TW201636193A - 用於將光聚合材料曝光以逐層固化材料來建構３ｄ物體的方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於將光聚合材料曝光以逐層固化材料來建構3D物體之方法，此方法包含以下步驟：將待曝光之影像分割成具有至少一個像素之內部距離之數個子影像，且藉由光投射器將此等子影像順序地曝光至光聚合材料上。

Description

用於將光聚合材料曝光以逐層固化材料來建構3D物體的方 法

本發明關於用於將光聚合材料曝光以逐層固化材料以自可聚合材料建構三維(three dimension；3D)物體的方法。

使用空間調變器電子投射器(利用例如DLP技術)之各種3D印表機在市場中眾所熟知。來自投射器之光能用以按層固化光敏感材料以形成3D物體。此等方法在1993年的Marshall Burns之「Automatic Fabrication-Improving Productivity in Manufacturing」(ISBN 0-13-119462-3)中描述。

此製程傳統上使用自投影影像至固化X軸及Y軸解析度之標稱1：1解析度關係。因此，大的建構面積係藉由使用例如光學器件中之放大而增加像素大小或以閃爍及步進模式移動投射器來獲得，其中靜態曝光影像是以一圖案曝光各影像之後(第1圖)經移動以覆蓋大的建構面積。使用雷射束作為電子光源之類似3D印表機(亦稱為SLM機)將具有由雷射束之形狀及外形決定之最大解析度。

即使對於更大建構面積之需求增加，亦存在和小的建構面積之情況一樣的對於獲得相同高解析度(小像素大小)，或甚至增加的解析度之要求。已開發出一些方法，此等方法諸如使用用於創建更高解析度之曝光單元或曝光台中之任一者的機械高頻運動，但是仍並不增加建構面積大小。

本發明係關於一種用於將光聚合材料曝光以逐層固化材料來建構3D物體之製程及裝置。典型的使用將存在於3D印表機、快速原型設計機、快速製造機及類似逐層建構製程設備中。

本發明之目的提供一種能夠藉由使用影像翻捲而與由電子光投射器傳遞之投射光之靜態影像相比增加固化材料之解析度，同時光投射器相對於曝光材料運動之製程。影像翻捲技術實現了將解析度提高超過由原生像素大小限制之大小的可能性(第2圖)。存在用於子像素化之若干方法，諸如例如在由Robin Pagan取得之專利/MIVA技術中描述之方法。在專利第EP1344633/JP03792168號中描述影像翻捲光投射器用於建構3D物體之用途。影像翻捲係藉由來自運動控制器之觸發信號同步化。

本發明之目的係藉由專利請求項之特徵來達成。

在材料上之投射影像將在運動期間以一方式在材料之上翻捲，此方式為曝光在材料上之影像圖案將類似於儲存在機器電腦中的資料帶。此資料帶將包含多個影像，每一影像類似於曝光自投射器之一個瞬時影像，此等影像壓合在一起形成連續影像帶，類似於無縫影像帶(第3圖)。

此技術將解決未藉由其他已知技術解決之主要問題。

‧建構面積理論上可為無限的，因為此建構面積不再受限於影像大小，但是此建構面積具有組裝有光投射器之機器之尺寸(沿著x軸之長度)。如此將實現曝光多個小3D物體或一個大3D物體之可能性。光投射器將在待固化之材料之上沿著X軸相對於材料來回移動(第4圖)。此技術可用於其中電子光投射器經置放在頂部處或在底部處之機器，以便材料可取決於應用及機器概念自上部及下部兩者光聚合(第5圖)。因為光投射器之瞬時影像保持較小，所以像素大小亦保持較小。因此，解析度仍可很高。

另外，藉由利用影像翻捲技術，可獲得更多優點：

‧建構面積(沿著X軸之距離)可經由機器及資料檔案之SW控制成為使用者可程式化的(第6圖)，並且從而X軸距離且由此建構速度可經動態地調整以符合待建構之3D物體之尺寸。如此將意味著建構速度將相比於僅具 有靜態影像大小之光投射器增加，且此建構速度從而具有獨立於待構建之實際3D物體之靜態建構面積。

