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待固化的物體層，生成至少一個、優(yōu)選單個數(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)備生成用來在構(gòu)造平面中形成物體的每個待固化的物體層的至少一個、優(yōu)選單個數(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)明進一步涉及通過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，通過逐層固化或熔融優(yōu)選塑料材料，借助數(shù)字掩膜曝光來制造三維物體，其中，根據(jù)局部可用的光功率，由曝光時間控制每單位面積的能量輸入。
[0005]待解決的各種問題出現(xiàn)在借助于這些方法和裝置的三維物體的制造過程中。具體地說，重要的是:例如，使光強度分布均勻。由于使用具體地說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，不均勻強度分布在成像過程中發(fā)生。然而，盡可能阻止這種不均勻性，以便強度分布在構(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，所謂的過度曝光可以發(fā)生在物體層的輪廓區(qū)域中。具體地說，這可能具有如下后果，例如在相對大結(jié)構(gòu)中，小的空心空間因其輪廓的過度曝光而根本沒有形成，因為由于過度曝光，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程中通常是不足的。具體地說，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)造過程期間使內(nèi)側(cè)區(qū)域過度曝光，以獲得部件中的更大的原體硬度，因為在燒制(burning)過程期間，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，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，通過掩膜的各個單獨像素的灰度值控制或通過對于單個物體層使用多個掩膜的多重曝光來實現(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，灰度值控制的缺點是，具體地，由于輻射強度的破壞/減小，物體層的每個曝光周期總是需要較長曝光時間，以獲得每一物體層的所需的能量輸入。具體地說，這個的原因是為了最優(yōu)化，能量輸入總是被導(dǎo)向圖像中的最低強度值。在多重曝光的情況下，必須提供多個掩膜并且使其依次曝光。這個過程也具有延長曝光時間的后果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明的目的是改進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行。
[0009]這個目的通過在介紹中提到的類型的方法來實現(xiàn)，其中，根據(jù)待固化的物體層，為每個曝光掩膜計算出單一2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，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單個曝光掩膜曝光。此外，灰度值控制從根本上說是多余的，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。當然也可想到，為每個曝光掩膜選擇具有不同亮度的位值“透明”。優(yōu)選地，每個位圖應(yīng)僅具有例如用“透明”和“不透明”識別的曝光掩膜透明度的兩個不同的強度值。具體地說，兩個位值也都可以允許針對輻射有一定透明度，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，當位值是“透明”時，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，而當位值是“不透明”時，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位位圖的全部兩個可用的位值。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，能夠借助所述至少一個曝光掩膜來選擇性地以像素級控制通過輻射進入構(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，在所述極端情況下，g卩，當與具有位值“不透明” 一樣多的像素具有位值“透明”時，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，可以實現(xiàn)，例如，具體地說，相對較大結(jié)構(gòu)可以用平均低于相對纖弱結(jié)構(gòu)的輻射強度來輻照。通過光學(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)造平面上的過度曝光效應(yīng)，光強度的平均值在結(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，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，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個階梯，S卩η個階梯可以被提供用以將在從O至0.5范圍內(nèi)的對應(yīng)曝光衰減值分配給對應(yīng)數(shù)量的曝光紋理中的每個曝光紋理。具體地說，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)個像素相對于彼此偏移，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。通過這個方法變型，可以特別確保，具有位值“不透明”的2個像素沒有在連續(xù)的物體層中彼此疊放。
[0015]如果提供用來構(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個像素直接彼此毗鄰，使得沒有具有未固化材料的相對較大區(qū)域通過曝光紋理在物體中生成。
[0018]如果曝光紋理通過在平行于構(gòu)造平面的平面上的平移能夠轉(zhuǎn)換為自身，則可以以特別簡單的方式生成規(guī)則曝光紋理。換言之，具體地說，它們可以由包括可以通過適當平移而規(guī)則地布置以形成曝光紋理的很少幾個像素的簡單基本圖案組成。
[0019]如果平移由具有對應(yīng)于在X方向上的η個像素和在不平行于X方向的y方向上的m個像素的長度的矢量限定，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)備來生成。具體地說，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，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，為了獲得物體的實心、平滑、閉合的表面，如果在每個曝光掩膜中，針對曝光區(qū)域的每個內(nèi)外輪廓，閉合的邊緣線被分配到每個曝光區(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個像素，則是有利的。具體地說，如果邊緣線的寬度在從2個至8個像素的范圍內(nèi)，則是有利的。優(yōu)選地，邊緣線的寬度在從2個至4個像素的范圍內(nèi)。
[0023]如果電磁輻射或粒子輻射用作輻射，則材料可以以簡單的方式固化。有利地，具體地說，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現(xiàn)物體的結(jié)構(gòu)，如果給每個曝光掩膜分配各自單獨的曝光時間，則是有利的。因此，曝光時間可以根據(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行預(yù)設(shè)，使得曝光必須僅進行直到物體層具有所需穩(wěn)定性或硬化深度為止。
[0025]如果曝光時間對所有曝光掩膜來說是相同的，則方法是特別容易可實現(xiàn)的。這樣，各自單獨的時間控制可以被省掉。
[0026]根據(jù)如本發(fā)明的方法的進一步優(yōu)選變型，可以提供的是，在每個曝光掩膜中，界定曝光區(qū)域的獨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凹處，如果界定物體層的獨立閉合的內(nèi)輪廓線在所述至少一個凹處周圍限定，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，都有效地形成強度帶(swathe)，具體地說，在每一種情況下，該強度帶直接與曝光區(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，該強度帶引起盡可能少的散射光在內(nèi)外輪廓上分開，通過該散射光，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，如果提供不止一條分隔線，則是有利的。具體地說，可以提供兩條、三條或三條以上