固體成象系統的製作方法

2023-09-24 00:54:10

專利名稱：固體成象系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用光硬化生產三維物品，尤其涉及控制地利用較高功率束射源如高功率雷射器，以較高的速度和準確度直接進行所述的生產。
已經有人提出很多種利用光硬化生產三維仿形(modeling)的系統。歐洲專利申請(公開號250，121，Scitex公司1987年6月6日提交，列入本文參考文獻)對有關本技術領域的文獻做了很好的總結，其中包括Hull、Kodama和Herbert提出的各種方法。1988年6月21日授予Fudim的美國專利4，752，498介紹了另一些背景情況，該文也列入本文參考文獻。
這些方法涉及通過對所要固化的區域或體積進行順序照射而分步形成三維物品的固體區段。它們描述了各種掩蔽技術以及直接雷射寫入法的利用，即，用一束雷射按照預期圖形照射可光硬化組合物，一層一層地建造一個三維模型。
然而，所有這些方法都沒有指明使用與在剛性三維物品整體內部的每一層上保持恆定曝光，並使所有固化部分獲得基本上恆定的最終厚度的方法相結合的矢量掃描法優點的實際途徑。
此外，它們也沒有認識到在特定操作範圍內那些制約工藝參數和儀器參數以使其切實可用的非常重要的相互關係。這樣的範圍是依賴於材料光硬化響應的恆定曝光量範圍，依賴於光硬化解析度和深度的、該射束以最大加速度移動的最小距離範圍，以及依賴於可光硬化組合物感光速度的最大射束強度範圍。
例如，Scitex專利建議採用光掩蔽層或光柵掃描來達到均勻曝光，但沒有提出在矢量掃描的情況下使曝光保持恆定的解決辦法。光掩蔽層的使用使這樣的技術過於費時和耗資。同矢量掃描相比，光柵掃描也是不理想的，其原因很多，包括＊即使所要產生的物品只是總體積中一個非常小的部分，也必須進行全域掃描;
＊在多數情況下大大增加需貯存的數據量;
＊從總體上說，所貯存的數據更難利用;
＊必須把基於CAD(計算機輔助設計)的矢量數據轉換成光柵數據。
另一方面，在矢量掃描的情況下，只有那些與剛性物品的形狀對應的區域才必須掃描，需貯存的數據量較少，數據可易於利用，而且「90%以上基於CAD的機器產生和利用矢量數據」(LasersOptronics，1989年1月，第8卷第1期第56頁)。雷射矢量掃描迄今尚未被廣泛利用的主要原因就在於如下事實儘管它有優點，但它也帶來了同目前最方便的輻射源(如雷射)所用的偏轉系統光學元件(如反光鏡)的慣性有關的問題。由於這些系統在本質上是電動機械的，因而要達到任何一種光束速度都包含著一定的加速。這種在速度上不可避免的非均一性導致在曝光的可光硬化組合物中出現不良的厚度變化。特別是在各層中剛剛沒有達到高強度曝光量的那些部分的情況下，需要使用高光束速度，因而需要較長的加速時間，這又會造成曝光的組合物中厚度的非均一性。使用低強度雷射不是一個好的解決辦法，因為它使得固體物品的產生耗時過多。此外，這進一步使矢量掃描的可用性下降到最低限度，除非如同在本發明的詳細說明中證實的那樣，至少觀察到前述的可光硬化組合物的深度與曝光量的關係。
因此，本發明的目的是提供一種方法和設備，用於通過掃描和形成一系列具有準確控制深度和解析度的連續三維模式層，在未曝光的可光硬化組合物上以矢量方式進行直接雷射寫入。
本發明涉及一種利用高強度雷射以矢量方式進行直接雷射寫入而逐層直接產生三維光硬化模型的方法和設備，其中，在可光硬化組合物中形成的曝光痕跡的深度是精確控制的，而且可以將其概述如下一種由一系列連續的液體可光硬化組合物薄層精確製造一種完整三維剛性物品的方法，包括下列步驟把液體可光硬化組合物放在一個容器中;
利用輻射裝置產生具有一定強度的輻射束;
利用調製裝置把該輻射束的強度從基本上零強度水平到最大強度進行可控調製;
利用偏轉裝置以矢量掃描方式把該輻射束可控地偏轉到這些連續薄層上的預定位置，以便引起液體可光硬化組合物預先選定的部分的光硬化達到某一光硬化深度，而且也以某一從零水平到最大加速度的加速度和某一從零水平到最大速度的速度使該輻射束偏轉;
貯存與該剛性物品形狀對應的圖形數據;
把第二計算機控制裝置與調製裝置、偏轉裝置及第一計算機控制裝置偶聯起來，在液體可光硬化組合物的預定部分上提供一種基本上恆定的曝光水平，以便在每一個相繼的薄層之內達到基本上恆定的光硬化深度;
把該剛性物品支撐在該容器內的一個可移動的、基本上平整的臺上;
利用定位裝置可控地移動該平臺，該定位裝置是由第一計算機控制裝置控制的;
利用成層裝置形成一系列連續的液體可光硬化組合物薄層，該成層裝置也是由第一計算機控制裝置控制的。
參照下列詳細說明，結合對附圖的研討，將能加強讀者對本發明優選方案實際實施的理解，其中

圖1是本發明設備優選實施方案的框圖。
圖2和3分別說明表面和體積變成象素和聲素的劃分。
圖4顯示實例1的可光硬化組合物的光硬化層深度與束射曝光之間的函數關係。
圖5畫出在一條掃描線上的曝光分布與計算厚度和實際厚度關係的歸一化曲線比較。
圖6顯示旨在預測三條連續掃描線上的光硬化厚度的兩條計算曲線之間的比較。
圖7比較了若干條掃描線上的實際厚度與計算厚度。
圖8顯示掃描間隔對光硬化斷面厚度的影響。
圖9說明掃描線形成速度與掃描間隔之間的關係。
圖10和11說明在不採取任何措施來保持恆定曝光量時從靜止狀態達到最大加速度的情況下，光束強度對於達到光硬化的最小恆定深度所需的矢量掃描距離造成的差異很大。
圖12顯示當採取措施保持基本上恆定的曝光量時沿掃描方向的距離與光硬化深度的關係。
本發明涉及利用光硬化產生三維物品的方法和設備，尤其涉及有控制地利用較高功率的雷射以較高速度和準確性直接進行所述的生產。
現參照圖1，這裡提供輻射裝置10，如雷射器，產生一個輻射束12。由於本發明的一個目的是要以高速產生固體物品11，所以本發明的設備最好利用較高功率的輻射裝置10，例如高功率雷射器，它們的主要頻帶可以在可見區、紅外區或紫外區。高功率係指當對輻射束12的強度進行測定時大於20mw的功率，最好是在100mW以上。對於目前可光硬化組合物的感光速度是這樣。然而，隨著感光速度更換的組合物的出現，20mW和100mW的光束強度值也將會相應顯得偏低，因為就達到相同結果而言，組合物的感光速度和輻射束的強度有互為反比的關係。某一類型雷射器的選擇應當與可光硬化組合物的選擇配套，使該可光硬化組合物的靈敏度同該雷射器發射的波長很合理地保持一致。也可以利用其它類型的輻射裝置，例如，電子束、X-射線等，只要它們的能量類型與該可光硬化組合物的靈敏度相匹配、能提供射束、且能按照確定的方式觀察到與其處理相適合的條件、技術上成熟即可。雖然可以提供某些裝置來把射束橫斷面的形狀改變成任何一種理想的形狀，但通常的形狀是圓形，而且射束的強度分布是高斯分布，其最大值在該圓形的中心。
