使用螺旋堆積的3d打印的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引證 陽00引本申請要求庫爾特杜德利（KudDudley)的2013年3月12日提交的標(biāo)題為"使 用螺旋堆積的3D打印"（3DPRINTINGUSINGSPIRALBUILDUP)的美國臨時(shí)申請序列號 61/778,285的優(yōu)先權(quán)。此臨時(shí)申請通過引證將全部內(nèi)容結(jié)合于此，包括但不限于附圖、圖 表、原理圖、圖和相關(guān)書面說明。
[000引發(fā)明背景
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本文描述的是用于從多種介質(zhì)（諸如聚合物、生物制品或金屬材料）中形成=維 (3D)物體的方法、程序和設(shè)備。該方法、程序和設(shè)備編程為使用聚合、交聯(lián)、固化、燒結(jié)、烙化 或凝固及類似技術(shù)W對傳統(tǒng)的立體光刻（Stereolithogra地ic)、光固化（photocur油Ie) 進(jìn)行改進(jìn)的方式或使用其他3D物體形成技術(shù)來產(chǎn)生所期望的=維（3D)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】 陽00引最近幾年，諸如為了照相印刷（phototyping，照相凸版印刷）和制造的目的，3D打印已經(jīng)被證明是一種用于精確地形成3D物體的有效的技術(shù)。從一般的意義上說，3D打 印通常使用3D掃描儀或3D計(jì)算機(jī)軟件來產(chǎn)生所期望的物體的圖像地圖（imagemap,圖 像映射）。然后，該圖像地圖轉(zhuǎn)換為格子狀結(jié)構(gòu)，W使得制造設(shè)備經(jīng)由添加過程（additive process)可W沉積可流動(dòng)的材料，諸如塑料、聚合物、生物材料或樹脂，運(yùn)些材料同時(shí)固化 W創(chuàng)建3D物體。多種現(xiàn)有的3D打印方法提供了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，并且每一種方法還具有各自 的缺點(diǎn)。
[0006] 例如，由查爾斯.赫爾（化arlesW.化11)自主開發(fā)的并在美國專利號4, 575, 330 中闡述的一種立體光刻的方法。立體光刻旨在基于與先前形成的介質(zhì)層相鄰的流體狀介質(zhì) 層的連續(xù)線性形成和運(yùn)些層根據(jù)表示所期望的3D物體的連續(xù)切片W形成固體層的橫截面 數(shù)據(jù)的選擇性固化來創(chuàng)建3D物體。立體光刻技術(shù)使用液體介質(zhì)，液體介質(zhì)通常是選擇性固 化的光聚合物或烙融的熱塑性塑料。熱塑性塑料通過暴露于較低的溫度中而固化；光聚合 物通常通過暴露于引起聚合物交聯(lián)或固化的可見波長或紫外線的福射中而固化。用于將該 福射引導(dǎo)至光固化材料上的典型方法包括電機(jī)控制的掃描鏡、掩膜系統(tǒng)（masksystems)或 激光器，其中，最小物理分辨率是激光束的尺寸，或在掩膜內(nèi)部時(shí)最小物理分辨率是像素的 尺寸。
[0007] 使光聚合物型樹脂固化的立體光刻型機(jī)器通常利用單一的、聚焦的激光點(diǎn)，該激 光點(diǎn)使用物理臺架系統(tǒng)在X-Y平面內(nèi)掃描，或另外通過機(jī)電驅(qū)動(dòng)高反射表面（例如檢流計(jì) (galvanometers)或旋轉(zhuǎn)多角鏡）來引導(dǎo)。正因?yàn)槿绱?，打印速度與層密度和層體積成反 比。 陽00引赫爾化uU)的美國專利號4, 575, 330中描述了使用"奇點(diǎn)（singularpoint)"型 立體光刻來使光聚合物固化的方法，該方法包括利用激光和可控鏡構(gòu)造。該過程將構(gòu)建平 臺逐漸浸沒在光固化材料的桶中，其中，覆蓋構(gòu)建平臺的材料層通過來自激光器的目標(biāo)福 射來固化，該激光器使用兩個(gè)可控鏡在x/y平面內(nèi)沿著材料的表面對福射引導(dǎo)。對應(yīng)于橫 截面數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)用代表物體的虛擬3D模型的切片的橫截面位圖圖像表示）來選擇性地 使一些區(qū)域固化。沿循液體表面上的線來使光固化材料固化。該過程通過將構(gòu)建平臺在材 料桶中降低至與下一期望的層高度相關(guān)的量而重復(fù)多次。在新材料沉積在構(gòu)造區(qū)域上面之 后，重復(fù)固化過程W形成單獨(dú)的堆疊層，從而形成3D物體。
