本发明涉及通过平版印刷制造体积物体的方法，包括将投影图像投影至材料层的待照亮平面(9)，包括：‑使掩膜(3)以具有沿着倾斜轴线(16)的分量(15)的移动进行位移，所述倾斜轴线(16)与待照亮平面(9)形成角度(17)，和‑通过朝向待照亮平面(9)反射来自掩膜(3)的投影图像(5)的镜子(6)将掩膜(3)的具有沿着与待照亮平面(9)形成角度(17)的倾斜轴线(16)的分量(15)的移动转换成投影图像(5)在待照亮平面(9)上沿着包括在待照亮平面(9)中的第一位移方向(10)的位移。
通过具有改进的空间分辨率的平版印刷制备体积物体
技术领域
[0001] 本发明涉及通过平板印刷制造体积物体的设备。本发明还涉及通过所述设备实施的方法，和通过根据本发明的设备获得的产品。
[0002] 本发明使得有可能特别在重叠层上连续完成数个平板印刷操作从而以三维方式制造产品。因此更特别地但是非限制性地，本发明的技术领域为高速仿形和立体平板印刷的技术领域。
背景技术
[0003] 已知以三维形式制造产品(通常为原型)的方法例如通过立体平板印刷或通过沉积长丝(或“熔融沉积成型”，缩写为FDM)使用层的堆叠。
[0004] 立体平板印刷的操作原理如下：
[0005] 1)将至少一个投影图像投影至光反应性层上，所述光敏层在由投影图像照亮的部分中固化(投影图像通常形成花纹，所述花纹通过光源和掩膜的相互作用而获得)，然后[0006] 2)用新的光反应性层覆盖部分固化的层，然后
[0007] 3)将至少一个投影图像再次投影至该新的光反应性层上，
[0008] 步骤2)和3)根据需要重复尽可能多的次数从而以三维形式形成产品。通常地，投影图像针对每个层而变化。例如，为了形成球，固化圆盘，所述圆盘的直径从第一层至中间层增大，然后从中间层至最后一层减小。
[0009] 该技术使得有可能直接用可光聚合树脂以三维形式制造产品而无需机械加工。层的经固化图像或待固化图像被称为期望图像。投影图像可以比期望图像小得多：在该情况下，当更改投影图像时，需要使投影图像位移至层的不同部分中。
[0010] 立体平板印刷(正如例如根据文献EP 1,344,633B1或US 5,247,180的设备所表示的)的一个挑战是改进其空间分辨率。特别是由于通过掩膜和不同透镜产生的投影图像的波长和光学品质，该分辨率目前受到限制。
[0011] 此外，通常期望简化平版印刷设备的构造和操作。
[0012] 文献WO 95/15841具有平版印刷设备，所述平版印刷设备特别包括“活动”掩膜，所述掩膜能够呈现液晶杆的形式，所述液晶杆照亮光敏材料的槽的整个宽度。在该整个宽度上形成的图像可以在单个方向(图5中的方向F)上位移。
[0013] 该文献还提及将掩膜的图像投影至埋在槽中的窗口上的可能性，所述槽用液体树脂填充，所述窗口随着物体形成而逐渐上升。根据该可能性，掩膜和设备的其它光学元件结合至窗口的竖直移动并且伴随窗口的竖直移动。
[0014] 本发明的目的是提供以改进的分辨率平版印刷3D物体的方法或设备。
发明内容
[0015] 通过用平版印刷制造体积物体的设备实现该目的，所述设备包括：
[0016] -容器，所述容器被设置成在工作体积中容纳材料层，
[0017] -掩膜和辐射源，所述掩膜和辐射源被设置成一起形成离开掩膜的投影图像，[0018] -用于将投影图像投影至工作体积内的待照亮平面的装置，这些投影装置包括用于使投影图像在待照亮平面内沿着第一位移方向位移的装置和用于使投影图像在待照亮平面中沿着第二位移方向位移的装置，所述第二位移方向不同于第一方向并且不与第一方向重叠，
[0019] 其中用于使投影图像沿着第一位移方向位移的装置包括：
[0020] -用于使掩膜以具有沿着与待照亮平面形成角度的倾斜轴线的分量的向前移动进行位移的装置，