射束12通過調製器14，該調製器最好是一種聲光調製器。調製過的射束12′自身通過偏轉裝置16，該裝置包括兩個反光鏡20和22，每個反光鏡都各有一個軸(未畫出)，使該射束能在X和Y方向上反射到表面46，X方向和Y方向是互為正交的，且平行於表面46。反光鏡20和22可分別藉助於馬達24和26圍繞其相應的軸轉動，使該射束以矢量掃描方式在X和Y方向上可控地偏轉到盛放於容器44中的液體可光硬化組合物40的預定位置。在本說明書的後面章節中給出了適用的可光硬化組合物的實例。隨著該射束被偏轉裝置16所偏轉，它使加速度從零水平達到最大加速度，使速度從零水平達到最大恆定速度。該射束的速度和強度仍互為正比，因此，曝光仍基本上恆定。該射束引起該組合物預先選定的部分光硬化達到基本上恆定的光硬化深度。光硬化深度定義為，當在垂直於掃描方向的斷面上進行測量時，在表面46與光硬化薄層的反面之間的最大厚度或峰值厚度。如同將在本說明書後面看到的那樣，每一個光硬化層或其一部分的厚度在一條掃描線上的各點都可能不同。因此，為避免混淆，光硬化厚度係指在該層的任何一點上的厚度，而光硬化深度則限於上述定義。在容器44內，提供了一個可移動臺41和定位裝置，如一個升降馬達42，用來向可移動臺41提供運動，以便精確地控制該可移動臺在容器44中的位置。臺41的運動可以是平移的、旋轉的、無規的、或者兼而有之。成層裝置，如一把刮刀43，位於容器44之內的臺41上方，用來形成一系列連續的液體可光硬化組合物薄層。還提供了第一計算機控制裝置30和第二計算機控制裝置34。第一計算機控制裝置30分別通過控制/反饋線52、60、62和58同輻射裝置10、定位裝置42、成層裝置43和第二計算機控制裝置34耦聯起來。第二計算機控制裝置34除了與第一計算機控制裝置30通過線58耦聯外，也分別通過控制/反饋線50和54與調製器14以及偏轉裝置16耦聯。為簡單起見，輔助的和顯而易見的裝置沒有畫出。
如上所述，以一種能獲得恆定曝光的方式對射束的調製既可以是模擬的也可以是數字式的。一種由Greyhawk (Greyhawk Systems，Inc.，1557 Center Point Drive，Milpitas，CA 95035)製造、按如下說明改進的市售系統可以用來作為本發明中第二計算機控制裝置34的部件，把曝光量控制在一個恆定值。這種Greyhawk 系統把從裝配在馬達24和26的軸上的編碼器(未畫出，這些編碼器指示軸的旋轉，因而指示從反光鏡反射的雷射束在成象表面46上的成比例運動)所產生的脈衝信號轉換成能用數字處理的、考慮到影象空間的存在和所需曝光量的電脈衝信號，此信號直接調製雷射。從效果上看，這種雷射是用數字調製的，它對應於該光束在影象平面上已移動的一段距離。由於這種雷射的調製要求該雷射保持每個脈衝的一個特定時間間隔，結果是該雷射束在影象平面中所移的每段距離都有基本上更均勻的曝光。
非固態雷射器的直接數字式調製目前是不實用的，因為這樣的雷射器一般不能以高到足以對固體成象有用的速度進行數字式調製。這些雷射器只能連續操作(CW)，因為如果形成脈衝，那麼，脈衝重複頻率和/或脈衝時間寬度都不能符合由Greyhawk 系統電子設備所發生的調製信號。這造成了影象平面中的非均勻曝光。為了以諸如Greyhawk 這樣的系統所需要的高速度調製非固態雷射器的光束，必須對足以啟動一個固態雷射器的電信號作重大改進，才能啟動設置在CW雷射器的光束路線上的一個光開關。這種光開關及所應用的改進電子設備必須能符合電調製信號，而且在處於「開狀態」時必須有足夠的傳遞效率，才能在需要的情況下在影象平面46中提供有用的射束能量。這樣的光開關可以是模擬的，也可以是數字式的。最好的開關類型是聲-光型的。
可以使用的其它開關的實例有電-光型開關，它是基於一種當施加電壓時會改變光學極性的晶體製作的;
液晶門，例如有一種可以用於可見光區的開關，是由MeadowlarkOptics(7460EastCountyLineRoad，Longmont，Colorado80501)製造的，稱為射束門(BeamGate)。它也是基於液晶材料的極化變化製作的;
壓電池，可以使遮光板例如小針孔移動;
所謂的PLZT(Pb0.9，La0.1，Zr0.65，Ti0.35)基開關，它依靠的是偏振化。兩塊偏振板放在一起，使它們的軸彼此成90度，並在兩者之間插入一塊PLZT鐵電晶體。這種PLZT晶體能使通過的光的偏光性旋轉，這取決於是否有電場作用於這個PLZT上。例如，現在處於「關」狀態(即PLZT沒有電場)，通過第一偏光板的光原封不動地通過PLZT，並被第二偏光板所阻擋。但當PLZT處於電場中時，通過第一偏光板的光就被PLZT旋轉，並能通過第二偏光板。
技術上眾所周知的是，為實用起見，也為了便於理解和便於描述，最好是把一個處於兩維表面上的影象劃分成小的虛構面積單元，稱之為象素，例如，圖2中所示的P1、P2、P3、……Pn。這些象素通常是方形的，因而在X方向和Y方向上有相同的尺寸。選用方形而不是長方形或其它形狀的主要原因是，在眾多的情況下，在兩個方向上都遇到且希望有相同的解析度。同樣，當考慮一塊固體時，該固體的體積可以劃分成稱為聲素的虛構小立方體，如圖3所示的V1、V2、V3、……Vn。由於與上述相同的理由，這種立方體是聲素的最佳形狀，因而這種聲素在X、Y、Z所有三個方向上可以有相同的尺寸。
對於本設備和方法的產品來說，最好是用各邊尺寸等於掃描線間隔的立方體聲素來描述，這種間隔係指在可光硬化組合物40的表面46上，射束12″的任何兩條相鄰的掃描線中心的間隔，這些掃描線是基本上互相平行的。
可以預期，利用對二維影象知識的簡單外推，人們就能預測固體或三維影象的行為特徵，如各掃描線的最佳間隔。然而事情遠非如此，而要複雜得多，尤其是由於有一個新的複合變量，例如一般是光硬化深度和厚度，它們在二維成象過程中數值小而恆定，但在固體成象過程中很活躍。在一個聚焦的雷射束沿可光硬化組合物的表面上的一條線進行一次掃描(單掃描)中，人們最初想到的是可望得到一條具有矩形橫截面的線狀固體。專家的想法可能導致如下期望這樣的橫截面應具有高斯形狀，因為它是由具有高斯橫截面分布的射束產生的。然而，沒有一種預測是正確的。本申請人業已發現，這樣形成的線狀固體的橫截面意外地具有基本上非高斯形狀。換言之，如果以這種方式形成的線狀固體在正交於其長度的方向上切割，那麼，始於液體表面的寬度就幾乎線性地隨離開表面46的距離增加而減少，直至所形成的固體尖端附近。這種橫截面特徵是掃描固體成象的重要信息，因為通常當對各層進行掃描以部分地填充每個橫截面層的區域時，這種掃描就由許多線或矢量構成，這些線或矢量基本互相平行地間隔開而構成一個完整的固體平面。每個矢量的寬度基本上線性地隨離開表面46的距離增加而減少這樣一種知識，使得人們能確定為了提供光硬化的均勻曝光和均勻深度所需的各矢量線之間的適當間隔。有了適當的線間隔，就能最大限度地減少波紋(它是每個薄層底部厚度的變化);降低層彎曲的趨勢，可以保持部分解析度和容許誤差，各層將有更大的強度而具有較小的方向性強度差異，粘合力逐層提高，掃描線的數目也可以減到最少。本申請人提出，單掃描固體線的橫截面基本上是非高斯的，因為射束掃描時其高斯形能量分布的邊緣部分不能使可光硬化組合物的對應部分光硬化，其原因很多，例如落入不可能發生光硬化的區域(即技術上眾所周知的誘導區)內的曝光量偏低。
在圓形高斯射束的單掃描(一次掃描)期間內，在靠近移動光斑(這個光斑就是射束與可光硬化組合物表面的交匯面)中心的軌跡附近的部分受到的曝光一定會高於離開這條軌跡更遠的部分，呈一種與光斑運動速度成反比變化的高斯方式。受到該射束作用的每一層同樣會有相應的情況發生。高斯函數同S形光硬化厚度與曝光的關係結合起來，就能解釋單掃描線的非高斯形狀，這種關係在固體成象中可定義為深度與曝光曲線，圖4中說明的一個實例涉及我們在實例1中所述的優選組合物之一的行為。
