用于3D增材制造的计算机轴向光刻（CAL）的系统和方法技术方案

公开了形成三维(3D)对象的方法。该方法可以包括提供容纳在光学透明树脂容器内的可光固化树脂体，以及同时按多个角度θ引导来自光学子系统的光学投影通过该可光固化树脂体。光束围绕延伸通过该可光固化树脂体的z轴被引导。对投影中的每一个提供计算出的用于创建3D强度图的2D空间强度函数。投影在固定暂时曝光时段内起作用，在该固定暂时曝光时段期间，净曝光剂量足以固化该可光固化树脂体的选定部分，并且使其他部分保持未固化，以形成期望的3D部件。

System and method of computer axial lithography (CAL) for 3D additive manufacturing

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于3D增材制造的计算机轴向光刻(CAL)的系统和方法相关申请的交叉引用本申请是于2017年5月12日提交的美国专利申请第15/593,947号的PCT国际申请。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。政府权利声明美国政府根据美国能源部与劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司(LawrenceLivermoreNationalSecurity,LLC)之间针对劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的运营的合同第DE-AC52-07NA27344号，对本专利技术享有权利。
本公开涉及用于执行增材制造的系统和方法，并且更具体地涉及关于使用计算机断层扫描(CT)技术的体制造(volumetricfabrication)的系统和方法。
技术介绍
这部分提供与本公开有关的背景信息，其不必然是现有技术。增材制造(AM)制造方法正在迅速发展，其中基于光聚合物的方法包括一些最突出的方法。这些立体光刻技术提供了分辨率、构建速度、处理控制以及资金成本之间的有用平衡。然而，这些系统度量通常需要彼此权衡。解决速度限制、表面粗糙度(阶梯产物(stair-stepartifact))和对支承结构的要求将为这些技术的前进发展提供接下来的主要步骤。随着增材制造(AM)技术的兴起和多功能性，关于几乎每种AM方法的一个约束是：依赖于连续地重复的低维单元操作，逐个体素或逐层构建结构。这可能是优点，产生显著的处理灵活性，但是这常常是缺点，造成维度限制和表面光洁度方面的缺陷；例如，不可能产生平滑的弯曲几何形状。若干方法已经展示了在不需要平面切片的情况下生成3D结构的能力，尤其是休斯研究实验室(HughesResearchLaboratory)的经由点阵光束的点阵的制造(参见，T.A.Schaedler等，“UltralightMetallicMicrolattices”，Science，卷334，第6058号，第962至965页，2011年11月)和通过干涉光刻产生的光子晶体(参见，Y.Lin、A.Harb、K.Lozano、D.Xu和K.P.Chen，“Fivebeamholographiclithographyforsimultaneousfabricationofthreedimensionalphotoniccrystaltemplatesandlinedefectsusingphasetunablediffractiveopticalelement”，Opt.Express，卷17，第19号，第16625页，2009年9月)。但是，这些方法限于周期性结构，其中一个维度显著小于其他两个维度。即使Carbon3D的“连续”液体界面处理(参见，J.R.Tumbleston等，“Continuousliquidinterfaceproductionof3Dobjects”，Science，卷347，第6228号，第1349至1352页，2015年3月)也依然需要基于2D离散化的顺序制造。非常期望扩展AM技术基础以包括借助于3D单元操作的制造，3D单元操作生成具有任意几何形状的3D形状(“一次成型(volumeatonce)”)。这样的方法还处于起步阶段：第一“一次成型”基于光聚合物的制造最近被展示，如在第26届年度国际固体自由曲面制造研讨会论文集(Proceedingsofthe26thAnnualInternationalSolidFreeformFabricationSymposium)，Austin，TX，2016年，第1183至1192页中的M.Shusteff等的“AdditiveFabricationof3DStructuresbyHolographicLithography”中所述。该方法使用了由纯相位硅上液晶(LCoS)空间光调制器(SLM)生成的全息形的光场。由于沿三个正交方向中的每一个方向具有恒定的横截面，因此由Shusteff等人的方法可实现的几何形状受到限制。这种限制主要由根据因现有SLM的相对大的像素尺寸(最小大约4μm，但是更通常为8μm或更大)产生的现有SLM的状态可实现的小衍射角引起的。