[0021] -和优选将掩膜的具有沿着与待照亮平面形成角度的倾斜轴线的分量的移动转换成投影图像在待照亮平面上沿着包括在待照亮平面中的第一位移方向的位移的装置(通常为镜子，所述镜子被设置成朝向待照亮平面反射由掩膜形成的投影图像)。
[0022] 用于使掩膜以具有沿着倾斜轴线的分量的向前移动进行位移的装置优选被设置成使掩膜沿着倾斜轴线位移。
[0023] 倾斜轴线与待照亮平面优选形成直角。
[0024] 根据本发明的设备还可以包括以与投影图像在第一方向上的位移同步的方式动态改变投影图像的装置，包括以与掩膜的具有沿着倾斜轴线的分量的移动同步的方式动态改变掩膜的装置。
[0025] 镜子可以具有反射表面，所述反射表面被设置成反射投影图像并且相对于待照亮平面倾斜45°加减10°。
[0026] 用于投影图像的装置优选被设置成投影该图像使得在掩膜和镜子之间，投影图像平行于待照亮平面传播。
[0027] 掩膜可以不平行于待照亮平面，而是优选垂直于待照亮平面。
[0028] 用于使图像沿着第一位移方向位移的装置可以被设置成使投影图像在待照亮平面中连续地沿着多条平行线位移，用于使投影图像沿着第二位移方向位移的装置可以被设置成使每条完成线的端部处的投影图像朝向平行于完成线的之后的线偏移，使得投影图像在待照亮平面上沿着完成线的位置与投影图像在待照亮平面上沿着之后的线的位置相邻或部分重叠。
[0029] 用于将投影图像投影至待照亮平面的装置优选被设置成能够将投影图像投影至平行并且包括在工作体积中的不同的可能的待照亮平面。
[0030] 根据本发明的又一个方面，提出通过平版印刷制造体积物体的方法，包括：
[0031] -在工作体积内供应光敏材料层，所述光敏材料层被设置成在辐射的影响下硬化，[0032] -通过掩膜和辐射源产生由掩罩形成的投影图像，
[0033] -将投影图像投影至材料层的待照亮平面，
[0034] -使投影图像在待照亮平面中沿着第一位移方向位移，并且使投影图像在待照亮平面中沿着第二位移方向位移，所述第二位移方向不同于第一方向并且不与第一方向重叠，这两个位移方向包括在待照亮平面中，
[0035] 其中，为了使投影图像沿着第一位移方向位移：
[0036] -使掩膜以具有沿着倾斜轴线的分量的移动进行位移，所述倾斜轴线与待照亮平面形成角度，和
[0037] -和优选通常通过朝向待照亮平面反射由掩膜形成的投影图像的镜子使投影图像在待照亮平面上沿着包括在待照亮平面中的第一位移方向位移，从而转换该掩膜的具有沿着与待照亮平面形成角度的倾斜轴线的分量的移动。
[0038] 为了使掩膜以具有沿着倾斜轴线的分量的移动进行位移，掩膜优选沿着倾斜轴线位移。
[0039] 倾斜轴线与待照亮平面优选形成直角。
[0040] 根据本发明的方法可以包括，在第一方向上位移的过程中，与投影图像在第一方向上的位移同步地动态改变投影图像，通过与掩膜的具有沿着倾斜轴线的分量的移动同步地动态改变掩膜从而获得该图像的改变。
[0041] 镜子可以具有反射表面，所述反射表面被设置成反射投影图像并且相对于待照亮平面倾斜45°加减10°。
[0042] 在掩膜和镜子之间，投影图像优选平行于待照亮平面传播。
[0043] 掩膜优选不平行于待照亮平面，而是优选垂直于待照亮平面。
[0044] 有可能使投影图像在待照亮平面中沿着第一位移方向连续地沿着多条平行线位移，并且有可能使投影图像沿着第二位移方向位移从而使每条完成线的端部处的投影图像朝向平行于完成线的之后的线偏移，使得投影图像在待照亮平面上在完成线上的位置与投影图像在待照亮平面上在之后的线上的位置相邻或部分重叠。
[0045] 优选在多个重叠的光敏材料层上重复过程的步骤。
[0046] 跟着本发明的另一个方面，提出使用根据本发明的方法或设备通过(立体)平版印刷获得的体积产品或物体。
附图说明
