通過承載體利用進(jìn)料的三維制造的方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】通過承載體利用進(jìn)料的Ξ維制造的方法和設(shè)備
[0001] 相關(guān)申請 本申請主張共同擁有的W下專利申請的權(quán)益:2013年12月23日提交的US臨時專利申請 序號 61/919,903(案件號 1151-3PR2); 2013年8 月 14 日提交的 61/865，841(案件號 1151-3PR) 和2013年2月12日提交的61/763,746(案件號1151-2PR)，其公開內(nèi)容通過引用W其全文并 入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及由液體可聚合材料制造固體Ξ維物體的方法和設(shè)備。
[0003] 發(fā)明背景 在常規(guī)添加劑或Ξ維制造技術(shù)中，Ξ維物體的構(gòu)造 W步進(jìn)式或逐層式進(jìn)行。特別地，在 可見或UV光照射作用下，通過可光固化樹脂的固化進(jìn)行層形成。已知兩種技術(shù):一種為新層 形成在增長物體的上表面;另一種為新層形成在增長物體的下表面。
[0004] 如果新層形成在增長物體的上表面，則在每個照射步驟之后，使構(gòu)造中的物體降 低進(jìn)入樹脂"池"，樹脂新層涂覆在頂上，并進(jìn)行新的照射步驟。運(yùn)種技術(shù)的早期實例給出于 化11，美國專利號5,236,637，圖3。運(yùn)些"自上而下"技術(shù)的缺點是需要將增長物體浸沒在 (可能是深的)液體樹脂池中并重新組成液體樹脂的精確覆蓋層。
[0005] 如果新層形成在增長物體的底部，則在每個照射步驟之后，必須使構(gòu)造中的物體 從制造井的底板上分離。運(yùn)種技術(shù)的早期實例給出于化11，美國專利號5,236,637，圖4。雖 然運(yùn)種"自下而上"的技術(shù)有可能消除對深井(將物體浸沒在其中）的需要，取而代之的是將 物體從相對淺的井或池中提升，但在商業(yè)實施時，利用運(yùn)種"自下而上"的制造技術(shù)的問題 在于，當(dāng)從底板分離所述固化層時，由于它們之間的物理和化學(xué)相互作用，必須極為注意， 且使用額外的機(jī)械元件。例如，在美國專利號7,438,846中，彈性隔離層用于實現(xiàn)在底部構(gòu) 造平面上固化材料的"非破壞性"分離。其它方法，例如B9 Creations of Deadwood，South 化ko化，USA銷售的B9 Creator? 3D打印機(jī)，使用滑動構(gòu)建板。參見例如Μ.化yce，美國專利 申請2013/0292862和Y. Chen等人的美國專利申請2013/0295212(兩者都在2013年11月7 日）；也參見 Y. Pan 等人，J. Manufacturing Sci. and Eng.，134,051011-1 (2012 年 10 月）。運(yùn)些方法引入機(jī)械步驟，其可能使所述設(shè)備復(fù)雜化，減慢所述方法和/或可能使最終產(chǎn) 品變形。
[0006] 生產(chǎn)Ξ維物體的連續(xù)方法在美國專利號7,892,474中W-定篇幅在"自上而下"技 術(shù)方面提出，但是該參考文獻(xiàn)未解釋它們可如何在"自下而上"系統(tǒng)中W對生產(chǎn)的制品非破 壞性的方式實現(xiàn)。因此，需要替代方法和設(shè)備用于Ξ維制造，其可消除在"自下而上"制造中 對機(jī)械分離步驟的需要。 發(fā)明概要