技术实现思路
这部分提供对本公开的一般概述，而并非对其全部范围或其特征的全部的全面公开。在一个方面，本公开涉及一种形成三维(3D)对象的方法。该方法可以包括：提供容纳在光学透明树脂容器内的可光固化树脂体(volumeofphoto-curableresin)，以及同时按多个角度θ引导来自光学子系统的光学投影通过该可光固化树脂体。光学投影还可以围绕延伸通过该可光固化树脂体的z轴被引导。可以对光学投影中的每一个提供在固定暂时曝光时段(fixedtemporalexposureperiod)内起作用的计算出的三维强度分布。在期间提供来自一个或多个角度的投影的固定时间段内，净曝光剂量足以固化该可光固化树脂体的所选择的部分，并且使其他部分保持未固化，以形成期望的3D部件。在另一方面，本公开涉及一种通过提供容纳在光学透明树脂容器内的可光固化树脂体来形成三维(3D)对象的方法。z轴延伸通过该可光固化树脂体，并且r轴与z轴垂直地延伸。在沿相对于z轴的不同的角度θ以顺序的方式将来自静止的光学子系统的在x’方向上的光学投影引导到光学透明树脂容器处的同时，该树脂容器可以围绕z轴旋转。可以在每个角度θ处控制光学投影的二维(2D)投影函数。该投影函数可以递送受控的3D曝光剂量。在包括来自多个角度θ的投影的固定暂时曝光时段内，可以在树脂体中生成总和的净3D曝光剂量。总和的3D曝光剂量可以足以在期望区域中引起光固化，而不在非期望区域中引起光固化。在又一个方面，本公开涉及一种形成三维(3D)对象的方法。该方法可以包括：提供容纳在光学透明树脂容器内的可光固化树脂体，z轴延伸通过该可光固化树脂体以及x’轴与z轴垂直地延伸。该方法还可以包括使用光学子系统以生成光学二维(2D)投影函数，光学2D投影函数生成3D强度图。该方法还可以包括：在保持光学2D投影被引导通过该可光固化树脂体的同时，使得2D投影或树脂容器中至少之一相对于另一者旋转，以围绕该可光固化树脂体的完整外周接收光学2D投影。可以在每个角度θ处控制2D投影的二维(2D)投影函数以在固定暂时曝光时段内递送受控的3D投影剂量，并且其中，从多个角度θ生成多个2D投影。可以对多个2D投影进行求和以在树脂体中产生3D曝光剂量，该3D曝光剂量足以在期望区域中引起光固化，而不足以在非期望区域中引起光固化。根据本文提供的描述，其他应用领域将变得明显。本
技术实现思路
中的描述和特定示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。附图说明本文描述的附图仅用于所选择的实施方式而非所有可能的实现方式的说明性目的，并且不旨在限制本公开的范围。图1A示出提供用于在计算上设计光学投影的基础数学关系的概述的多个图。这些光学投影可以通过本公开的各种实施方式物理地生成以创建目标强度分布。图1B本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种形成三维(3D)对象的方法，包括：/n提供容纳在光学透明树脂容器内的光响应树脂体；/n同时按多个角度θ引导来自光学子系统的光学投影通过所述光响应树脂体，所述光学投影还围绕延伸通过所述光响应树脂体的z轴被引导；以及/n对所述光学投影中的每一个提供在固定暂时曝光时段内起作用的计算出的三维强度分布，其足以对所述光响应树脂体的所选择的部分进行固化或移除中的至少之一，并且使得其他部分保持未修改，以形成期望的3D部件。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170512 US 15/593,9471.一种形成三维(3D)对象的方法，包括：
提供容纳在光学透明树脂容器内的光响应树脂体；
同时按多个角度θ引导来自光学子系统的光学投影通过所述光响应树脂体，所述光学投影还围绕延伸通过所述光响应树脂体的z轴被引导；以及
对所述光学投影中的每一个提供在固定暂时曝光时段内起作用的计算出的三维强度分布，其足以对所述光响应树脂体的所选择的部分进行固化或移除中的至少之一，并且使得其他部分保持未修改，以形成期望的3D部件。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述同时按多个角度θ引导来自光学子系统的光学投影的操作包括将所述光学投影同时叠加以在空间中生成3D强度函数。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，按多个角度θ从光学子系统递送的光学投影的计算设计包括：
针对延伸通过所述z轴的多个z平面中的每个z平面，在每个角度θ处生成针对特定z平面的一维(1D)强度模式；以及
针对每个z平面，将针对特定角度θ的所述1D强度模式组合成来自该角度θ的二维(2D)图像投影，并针对每个角度θ进行该操作。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，按多个角度θ从光学子系统递送的光学投影的计算设计包括：
使用包括滤波反投影(FBP)技术或基于优化的迭代技术中的至少之一的傅里叶域方法。