‧為了更進一步增加建構面積，可添加Y軸至機器(第7圖)，以便光投射器在已沿著Y軸翻捲之後相對於材料沿著此軸逐步移動，使得建構面積甚至更大。

‧為了更進一步加速建構製程，一者可增加在機器上組裝之多個光投射器(第8圖及第9圖)，以便此等光投射器之運動沿著X軸平行。

‧像素解析度可藉由利用如例如由Robin Pagan取得專利之方法/MIVA技術之技術的方法的子像素化方法，而比投射影像中之原生像素大小更進一步增加。可僅當包含影像翻捲時利用子像素化特徵。由Robin Pagan描述之光學多工技術實現了經由機器之SW介面進行動態解析度(光學多工階層之位準)調整的功能性。

‧實施如上所述之動態解析度將不會影響曝光時間，因為更高之解析度將僅需要更多的影像資料得以呈現至光投射器。因此，即使當解析度增加，3D物體之建構時間亦將不會增加。此舉是一非常重要的問題，因為傳統的步進及重複式機器配置將需要具有較少的解析度且因此具有用於達成更高解析度之更小靜態影像大小。

本發明將經由SW命令及資料檔案提供使用者可選擇的建構面積及使用者定義的解析度。不需要改變HW來獲得此等重要功能性。

101‧‧‧方向

102‧‧‧影像高度

103‧‧‧影像

104‧‧‧影像

105‧‧‧影像

106‧‧‧圖案影像

201‧‧‧圖式

202‧‧‧圖式

203‧‧‧圖式

302‧‧‧像素列

303‧‧‧圖案影像

304‧‧‧影像

305‧‧‧影像

306‧‧‧影像

307‧‧‧影像

401‧‧‧同步信號

402‧‧‧電子光投射器

403‧‧‧光束

405‧‧‧光敏感材料

406‧‧‧工作台

501‧‧‧曝光影像

502‧‧‧電子光投射器

503‧‧‧一維方式

504‧‧‧光敏感介質

505‧‧‧支撐材料

602‧‧‧電子光投射器

603‧‧‧運動區域

604‧‧‧光敏感介質

605‧‧‧馬達

606‧‧‧運動控制器

607‧‧‧PC

701‧‧‧電子光投射器

702‧‧‧負X軸方向

703‧‧‧X軸

704‧‧‧Y軸方向

705‧‧‧光敏感介質

801‧‧‧電子光投射器

802‧‧‧X軸

803‧‧‧光敏感介質

901‧‧‧電子光投射器

902‧‧‧負X軸

903‧‧‧Y軸

904‧‧‧光敏感介質

本發明現將藉由附圖中所示之實例來更加詳細地描述。

第1圖圖示先前技術之曝光技術之實例。

第2圖圖示子像素化技術。

第3圖圖示將待曝光之影像分割成子影像之步驟。

第4圖圖示根據本發明的用於翻捲電子光投射器之設置之實例。

第5圖圖示在可聚合材料上曝光影像之兩個不同實例。

第6圖圖示電子光投射器與光聚合材料之相對運動之控制。

第7圖圖示沿著光聚合材料之Y軸方向增加建構面積之實施例的實例。

第8圖圖示根據本發明之方法及裝置的另一實例。

第9圖圖示根據本發明之方法及裝置的進一步示例性實施例。

第1圖描述大的經曝光圖案影像106如何經分割成(在此實例中係分割成)3個影像103、104及105，其中每一影像係藉由電子光投射器使用「步進及閃爍」程序順序地曝光，同時提供具有定義影像高度(某一影像高度102)之影像。元件符號101指示在每一影 像之曝光之間的電子投射器與曝光材料之間的相對運動之方向。

第2圖描述在使用光學多工技術之翻捲投射器時可用之子像素化位準。201圖示將如何使用4個原生像素描述45度角度的物體，而202描述當4個像素中之每一像素被分割成4個子像素時，將如何描述相同的物體。203描述當每一原生像素被分割成16(4x4)個子像素時，將如何描述相同物體。自此圖式中顯而易見，子像素化技術提供較好的解析度。

