制造三維物體的方法和裝置以及曝光掩膜生成設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過(guò)使用曝光掩膜逐層固化能夠在輻射的作用下固化的材料來(lái)制造三維物體的方法，其中，為了在構(gòu)造平面中形成物體的每個(gè)待固化的物體層，生成至少一個(gè)、優(yōu)選單個(gè)數(shù)字曝光掩膜，輻射借助于該曝光掩膜而被選擇性地投影到構(gòu)造平面上。
[0002]本發(fā)明還涉及通過(guò)使用曝光掩膜逐層固化能夠在輻射的作用下固化的材料來(lái)制造三維物體的裝置的曝光掩膜生成設(shè)備，所述裝置包括生成輻射的輻射源以及曝光掩膜生成設(shè)備，該曝光掩膜生成設(shè)備生成用來(lái)在構(gòu)造平面中形成物體的每個(gè)待固化的物體層的至少一個(gè)、優(yōu)選單個(gè)數(shù)字曝光掩膜，輻射借助于該曝光掩膜而被選擇性地投影到構(gòu)造平面上。
[0003]本發(fā)明進(jìn)一步涉及通過(guò)使用曝光掩膜逐層固化能夠在輻射的作用下固化的材料來(lái)制造三維物體的裝置，所述裝置包括生成輻射的輻射源以及曝光掩膜生成設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0004]上述類型的方法和裝置以很多形式已知，例如從DE 199 29 199 Al得知。在此，通過(guò)逐層固化或熔融優(yōu)選塑料材料，借助數(shù)字掩膜曝光來(lái)制造三維物體，其中，根據(jù)局部可用的光功率，由曝光時(shí)間控制每單位面積的能量輸入。
[0005]待解決的各種問(wèn)題出現(xiàn)在借助于這些方法和裝置的三維物體的制造過(guò)程中。具體地說(shuō)，重要的是:例如，使光強(qiáng)度分布均勻。由于使用具體地說(shuō)包括輻射源和投影透鏡系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)果，因此通常地是，不均勻強(qiáng)度分布在成像過(guò)程中發(fā)生。然而，盡可能阻止這種不均勻性，以便強(qiáng)度分布在構(gòu)造-投影平面上盡可能均勻，三維物體形成在構(gòu)造-投影平面上。
[0006]同樣重要的是，獲得具有物體的物體層的不同構(gòu)造的橫截面區(qū)域的均勻硬化深度。因此，首先，在具有纖弱結(jié)構(gòu)或橫截面區(qū)域的物體層中的結(jié)構(gòu)比具有大橫截面區(qū)域的結(jié)構(gòu)硬化得淺。此外，所謂的過(guò)度曝光可以發(fā)生在物體層的輪廓區(qū)域中。具體地說(shuō)，這可能具有如下后果，例如在相對(duì)大結(jié)構(gòu)中，小的空心空間因其輪廓的過(guò)度曝光而根本沒(méi)有形成，因?yàn)橛捎谶^(guò)度曝光，在輪廓區(qū)域中的材料硬化直到待形成的空心空間中。并且最后，所謂的原體(raw-body)硬度在三維物體的制造過(guò)程中通常是不足的。具體地說(shuō)，這應(yīng)該被理解成意味著，在特別纖弱(支承)結(jié)構(gòu)的情況下，只有不充足的硬化可以在物體的制造過(guò)程中發(fā)生，使得這些纖弱結(jié)構(gòu)通常撕掉。同樣可以發(fā)生的是，在非常纖弱結(jié)構(gòu)的情況下，未獲得硬化的臨界能量，且因此沒(méi)有生成纖弱結(jié)構(gòu)。在大部件的情況下，可以期望在構(gòu)造過(guò)程期間使內(nèi)側(cè)區(qū)域過(guò)度曝光，以獲得部件中的更大的原體硬度，因?yàn)樵跓?burning)過(guò)程期間，尤其是在不透明材料的情況下，輻射僅具有較小的穿透深度。