[0047] 通过阅读实施方式和实施方案的具体描述以及如下附图将揭露其它优点和特定特征，所述实施方式和实施方案绝非限制性的：
[0048] -图1为根据本发明的设备的第一个实施方案的立体图，其头部在“高”位置下，[0049] -图2为图1的根据本发明的设备的一部分的立体图，其头部在“低”位置下，[0050] -图3为图1的根据本发明的设备的侧视图，使用图1的观察轴线A，其头部在“低”位置下，
[0051] -图4为图1的根据本发明的设备的侧视图，使用图1的观察轴线A，其头部在“高”位置下，
[0052] -图5为图1的根据本发明的设备的后视图，使用图1的观察轴线B，[0053] -图6为根据图1的设备的头部12的第一变体形式的内部的图解侧视图，[0054] -图7为图1的根据本发明的设备的头部12的第二变体形式的内部的图解侧视图，和
[0055] -图8为根据本发明的设备的第二实施方案的侧视图，其头部12在两个不同时刻在“低”位置下和在“高”位置下，从而显示该头部的移动。
具体实施方式
[0056] 这些实施方案绝非限制性的，特别有可能考虑本发明的变体形式，所述变体形式包括下文描述的特征的仅一种选择，所述选择与其它描述的特征分离(即使该选择在包括这些其它特征的句子中分离)，前提是该特征的选择足以赋予技术优势或区分本发明与现有技术。该选择包括至少一个功能特征优选而没有结构细节，或仅具有一部分结构细节，前提是该部分单独足以赋予技术优势或区分本发明与现有技术。
[0057] 参考图1至图7，首先描述根据本发明的设备1的第一个实施方案。
[0058] 设备1为立体平版印刷设备。
[0059] 设备1被设计成通过多个重叠层的平版印刷制造体积物体(例如原型)。
[0060] 设备1包括托架2，所述托架2被设置成在工作体积中容纳光敏材料或光敏材料层，所述光敏材料或光反应性材料层被设置成在硬化辐射的影响下硬化。
[0061] 硬化辐射为电磁辐射，通常为可见光(波长在380和780纳米之间)或更优选紫外线(波长通常在355和385纳米之间)的电磁辐射。
[0062] 光敏材料不一定是液体。光敏材料为液体、糊剂、凝胶或任何其它软质材料，其被设置成在硬化辐射的影响下硬化。例如，可以使用商业参考名为Innovation Meditech FotoMed.LED A/Pattern/Flex 70的树脂作为光敏材料。基于例如2000年针对OptoForm工艺开发的材料，也可以考虑具有金属或陶瓷填料的糊剂。
[0063] 托架2可以为储液槽(例如如果光敏材料为液体)或托盘或板(例如如果光敏材料为凝胶或糊剂)或甚至是格栅(例如如果光敏材料为基本上不流动的糊剂)。
[0064] 设备1还包括掩膜3和源4，所述源4被设置成发射硬化辐射。
[0065] 源4通常联接至透镜28或一组透镜28。
[0066] 源4通常由商业参考名为Nichia NLBU21P02的电源电发光二极管(ELD)组成。
[0067] 掩膜3可以例如为：
[0068] -或(图6)由液晶像素组成的液晶屏3a，每个像素根据该像素的液晶状态而被照亮(对硬化辐射透明)，
[0069] -或(图7)由可移动镜片格子组成的芯片(“数字光处理器”，缩写为DLP，例如XGA或1080p型)3b，每个可移动镜片对应于掩膜3的根据该可移动镜片的位置而被照亮或关闭的像素。
[0070] 掩膜3因此包括像素。掩膜3和源4被设置成通过如下方式一起产生由掩膜3形成的投影图像5：
[0071] -或通过掩膜3(例如DLP芯片)反射来自源4的硬化辐射，
[0072] -或通过掩膜3(例如液晶屏)透射来自源4的硬化辐射，
[0073] 掩膜3的每个像素的照亮状态或关闭状态对应于投影图像5的分别由硬化辐射照亮或不照亮的像素。
[0074] 掩膜3和源4在头部12的内部分组。