非常重要的是要記下如下事實光硬化深度和光硬化厚度不僅是可光硬化組合物的性質、射束強度和射束直接入射時間等的函數，而且也取決於其它參數和次級效應，例如掃描重疊、伎相鄰部分曝光時造成的次級曝光等。例如，一條單掃描線的光硬化深度顯著小於眾多緊密重疊而產生一連續薄膜的掃描線的光硬化深度。類似地，掃描線的數目越多以及它們彼此靠得越近，若其它一切條件保持不變，光硬化深度就越大。此外，由於邊緣只在其一側有相鄰的曝光掃描，所以它們接受的總曝光量往往偏低，因而造成在光硬化時光硬化深度小於中間部分，除非採取修正步驟。
由於上述現象，便出現了在下文還要更詳細討論的、在慣用的二維成象和固體成象之間的第二個顯著差別。為了在慣用二維成象系統中形成掃描影象，在技術上已知的是，當各線之間的距離近似等於或小於具有高斯強度分布的成象射束的1/e2直徑時，存在著各線之間的最佳掃描線間隔，它能消除影象中可見的波紋影象。對於固體成象來說，在實例1所述組合物的情況下以這種間隔設置掃描線，會在每一層的下表面產生明顯的波紋。出現這種現象的原因就在於，該材料的曝光響應的非高斯形狀不會重疊得足以給出光硬化薄層的可接受均勻厚度。
因此，確定這種掃描間隔非常重要，因為它直接導致聲素尺寸的定義，從而導致該固體成象系統滿足所要產生的剛性物品允許誤差要求的分辨本領。
已發現，在一條掃描線橫截面的每一點上，特定光硬化厚度與對射束的相應高斯形強度分布的曝光之間的關係遵從如下方程光硬化厚度＝G ｛ E ｝=G ｛P exp ［ -2((Y/ro) ＾2) ］ /(2πv ro) ｝ ［ 1 ］]]>式中G｛E｝代表與該材料深度擬合良好的、與曝光E(mJ/cm2)響應有關的函數(對實例1的組合物使用一個二階自然對數多項式，G｛E｝(mm)＝-0.66+0.446ln〔E〕-0.0356(ln〔E〕)2);P是影象平面上的射束徑向光通量(mW);Y是離開掃描中心的可變距離;ro是高斯射束射束半徑的1/e2;v是在整個表面上的射束掃描速度。令人驚訝的是，即使在把G｛E｝同二階自然對數多項式聯繫起來的方程中曝光單位並非無量綱，擬合也是優異的。
圖5顯示當射束繼續存在時，與恆速單掃描線相正交的射束斑切面中心附近的歸一化高斯曝光;
用恆速單矢量掃描的且正交於掃描方向的光硬化材料(用實例1的組合物)的歸一化實際厚度;
在相同條件下掃描的光硬化的歸一化預測厚度。
這些曲線歸一化成一個共同的最大相對值1，以便更好地說明這些分布的差別。
請注意，一次掃描曝光中心周圍的光硬化厚度數學預測的分布基本上與實際材料的測量厚度的分布相匹配，但顯著區別於僅根據曝光分布的形狀做出的預測。
確定組合物的曝光響應對固體成象至關重要，因為它導致根據系統的解析度和組合物的響應確定系統產生具有預期公差的物品的總能力。它是該光學系統把雷射能量控制在一給定時間/功率解析度的能力，進而導致保持線、層以及部件公差的能力。一個光學掃描系統可能具有優異的解析度，它把雷射能量對準和聚焦到預期尺寸和位置。然而，它將是材料對制約所產生的線、層和部件的公差的吸收能量的響應。
了解了單掃描線的分布，就可以做如下假設以一種適當的方式進行重疊，以產生各掃描線之間的合併，並在各線的頂端之間的區域進行填充，從而可把各平行線形成的一個層用由一連續不斷的射束掃描的一系列單線的厚度響應的簡單加和來模化。這樣的數學模式應有如下方程光硬化厚度=Yk=0YkG ｛ E ｝=]]>Yk=0YkG ｛ P exp ［-2((Y-Yk/ro) ＾2) ］/(2πv ro) ｝ ［ 2 ］]]>式中Y代表在正交於掃描方向且平行於影象平面的方向上離開第一個掃描矢量中心的距離，該影象平面就是圖1中的表面46;YK代表每個矢量掃描中心相對於Y＝0的軌跡，這綜合了它對相鄰掃描線的影響。
然而，在我們的研究中發現，這種數學模式遠不如基於以後要按照與光硬化厚度相關的組合物曝光響應運算的連續掃描曝光和的模式。這樣一種數學模式的方程如下光硬化厚度＝G｛∑E｝＝G ｛Yk=0YkP exp ［-2((Y-Yk/ro) ＾2) ］/(2πv ro) ｝ ［ 3 ］]]>式中，沿位置YK配置的每個矢量掃描的曝光貢獻首先對每一個位置Y進行加和，然後把曝光響應G｛｝計算到該曝光和中。
確定方程〔3〕的精確度優於方程〔2〕可以容易地通過對圖6曲線的說明加以理解，按照基於方程〔2〕的數學模式，以特定間隔畫出了三條連續掃描線，此模式錯誤地預測在可光硬化組合物底面上的波紋頻率將是方程〔3〕對於以相同間隔畫三條線所預測的頻率的兩倍。由實例1所述組合物表面上以同等間隔彼此平行的掃描線形成的各層顯微照片所做的測量，證實方程〔3〕所預測的波紋頻率同實際組合物響應相匹配。
圖7進一步證實方程〔3〕的數學模式對於可光硬化組合物響應是一個準確的預測方程，其中證明這一模式基本上預測了光硬化厚度。
如同上文所指出的，在慣用二維成象與固體成象之間的第二個顯著差別表現在每層的下表面上。採用二維掃描，例如配合滷化銀膠片使用，掃描間隔(即膠片成象時各掃描線之間的距離)的一般做法是寬達影象平面上射束焦點直徑的1/e2。某些掃描器提供更緊密的線間距，但很少小於射束直徑的1/e0.693。對於二維成象，這種較寬的間隔就足夠了，其原因很多。主要原因之一是人類肉眼對影象黑度密度的變化不敏感，更密的掃描間隔會使之降低。另一方面，固體成象，特別是當要製作高分辨部件時，需要比二維成象更密的掃描間隔。這是由於非高斯的材料厚度曝光響應不會重疊得足以使可光硬化組合物具有均勻的光硬化深度。對於固體成象來說，掃描間隔最好應當等於或小於成象射束在成象平面上的全寬度半最大值或1/e0.693個直徑，以便使底面波紋減到最低限度。圖8的曲線是根據方程〔3〕的數學模式所做的預測推出的，它說明了在實例1組合物一個成象層的底面上由於連續射束掃描間隔變化引起的波紋變化，在這種情況下，該層的最大厚度為0.127mm。請注意，對於等於1/e光斑直徑的掃描間隔，該層在各掃描中心線之間有一大部分被分段。
掃描中心線之間的這種分段效應值得做更多討論。一個層的硬度隨厚度的立方而特徵性地變化。即，如果厚度減少2倍，則該層的硬度將減少到其以前數值的八分之一。在圖8中，以1/e射束直徑的間隔連續掃描的材料有一些區域厚度下降到最大厚度的30%。對這樣一層，在這個低區域中的相對硬度，因而在正交於掃描線方向上的硬度，將下降98.7%。即使以1/e0.693射束直徑的掃描間隔，該層在正交於掃描方向上的硬度可以預期只有掃描方向上硬度的36%。以1/e0.5的掃描間隔，硬度減少到該方向上最大值的65%。這種硬度差別導致自支撐層破裂，引起該層由於材料內部應力變化而彎曲，而且如果所形成的這一層下面沒有該部件的任何部分(即，它是懸臂部分或橋板部分)，則可被看作是最終部件的公差損失。
然而，在尋求更密的掃描間隔時需要權衡利弊。因為掃描線的密度越高，要形成該層所需的時間就越長。幸運的是這種超額的時間並不太重要，因為沿該線的掃描速度必須加快到足以保持相同的光硬化深度。圖9的曲線表示在正交於掃描的方向上層的形成速度作為掃描間隔的函數而變化，請注意，隨著掃描間隔越來越密，層的形成速度實際上趨於恆定。實際上，這種速度應當對決定每條矢量掃描線終點的矢量鏡所造成的時間損失進行調整。