[0009] 另一種方法使用"平面曝光（planeexposure)"型立體光刻，該方法使用立體光刻 過程中的數(shù)字微鏡設(shè)備值MD)變型。因?yàn)閿?shù)DMD陣列可W立刻曝光并引導(dǎo)聚焦的光的整個(gè) 平面，而不是必須被掃描來創(chuàng)建層的單一的點(diǎn)，所W運(yùn)些變型在打印速度上提供了顯著的 改進(jìn)并且創(chuàng)建了獨(dú)立于針對給定的層體積的層密度的恒定構(gòu)建時(shí)間。典型的720X480DMD 陣列在單層曝光中一次全部可W曝光345600個(gè)單獨(dú)的固化樹脂"袋（pocket)"，也被稱為 立體像素（voxel)。典型的層的曝光時(shí)間可W在0.2-10+秒的范圍內(nèi)變動(dòng)，運(yùn)取決于多種因 素?；贒MD的過程對于小型打印尺寸可W很好地工作，但是一旦超過了臨界層區(qū)域，由層 剝離裝置產(chǎn)生的抽吸力將抑制3D物體的構(gòu)建。
[0010] 上述過程存在多個(gè)限制。例如，分辨率與激光器的可聚焦的點(diǎn)的尺寸成正比；如果 想要增加分辨率，必須使用更小的點(diǎn)尺寸。運(yùn)導(dǎo)致增加了在給定區(qū)域中所沿循的線的總量， 從而造成更長的構(gòu)造時(shí)間。此外，將構(gòu)建平臺浸沒在材料桶的過程既限制了可W創(chuàng)建的物 體的功能尺寸，還需要曝光大量光固化材料來構(gòu)造3D物體。
[0011] 此外，使流體表面承受福射的上述方法造成了的一套關(guān)于可由與液體表面的擾動(dòng) 引起的一致的層高度的問題和錯(cuò)誤。運(yùn)些擾動(dòng)可W由外部源振動(dòng)和內(nèi)部源振動(dòng)引起。物體 的層高度W及因此豎直分辨率還依賴于所使用材料的粘度和表面張力。運(yùn)就限制了在材料 的給定范圍可W實(shí)現(xiàn)的豎直分辨率。
[0012] 最近，反轉(zhuǎn)的立體光刻過程已經(jīng)發(fā)展起來，該過程引入了由粘附于桶底部的新的 固化層造成的表面粘附的額外因素。粘附力根據(jù)固化層的尺寸而增加。然而，在構(gòu)造過程 可W重新開始之前，必須消除粘附力并且在下一附加材料層固化之前例如通過利用移動(dòng)、 傾斜、剝離和滑動(dòng)來抬高構(gòu)建平臺W允許放置新材料。
[0013] 用于消除粘附力的運(yùn)些過程在高應(yīng)力載荷條件下處理桶、構(gòu)建平臺、用于構(gòu)建平 臺的提升元件W及打印物體的新固化幾何尺寸，運(yùn)可W減少機(jī)器及其部件的功能壽命，并 引起待構(gòu)造的物體的變形和分層。在歐洲專利申請書EP2419258A2中描述了在大的固化 區(qū)域中減少運(yùn)種表面粘附的方法，其中，單個(gè)層被破壞成單獨(dú)固化并分離的子部件圖像。然 而，該方法使得構(gòu)造時(shí)間成倍增加，并且由于由未支持的待固化區(qū)域的量的增加引起的分 層增加了產(chǎn)品失敗的機(jī)會。
[0014] 所有快速制造系統(tǒng)可W通過公共區(qū)域來改進(jìn)，包括增加分辨率、提高構(gòu)造部件的 可擴(kuò)展性，增加構(gòu)造復(fù)雜幾何形狀（諸如中空腔或懸壁結(jié)構(gòu)）的能力，W及增加構(gòu)造和維護(hù) 小且易碎的幾何形狀（諸如具有小周圍支撐的幾何形狀）的能力。構(gòu)造單獨(dú)的層的時(shí)間和 總構(gòu)造時(shí)間是設(shè)及每個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造過程的效率的另外的重要因素，每個(gè)系統(tǒng)均具有自己的 一套決定其將需要多少時(shí)間來構(gòu)造給定物體的特有的限制因素。