[0075] 头部12安装在通常为矩形形状的(金属)框架29内。
[0076] 设备1还包括装置6、7、8从而以聚焦方式将投影图像5投影至工作体积中的待照亮平面9上。
[0077] 这些投影装置6、7、8包括装置6、7使投影图像5沿着第一位移方向10在待照亮平面9中位移。这些投影装置6、7、8包括装置8用于使投影图像沿着第二位移方向11在待照亮平面9中位移。
[0078] 第二位移方向11不同于第一方向10并且不与第一方向10重叠(即不平行)。优选地，第二位移方向11垂直于第一方向10。这两个位移方向10、11包括在待照亮平面9中。
[0079] 由头部12形成的投影图像5因此可以在待照亮平面9的两个不同方向上位移。以这种方式，通过使该图像5在两个方向上位移，有可能覆盖平面9的期望区域。
[0080] 用于使投影图像沿着第二位移方向11位移的装置8通常包括一个或多个沿着该第二方向11延伸的(金属)(多个)杆13和马达14，所述马达14被设置成使掩膜3和源4(更确切地说是头部12，更确切地说是框架29)沿着(多个)杆13并且因此在该第二方向11上位移。马达14造成框架29沿着至少一个杆13滑动。
[0081] 用于使投影图像5沿着第一位移方向10位移的装置6、7包括：
[0082] -装置7，所述装置7用于使掩膜3以具有沿着与待照亮平面9形成(非零)角度17的倾斜轴线16的分量15的移动发生位移。
[0083] -镜子6，所述镜子6被设置成：
[0084] o朝向待照亮平面9反射由掩膜3形成的投影图像5
[0085] o并且因此将“掩膜3的具有沿着与待照亮平面9形成角度17的倾斜轴线16的分量15的移动”转换成“投影图像5在待照亮平面上9的沿着包括在待照亮平面9中的第一位移方向10的位移”。
[0086] 换言之，如下事实的组合造成该投影图像5至待照亮平面9上的位移：
[0087] -事实为：由掩膜3形成的图像5相对于待照亮平面9具有倾斜的移动，所述倾斜移动具有分量15，
[0088] -并且事实为：朝向镜子投射源自掩膜3的该图像5从而朝向待照亮平面9反射成投影图像5。
[0089] 并且该位移在第一方向10上获得。
[0090] 包括在待照亮平面9中的该第一方向10通常为头部12的光发射方向。作为一个变体形式，方向10可以为平面9的包括在头部12的光发射方向上的分量的方向。
[0091] 优选地，掩膜3的位移包括掩膜3相对于镜子6的位移，并且用于使掩膜3位移的装置7被设置成使所述掩膜3相对于镜子6位移。
[0092] 在本文中需要指出的是，掩膜3的位移等同于头部12的位移，掩膜是所述头部12的整体部分。
[0093] 在离开掩膜3之后而在到达待照亮平面9之前，形成(标示尺寸、聚焦等)投影图像5。特别地，离开掩膜3而在镜子6之前，投影图像5经过物镜18(头部12的整体部分)内的多个透镜，所述物镜18形成(标示尺寸、聚焦等)投影图像5。
[0094] 用于根据具有沿着倾斜轴线16的分量15的移动使掩膜3位移的装置7被设置成使掩膜3沿着倾斜轴线16位移，即除了分量15之外没有其它移动分量。
[0095] 用于使掩膜3以具有沿着倾斜轴线16的分量15的移动进行位移的装置7包括例如马达30、传动系统31(通常包括皮带)、至少一个(优选两个)配重32、33和杆34(通常为金属)。杆34为框架29的整体部分。杆34纵向地平行于倾斜轴线16或优选垂直于待照亮平面延伸。头部12安装在杆34上并且可以沿着该杆34位移。马达30被设置成使头部12沿着该杆34移动。在掩膜3或头部12在沿着轴线16的方向上(向上或向下)移动的过程中，传动系统31被设置成使每个配重32、33在相反方向上(分别向下或向上)位移。
[0096] 如图4中所示，倾斜轴线16与待照亮平面9形成直角17，亦即垂直于待照亮平面9。