[0007]具體地說(shuō)，為了獲得具有不同構(gòu)造的橫截面區(qū)域的更均勻的硬化深度，從現(xiàn)有技術(shù)得知，通過(guò)掩膜的各個(gè)單獨(dú)像素的灰度值控制或通過(guò)對(duì)于單個(gè)物體層使用多個(gè)掩膜的多重曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的或形成所述物體的物體層的受控的、像素精確的硬化。關(guān)于灰度值控制，參考上述DE 199 29 199 Al，而關(guān)于多重曝光，參考EP I 849 586 Al。具體地說(shuō)，灰度值控制的缺點(diǎn)是，具體地，由于輻射強(qiáng)度的破壞/減小，物體層的每個(gè)曝光周期總是需要較長(zhǎng)曝光時(shí)間，以獲得每一物體層的所需的能量輸入。具體地說(shuō)，這個(gè)的原因是為了最優(yōu)化，能量輸入總是被導(dǎo)向圖像中的最低強(qiáng)度值。在多重曝光的情況下，必須提供多個(gè)掩膜并且使其依次曝光。這個(gè)過(guò)程也具有延長(zhǎng)曝光時(shí)間的后果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明的目的是改進(jìn)方法和裝置以及在介紹中提到的類型的曝光掩膜生成設(shè)備，使得三維物體的制造可以更容易且更快地進(jìn)行。
[0009]這個(gè)目的通過(guò)在介紹中提到的類型的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，根據(jù)待固化的物體層，為每個(gè)曝光掩膜計(jì)算出單一2位位圖，該2位位圖要么將位值“透明”要么將位值“不透明”分配給曝光掩膜的每個(gè)像素，并且位值“透明”被分配給2位位圖的具有小于限制結(jié)構(gòu)尺寸的結(jié)構(gòu)尺寸的至少一個(gè)表面區(qū)域，而曝光紋理被分配給大于限制結(jié)構(gòu)尺寸的至少一個(gè)表面區(qū)域，所述曝光紋理以具有位值“透明”和“不透明”的像素構(gòu)成的圖案的形式構(gòu)造。
[0010]具體地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明提出的方法使待制造的物體層能夠用僅僅一個(gè)單個(gè)曝光掩膜曝光。此外，灰度值控制從根本上說(shuō)是多余的，但其可選地仍然是可能的。例如，能夠僅僅提供黑/白位圖作為2位位圖。當(dāng)然也可想到，為每個(gè)曝光掩膜選擇具有不同亮度的位值“透明”。優(yōu)選地，每個(gè)位圖應(yīng)僅具有例如用“透明”和“不透明”識(shí)別的曝光掩膜透明度的兩個(gè)不同的強(qiáng)度值。具體地說(shuō)，兩個(gè)位值也都可以允許針對(duì)輻射有一定透明度，使得位值“透明”的透明度總是大于位值“不透明”的透明度。此外，方法還可以用于反射系統(tǒng)，其中，接著，位值“透明”和“不透明”將以類似的方式理解，即，例如，當(dāng)位值是“透明”時(shí)，曝光掩膜反射輻射或以期望的方式將輻射偏轉(zhuǎn)到構(gòu)造平面，而當(dāng)位值是“不透明”時(shí)，不反射輻射、吸收輻射或使輻射偏轉(zhuǎn)到構(gòu)造平面外。優(yōu)選地，使用具有如下像素構(gòu)成的規(guī)則圖案的曝光紋理，該像素具有2位位圖的全部?jī)蓚€(gè)可用的位值。例如，可以提供棋盤狀圖案或包含曲折線或條紋的圖案。具體地說(shuō)，能夠借助所述至少一個(gè)曝光掩膜來(lái)選擇性地以像素級(jí)控制通過(guò)輻射進(jìn)入構(gòu)造平面中的可固化材料中的能量輸入。同樣能夠?qū)⑽恢怠巴该鳌狈峙浣o2位位圖的具有小于限制結(jié)構(gòu)尺寸的結(jié)構(gòu)尺寸的每個(gè)表面區(qū)域，而將曝光紋理分配給大于限制結(jié)構(gòu)尺寸的每個(gè)表面區(qū)域，所述曝光紋理以具有位值“透明”和“不透明”的像素構(gòu)成的圖案的形式構(gòu)造。