因此需要有效的方法和裝 置來解決運(yùn)些通常的低效率，同時(shí)使用單個(gè)緊湊的設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本文描述的是用于高效3D打印的方法、設(shè)備和系統(tǒng)，該方法、設(shè)備和系統(tǒng)解決了 目前現(xiàn)有的使用單個(gè)設(shè)備的3D打印系統(tǒng)的低效率和缺點(diǎn)。為了便于說明并提供有效的 命名，使用闡述和結(jié)合本發(fā)明特征的新技術(shù)、程序和設(shè)備的3D結(jié)構(gòu)的形成稱為日照光刻 Ofeliolithogra地y，日光平版印刷術(shù)）。日照光刻為與傳統(tǒng)的成型技術(shù)有關(guān)的上述固有問 題提供了解決方案。它允許=維實(shí)屯、物理產(chǎn)品在很短的時(shí)間使用完全自動(dòng)化的過程直接由 計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)制成并且W非常高和精確的詳細(xì)層次再生產(chǎn)。日照光刻的某些方面類似于 立體光刻?；谌照展饪痰倪^程和基于立體光刻的過程都可W使用多種材料作為其基底材 料，并且運(yùn)些材料通過多種固化技術(shù)固化成物理部分，例如通過曝光于足夠能量密度的精 確引導(dǎo)和聚焦的光化性光子源（actinicphotonsource)的光聚合物的自由基聚合。然而， 在基于日照光刻打印過程和基于立體光刻打印過程之間具有幾個(gè)關(guān)鍵差異。
[0016] 日照光刻使用上面討論的最好地"奇點(diǎn)"和"平面曝光"概念，W通過螺旋堆積在 細(xì)線中連續(xù)地固化構(gòu)建材料，諸如光聚合物材料。當(dāng)運(yùn)些線定位成構(gòu)建區(qū)域中的半徑時(shí)， 例如在圍繞單個(gè)中屯、點(diǎn)對稱地旋轉(zhuǎn)的圓形構(gòu)建區(qū)域中時(shí)，則能W螺旋方式執(zhí)行連續(xù)打印過 程。在一個(gè)實(shí)施方式中，構(gòu)建平臺（固化材料在該構(gòu)建平臺上沉積W形成物理物體）連續(xù) 地旋轉(zhuǎn)并且同時(shí)W非常平緩的方式上升，同時(shí)材料被固化，諸如光聚合物W液態(tài)形式在透 明平臺上的細(xì)線中沉積。從平臺下面的位置傳輸?shù)木劢沟墓饣Ｉ涞墓潭ǖ木€被引導(dǎo)至液 態(tài)光聚合物，W生產(chǎn)正在固化的材料的單個(gè)連續(xù)的層，正在固化的材料沉積并粘接到相鄰 的預(yù)先或同時(shí)W螺旋方式沉積的材料?？商娲?，日光制版法化eliogra地y)也可W通過 無需旋轉(zhuǎn)地緩慢升高構(gòu)建平臺執(zhí)行，同時(shí)聚焦的福射線W編程的方式在下方"旋轉(zhuǎn)"，連續(xù) 地固化液態(tài)光聚合物。在另一個(gè)實(shí)施方式中，平臺可W周期地或連續(xù)地旋轉(zhuǎn)并且同時(shí)在構(gòu) 建和固化過程期間光化的光能W周期地或連續(xù)地重新定位。
[0017] 結(jié)合本發(fā)明特征的方法和系統(tǒng)尋求解決具有高結(jié)構(gòu)分辨率的同時(shí)仍然W比可W 通過W前的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的更快更經(jīng)濟(jì)的方式保持打印大結(jié)構(gòu)物體的能力的問題。運(yùn)樣的系統(tǒng) 能W導(dǎo)致材料的螺旋堆積的旋轉(zhuǎn)的方式使用用于沉積和固化材料（例如光固化材料）的連 續(xù)方法。
[0018] 在結(jié)合本發(fā)明特征的裝置的一些實(shí)施方式中，使用了具有可W沿著Z軸控制的高 度的旋轉(zhuǎn)構(gòu)建平臺。該構(gòu)建平臺降低到至少一個(gè)固化區(qū)域上，其包括至少一個(gè)材料分配器、 至少一個(gè)透明基板、至少一個(gè)排放系統(tǒng)和至少一個(gè)額外的材料脫離器，例如在固化期間材 料從透明基板流動(dòng)并且保持抵靠構(gòu)建平臺，排放系統(tǒng)用W清除未使用的材料，額外地材料 脫離器用于收集、清除W及回收未固化的材料。在光聚合過程中，從透明基板下面的源發(fā)射 的電磁福射被引導(dǎo)至目標(biāo)區(qū)域中的光固化構(gòu)造材料上，該目標(biāo)區(qū)域與來源于存儲于機(jī)器存 儲器系統(tǒng)中的=維物體的點(diǎn)數(shù)據(jù)一致。