5.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述固定暂时曝光时段之后，漂洗所述树脂容器，以从已被光固化的所述3D部件的区域中移除未被固化的树脂。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述同时按多个角度θ引导来自光学子系统的光学投影的操作包括：从围绕所述目标树脂体的外周布置的微透镜阵列和多个有机发光二极管(OLED)生成所述光学投影，其中，从特定的OLED子集生成来自特定角度θ的每个投影。


7.根据权利要求6所述的方法，还包括使用控制器来控制所述OLED阵列。


8.一种形成三维(3D)对象的方法，包括：
提供容纳在光学透明树脂容器内的可光固化树脂体，z轴延伸通过所述可光固化树脂体以及x’轴与所述z轴垂直地延伸；
围绕所述z轴旋转所述光学透明树脂容器，同时在所述树脂体旋转时，沿着相对于所述树脂体坐标系(x,y,z)的不同角度θ，以顺序的方式将来自静止的光学子系统的在固定的x’方向上的光学投影引导到所述树脂容器处；以及
其中，在每个角度θ处控制所述光学投影的二维(2D)投影函数以递送受控的3D曝光剂量，
在包括来自多个角度θ的投影以在所述树脂体中产生总和的3D曝光剂量的固定暂时曝光时段内，所述总和的3D曝光剂量足以在期望区域中引起光固化而不在非期望区域中引起光固化。


9.根据权利要求8所述的方法，还包括：将所述光学透明树脂容器布置在第二容器内，其中，所述第二容器填充有具有与所述树脂的折射率匹配的折射率的流体。


10.根据权利要求8所述的方法，其中，旋转所述光学透明容器包括：将所述光学透明容器固定到旋转支承台并且使用所述旋转状态以旋转所述光学透明容器。


11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光学透明容器的所述旋转通过控制器与所述光学投影同步。


12.根据权利要求8所述的方法，其中，引导来自静止的光学子系统的光学投影包括：引导来自静止的数字光处理(DLP)投影仪的光学投影。


13.根据权利要求8所述的方法，其中，引导来自静止的光学子系统的光学投影包括：使用空间光调制器(SLM)来生成光学投影，所述空间光调制器(SLM)控制入射光源的幅度或相位或者幅度和相位两者。


14.根据权利要求8所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：布雷特·凯利，罗伯特·帕纳西，马克西姆·舒斯特夫，克里斯托弗·斯帕达奇尼，海登·泰勒，因德拉森·巴塔查里亚，
申请(专利权)人：劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司，海登·泰勒，因德拉森·巴塔查里亚，
类型：发明
国别省市：美国;US