[0011]如果曝光紋理最多具有與具有位值“透明”的像素一樣多的具有位值“不透明”的像素，則是有利的。這樣，可以確保能夠產(chǎn)生基本上平面的結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，在所述極端情況下，g卩，當(dāng)與具有位值“不透明” 一樣多的像素具有位值“透明”時(shí)，可以形成不同像素交替布置的棋盤狀結(jié)構(gòu)。
[0012]有利地，每個(gè)曝光紋理具有大于O但不大于0.5的曝光衰減值。這樣，輻射的強(qiáng)度可以在物體層的期望區(qū)域中借助于在指定區(qū)域中具有曝光衰減值的曝光掩膜以期望的方式衰減。
[0013]如果曝光紋理取決于所述表面區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)被分配給具有大于限制結(jié)構(gòu)尺寸的結(jié)構(gòu)尺寸的至少一個(gè)表面區(qū)域，以及如果曝光紋理的曝光衰減值隨著結(jié)構(gòu)尺寸增大而增大，則是有利的。這樣，可以實(shí)現(xiàn)，例如，具體地說(shuō)，相對(duì)較大結(jié)構(gòu)可以用平均低于相對(duì)纖弱結(jié)構(gòu)的輻射強(qiáng)度來(lái)輻照。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，也被稱為“調(diào)制傳遞函數(shù)”(MTF)—在此表示為“模糊度”一以及在構(gòu)造平面上的過(guò)度曝光效應(yīng)，光強(qiáng)度的平均值在結(jié)構(gòu)表面上被耦合到在構(gòu)造平面上的材料中。具體地說(shuō)，曝光紋理的依賴性函數(shù)可以從結(jié)構(gòu)尺寸形成線性函數(shù)或階梯函數(shù)。具體地說(shuō)，階梯函數(shù)可以限定依賴性，大意是，提供有限數(shù)量的離散表面紋理，每個(gè)表面紋理被分配給一離散的曝光衰減值。例如，5、10、15和20個(gè)階梯，S卩η個(gè)階梯可以被提供用以將在從O至0.5范圍內(nèi)的對(duì)應(yīng)曝光衰減值分配給對(duì)應(yīng)數(shù)量的曝光紋理中的每個(gè)曝光紋理。具體地說(shuō)，如果曝光紋理取決于所述表面區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸被分配給具有大于限制結(jié)構(gòu)尺寸的結(jié)構(gòu)尺寸的每個(gè)表面區(qū)域，則是有利的。
[0014]為了提高物體的穩(wěn)定性，如果用來(lái)曝光連續(xù)的物體層的曝光掩膜的相同曝光紋理被布置在平行于構(gòu)造平面的平面中，以整數(shù)個(gè)像素相對(duì)于彼此偏移，則是有利的。優(yōu)選地，相同曝光紋理以I像素在平行于構(gòu)造平面的所述平面的X方向或y方向上偏移。通過(guò)這個(gè)方法變型，可以特別確保，具有位值“不透明”的2個(gè)像素沒(méi)有在連續(xù)的物體層中彼此疊放。
[0015]如果提供用來(lái)構(gòu)造曝光紋理的不同的紋理圖案，所述紋理圖案具有在O至I之間的范圍內(nèi)的具有位值“不透明”的像素與具有位值“透明”的像素的比值，則是有利的。通過(guò)提供紋理圖案，隨后被限定的物體層的表面區(qū)域可以直接用各自的紋理圖案填充。
[0016]優(yōu)選地，每個(gè)曝光紋理以陰影或規(guī)則圖案的形式構(gòu)造。這樣，也可以特別確保，具有位值“不透明”的2個(gè)像素在紋理中不彼此相鄰放置。
[0017]如果僅使用曝光紋理，針對(duì)曝光紋理，至多具有位值“不透明”的像素的角部彼此相遇，而具有位值“不透明”的像素的縱向邊緣不彼此毗鄰，則是有利的。這樣，可以防止，具有位值“不透明”的2個(gè)像素直接彼此毗鄰，使得沒(méi)有具有未固化材料的相對(duì)較大區(qū)域通過(guò)曝光紋理在物體中生成。
