由成形制造系統(tǒng)，還包括物體載體或支撐件，其可 向上或向下移動，或者既可向上移動也可向下移動。
42.根據(jù)權(quán)利要求39-41中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，還包括對電磁輻射 或增效激勵(lì)的傳遞透明的膜，其中，所述將被固化的材料置于所述透明膜上。
43.根據(jù)權(quán)利要求39-42中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述將被固化 的材料包括作為所述粘合劑的光固化樹脂。
44.根據(jù)權(quán)利要求39-43中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述粘合劑包 括第一粘合劑物質(zhì)和第二粘合劑物質(zhì)，并且第一粘合劑物質(zhì)包括光固化樹脂。
45.根據(jù)權(quán)利要求39-44中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，還包括運(yùn)送系統(tǒng)，用 于將要被固化的材料以由膜支撐的方式從材料源運(yùn)送到構(gòu)建區(qū)域。
46.根據(jù)權(quán)利要求39-45中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述電磁輻射 或增效激勵(lì)傳遞裝置包括掩膜投影儀。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述掩膜投影儀置于膜下方以 通過膜投影圖像，其中，所述將被固化的材料被設(shè)在所述膜上。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的自由成形制造系統(tǒng)，其中，所述掩膜投影儀為數(shù)字光投影儀。
49.根據(jù)權(quán)利要求39-48中的任何一個(gè)所述的自由成形制造系統(tǒng)，還包括物體載體或支撐件，在其上構(gòu)建三維物體；所述物體載體或支撐件置于所述輻射或增 效激勵(lì)傳遞裝置上方；和透明板，置于所述物體載體或支撐件與所述輻射或增效激勵(lì)傳遞裝置之間。
50.一種自由成形制造系統(tǒng)，包括將被固化的材料，所述材料包括填料和光聚合物樹脂；基于掩膜曝光系統(tǒng)或投影系統(tǒng)的電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞裝置，能夠選擇性地按圖案 或圖像將電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞到構(gòu)建區(qū)域以用于使所述材料固化； 物體載體或支撐件，可向上或向下移動；和運(yùn)送系統(tǒng)，用于將要被固化的材料從材料源運(yùn)送到可移動膜上的構(gòu)建區(qū)域。
51.一種通過電磁輻射或增效激勵(lì)由包括填料和粘合劑的可固化材料形成的自由成形 三維物體，所述物體是通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法而獲得的。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的自由成形三維物體，其為燒結(jié)形式。
全文摘要
本發(fā)明描述一種制作三維物體的方法，該方法包括提供將被固化的材料，該材料包括填料和粘合劑；按圖案或圖像將電磁輻射或增效激勵(lì)傳遞到構(gòu)建區(qū)域以用于使所述材料固化；其中，對所述將被固化的材料的限定面積或體積選擇性地執(zhí)行所述電磁輻射和/或增效激勵(lì)的傳遞；其中，在所述圖案或圖像內(nèi)至少部分改變電磁輻射或增效激勵(lì)的能量密度，和/或在所述材料的不同構(gòu)建區(qū)域的圖案或圖像之間改變電磁輻射或增效激勵(lì)的能量密度。本發(fā)明還可針對一種固化不同的第一材料和第二材料的系統(tǒng)。本發(fā)明還提供一種自由成形制造系統(tǒng)和具有唯一屬性的自由成形三維物體以及從其衍生的產(chǎn)品，例如燒結(jié)產(chǎn)品。
文檔編號B29C67/00GK101917925SQ200880113316
公開日2010年12月15日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者A·埃爾-斯博蘭尼 申請人:想象科技有限公司