[0097] 因此，根据本发明，为了使投影图像5在水平的待照亮平面9中位移，掩膜3竖直地位移，并且因此相对较重的头部12，亦即掩膜3和因此头部12在它们的自身重量的方向上位移。该解决方案更为机械稳定并且允许更好的空间平版印刷分辨率。实际上，根据现有技术，当头部及其掩膜沿着水平杆水平位移时，该杆可能在头部的重力作用下弯曲，并且可能造成指向头部的问题和因此投影图像的问题、头部定向可重复性的问题和因此投影图像可重复性的问题，并且因此造成每个层的平版印刷的空间分辨率的问题。
[0098] 设备1还包括用于与投影图像5在第一方向10上的位移同步改变平面9中的投影图像5的装置(基于文献EP 1,344,633的操作原理)，然而在本发明的特定情况下，设备1包括用于与掩膜3的具有沿着倾斜轴线16的分量15的移动同步改变掩膜3的装置。这些通信装置通常包括用于计算或控制的装置(包括处理器和/或类似物和/或数字电路，和/或中央处理单元，和/或软件装置)，所述装置被设置成根据期望图像和待照亮平面9中的投影图像5的当前位置(即头部12或掩膜3沿着轴线16的位置)计算投影图像5(即哪些是投影图像5的由硬化辐射照亮的像素以及以什么样的密度，所述密度可以从一个像素到另一个像素变化)。
[0099] 计算和控制装置进一步被设置成控制设备1的所有马达。
[0100] 镜子6具有反射表面19，所述反射表面19被设置成反射投影图像5并且相对于待照亮平面9以45°加减10°(优选加减1°)的角度20倾斜。
[0101] 优选地，镜子6相对于待照亮平面在第一方向上固定。
[0102] 用于投影投影图像5的装置6、7、8被设置成投影所述图像，使得在掩膜3和镜子6之间，投影图像5平行于待照亮平面9传播。
[0103] 投影投影图像5的装置6、7、8被设置成投影所述图像，使得在镜子6和待照亮平面9之间，投影图像垂直于待照亮平面9传播。
[0104] 掩膜3为平面的。掩膜3的平面(DLP芯片或液晶屏的平面)不平行于待照亮平面9，并且与待照亮平面9形成角度21，优选垂直于待照亮平面9。
[0105] 用于使投影图像5沿着第一位移方向10位移的装置6、7被设置成在平面9中使投影图像5的图像连续沿着多条平行线22至24(图中仅显示三条线从而不会过载)位移。
[0106] 用于使投影图像5沿着第二位移方向11位移的装置8被设置成在平面9中使每条完成线22或23的端部处的投影图像分别朝向平行于完成线的之后的线23或24偏移，使得：
[0107] -投影图像5在待照亮平面上9沿着完成线22的位置25与投影图像5在待照亮平面9上沿着之后的线23的位置26相邻(意指投影图像5在其沿着完成线22的位置下的边缘与投影图像5在其沿着之后的线23的位置26下的边缘接触，但是投影图像5在待照亮平面9上沿着完成线22的位置25不与投影图像5在待照亮平面9上沿着之后的线23的位置26重叠)，或[0108] -投影图像5在待照亮平面9上沿着完成线23的位置26与投影图像5在待照亮平面9上沿着之后的线24的位置27部分重叠。
[0109] 为了以三维形式通过重叠数个层制造物体，用于将投影图像5聚焦投影至待照亮平面9的装置6、7、8被设置成能够通常通过调节物镜18将投影图像5聚焦投影至平行并且包括在工作体积中的不同的可能的待照亮平面9、9’、9”。
[0110] 根据本发明的在设备1中实施的通过立体平板印刷制造体积物体或产品的方法则包括如下步骤：
[0111] a)在工作体积中供应光敏材料层，所述光敏材料层被设置成在硬化辐射的影响下硬化，
[0112] b)通过发射硬化辐射的辐射源4和反射或透射由源4发射的硬化辐射的掩膜3形成离开掩膜3的投影图像5，
[0113] c)将投影图像5聚焦投影至材料层的待照亮平面9，
