通过承载体利用进料的三维制造的方法和设备的制造方法
【专利说明】通过承载体利用进料的Ξ维制造的方法和设备
[0001] 相关申请 本申请主张共同拥有的W下专利申请的权益:2013年12月23日提交的US临时专利申请 序号 61/919,903(案件号 1151-3PR2); 2013年8 月 14 日提交的 61/865，841(案件号 1151-3PR) 和2013年2月12日提交的61/763,746(案件号1151-2PR)，其公开内容通过引用W其全文并 入本文。 发明领域
[0002] 本发明设及由液体可聚合材料制造固体Ξ维物体的方法和设备。
[0003] 发明背景 在常规添加剂或Ξ维制造技术中，Ξ维物体的构造 W步进式或逐层式进行。特别地，在 可见或UV光照射作用下，通过可光固化树脂的固化进行层形成。已知两种技术:一种为新层 形成在增长物体的上表面;另一种为新层形成在增长物体的下表面。
[0004] 如果新层形成在增长物体的上表面，则在每个照射步骤之后，使构造中的物体降 低进入树脂"池"，树脂新层涂覆在顶上，并进行新的照射步骤。运种技术的早期实例给出于 化11，美国专利号5,236,637，图3。运些"自上而下"技术的缺点是需要将增长物体浸没在 (可能是深的)液体树脂池中并重新组成液体树脂的精确覆盖层。
[0005] 如果新层形成在增长物体的底部，则在每个照射步骤之后，必须使构造中的物体 从制造井的底板上分离。运种技术的早期实例给出于化11，美国专利号5,236,637，图4。虽 然运种"自下而上"的技术有可能消除对深井(将物体浸没在其中）的需要，取而代之的是将 物体从相对浅的井或池中提升，但在商业实施时，利用运种"自下而上"的制造技术的问题 在于，当从底板分离所述固化层时，由于它们之间的物理和化学相互作用，必须极为注意， 且使用额外的机械元件。例如，在美国专利号7,438,846中，弹性隔离层用于实现在底部构 造平面上固化材料的"非破坏性"分离。其它方法，例如B9 Creations of Deadwood，South 化ko化，USA销售的B9 Creator? 3D打印机，使用滑动构建板。参见例如Μ.化yce，美国专利 申请2013/0292862和Y. Chen等人的美国专利申请2013/0295212(两者都在2013年11月7 日）；也参见 Y. Pan 等人，J. Manufacturing Sci. and Eng.，134,051011-1 (2012 年 10 月）。运些方法引入机械步骤，其可能使所述设备复杂化，减慢所述方法和/或可能使最终产 品变形。
[0006] 生产Ξ维物体的连续方法在美国专利号7,892,474中W-定篇幅在"自上而下"技 术方面提出，但是该参考文献未解释它们可如何在"自下而上"系统中W对生产的制品非破 坏性的方式实现。因此，需要替代方法和设备用于Ξ维制造，其可消除在"自下而上"制造中 对机械分离步骤的需要。 发明概要
[0007] 本文描述用于Ξ维物体的总体上连续生产的方法、系统和设备(包括相关的控制 方法、系统和设备）。在运些方法、系统和设备中，由液体界面生产Ξ维物体。因此，为方便起 见且不是为了限制，它们有时称为"连续液体中间相打印"。示意图在本文的图1中给出。
[0008] 如下讨论，界面在相同可聚合液体的第一和第二层或区域之间。第一层或区域(有 时也称为"死区"）包含聚合抑制剂(至少为抑制聚合的量）；在第二层或区域中，抑制剂已经 消耗至基本不再抑制聚合的点（或已不再结合或渗透在其中）。第一和第二区域未形成彼此 之间的严格的界面，而是有组成梯度，其还可描述为在它们之间形成与明显界面相对的中 间相，因为所述相彼此可混溶，且还产生它们之间（也在制造的Ξ维物体和通过其照射可聚 合液体的构建表面之间）的聚合梯度(部分地或完全地重叠）。立维物体可由聚合梯度连续 地制造、增长或生产(而不是逐层制造）。因此，可减少或消除在生产的物体上产生缺陷或切 割线，运可发生在逐层技术中，例如Y. Pan等人或J. Joyce等人描述的（上述说明）。当然， 当期望时，如下进一步讨论，可有意引入运种缺陷或切割线。