[0007] 本文描述用于Ξ維物體的總體上連續(xù)生產(chǎn)的方法、系統(tǒng)和設(shè)備(包括相關(guān)的控制 方法、系統(tǒng)和設(shè)備）。在運(yùn)些方法、系統(tǒng)和設(shè)備中，由液體界面生產(chǎn)Ξ維物體。因此，為方便起 見且不是為了限制，它們有時稱為"連續(xù)液體中間相打印"。示意圖在本文的圖1中給出。
[0008] 如下討論，界面在相同可聚合液體的第一和第二層或區(qū)域之間。第一層或區(qū)域(有 時也稱為"死區(qū)"）包含聚合抑制劑(至少為抑制聚合的量）；在第二層或區(qū)域中，抑制劑已經(jīng) 消耗至基本不再抑制聚合的點（或已不再結(jié)合或滲透在其中）。第一和第二區(qū)域未形成彼此 之間的嚴(yán)格的界面，而是有組成梯度，其還可描述為在它們之間形成與明顯界面相對的中 間相，因為所述相彼此可混溶，且還產(chǎn)生它們之間（也在制造的Ξ維物體和通過其照射可聚 合液體的構(gòu)建表面之間）的聚合梯度(部分地或完全地重疊）。立維物體可由聚合梯度連續(xù) 地制造、增長或生產(chǎn)(而不是逐層制造）。因此，可減少或消除在生產(chǎn)的物體上產(chǎn)生缺陷或切 割線，運(yùn)可發(fā)生在逐層技術(shù)中，例如Y. Pan等人或J. Joyce等人描述的（上述說明）。當(dāng)然， 當(dāng)期望時，如下進(jìn)一步討論，可有意引入運(yùn)種缺陷或切割線。
[0009] 在連續(xù)液體相界面打印的一些實施方案中，第一層或區(qū)域緊接地提供在構(gòu)建板之 上，或與構(gòu)建板接觸。構(gòu)建板對于引發(fā)聚合的照射(例如，圖案化照射)是透明，但是構(gòu)建板 優(yōu)選對聚合抑制劑為半滲透性的并允許聚合抑制劑(例如，氧)部分或完全通過其中（例如， W便連續(xù)地將抑制劑進(jìn)料至"死區(qū)"）。構(gòu)建板優(yōu)選為"固定的"或"不動的"，意思是其不需滑 動、縮進(jìn)、回彈等W產(chǎn)生分離或順序步驟(如在逐層方法中）。當(dāng)然，構(gòu)建板在X和/或y方向的 較小運(yùn)動(不會過度地中斷聚合梯度，但是仍允許液體界面的連續(xù)聚合)仍可適應(yīng)一些實施 方案，也如下論述。
[0010] 因此，本發(fā)明提供了形成Ξ維物體的方法，其包含:提供承載體和具有構(gòu)建表面的 光學(xué)透明的元件，所述承載體和所述構(gòu)建表面限定了它們之間的構(gòu)建區(qū)域；用可聚合液體 填充所述構(gòu)建區(qū)域;通過所述光學(xué)透明元件照射所述構(gòu)建區(qū)域W由所述可聚合液體形成固 體聚合物，同時將所述承載體提升遠(yuǎn)離所述構(gòu)建表面W由所述固體聚合物形成Ξ維物體， 還同時地，（i)連續(xù)保持可聚合液體的死區(qū)與所述構(gòu)建表面接觸，和（ii)連續(xù)保持在所述死 區(qū)和所述固體聚合物之間的聚合區(qū)域梯度和它們的相互接觸，所述聚合區(qū)域梯度包含部分 固化形式的所述可聚合液體(例如，使得在所述Ξ維物體中的固體聚合物層之間的缺陷或 切割線形成減少）。在一些實施方案中，光學(xué)透明元件包含半滲透性元件，和通過將聚合抑 制劑進(jìn)料通過所述光學(xué)透明元件來實施所述連續(xù)保持死區(qū)，從而產(chǎn)生在所述死區(qū)內(nèi)的抑制 劑梯度和任選地所述聚合區(qū)域額梯度的至少一部分;在其它實施方案中，光學(xué)透明元件包 含半滲透性元件，且經(jīng)配置W包含足夠量的抑制劑(或"池連續(xù)保持死區(qū)足夠的時間長 度，W生產(chǎn)要制造的制品，在所述方法期間沒有另外的抑制劑進(jìn)料（在生產(chǎn)運(yùn)行之間，該 "池"可補(bǔ)充或再裝入）。在一些實施方案中，光學(xué)透明元件由半滲透性含氣聚合物、剛性透 氣聚合物、多孔玻璃或它們的組合組成。在一些實施方案中，照射步驟用二維福射圖案投影 在所述構(gòu)建區(qū)域內(nèi)實施，其中所述圖案隨時間變化，而所述同時提升步驟持續(xù)足夠的時間 W形成所述Ξ維物體(即，在該時間期間，保持所述聚合區(qū)域梯度）。