[0114] d)通过装置6、7使投影图像5在平面9中沿着第一位移方向10位移，然后优选不同时地，通过装置8使投影图像5在平面9中沿着第二位移方向11位移。
[0115] 为了使投影图像5沿着第一位移方向10位移：
[0116] -使掩膜3以具有沿着与待照亮平面形成角度17的倾斜轴线16的分量15的移动发生位移；在掩膜3和镜子6之间，投影图像5平行于待照亮平面9传播，和
[0117] -通过镜子6将该“掩膜3的具有沿着倾斜轴线16的分量15的移动”转换成“投影图像5在待照亮平面上9的沿着第一位移方向10的位移”，所述镜子6朝向待照亮平面9反射由掩膜3形成的投影图像5。在镜子6和待照亮平面9之间，投影图像5垂直于待照亮平面9传播。
[0118] 在沿着第一方向10位移的过程中，投影图像5与投影图像5在平面9中在第一方向10上的位移同步地变化(通过计算和控制装置)，该图像5的变化通过掩膜3的变化获得，所述掩膜3的变化与掩膜3以其具有沿着倾斜轴线16的分量15的移动进行的位移同步。
[0119] 因此投影图像5在平面9中沿着第一位移方向10连续地沿着不同的平行线22、23、24位移，并且投影图像5在平面9中沿着第二位移方向11位移从而使每条完成线22、23的端部处的投影图像5分别朝向平行于完成线的之后的线23、24偏移。
[0120] 重复步骤a)至d)用于多个重叠的光敏材料层从而以三维形式制造物体。
[0121] 现在将参考图8描述根据本发明的设备100的第二个实施方案，但是仅关于其相对于设备1的第一个实施方案的区别。特别地，不再充分描述特征、共同附图标记和所实施的方法。
[0122] 在设备100中，杆34不平行于倾斜轴线16纵向延伸，而是垂直于待照亮平面9延伸。
[0123] 在设备100中，轴线16如前所述相对于待照亮平面9倾斜，亦即不包括在待照亮平面9中也不平行于待照亮平面9。另一方面，轴线16不垂直于待照亮平面9。
[0124] 图8显示了掩膜3或头部12的两个位置：
[0125] -在掩膜3的具有沿着倾斜轴线16的分量15的移动开始时掩膜3或头部12的第一位置35(头部12的阴影线绘制)，所述倾斜轴线16与待照亮平面9形成角度17，用于使图像5在平面9中沿着线23位移，和
[0126] -在掩膜3的具有沿着倾斜轴线16的分量15的移动结束时掩膜3或头部12的第二位置36(头部12的无阴影线绘制)，所述倾斜轴线16与待照亮平面9形成角度17，用于使图像5在平面9中沿着该相同的线23位移。
[0127] 注意到用于使投影图像5在待照亮平面9中沿着第一位移方向10位移的装置6、7被设计成使得在相同的时间间隔中，投影图像5在待照亮平面9中沿着第一位移方向10行进的距离37大于掩膜3(或头部12)沿着第一位移方向10行进的距离38。
[0128] 注意到用于使掩膜3以具有沿着倾斜轴线16的分量15的移动进行位移的装置7被设计成使得移动分解成两个垂直分量：
[0129] -第一分量39垂直于待照亮平面9，和
[0130] -第二分量40平行于待照亮平面，优选更确切地平行于第一位移方向10。
[0131] 出于该目的，在第二实施方案的该示例中，框架29也被设置成由于马达而沿着至少一个杆41位移，所述杆41沿着第一位移方向10纵向地延伸。
[0132] 此外，正如第一个实施方案，改进稳定性、减少震动、改进定位可重复性和改进平版印刷分辨率的优点始终存在(虽然具有较低性能)，因为掩膜3(或头部12)始终至少部分地(分量39)沿着其自身重量的竖直轴线位移从而使图像5在平面9中水平地位移。
[0133] 当然，本发明不限于上述示例，并且可以对这些示例进行各种变化而不偏离本发明的范围。
[0134] 当然，本发明的不同特征、形式、变体形式和实施方案可以根据各种组合彼此结合至它们不会不相容或彼此排斥的程度。特别地，上述所有变体形式和实施方案可以彼此组合。