[0009] 在连续液体相界面打印的一些实施方案中，第一层或区域紧接地提供在构建板之 上，或与构建板接触。构建板对于引发聚合的照射(例如，图案化照射)是透明，但是构建板 优选对聚合抑制剂为半渗透性的并允许聚合抑制剂(例如，氧)部分或完全通过其中（例如， W便连续地将抑制剂进料至"死区"）。构建板优选为"固定的"或"不动的"，意思是其不需滑 动、缩进、回弹等W产生分离或顺序步骤(如在逐层方法中）。当然，构建板在X和/或y方向的 较小运动(不会过度地中断聚合梯度，但是仍允许液体界面的连续聚合)仍可适应一些实施 方案，也如下论述。
[0010] 因此，本发明提供了形成Ξ维物体的方法，其包含:提供承载体和具有构建表面的 光学透明的元件，所述承载体和所述构建表面限定了它们之间的构建区域；用可聚合液体 填充所述构建区域;通过所述光学透明元件照射所述构建区域W由所述可聚合液体形成固 体聚合物，同时将所述承载体提升远离所述构建表面W由所述固体聚合物形成Ξ维物体， 还同时地，（i)连续保持可聚合液体的死区与所述构建表面接触，和（ii)连续保持在所述死 区和所述固体聚合物之间的聚合区域梯度和它们的相互接触，所述聚合区域梯度包含部分 固化形式的所述可聚合液体(例如，使得在所述Ξ维物体中的固体聚合物层之间的缺陷或 切割线形成减少）。在一些实施方案中，光学透明元件包含半渗透性元件，和通过将聚合抑 制剂进料通过所述光学透明元件来实施所述连续保持死区，从而产生在所述死区内的抑制 剂梯度和任选地所述聚合区域额梯度的至少一部分;在其它实施方案中，光学透明元件包 含半渗透性元件，且经配置W包含足够量的抑制剂(或"池连续保持死区足够的时间长 度，W生产要制造的制品，在所述方法期间没有另外的抑制剂进料（在生产运行之间，该 "池"可补充或再装入）。在一些实施方案中，光学透明元件由半渗透性含氣聚合物、刚性透 气聚合物、多孔玻璃或它们的组合组成。在一些实施方案中，照射步骤用二维福射图案投影 在所述构建区域内实施，其中所述图案随时间变化，而所述同时提升步骤持续足够的时间 W形成所述Ξ维物体(即，在该时间期间，保持所述聚合区域梯度）。
[0011] 虽然死区和聚合区域梯度在它们之间不具有严格的边界(两者相会的那些位置）， 在一些实施方案中，聚合区域梯度的厚度至少与死区的厚度一样大。因此，在一些实施方案 中，死区具有0.01、〇. 1、1、2或10微米至100、200或400微米或更大的厚度，和/或所述聚合区 域梯度和所述死区共同厚度为1或2微米至400、600或1000微米或更大。在一些实施方案中， 聚合区域梯度保持（当聚合步骤持续时）的时间为至少5、10、15、20或30秒至5、10、15或20分 钟或更多，或直到Ξ维产品完成。
[0012] 所述方法还可包含中断所述聚合区域梯度的步骤，经过足W在所述Ξ维物体中形 成切割线的时间（例如，在有意切割的预定所需位置，或在所述物体中阻止切割或减少切割 不重要的位置），然后恢复所述聚合区域梯度(例如，通过暂停和继续提升步骤，增加然后减 少照射强度，和它们的组合）。
[0013] 所述方法还可包含在将所述可聚合液体提供至构建区域和/或在构建区域内时加 热所述可聚合液体(例如按在W下实例中给出的量），W减少它们在构建区域内的粘度(例 如，按在W下实例中给出的量）。
[0014] 可实施所述方法和执行所述设备，其中所述承载体具有在其中形成的至少一个通 道，和所述填充步骤通过将所述可聚合液体通过所述至少一个通道通至或压至所述构建区 域中来实施(例如，其中所述承载体具有在其中形成的多个通道，和其中不同的可聚合液体 通过所述多个通道的不同通道压入;例如，其进一步包含同时形成与所述物体分开的至少 一个或多个外部进料导管，所述至少一个进料导管各自与所述承载体内的通道流体连通， W将至少一种或多种不同的可聚合液体由所述承载体供应至所述构建区域）。在一些实施 方案中，半渗透性元件具有0.1或1毫米至10或100毫米的厚度;和/或所述半渗透性元件具 有至少10己的氧渗透率。