[0011] 雖然死區(qū)和聚合區(qū)域梯度在它們之間不具有嚴(yán)格的邊界(兩者相會的那些位置）， 在一些實施方案中，聚合區(qū)域梯度的厚度至少與死區(qū)的厚度一樣大。因此，在一些實施方案 中，死區(qū)具有0.01、〇. 1、1、2或10微米至100、200或400微米或更大的厚度，和/或所述聚合區(qū) 域梯度和所述死區(qū)共同厚度為1或2微米至400、600或1000微米或更大。在一些實施方案中， 聚合區(qū)域梯度保持（當(dāng)聚合步驟持續(xù)時）的時間為至少5、10、15、20或30秒至5、10、15或20分 鐘或更多，或直到Ξ維產(chǎn)品完成。
[0012] 所述方法還可包含中斷所述聚合區(qū)域梯度的步驟，經(jīng)過足W在所述Ξ維物體中形 成切割線的時間（例如，在有意切割的預(yù)定所需位置，或在所述物體中阻止切割或減少切割 不重要的位置），然后恢復(fù)所述聚合區(qū)域梯度(例如，通過暫停和繼續(xù)提升步驟，增加然后減 少照射強(qiáng)度，和它們的組合）。
[0013] 所述方法還可包含在將所述可聚合液體提供至構(gòu)建區(qū)域和/或在構(gòu)建區(qū)域內(nèi)時加 熱所述可聚合液體(例如按在W下實例中給出的量），W減少它們在構(gòu)建區(qū)域內(nèi)的粘度(例 如，按在W下實例中給出的量）。
[0014] 可實施所述方法和執(zhí)行所述設(shè)備，其中所述承載體具有在其中形成的至少一個通 道，和所述填充步驟通過將所述可聚合液體通過所述至少一個通道通至或壓至所述構(gòu)建區(qū) 域中來實施(例如，其中所述承載體具有在其中形成的多個通道，和其中不同的可聚合液體 通過所述多個通道的不同通道壓入;例如，其進(jìn)一步包含同時形成與所述物體分開的至少 一個或多個外部進(jìn)料導(dǎo)管，所述至少一個進(jìn)料導(dǎo)管各自與所述承載體內(nèi)的通道流體連通， W將至少一種或多種不同的可聚合液體由所述承載體供應(yīng)至所述構(gòu)建區(qū)域）。在一些實施 方案中，半滲透性元件具有0.1或1毫米至10或100毫米的厚度;和/或所述半滲透性元件具 有至少10己的氧滲透率。
[0015] 本發(fā)明的一個具體方面為形成Ξ維物體的方法，其包含W下步驟： (a) 提供承載體和構(gòu)建板，所述構(gòu)建板包含半滲透性元件，半滲透性元件包含構(gòu)建表 面，其中構(gòu)建表面和承載體限定它們之間的構(gòu)建區(qū)域，和構(gòu)建表面通過半滲透性元件與聚 合抑制劑來源流體連通； (b) 用可聚合液體填充構(gòu)建區(qū)域，可聚合液體與構(gòu)建表面接觸； (C)通過構(gòu)建板照射構(gòu)建區(qū)域W產(chǎn)生構(gòu)建區(qū)域內(nèi)的固體聚合區(qū)域，同時形成或保持在 固體聚合區(qū)域和構(gòu)建表面之間形成由可聚合液體組成的液膜脫離層，通過聚合抑制劑抑制 該液膜的聚合;和 (d) 將附著有聚合區(qū)域的承載體提升遠(yuǎn)離構(gòu)建板上的構(gòu)建表面W產(chǎn)生在聚合區(qū)域和構(gòu) 建表面之間的后續(xù)構(gòu)建區(qū)域； (e) 其中所述承載體具有形成在其中的至少一個通道，和通過所述至少一個通道將可 聚合液體通入或壓入構(gòu)建區(qū)域來實施填充步驟。