掃描間隔的確定是重要的，因為它直接導致如前所述聲素尺寸的定義，因而導致固體成象系統的解析度和公差能力。根據這種定義，一個聲素的X、Y和Z尺寸彼此相等，且等於掃描線間隔距離。光硬化的深度和寬度將因材料曝光特徵和射束特徵而異。最好是，光硬化深度在單掃描線情況下可與光硬化寬度比擬，換句話說，具有相同數量級。因而在多掃描線重疊的情況下，光硬化的曝光應當根據掃描線之間的間隔距離加以改變。最好是，掃描間隔距離的數值小於或等於曝光束在影象平面上光斑直徑的1/e0.639。
如前所述，對於諸如雷射等類射束矢量掃描的已知偏轉系統，在達到任何射束速度過程中都涉及質量加速。這種不可避免的速度非均一性造成不合適的厚度變化，尤其是在各層在其下面沒有直接基質的那些部分的情況下。這是由於為了保持合理的高強度曝光量就必須使用高速射束，因而需要更長的加速時間，如果在加速期間曝光能量控制不當，還會導致厚度非均一性。儘管對於低功率雷射來說在加速期間厚度非均一性大致可忽略不計，但低強度雷射的使用並不能提供良好的解決辦法，因為產生一個固體物品的時間變得過長。
如果我們取一個平行於掃描方向且正交於成象平面的薄片而不是正交於掃描方向切片來觀察掃描曝光和材料響應，我們就會發現，對於一個以恆定速度進行的連續恆定功率射束掃描，材料的光硬化深度會是恆定的且無波紋。然而，如果使用普通矢量掃描器，掃描速度一般就會顯著改變，除非採取特別措施。這種速度變化發生在每個矢量起點處，因為掃描器反光鏡加速到最大角速度，然後又從最大角速度加速到矢量終點的刻度。光斑速度隨掃描半徑發生線性變化(掃描半徑就是掃描反光鏡離開影象平面的距離)，並且非線性地掠過圖1中可光硬化組合物40的表面46，因為影象平面在固體成象過程中通常是平整的，而且矢量掃描器通常位於影象平面上方某一距離的一個中心點上。為避免這些效應，掃描器通常定位在離開入射平面46足夠長的距離上，這樣，對於所有實際用途來說，速度的非線性變化是可以忽略不計的。光學方面也做如下選擇曝光射束的焦點深度長得足以使射束12″能基本上對準入射表面46上的所有點。
這個優選系統中的光學部件全部進行塗覆處理，以便使最好在紫外光區工作的雷射射束達到最佳透射率。首先，雷射束12通過一個用來作為能在打開安全聯鎖開關時阻擋該射束的部件的機械快門。其次，把它聚焦，並對準到一個對於聲光調製器的靜態和動態操作來說最佳的直徑。遵照射束準直光學，讓光透射過一個光劈，使射束方向做水平變化，以便使它能以布拉格角進入聲光調製器晶體。通過聲光調製器時射束直徑是十分均勻的，而且其尺寸使得在靜止狀態下最大衍射效率能達到一級，同時以受第二計算機控制裝置34控制的切換速度給出優異的調製效率。這種切換速度，對薄層的生產來說，通常具有2～20兆赫的量級。在通過聲光調製器之後，當不進行曝光時，讓零級射束(或者當要進行曝光時讓零級、一級以及通常還有其它級的射束)通過另一個光劈，使這些光束在水平方向上重新對準其餘光路。在該光劈之後，用一個負透鏡使這些射束擴大。然後，這種擴大的零級射束及其它級射束，除一級射束外，都被擋住，不能進一步透射到光路上。讓一級射束(若存在)繼續沿光路傳播下去，使它通過一個長焦距鏡頭，對準X-Y掃描鏡20和22，這些鏡子把它反射成射束12″，到達可光硬化組合物40的表面46。從這些鏡子到表面46的距離略小於最後一個透鏡的焦距。最後這個透鏡的焦距長，因而掃描半徑也長，從而保證該光學系統在整個影象表面上有十分均勻的焦直徑，並保證該射束由掃描角引起的象散性很低。對於一給定切換頻率，通過該聲光調製器的最佳射束直徑的計算，在技術上是眾所周知的，因此，為簡潔起見，在此未予贅述。
當符合這些條件時，一個連續射束掃描的光斑速度變化就直接轉變成掃描方向(X方向)上和正交於掃描的方向(Y方向)上光硬化厚度和深度的變化。如同前面解釋過的那樣，光斑是射束12″與表面46的交叉點。如果該掃描射束是連續的，那麼，方程〔3〕就可用來計算表面46上任何一個位置1(X，Y，t)的光硬化厚度，其條件是在該點上的光斑速度是已知的，且該速度不沿Y方向變化(即，在影象平面上，掃描速度有無限大的曲率半徑)。
在矢量掃描的情況下，尤其在用以展示本發明的設備的情況下，偏轉裝置(有一個旋轉的反光鏡)的最大可容許加速度被固定在規定值，並採用相應的適當掃描半徑。一些典型的系統規格如下由偏轉裝置產生的聲素在X、Y和Z各維上相等，而且每個聲素在這些維上的較好尺寸是0.0127cm(0.005英寸)。使用一種材料曝光達到的光硬化深度(cm)與射束輻射通量密度G｛∑E(mJ/cm2)｝的函數關係用如下函數算子表示G｛∑E｝(cm)＝-0.066+0.0446ln[∑E]-0.00356(ln[∑E])^2[4]對於用300mW雷射功率以0.0127cm 1/e0.693直徑光斑(或ro＝0.0108cm1/e2)在影象平面上且以單線掃描產生一個D＝0.0127cm深聲素，具有G｛∑E｝靈敏度的材料，最大掃描速度(Vxmax)是通過合併方程〔1〕和方程〔4〕並解所得到的二次方程而確定的
式中A、B和C代表材料響應方程G｛∑E｝中的材料係數(即A＝-0.066……，B＝0.0446……，C＝-0.00356……)。
現在我們可以容易地解出該掃描器達到最大速度所需的時間和距離。在這種情況下，它需要約7.02毫秒，但必須移動4.65cm才能達到充分曝光。在這個時間和移動距離期間，材料受到嚴重的過度曝光，且光硬化深度比預期的深得多。換言之，該掃描系統當沒有採取任何附加措施時不能提供足夠的曝光能量解析度來產生具有理想公差的部件(在這種情況下是一條線)。
圖10和11畫出了在這一加速期間的過度曝光和光硬化深度公差的損失。請注意，對於如我們所描述的這樣一種矢量掃描系統，像圖1中的射束12″這樣一種具有300mW強度、能潛在地提供大大改善的掃描速度的射束，如果在掃描期間連續保持工作狀態，在行程達到約4.65cm之前，在這種光敏材料中不會產生預期的曝光量，因而不會產生預期的光硬化深度。由於這種過度曝光發生於掃描終點、也發生於該掃描器減速到停止時，因此，具有300mW射束的掃描器系統不能在影象平面的所有部分掃描一層的預期厚度，這個影象平面就是圖1中的表面46。圖11是圖10所示曲線初始部分的放大，表明甚至連在掃描期間連續保持工作狀態的15mW射束也在每條掃描線的起點產生大約一個過度曝光的聲素。在每個矢量終點也會發生類似的過度曝光。受到影響的不僅僅是預期曝光點上的光硬化深度，而且也有掃描線周圍區域內的光硬化厚度。
這種在單個矢量起點和終點時的公差損失，在為了填補代表部件橫斷面的一層而一個一個放置的一系列矢量中也會很顯著。這一層會在對應於該矢量填充物起點和終點的邊緣獲得過大的光硬化深度。這種過大的光硬化深度出現在邊緣這一事實導致總部件或剛性物品的公差損失，因為測定一部件的公差合格與否通常是在其外表面進行的。因此，在每個橫斷面上，該部件往往會比預期的寬，孔的直徑會比預期的小(因為在矢量掃描中孔代表一矢量的另一起點和終點)，且在懸臂、搭橋或帶有角度的斷面中比預期的深。儘管在上述15mW射束的實例情況下所製作的剛性物品也許仍然勉強可以接受，這要看公差設定極限如何，但用300mW射束製作的部件或剛性物品當然大體上會被過分扭曲。
另一方面，曝光控制的利用使得能使用更高功率的雷射器，因而能使用更大的掃描速度，使曝光解析度大大改進，從而能達到精密得多的部件公差。在本發明的一個優選實施方案中，曝光控制基本上能在該掃描矢量範圍內提供等量曝光，只需保證光斑在可光硬化組合物表面上移動的每段距離，該雷射束都能工作一段規定的時間。如同前面所解釋的，該雷射束被加以調製，以便使曝光分解成每個聲素所需的多次曝光。該射束在每次曝光期間的功率或強度都相同，而且曝光脈衝的時間也相同(除了在每個矢量的起點和終點外，這在下文還要解釋)，大體上能沿矢量掃描線提供更均勻的曝光。