[0018]如果曝光紋理通過(guò)在平行于構(gòu)造平面的平面上的平移能夠轉(zhuǎn)換為自身，則可以以特別簡(jiǎn)單的方式生成規(guī)則曝光紋理。換言之，具體地說(shuō)，它們可以由包括可以通過(guò)適當(dāng)平移而規(guī)則地布置以形成曝光紋理的很少幾個(gè)像素的簡(jiǎn)單基本圖案組成。
[0019]如果平移由具有對(duì)應(yīng)于在X方向上的η個(gè)像素和在不平行于X方向的y方向上的m個(gè)像素的長(zhǎng)度的矢量限定，其中，η和m是整數(shù)，則是有利的。因此，曝光紋理可以容易地用掩膜曝光設(shè)備來(lái)生成。具體地說(shuō)，X方向和y方向可以定向成彼此垂直。
[0020]如果曝光紋理被逐像素光柵化，則是有利的。具體地說(shuō)，這將被理解成使得曝光紋理的最小單位是像素。
[0021]具體地說(shuō)，為了獲得物體的實(shí)心、平滑、閉合的表面，如果在每個(gè)曝光掩膜中，針對(duì)曝光區(qū)域的每個(gè)內(nèi)外輪廓，閉合的邊緣線被分配到每個(gè)曝光區(qū)域，其限定物體的橫截面區(qū)域，并且如果位值“透明”被分配給形成邊緣線的像素，則是有利的。
[0022]為了讓邊緣線的穩(wěn)定性可以以與寬度的最佳關(guān)系構(gòu)造，如果邊緣線的寬度是至少2個(gè)像素，則是有利的。具體地說(shuō)，如果邊緣線的寬度在從2個(gè)至8個(gè)像素的范圍內(nèi)，則是有利的。優(yōu)選地，邊緣線的寬度在從2個(gè)至4個(gè)像素的范圍內(nèi)。
[0023]如果電磁輻射或粒子輻射用作輻射，則材料可以以簡(jiǎn)單的方式固化。有利地，具體地說(shuō)，使用在紫外光譜區(qū)中的電磁輻射。
[0024]為了能夠盡可能快地實(shí)現(xiàn)物體的結(jié)構(gòu)，如果給每個(gè)曝光掩膜分配各自單獨(dú)的曝光時(shí)間，則是有利的。因此，曝光時(shí)間可以根據(jù)待固化的物體層的形狀和厚度以及在構(gòu)造平面內(nèi)待曝光的表面的側(cè)向位置以最佳的方式進(jìn)行預(yù)設(shè)，使得曝光必須僅進(jìn)行直到物體層具有所需穩(wěn)定性或硬化深度為止。
[0025]如果曝光時(shí)間對(duì)所有曝光掩膜來(lái)說(shuō)是相同的，則方法是特別容易可實(shí)現(xiàn)的。這樣，各自單獨(dú)的時(shí)間控制可以被省掉。
[0026]根據(jù)如本發(fā)明的方法的進(jìn)一步優(yōu)選變型，可以提供的是，在每個(gè)曝光掩膜中，界定曝光區(qū)域的獨(dú)立閉合的外輪廓線被分配給限定物體橫截面區(qū)域的每個(gè)曝光區(qū)域，位值“透明”被分配給形成輪廓線的像素，內(nèi)部與輪廓線接界的分隔線被分配給每個(gè)曝光掩膜，并且位值“不透明”被分配給形成分隔線的像素。如果由曝光區(qū)域限定的待形成物體層具有至少一個(gè)凹處，如果界定物體層的獨(dú)立閉合的內(nèi)輪廓線在所述至少一個(gè)凹處周圍限定，如果位值“透明”被分配給形成該輪廓線的像素，如果外部與該輪廓線直接接界的分隔線被限定并且如果位值“不透明”被分配給形成該分隔線的像素，則同樣可以是有利的。在兩種情況下，都有效地形成強(qiáng)度帶(swathe)，具體地說(shuō)，在每一種情況下，該強(qiáng)度帶直接與曝光區(qū)域的輪廓線接界，即，接近物體層的待曝光的區(qū)域。具體地說(shuō)，該強(qiáng)度帶引起盡可能少的散射光在內(nèi)外輪廓上分開(kāi)，通過(guò)該散射光，首先表面質(zhì)量以及其次待制造物體的尺寸一致性可能受損。此外，如果各自分隔線與內(nèi)外輪廓線直接接界，則可以是有利的。具體地說(shuō)，如果提供不止一條分隔線，則是有利的。具體地說(shuō)，可以提供兩條、三條或三條以上