[0019] 在使用光聚合物時(shí)，構(gòu)造材料和福射源均選擇成為構(gòu)造材料提供近瞬時(shí)固化。固 化材料粘附于旋轉(zhuǎn)構(gòu)建平臺，導(dǎo)致材料連續(xù)的或半連續(xù)的螺旋堆積，W構(gòu)造大體上在外表 類似于所需的3D物體的物體。在使用結(jié)合本發(fā)明特征的運(yùn)些過程中，構(gòu)造的物體的豎直分 辨率可W對應(yīng)于材料的連續(xù)螺旋層的層高度或?qū)觾A斜角并且可W通過改變反轉(zhuǎn)的構(gòu)建平 臺懸掛于保持在透明基板上的可固化材料上面的相對距離來控制。
[0020] 基于下面結(jié)合附圖的詳細(xì)的描述，本發(fā)明的運(yùn)些和其他進(jìn)一步的實(shí)施方式、特征 和優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員將是顯而易見的，附圖中：
【附圖說明】
[0021] 圖1是結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印設(shè)備的橫截面分解圖；
[0022] 圖2是結(jié)合本發(fā)明特征的圖1的3D打印設(shè)備的前視立體圖；
[0023] 圖3是結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印設(shè)備的部件的橫截面分解圖；
[0024] 圖4是結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)的成像部件的立體圖；
[0025] 圖5是結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)的Z軸升降臺（elevatorstage)的立體圖； [00%] 圖6是用于結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)的構(gòu)建平臺附接板的立體圖；
[0027] 圖7是用于結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)的可移動(dòng)構(gòu)建平臺插入件的立體圖； 陽02引圖8是用于結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)的可移動(dòng)構(gòu)建平臺插入件的仰視圖；
[0029] 圖9是用于結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)的放大的固化區(qū)域/桶的俯視圖；
[0030] 圖10是結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)的基礎(chǔ)材料存儲和構(gòu)造區(qū)域的局部內(nèi)部立體 圖；
[0031] 圖11是結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)的完整固化區(qū)域的立體圖；
[0032] 圖12A示出了從結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)部件的構(gòu)建室地板的中屯、福射的正 在構(gòu)造的單個(gè)物體；
[0033] 圖12B示出了從結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)的構(gòu)建室地板的中屯、福射的正在構(gòu) 造的多個(gè)物體；
[0034] 圖13A示出了利用結(jié)合本發(fā)明特征的3D打印機(jī)的單個(gè)結(jié)構(gòu)形成區(qū)域的連續(xù)螺旋 層結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0035] 圖13B示出了利用結(jié)合本發(fā)明特征