對於這樣一個調製矢量掃描系統，利用等時間寬度(w)的數字式方波時間脈衝並從停止加速到最大速度，其一般化曝光方程是
式中t代表一個矢量開始的時間，Yk代表在從掃描線Yo開始、正交於掃描方向的一段距離上每個掃描的中心線，Xp代表每個脈衝沿始於Xo的掃描線定位的那段距離，「a」代表光斑在掃描方向上的加速度。
方程〔6〕的積分很容易用X進行代換，並可改寫成如下形式
一般來說，當使用方程〔7〕的積分代替方程〔6〕的積分計算影象平面內某一點上的曝光時，必須把距該點的1/e2(3～4σ)半徑的1 1/2 ～2倍範圍內存在的脈衝的曝光貢獻加起來。一旦對於這一點計算出整個曝光，就可以使用方程〔4〕中描述的算子函數來預測該點上的曝光值。
對於一個被其它矢量掃描以其聲素尺寸為每邊0.0127cm的射束光斑直徑的1/e0.693間隔包圍的矢量掃描，且當該射束從停止狀態開始加速時每個聲素出現4次的光斑脈衝，使用數字計算機近似方法計算了光硬化厚度。掃描半徑增加時，光斑加速度為1.27×106cm/秒2。光斑以數字方式發生脈衝，w＝3.93×10-6秒/脈衝，影像平面上的射束功率是150mW。
圖12顯示對這樣一種掃描的預測光硬化深度。曲線顯示沿掃描線中心的預測深度，按定義，這就是光硬化深度。注意，沿掃描線的光硬化深度在完成一個聲素的掃描或走完一個等於掃描間隔的距離之後達到預期的恆定值。在每個矢量的起點和終點或每個填充平面的起點和終點，當應用曝光控制時，一個聲素長度損失代表著比起當利用連續射束掃描時所獲得的結果有重大改善。有了曝光控制就可以利用更高功率的曝光射束，使得有快得多的掃描速度。然而，在起點和終點的一個聲素的損失依然轉變成那種同一個部件預期尺寸的設定公差有很大關係的損失。
必須對第一個聲素的這種損失的原因有透徹的了解，為的是利用曝光控制來滿足預定的公差，進一步改進矢量掃描系統的能力。參照方程〔6〕以及相鄰光斑的曝光必須加和才能計算某點上的總曝光這一事實，可以認識到，在一個矢量的起點，相鄰曝光不是存在於該掃描的背後而只是存在於它的前面。這意味著，一個掃描的第一個聲素受到的曝光大約是在它後面的那些聲素受到的曝光量的二分之一。如下事實使這一問題進一步複雜化附著在反光鏡上的解碼器(這個解碼器為脈衝的發生提供信息)在發生訊號之前必須移動大約一個脈衝。因此，一般來說，在上述圖12中所示的情況下，第一個聲素將受到比計算值少四分之一的曝光量。
應當有可能增加每個聲素的脈衝量，從而降低由於解碼器的脈衝損失引起的脈衝曝光損失的百分率。這將需要增加該解碼器的脈衝密度，由於脈衝迴轉速度極限性，這終究可能限制掃描器的速度。這也會需要按比例降低脈衝時間寬度，最終也會損害射束切換的光學效率，降低該射束的總功率，並降低最大射束速度或掃描速度。
減少掃描半徑(圖1中射束12″的長度)會增加脈衝密度，但不會允許進行像原來那麼大範圍的掃描，最終也會失敗，因為當按比例降低脈衝時間寬度來減少曝光時，該系統的光學效率受損失。
優選的解決辦法是使掃描線開始時的第一個聲素和該掃描線結束時的最後一個聲素之內的頭幾個脈衝增加脈衝持續時間。這不會使掃描系統變慢，也不會對該掃描系統的任何其它部分產生任何負效應，但它會使每個矢量起始和結束時的那些聲素得以回復。
在操作上，圖1中所示的輻射裝置10(最好是一種高功率雷射器)提供具有如前所述強度的輻射束12。輻射束12通過調製器14，在此，它的強度可以被從零強度水平調製到最大射束強度，由於能量損失，其數值比未調製的射束強度小。可以使用不同類型的調製器，包括數字型和模擬型兩種。數字型較好，因為它使該系統兼備較高的電子穩定性和靈活性，優選聲光調製器。對於高能非固態雷射器，必須如上所述對調製器做特別安排。調製的射束12′強度因損失而有所減少，該射束又通過偏轉裝置16，例如以雙鏡20和22組配形式的矢量掃描器，每個鏡子分別由不同的馬達24和26單獨驅動。由馬達24驅動的反光鏡20使射束在X方向上偏轉，而反光鏡22則使該射束在Y方向上偏轉，X方向垂直於Y方向。射束12″的強度由於進一步損失也有降低，它對準最接近於可光硬化組合物40的表面46的一個薄層48(該組合物裝在容器44中)，在此，它引起薄層48預先選定的部分的光硬化。該射束的合動量是矢量型動量，而且據說該射束以矢量方式運動或加以掃描。由於機電偏轉裝置16的慣性，射束12″在薄層48上的速度也受到偏轉裝置16的慣性和機電性質的限制。
兩個反光鏡20和22分別通過馬達24和26的偏轉是由第二計算機控制裝置34控制的，而對應於所要生產的固體物品形狀的圖形數據則貯存在第一計算機控制裝置30中。
第二計算機控制裝置34與調製裝置14、偏轉裝置16及第一計算機控制裝置30分別通過控制/反饋線50、54和58連接。把貯存在計算機控制裝置30中的圖形數據送入計算機控制裝置34，經處理後驅動馬達24和26，從而帶動反光鏡20和22，從而把射束偏轉到薄層48上的預定位置。偏轉裝置通過線54把有關反光鏡20和22的相對運動的電反饋提供給第二計算機控制裝置34。這種反饋與射束在薄層48預定位置上的速度和平均停留時間相關，經過第二計算機控制裝置34處理後，通過線50把它作為控制命令送入調製裝置14，用來調製射束12的強度，這樣，在層48預定部分的每一位置，射束12的強度與平均停留時間之積保持基本上恆定。因此，定義為這兩個參數之積的曝光量保持基本上恆定。使曝光量在每個相繼薄層的預定部分保持恆定，也就使光硬化深度保持基本上恆定。這種修正或補償非常重要，尤其是在這些薄層的無支撐部分，由於如上所述的矢量掃描邊緣初始速度低造成過度曝光，會出現膨脹的邊緣。射束12″的強度越高，或者可光硬化組合物的光敏性越高，在沒有辦法保持曝光水平恆定的情況下，這個問題就變得越嚴重。此外，組合物40的敏感性越大，若無某種曝光控制裝置，這個問題也變得越嚴重。
可移動臺41最初定位在可光硬化組合物40內，離開表面46一段很短的預定距離，在表面46和臺41之間造成一個薄層48。這個臺的定位是由定位裝置42提供的，後者又受到第一計算機控制裝置30按照其中所貯存的數據的控制。對應於剛性物品形狀第一層的圖形數據從計算機控制裝置30送入計算機控制裝置34，在這裡把它們連同從偏轉裝置16獲得的反饋數據一起處理，再送入調製器14用以同樣的控制，這樣，當射束以矢量方式在薄層48的預定部分上移動時，曝光就保持恆定。
當剛性物品的第一層完成時，可移動臺41就通過第一計算機控制裝置30的命令由定位裝置42降低一段很小的預定距離。按照來自計算機裝置30的類似命令，成層裝置如刮刀43刮過表面46將其整平。然後按照同樣的步驟產生第二層、第三層及以後各層，直至整個剛性物品完成。
如前面所提到的，調製器以模擬或數字方式把射束的強度從基本上零強度水平調製到最大強度。在調製器系統中有某些光學損失，在偏轉裝置中也有另一些損失。最大強度等於未調製射束的強度減去總光學損失。在本發明的一個優選實施方案中，最大射束強度超過一定數值，這取決於可光硬化組合物的感光速度及其它參數。因此，最好的是射束的最大強度提供的光硬化深度大於光硬化厚度＝G｛∑E｝＝G ｛Yk=0YkP exp ［-2((Y-Yk/ro) ＾2) ］/(2πv ro) ｝]]>式中G｛∑E｝代表對於曝光E總和進行G｛｝運算的函數，這樣的函數算子把一特定材料光硬化深度響應(cm)與一特定點或區域上受到的曝光總和(mJ/cm2)聯繫起來。通常這種函數算子是一種自然對數二階多項式近似，其形式為G｛∑E｝＝可光硬化深度＝A+Bln〔E〕+C(ln〔E〕)2其中A、B和C是能為此關係提供良好的數學近似的一種特定材料的係數。
