生成三维物体的方法和设备以及所用的计算机和数据载体技术

本发明专利技术涉及一种生成三维物体的方法，该方法采用一种在电磁辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散成像元素（像素）的成像单元进行能量输入，使该材料固化而完成造型。该方法包括使用位图掩模曝光以实现固化。位图掩模可以由位图数据栈生成，而后者则通过对完全或部分包围住至少待生成的三维物体的一部分的三维模型的三维体的重叠分析获得。此外，位图掩模还可以由包含重叠信息的二维数据集生成。固化可以使用“即时”生成的位图掩模曝光来进行。本发明专利技术还包括用于执行或实现该方法的设备、计算机以及数据载体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种生成三维物体的方法和设备，该方法釆用 一种在电磁辐射作用下可 以固化的材料，通过包含预定数量离散成像元素(像素)的成像单元进行能量输入，使 该材料固化而完成造型。本专利技术具体涉及以光栅(位图)掩模曝光而生成三维物体的设 备和方法。典型地，掩模内的最小物理分辨率由像素大小确定。空间光调制器(SLM) 技术是可以用于该设备成像单元的特定技术。
技术介绍
在常规的立体光刻技术及快速原型装置领域中，三維物体的生成方法是使用在电 磁辐射作用下可以固化的材料，通常在光敏聚合物的光硬化作用下进行分层固化。目前 已经有若干种通过包含预定数量离散元素(像素)的成像单元进行曝光来实现三维物体 分层构造的方法和设备。可参考的专利包括US 5,247,180、 US 5,980,813、 DE93 19405.5 U、DE299 11 122U、EP 1 250 995A、EP 1 338 846 A、 WO 01/003卯以及WO 2005/110722 等专利。通过旨在进行光致聚合作用的基于激光的系统，曝光点的能量或光输出由激光束的 能量设置确定。为了有选择地将相应层硬化，激光束将对需进行硬化的横截面进行扫描。 待硬化横截面的轮廓可以由激光束扫描为 一个曲线。三维物体的分层构造是通过在对应于三维(3D)模型(对应于三维物体)横截面 的一个横截面内的固化实现的。由此，待硬化的横截面处于XY构造平面内，而相应的 层在Z维(Z方向)硬化至所需的层厚度。为了实现这种构造方法，加工过程包含一个 对三维模型数据(STL)切片、使之成为对应于待曝光横截面的一组切片二维(2D)数 据的步骤。这种现有技术在图1中示意性地示出。然而，采用上述现有技术的三维才莫型数据切片和对应于相应横截面的分层化二维数 据的转换较为复杂，需要全面的算法和计算机处理。此外，光敏聚合物的分层硬化精度 取决于多种因素，例如根据Z向高度进行的切片横截面分配、切片横截面轮廓线设置、 能量(光输出)源的相应调整以及相关的控制要素等。专利技术目的本专利技术的目的是通过提供复杂性较低的系统，改进生成三维物体的方法和设备，其 中涉及将物体信息相对简便地转换为对应的构造信息。此外还要使在待生成三维物体的 表面结构上进行相对精确的构造成为可能。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种生成三维物体的方法，该方法采用一种在电磁 辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散成像元素(像素)的成像单元进行 能量输入，使该材料固化而完成造型，该方法包括以下步骤a) 由一个三维体提供位图数据栈，该三维体要完全或部分包围住待生成的至少三 维物体的一部分的三维模型，其中的位图数据栈已由包括以下步骤的过程生成 在完全或部分包围住三维模型的三维体上叠加一个光栅， 确定是否与三维^t型存在重叠， 对于已确定存在重叠的地方，将位图数据设置为能量输出状态，或者在确定不 存在重叠的地方，将位图数据设置为无能量输出状态；b) 使用由步骤a)中所提供的位图数据栈生成的位图掩模以曝光方式进行固化。 本专利技术的该第 一方面特别适用于已经提供有上述位图栈的情况。 根据本专利技术的第二方面，提供了一种生成三维物体的方法，该方法采用一种在电磁辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散像素的成像单元进行能量输入，使 所述材料固化而完成造型，所述方法包括以下步骤a')由一个三维体提供二维数据集，所述三维体要完全或部分包围住至少待生成的 三维物体的一部分的三维模型，其中所述二维数据集已由包括以下步骤的过程生成 在完全或部分包围住所述三维模型的所述三维体上叠加网格光栅， 确定是否与所述三维模型存在重叠， 将重叠信息转换为不同类型的转变信息，其中包括作为第一类的进入信息，所 述进入信息由从三维才莫型外部到内部的转变来定义；和作为第二类的退出信息，所述退 出信息由从三维模型内部到外部的转变来定义， 将所述转变信息保存在二维数据集中；和b')使用由步骤a')中所提供的二所述维数据集生成的位图掩模以曝光方式进行固化。