[0016] 在上述的一些實施方案中，承載體具有在其中形成的多個通道，和其中通過多個 通道的不同通道壓入不同的可聚合液體。
[0017] 在上述的一些實施方案中，所述方法進(jìn)一步包含同時形成與物體分開的至少一個 或多個外部進(jìn)料導(dǎo)管，所述至少一個進(jìn)料導(dǎo)管各自與承載體內(nèi)的通道流體連通，W將至少 一種或多種不同的可聚合液體從承載體供應(yīng)至構(gòu)建區(qū)域。
[0018] 在一些實施方案中，所述方法可進(jìn)一步包含：（e)連續(xù)和/或重復(fù)步驟(b)至(e)，W 產(chǎn)生附著于先前聚合區(qū)域的后續(xù)聚合區(qū)域，直到彼此附著的聚合區(qū)域連續(xù)或重復(fù)沉積形成 Ξ維物體。
[0019] 在一些實施方案中，步驟(b)至(e)同時實施。
[0020] 在一些實施方案中，構(gòu)建板是基本上固定的或不動的。
[0021 ]在一些實施方案中，聚合抑制劑來源為在半滲透性元件內(nèi)的聚合抑制劑儲器。
[0022]在一些實施方案中，半滲透性元件還包含與構(gòu)建表面分開的進(jìn)料表面。
[0023] 在一些實施方案中，進(jìn)料表面與聚合抑制劑流體接觸W便提供聚合抑制劑來源。
[0024] 在一些實施方案中，所述方法還包含在構(gòu)建區(qū)域內(nèi)加熱可聚合液體W減少它們的 粘度。
[0025] 在一些實施方案中，所述方法還包含在構(gòu)建區(qū)域內(nèi)冷卻可聚合液體W消散由聚合 反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。
[00%] 在一些實施方案中，在至少0.1、1、10、100或1000微米/秒的累積速率下實施提升 步驟。
[0027] 在一些實施方案中，將過量的可聚合液體供應(yīng)到構(gòu)建區(qū)域，由此移除或排出W冷 卻構(gòu)建區(qū)域，然后任選地再循環(huán)回到構(gòu)建區(qū)域。
[0028] 在一些實施方案中，通過將承載體垂直地從構(gòu)建表面提升來實施提升步驟。
[0029] 在一些實施方案中，半滲透性元件包含上表面部分、下表面部分和側(cè)表面部分;構(gòu) 建表面在上表面部分上;和進(jìn)料表面在上表面部分、下表面部分和側(cè)表面部分至少之一上。
[0030] 在一些實施方案中，半滲透性元件具有0.1或1毫米至10或100毫米的厚度;和/或 半滲透性元件具有至少7.5xl(Ti 7m2s斗a^i (10己）的氧滲透性;和/或半滲透性元件由半滲透 性含氣聚合物、剛性透氣聚合物、多孔玻璃或它們的組合形成。
[0031 ]在一些實施方案中，照射步驟用光化福射實施。
[0032] 在一些實施方案中，承載體在其上面具有可溶性犧牲層，和Ξ維物體形成在可溶 性犧牲層上。
[0033] 在一些實施方案中，構(gòu)建區(qū)域的總表面積占據(jù)構(gòu)建表面總表面積的至少70%;和/ 或承載體和物體在任何方向的橫向運(yùn)動不超過相應(yīng)方向上構(gòu)建區(qū)域?qū)挾鹊?0%。
[0034] 在一些實施方案中，可聚合液體包含自由基可聚合液體和抑制劑包含氧。
[0035] 在一些實施方案中，可聚合液體包含酸催化或陽離子可聚合液體，和抑制劑包含 堿。
[0036] 在一些實施方案中，可聚合液體還包含活性劑、可檢測劑、固體顆?；蛩鼈兊慕M 厶 1=1 〇
[0037] 在一些實施方案中，Ξ維物體包含醫(yī)學(xué)裝置、桿或纖維。
[0038] 在一些實施方案中，照射步驟通過無掩模光刻法實施。