Y代表在影象平面上與掃描方向正交的一個方向上有意義的任何一個位置(cm)。
Yk代表在影象平面上相對於位置Y＝0的一條掃描線的任何中心位置(cm)。
ro是在射束與可光硬化材料的影象平面的截面上該射束半徑的1/e2(cm)。
v是表面上的射束光斑在影象平面中的速度(cm/秒)。
矢量掃描的矢量可以包含許多掃描線。這許多掃描線可能包括一組或多組掃描線，每一組掃描線都互相平行。在一組內兩條相鄰掃描線之間的距離就是兩條線之間的掃描間隔，此時掃描間隔是恆定的。然而，在某些情況下，掃描間隔可能因線的不同而有很大差異。在後一種情況下，當射束在掃描任何第一條線時，代表該第一條線的掃描間隔等於第一條線與第二條線之間的距離，第二條線是指在所有其它相鄰線當中在距離上最接近於第一條線、且在第一條線掃描之後掃描的那條線。
最好是，射束為了從零速度水平達到最大恆定速度而處於最大加速度時在掃描線上移動的距離大於掃描間隔的一倍，更好的是掃描間隔的5倍，更好的是掃描間隔的10倍。
調製器14最好通過第二計算機控制裝置34控制，以基本上方形脈衝的方式開關射束，每個脈衝通常有基本上相同的幅度或強度和與其餘脈衝相同的持續時間。當射束掃描可光硬化組合物40的表面46時，脈衝頻率由計算機裝置34、掃描系統16和反饋裝置54安排，以便正比於射束在表面46上移動的速度。
光硬化厚度＝G｛∑E｝＝
其中，G｛∑E｝代表對曝光E總和進行G｛｝運算的函數，這樣的函數算子把一特定材料光硬化深度響應(cm)同在一特定點或區域上受到的曝光總和(mJ/cm2)聯繫起來。通常，這個函數算子是一種自然對數二階多項式近似，其形式為G｛∑E｝＝可光硬化深度＝A+Bln〔E〕+C(ln〔E〕)2其中A、B和C是能為此關係式提供良好數學近似的特定材料的係數。
ro是該射束在該射束與可光硬化材料影象平面的截面上半徑的1/e2(cm)。
P是射束在影象平面上的最大輻射度(mW)，該射束能提供比在受其它參數制約的情況下，不以一種受時間積分制約的方式調製時所預期的更大的聚合深度。
X和Y代表影象平面中可光硬化液體表面上的一個位置(cm，cm)。
Yk代表影象平面中相對於位置Y＝0的一條掃描線的任何一個中心位置。
Xp代表在接受一個射束脈衝的影象平面中相對於位置X＝0的一條掃描線上的任何一個初始位置(cm)。
t代表一個脈衝開始照射影象平面時的時間(秒)。
w代表一個照射脈衝在影象平面中持續的時間長度(秒)。
「a」代表在影象平面中光斑的加速度(cm/秒2)，受反光鏡掃描器的角加速能力和掃描半徑制約。
通過曝光控制裝置對掃描層周邊區域光硬化公差的控制具有特殊重要性。這些周邊區域由矢量的起點和終點和/或那些得到相鄰平行矢量的曝光貢獻較少的矢量所組成，它們受到較少的曝光，因而Z方向上的光硬化深度較小，X方向和Y方向上的光硬化深度也較小。在如所述的固體成象方法中，物品是以多層形成的，光硬化深度偏小直接導致X、Y和Z方向上維公差的損失。但此外，Z方向上的光硬化深度損失增加了該物品各層之間脫層的可能。
這種脫層作用之所以發生，是由於Z方向上可光硬化材料的形成不足以同前一層形成一種結合。在固體成象方法中，各層之間結合的形成受到這樣一種因素影響，即，所給的曝光略高於產生一個其深度等於在如圖1中48所畫出的預先光硬化的區域上面的液體層深度的光硬化層所必需的曝光量。這種脫層作用發生於物品的周邊，而且對那些能產生薄壁部分的各層的層合作用有顯著影響。
這些必須加以控制才能防止脫層的變量是影象平面上的射束功率P(mW)、曝光時間t(秒)、光斑尺寸ro(cm)、掃描間隔Y(k+1)-Yk(cm)、各脈衝之間的距離X(p+1)-Xp(cm)，以及再掃描技術。
為了防止脫層和公差損失，射束功率可以通過模擬裝置來增加，例如用前述的聲光調製器，以補償那些受到鄰近曝光的曝光貢獻較少的區域中的淨曝光損失。或者，可以通過數字控制裝置，例如前述的數字式脈衝聲光調製器，增加射束功率單個脈衝的時間寬度，從而增加曝光時間，以補償那些受到相鄰曝光的曝光貢獻較少的區域中的淨曝光損失。再掃描技術，例如在光硬化層由平行掃描線形成之前或之後掃描該層的任何一個周邊，會補償在一個物品或一層的任何一個周邊上受到的較低曝光。
增加光斑尺寸，減少掃描間隔或減少脈衝間隔，都將改善各層間的粘合力，因為曝光更均勻，並將獲得更大的粘合面積，但為防止脫層而把這些方法應用於周邊區域，可能對物品公差產生有害影響。
在本發明的優選實施方案中，在那些受到相鄰曝光的曝光貢獻較低的區域中的公差損失和層間粘合力損失，無論這是由於在前述的矢量起始和結束時的效應，還是由於這些掃描線沒有受到來自相鄰矢量掃描的曝光貢獻，都通過數字式脈衝聲光調製器的曝光時間寬度脈衝控制予以補償。
儘管調製射束12的優選方法是數字式的，但以模擬方式調製或模擬方式與數字方式組合，均屬於本發明的範圍之內。
射束12最好包含紫外輻射。然而，它也可以包含紅外輻射、可見光輻射及其與紫外輻射和其它輻射如X-射線、電子束、離子束等的組合。
最後，臺41的運動可以是平移的、旋轉的、無規的、或它們的組合。
用於固體成象的可光硬化組合物應當包含至少一種可光硬化單體或低聚物，和至少一種光引發劑。為了本發明的目的，單體和低聚物這些詞基本上具有相同含義，它們可以互相替換使用。
可以單獨使用或與其它單體組合使用的適用單體實例包括丙烯酸和甲基丙烯酸的叔丁酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的1，5-戊二醇酯、丙烯酸和甲基丙烯酸的N，N-二乙基氨基乙酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的乙二醇酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的1，4-丁二醇酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的二甘醇酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的1，6-己二醇酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的1，3-丙二醇酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的1，10-癸二醇酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的1，4-環己二醇酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的2，2-二(羥甲基)丙烷酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的甘油酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