本专利技术的该第二方面特别适用于固化所用位图掩模由上述二维数据集生成的情 况。此后可以由二维翁:据集生成位图栈。在构造过程中，最好由二维数据集直接生成至 少一幅位图。这样就可以对设备成像单元的位图掩模进行控制，以即时生成三维物体。根据本专利技术的另一方面，提供了一种生成三维物体的设备，该方法采用一种在电 磁辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散成像元素(像素)的成像单元进 行能量输入，使该材料固化而完成造型,其中的设备包括计算机单元、集成电路(IC)和 /或软件实现，分别执行如下的操作由三维体转换得到的位图数据栈，该三维体至少包含待生成物体的三维模型的一部分，其中栈内的每一位图数据均包含关于能量输出水平的信息，以使对应于三维模型 内部某个位置的像素被置为能量输出状态，而对应于三维模型外部某个位置的像素被置 为无能量输出状态。再根据本专利技术的另一方面，提供了一种生成三维物体的设备，该方法采用一种在 电磁辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散成像元素(像素)的成像单元进行能量输入，使该材料固化而完成造型。其中的设备包括计算机单元、集成电路(IC)和/或软件实现，分别执行如下的操作由转变信息的二维数据集转换得到的位图数据，其中所述的转变信息包括作为第 一类的进入信息(由从三维模型外部到内部的转 变来定义)和作为第二类的退出信息(由从三维模型内部到外部的转变来定义)，所述 的模型至少对应于待生成的三维物体的一部分。再根据本专利技术的另一方面，提供了保存位图数据栈的计算机或数据载体，其中位 图栈的每一位图数据均包含用于控制成像单元的能量输出水平信息，成像单元则包含预 定数量的、对应于位图光栅的离散成像元素(像素)。再根据本专利技术的另一方面，提供了保存包含转变信息的二维数据集的计算机或数 据载体，其中的转变信息包括作为第一类的进入信息(由从三维模型外部到内部的转变 来定义)和作为第二类的退出信息(由从三维模型内部到外部的转变来定义)。基于所 保存的二維数据集，所述的模型至少对应于待生成的三维物体的一部分。由计算机或凝:据载体保存位图数据栈或二维数据集，分别特别适用于执行根据本 专利技术上述第一或第二方面的方法或实现根据上述本
技术实现思路
的设备。原理、特点和优点以及本专利技术的优选实施方式介绍本专利技术基于以掩模曝光方法进行的三维物体构造，该方法回避了对三维模型数据 进行切片处理的机制。因此，本专利技术是一种相对筒单的系统，所需的算法或计算机处理 或软件实现都不太复杂。此外，尽管相对常规切片技术而言数据量会缩减，但却可提供 额外的信息，以使诸如待固化层厚度、曝光微调(特别是对三维物体的表面结构进行的 微调)、曝光时间等构造参数可以在相应情况下获得更粗略或更精细的控制。根据本发 明，只需要通过在三维体上叠加适当的网格光栅或体素网格光栅，确定位图数据中的特定像素位置与三维;漠型之间是否存在重叠，并根据该确定结果，将位图数据及相应的像 素设置为能量输出状态或相反状态。由此，可以相应地生成可以完全表达三维模型信息 的上述位图数据栈或二维数据集。此外，根据重叠特性，可以通过适当的位图控制精确 地生成三维物体的表面结构，位图控制最适合采用对位图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生成三维物体的方法，所述方法采用一种在电磁辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散像素的成像单元进行能量输入，使所述材料固化而完成造型，所述方法包括以下步骤：　　　　ａ）由三维体提供位图数据栈，所述三维体完全或部分包围住至少待生成的三维物体的一部分的三维模型，其中所述位图数据栈已由包括以下步骤的过程生成：　　　　.在所述完全或部分包围住所述三维模型的所述三维体上叠加网格光栅，　　　　.确定是否与所述三维模型存在重叠，　　　　.对于已确定存在重叠的地方，将位图数据设置为能量输出状态，或者在确定不存在重叠的地方，将位图数据设置为无能量输出状态；　　　　ｂ）使用由步骤ａ）中所提供的所述位图数据栈生成的位图掩模以曝光方式进行固化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：沃尔克席勒，亨德里克约翰，
申请(专利权)人：德国Envisiontec股份有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]