第3圖描述大的曝光圖案影像303如何被分成多個影像(在此圖中圖示為304、305、306及307)，此多個影像具有一個像素列302之內部距離。與「步進及閃爍」程序相反，電子光投射器係正在以連續的方式相對於曝光材料移動，而新的影像係每當相對運動已達到1個像素時藉由投射器曝光。每當建立新的影像時，運動控制器向投射器提供同步信號。

第4圖描述用於翻捲電子光投射器402之一設置，此電子光投射器402向置放於工作台406上之光敏感材料405提供光束403及曝光圖案。電子光投射器402相對於曝光材料405移動，而同步信號401係藉由馬達控制器提供以使得投射器以影像順序建立下一影像。

第5圖描述其中電子光投射器502向光敏感介質504提供曝光影像501之兩個不同機器概念。光敏 感介質可經置放在如第5圖之上部中所示的支撐材料505之頂部，或光敏感介質504可經置放在如第5圖之下部中所示的支撐材料505之底部。在此情況下，投射器將經置放在機器之底部處，此機器提供向上指向之光束。投射器將以一維方式503相對於光敏感介質移動。

第6圖圖示由電子光投射器602及光敏感介質604之相對運動提供之運動可如何藉由改變運動區域及影像資料來程式化。PC 607控制運動控制器606且因此控制藉由馬達605操作之運動區域603。同樣地，由電子光投射器提供之相應圖案影像可具有可程式化大小，以便運動區域不大於經曝光圖案影像大小，從而節省曝光時間。

第7圖描述可使用翻捲電子光投射器701支撐之兩個不同機器配置，此翻捲電子光投射器在光敏感介質705之上具有相對運動。上部影像圖示運動如何於再次沿著負X軸方向702方向之前，初始地在X軸方向702中運動，隨後移入Y軸方向704中之配置。如此將增加沿著Y軸方向之建構面積，且若需要，此建構面積可藉由在Y軸方向增加更多偏移而進一步增加。下部影像圖示其中無Y軸方向之配置，但是電子光投射器701相對於光敏感介質705沿著X軸703來回移動。如此將提供對於較小建構面積之更簡單且更具成本效益之解決方案。

第8圖圖示其中多個(在此實例中兩個)翻捲電子光投射器801沿著X軸802相對於光敏感介質803來回移動之第三配置。與使用如第7圖中所示之僅一個電子光投射器相比，此配置將減少建構時間(曝光時間)。

第9圖圖示其中多個(在此實例中兩個)翻捲電子光投射器901相對於光敏感介質904移動之第四配置，此多個翻捲電子光投射器首先沿著正X軸移動，然後在無曝光時沿著Y軸903移動，且隨後沿著負X軸902移動。與具有單個翻捲電子光投射器及單個軸(僅X軸)之配置相比，此配置將同時增加建構面積且減少建構時間(曝光時間)。

縮寫

DMD 數位微鏡裝置

DLP 數位光處理

SLM 空間光調變

401‧‧‧同步信號

402‧‧‧電子光投射器

403‧‧‧光束

405‧‧‧感光材料

406‧‧‧工作台

Claims (8)

1. 一種用於將一光聚合材料曝光以逐層固化材料來構建一3D物體之方法，該方法包含以下步驟：-將待曝光之影像分割為具有至少一個像素之一內部距離之數個子影像；-藉由一光投射器將該等子影像順序地曝光至該光聚合材料上。
2. 如請求項1所述之方法，其中該光聚合材料可相對於光投射器移動，且進一步使用一同步信號以控制該相對移動。
3. 如請求項2所述之方法，其中當該相對移動超過一個像素時，才曝光該順序中之下一子影像。
4. 如請求項2所述之方法，其中該移動係藉由一馬達提供，且來自該馬達或馬達控制器之同步信號觸發該子影像偏移。
5. 如請求項1所述之方法，包含以下步驟：沿著一X軸移動該光聚合材料。
6. 如請求項5所述之方法，其中增加一Y軸，以便該光投射器在已沿著該X軸翻捲之後相對該材料逐步沿著該Y軸移動。
7. 如前述請求項中之一項所述之方法，使用具有平行運動之多個光投射器。
8. 如請求項1所述之方法，包含以下步驟：藉由利用子像素化方法來增加解析度。