的三聚丙二醇酯、三丙烯酸和三甲基丙烯酸的甘油酯、三丙烯酸和三甲基丙烯酸的三(羥甲基)丙烷酯、三丙烯酸和三甲基丙烯酸的季戊四醇酯、三丙烯酸和三甲基丙烯酸的聚氧乙烯化三(羥甲基)丙烷酯及美國專利3，380，831中公開的類似化合物、二丙烯酸2，2-二(對羥基苯基)丙烷酯、四丙烯酸和四甲基丙烯酸的季戊四醇酯、二甲基丙烯酸2，2-二(對羥基苯基)丙烷酯、二丙烯酸三甘醇酯、二甲基丙烯酸聚氧乙烯化-2，2-二(對羥基苯基)丙烷酯、雙酚A的二(3-甲基丙烯醯氧基-2-羥基丙基)醚、雙酚A的二(2-甲基丙烯醯氧基乙基)醚、雙酚A的二(3-丙烯醯氧基-2-羥基丙基)醚、雙酚A的二(2-丙烯醯氧基乙基)醚、1，4-丁二醇的二(3-甲基丙烯醯氧基-2-羥基丙基)醚、二甲基丙烯酸三甘醇酯、三丙烯酸聚氧丙烯化三(羥甲基)丙烷酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的1，4-丁二醇酯、三丙烯酸和三甲基丙烯酸的1，2，4-丁三醇酯、二丙烯酸和二甲基丙烯酸的2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇酯、1-苯基-亞乙基-1，2-二甲基丙烯酸酯、富馬酸二烯丙酯、苯乙烯、二甲基丙烯酸1，4-苯二酚酯、1，4-二異丙烯基苯，以及1，3，5-三異丙烯基苯。也可使用分子量至少300的烯鍵不飽和化合物，如，鏈烯或者由2～15碳的亞鏈烷基二醇或1～10個醚鍵的聚亞鏈烷基醚二醇製備的二丙烯酸聚亞鏈烷基二醇酯，以及美國專利2，927，022中公開的那些化合物，如具有多個可加成聚合的烯鍵、尤其是以末端鍵形式存在時的那些化合物。特別優選的單體是三丙烯酸聚氧乙烯化三(羥甲基)丙烷酯、三丙烯酸乙基化季戊四醇酯、一羥基五丙烯酸二季戊四醇酯、二甲基丙烯酸1，10-癸二醇酯。
可在本發明中單獨使用或組合物使用的光引發劑實例詳見美國專利2，760，863，包括連位酮醇，如苯偶姻、新戊偶姻;偶姻醚，如苯偶姻甲基醚和乙基醚、苯偶醯二甲基酮縮醇;α-羥基取代的芳族偶姻，包括α-甲基苯偶姻、α-烯丙基苯偶姻和α-羥基苯偶姻。美國專利2，850，445、2，875，047、3，097，096、3，074，974、3，097，097和3，145，104中公開的可光還原染料和還原劑，以及吩嗪、噁嗪和醌類染料、米蚩酮、二苯酮、丙烯醯氧二苯酮、2，4，5-三苯基咪唑基二聚體及授氫體，包括美國專利3，427，161、3，479，185和3，549，367中所述的無色染料及其混合物，均可用作引發劑。也可與光引發劑和光抑制劑一起使用的，有在美國專利4，162，162中公開的增敏劑。受熱時不起作用但在185℃或低於185℃受到光化光線照射時能產生自由基的其它適用光引發系統包括取代或未取代的多核醌類，它們是在一個共軛碳環體系中有兩個環間碳原子的化合物，如9，10-蒽醌、2-甲基蒽醌、2-乙基蒽醌、2-叔丁基蒽醌、八甲基蒽醌、1，4-萘醌、9，10-菲醌、苯並(a)蒽-7，12-二酮、2，3-並四苯-5，12-二酮、2-甲基-1，4-萘醌、1，4-二甲基蒽醌、2，3-二甲基蒽醌、2-苯基蒽醌、2，3-二苯基蒽醌、惹烯醌、7，8，9，10-四氫萘-5，12-二酮、和1，2，3，4-四氫苯並(a)蒽-7，12-二酮。光引發劑或光引發系統，以可光硬化組合物的總重量計，用量為0.05～10%(重量)。
雖然優選的光硬化機理是自由基光聚合，但在本發明範圍之內，其它光硬化機理也適用。這樣的其它機理包括(但不限於)陽離子聚合、陰離子聚合、縮合聚合、加成聚合等。
實例1中給出了一種優選的可光硬化組合物。
實例1Novacure370429.6(二丙烯酸雙酚A二(2-羥基丙基)酯)TMPTA29.6(三丙烯酸三(羥甲基)丙烷酯Plasthall414114.8(CPHallCompany)TritonX-1000.78(辛基酚聚醚醇)Irgacure6511.6(2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮)Core-Shell 聚合物＊(RCP-1674) 26.0
＊這種Core-Shell聚合物的核(Core)為丙烯酸丁酯70%二丙烯酸1，4-丁二醇酯5%甲基丙烯酸烯丙酯25%其殼(Shell)為100%甲基丙烯酸甲酯。
這種核-殼聚合物製備如下核把2388克去離子水和37.5克30%十二烷基磺酸鈉水溶液加入一個裝有機械攪拌器、冷凝器、加熱罩、加液漏鬥、溫度計和氮氣入口的四頸五升燒瓶中。該燒瓶的內容物在室溫通氮氣吹掃30分鐘，然後加熱到80℃。在此溫度，將1/8的由1046克丙烯酸丁酯、279克甲基丙烯酸烯丙酯和70克二丙烯酸1，4-丁二醇酯組成的單體進料一次快速加入。然後立即快速加入19毫升7%磷酸氫鈉溶液和20毫升5%過硫酸銨溶液(兩者均為水溶液)。停止加熱，讓反應混合物放熱。當放熱達到84℃的峰值時，用90分鐘時間加入其餘的單體進料，並間歇加熱，以保持反應溫度在80與85℃之間。單體添加完畢後，將反應混合物在80-85℃再加熱2.5小時。最終產物是一種淺藍色乳液，含35.1%固體，粒度為0.097微米。
殼把2000克上述核乳液放置於一個五升燒瓶中，其裝備類似於核合成所用的裝備。該燒瓶的內容物在室溫通氮氣吹掃30分鐘。在氮氣吹掃之後，用30分鐘時間，邊攪拌邊往燒瓶裡添加一種混合物，其中有1.45克過硫酸銨、2.9克30%十二烷基磺酸鈉水溶液、和332克去離子水。然後將該燒瓶的內容物加熱到85℃，再用60分鐘時間添加179克甲基丙烯酸甲酯。所有單體都添加完畢後，將反應混合物再加熱2小時。最終產物是一種淺藍色乳液，含36.2%固體，粒度為0.107微米。核與殼之比大體上為4∶1。
這種淺藍色乳液在冰箱中放置3天，然後將其融化、過濾、用去離子水洗滌，並在室溫乾燥大約3天。對於大樣品，例如在小型工廠或工廠批量生產的情況下，可以使用噴霧乾燥技術，採用100～150℃的熱空氣進行。
權利要求
1.一種由連續數層液體可光硬化組合物製造整體三維剛性物品的方法，包括下列步驟把液體可光硬化組合物放在一個容器中；利用輻射裝置產生具有某一強度的射束；利用調製裝置把該射束的強度從基本上零強度水平到最大強度進行可控調製；利用偏轉裝置以矢量掃描方式把該射束可控地偏轉到各連續薄層上的預定位置，以便引起液體可光硬化組合物的預選部分的光硬化達到某一光硬化深度，而且也以從零水平到最大加速度的某一加速度和從零水平到最大速度的某一速度使射速偏轉；貯存對應於剛性物品形狀的圖形數據；把第二計算機控制裝置同調製裝置、偏轉裝置及第一計算機控制裝置耦聯起來，用以在液體可光硬化組合物的預定部分上提供基本上恆定的曝光量，從而在每個連續薄層內達到基本上恆定的光硬化深度；把該剛性物品支撐於容器內的一個可移動的、基本上平整的臺上；利用定位裝置可控地移動該平臺，該定位裝置由第一計算機控制裝置控制；用成層裝置形成液體可光硬化組合物的各連續薄層，該成層裝置也由第一計算機控制裝置控制。
2.如權利要求1所限定的方法，其特徵在於，射束的最大強度引起大於由下列方程給出值的光硬化深度G ｛ ∑E ｝=G ｛YK=0YKP exp ［-2((Y-Yk/ro) ＾2) ］/(2πVro) ｝]]>式中，G｛∑E｝是在數學上使光硬化的材料的深度符合曝光E(mJ/cm2)響應曲線的方程，Yk(cm)代表在影象平面中定位相對於Y＝0的每條掃描線的中心，Y(cm)是一個位置變量，其軸的走向垂直於掃描方向，P是曝光射束在影象平面上的輻射度(mW)，v是射束光斑在影象平面上的速度(cm/秒)，ro是與影象平面相交的高斯射束光斑半徑的1/e2(cm)。