[0039] 在一些實施方案中，所述方法還包含W下步驟:監(jiān)控或探測至少一個過程參數(shù)和/ 或提供至少一個已知的或預(yù)定的過程參數(shù);然后響應(yīng)監(jiān)控的過程參數(shù)或已知的過程參數(shù)改 變至少一個過程條件。
[0040] 在一些實施方案中，將附著有聚合區(qū)域承載體單向提升遠(yuǎn)離在固定構(gòu)建板上的構(gòu) 建表面。
[0041] 本發(fā)明的另一具體方面為用于由可聚合液體形成Ξ維物體的設(shè)備，其包含：（a)支 撐體；（b)操作關(guān)聯(lián)到所述支撐體的承載體，在該承載體上形成所述Ξ維物體；（C)形成在承 載體內(nèi)的至少一個通道；（d)連接到支撐體的構(gòu)建板，所述構(gòu)建板包含半滲透性元件，所述 半滲透性元件包含構(gòu)建表面，其中構(gòu)建表面和承載體限定它們之間的構(gòu)建區(qū)域；（e)液體聚 合物供應(yīng)，其操作關(guān)聯(lián)到所述構(gòu)建板并配置用W將液體聚合物通過至少一個通道供應(yīng)至構(gòu) 建區(qū)域中，用于固化/聚合；（f)照射源，其操作關(guān)聯(lián)到構(gòu)建板并配置用W通過構(gòu)建板照射構(gòu) 建區(qū)域和在其中由液體聚合物形成固體聚合區(qū)域;和(g)通過所述半滲透性元件與聚合抑 制劑來源流體連通的構(gòu)建表面，w便促進(jìn)在所述固體聚合區(qū)域和所述構(gòu)建表面之間形成的 由所述可聚合液體組成的液膜脫離層的形成或維持，通過所述聚合抑制劑抑制該液膜的聚 厶 1=1 〇
[0042] 在上述的一些實施方案中，承載體具有在其中形成的多個通道，配置用于將不同 的可聚合液體供應(yīng)通過多個通道的不同通道。
[0043] 在一些實施方案中，所述設(shè)備還包含與物體分開的至少一個或多個外部進(jìn)料導(dǎo)管 (例如，其可在物體制造過程中構(gòu)造），所述至少一個進(jìn)料導(dǎo)管各自與承載體內(nèi)的通道流體 連通，配置用于將至少一種或多種不同的可聚合液體由承載體供應(yīng)至構(gòu)建區(qū)域。
[0044] 在上述的一些實施方案中，構(gòu)建板是基本上固定的或不動的。
[0045] 在上述的一些實施方案中，聚合抑制劑來源為在半滲透性元件內(nèi)的聚合抑制劑儲 器。
[0046] 在上述的一些實施方案中，半滲透性元件還包含與構(gòu)建表面分開的進(jìn)料表面。
[0047] 在上述的一些實施方案中，進(jìn)料表面與聚合抑制劑流體接觸W便提供聚合抑制劑 來源。
[004引在上述的一些實施方案中，所述設(shè)備還包含控制器，其操作關(guān)聯(lián)到承載體和光源， 用于在構(gòu)建區(qū)域內(nèi)在液體聚合期間或之后將承載體提升遠(yuǎn)離構(gòu)建板。
[0049] 在上述的一些實施方案中，所述設(shè)備還包含加熱器，其操作關(guān)聯(lián)到構(gòu)建板和/或液 體聚合物供應(yīng)器，所述加熱器配置用于加熱供應(yīng)至構(gòu)建區(qū)域內(nèi)的可聚合液體。
[0050] 在上述的一些實施方案中，所述設(shè)備還包含冷卻器，其操作關(guān)聯(lián)到構(gòu)建板并配置 用W冷卻構(gòu)建區(qū)域內(nèi)的可聚合液體。
[0051] 在上述的一些實施方案中，半滲透性元件包含上表面部分、下表面部分和側(cè)表面 部分;構(gòu)建表面在上表面部分上;和進(jìn)料表面在上表面部分、下表面部分和側(cè)表面部分至少 之一上。
[0052] 上述的一些實施方案還包含操作關(guān)聯(lián)到液體聚合物供應(yīng)的壓力源。
[0053]