3.如權利要求2所限定的方法，其特徵在於，矢量掃描包含基本上互相平行的多條掃描線，所述掃描線有一掃描間隔，其中射束為了從零速度水平達到最大恆定速度而以該射速的最大加速度在一條掃描線上移動的距離大於該掃描間隔。
4.如權利要求3所限定的方法，其特徵在於，射束為了從零速度水平達到所述規定的最大恆定速度而以該射束的最大加速度在一條掃描線上移動的距離大於掃描間隔的5倍。
5.如權利要求4所限定的方法，其特徵在於，射束為了從零速度水平達到所述規定的最大恆定速度而以該射束的最大加速度在一條掃描線上移動的距離大於掃描間隔的10倍。
6.如權利要求3所限定的方法，其特徵在於，射束的強度被調製成規定頻率的脈衝，每個脈衝都有一規定的持續時間和強度。
7.如權利要求6所限定的方法，其特徵在於，這些脈衝具有基本上相等的持續時間，基本上相等的強度，且頻率變化正比於所述射束速度。
8.如權利要求7所限定的方法，其特徵在於，在射束加速期間，該射束的強度提供的光硬化厚度基本上等於
式中，G｛∑E｝是在數學上使光硬化的材料的深度符合曝光E(mJ/cm2)響應曲線的方程;ro是與影象平面相交的高斯射束光斑半徑的1/e2(cm);Yk(cm)代表在該影象平面中定位相對於Y＝0的每條掃描線的開始位置;Xp(cm)代表在影象平面中定位相對於X＝0的每個射束脈衝的中心位置;X(cm)是一個位置變量，其軸的走向平行於掃描方向;Y(cm)是一個位置變量，其軸的走向垂直於掃描方向;t(秒)是相對於任意時間t＝0，在影象平面中單個射束脈衝開始的時間;w(秒)是每個脈衝的時間寬度;P是每個脈衝的曝光射束在影象平面上的輻射度(mW);「a」是射束光斑在影象平面中的加速度(cm/秒2)。
9.如權利要求2所限定的方法，其特徵在於，射束強度是用模擬方式調製的。
10.如權利要求2所限定的方法，其特徵在於，射束包含紅外輻射。
11.如權利要求2所限定的方法，其特徵在於，射束包含可見輻射。
12.如權利要求2所限定的方法，其特徵在於，射束包含紫外輻射。
13.一種用於由液體可光硬化組合物的連續薄層精確製造整體三維剛性物品的設備，包括用於盛放液體可光硬化組合物的容器;用於提供有一定強度射束的輻射裝置;用於把射束的強度從基本上零強度水平到最大射束強度由行調製的調製裝置;偏轉裝置，用於把矢量掃描方式的射束可控地偏轉到各連續薄層上的預定位置，以便引起該液體可光硬化組合物預選部分的光硬化達到某一光硬化深度，該偏轉裝置也以從零水平到最大加速度的某一加速度和從零水平到最大恆定速度的某一速度使射束偏轉;第一計算機控制裝置，用於貯存對應於剛性物品形狀的圖形數據;第二計算機控制裝置，它與調製裝置、偏轉裝置及第一計算機控制裝置耦聯，用於在液體可光硬化組合物的預定部分提供基本上恆定的曝光量，以便在每個連續薄層內達到基本恆定的光硬化深度;一個基本上平整的可移動臺，在容器內用於支撐剛性物品;定位裝置，由第一計算機控制裝置控制，用於對可移動臺提供一種運動，以便精確地控制可移動臺在容器內的定位;成層裝置，位於可移動臺上方，該成層裝置也由第一計算機控制裝置控制，用於形成液體可光硬化組合物的各連續薄層。
14.如權利要求13所限定的設備，其特徵在於，射束的最大強度提供的光硬化深度大於G ｛ ∑E ｝=G ｛YK=0YKP exp ［-2((Y-Yk/ro) ＾2) ］/(2πVro) ｝]]>式中，G｛∑E｝是在數學上使光硬化的材料的深度符合曝光E(mJ/cm2)響應曲線的方程，Yk(cm)代表在影象平面上定位相對於Y＝0的每條掃描線的中心，Y(cm)是位置變量，其軸的走向垂直於掃描方向，P是曝光射束在影象平面上的輻射度(mW)，v是射束光斑在影象平面上的速度(cm/秒)，而ro是與影象平面相交的高斯射束光斑半徑的1/e2(cm)。
15.如權利要求13或14所限定的設備，其特徵在於，矢量掃描包含基本上互相平行的多條掃描線，這些線有一掃描間隔，其中，射束為了從零速度水平達到最大恆定速度而以該射束的最大加速度在一掃描線上移動的距離大於掃描間隔。
16.如權利要求15所限定的設備，其特徵在於，射束為了從零速度水平達到最大恆定速度而以該射束的最大加速度在一掃描線上移動的距離大於掃描間隔的5倍。
17.如權利要求16所限定的設備，其特徵在於，射束為了從零速度水平達到最大恆定速度而以該射束的最大加速度在一掃描線上移動的距離大於掃描間隔的10倍。
18.如權利要求15所限定義的設備，其特徵在於，射束的強度被調製成某一頻率的脈衝，每個脈衝都有一持續時間和強度。
19.如權利要求18所限定的設備，其特徵在於，這些脈衝具有基本上相等的持續時間、基本上相等的強度、及不同的頻率。
20.如權利要求19所限定的設備，其特徵在於，在射束加速期間該射束的強度所提供的光硬化厚度基本上等於
式中，G｛∑E｝是在數學上使光硬化的材料的深度符合曝光E(mJ/cm2)響應曲線的方程;ro是與影象平面相交的高斯射束光斑半徑的1/e2(cm);Yk(cm)代表在影象平面中定位相對於Y＝0的每條掃描線的中心;Xp(cm)代表在影象平面中定位相對於X＝0的每個射束脈衝的起點;X(cm)是一位置變量，其軸的走向平行於掃描方向;Y(cm)是一位置變量，其軸的走向垂直於掃描方向;t(秒)是相對於任意時間t＝0，單個射束脈衝在影象平面中開始的時間;w(秒)是每個脈衝的時間寬度;P是每個脈衝的曝光射束在影象平面上的輻射度(mw);「a」是射束光斑在影象平面中的加速度(cm/秒2)。
21.如權利要求14所限定的設備，其特徵在於，射束的強度以模擬方式調製。
22.如權利要求14所限定的設備，其特徵在於，射束包含紅外輻射。
23.如權利要求14所限定的設備，其特徵在於，射束包含可見輻射。
24.如權利要求14所限定的設備，其特徵在於，射束包含紫外輻射。
25.如權利要求20所限定的設備，其特徵在於，這些掃描線都有一個起點和一個終點，其中在這些掃描線的起點和終點處，在一段等於光斑半徑1/e2兩倍的距離內，射束脈衝的持續時間大於其餘脈衝的持續時間。
26.如權利要求20所限定的設備，其特徵在於，從一層的任何一個邊緣算起，在一段等於光斑半徑1/e2兩倍的距離內的掃描線具有比其餘脈衝持續時間更長的射束脈衝。
27.如權利要求20所限定的設備，其特徵在於，除了某一層的平行線掃描外，還對該層的任何邊緣進行掃描。
28.如權利要求15所限定的設備，其特徵在於，射束輻射度由調製裝置以模擬方式控制，以便在該影象平面中所形成的一層的任何邊緣的光斑半徑1/e22倍範圍內，提供比一層的其餘部分更大的曝光。
全文摘要
在一種固體成象系統中，一種較高功率的束射源(更具體地說是雷射器)的射束按照其不同的矢量掃描速度加以調製，這樣，在一個條狀可光硬化組合物中，隨著其對該束射源照射的響應而硬化和固化。在所有掃描器速度下都保持基本上恆定的層深。
文檔編號B29C67/00GK1046615SQ90102258
公開日1990年10月31日 申請日期1990年4月21日 優先權日1989年4月21日
發明者約翰·阿倫·羅頓 申請人:納幕爾杜邦公司