[0015] 本发明的一个具体方面为形成Ξ维物体的方法，其包含W下步骤： (a) 提供承载体和构建板，所述构建板包含半渗透性元件，半渗透性元件包含构建表 面，其中构建表面和承载体限定它们之间的构建区域，和构建表面通过半渗透性元件与聚 合抑制剂来源流体连通； (b) 用可聚合液体填充构建区域，可聚合液体与构建表面接触； (C)通过构建板照射构建区域W产生构建区域内的固体聚合区域，同时形成或保持在 固体聚合区域和构建表面之间形成由可聚合液体组成的液膜脱离层，通过聚合抑制剂抑制 该液膜的聚合;和 (d) 将附着有聚合区域的承载体提升远离构建板上的构建表面W产生在聚合区域和构 建表面之间的后续构建区域； (e) 其中所述承载体具有形成在其中的至少一个通道，和通过所述至少一个通道将可 聚合液体通入或压入构建区域来实施填充步骤。
[0016] 在上述的一些实施方案中，承载体具有在其中形成的多个通道，和其中通过多个 通道的不同通道压入不同的可聚合液体。
[0017] 在上述的一些实施方案中，所述方法进一步包含同时形成与物体分开的至少一个 或多个外部进料导管，所述至少一个进料导管各自与承载体内的通道流体连通，W将至少 一种或多种不同的可聚合液体从承载体供应至构建区域。
[0018] 在一些实施方案中，所述方法可进一步包含：（e)连续和/或重复步骤(b)至(e)，W 产生附着于先前聚合区域的后续聚合区域，直到彼此附着的聚合区域连续或重复沉积形成 Ξ维物体。
[0019] 在一些实施方案中，步骤(b)至(e)同时实施。
[0020] 在一些实施方案中，构建板是基本上固定的或不动的。
[0021 ]在一些实施方案中，聚合抑制剂来源为在半渗透性元件内的聚合抑制剂储器。
[0022]在一些实施方案中，半渗透性元件还包含与构建表面分开的进料表面。
[0023] 在一些实施方案中，进料表面与聚合抑制剂流体接触W便提供聚合抑制剂来源。
[0024] 在一些实施方案中，所述方法还包含在构建区域内加热可聚合液体W减少它们的 粘度。
[0025] 在一些实施方案中，所述方法还包含在构建区域内冷却可聚合液体W消散由聚合 反应产生的热量。
[00%] 在一些实施方案中，在至少0.1、1、10、100或1000微米/秒的累积速率下实施提升 步骤。
[0027] 在一些实施方案中，将过量的可聚合液体供应到构建区域，由此移除或排出W冷 却构建区域，然后任选地再循环回到构建区域。
[0028] 在一些实施方案中，通过将承载体垂直地从构建表面提升来实施提升步骤。
[0029] 在一些实施方案中，半渗透性元件包含上表面部分、下表面部分和侧表面部分;构 建表面在上表面部分上;和进料表面在上表面部分、下表面部分和侧表面部分至少之一上。
[0030] 在一些实施方案中，半渗透性元件具有0.1或1毫米至10或100毫米的厚度;和/或 半渗透性元件具有至少7.5xl(Ti 7m2s斗a^i (10己）的氧渗透性;和/或半渗透性元件由半渗透 性含氣聚合物、刚性透气聚合物、多孔玻璃或它们的组合形成。
[0031 ]在一些实施方案中，照射步骤用光化福射实施。
[0032] 在一些实施方案中，承载体在其上面具有可溶性牺牲层，和Ξ维物体形成在可溶 性牺牲层上。
[0033] 在一些实施方案中，构建区域的总表面积占据构建表面总表面积的至少70%;和/ 或承载体和物体在任何方向的横向运动不超过相应方向上构建区域宽度的30%。
[0034] 在一些实施方案中，可聚合液体包含自由基可聚合液体和抑制剂包含氧。
[0035] 在一些实施方案中，可聚合液体包含酸催化或阳离子可聚合液体，和抑制剂包含 碱。
[0036] 在一些实施方案中，可聚合液体还包含活性剂、可检测剂、固体颗粒或它们的组 厶 1=1 〇
[0037] 在一些实施方案中，Ξ维物体包含医学装置、杆或纤维。
[0038] 在一些实施方案中，照射步骤通过无掩模光刻法实施。
[0039] 在一些实施方案中，所述方法还包含W下步骤:监控或探测至少一个过程参数和/ 或提供至少一个已知的或预定的过程参数;然后响应监控的过程参数或已知的过程参数改 变至少一个过程条件。
[0040] 在一些实施方案中，将附着有聚合区域承载体单向提升远离在固定构建板上的构 建表面。
[0041] 本发明的另一具体方面为用于由可聚合液体形成Ξ维物体的设备，其包含：（a)支 撑体；（b)操作关联到所述支撑体的承载体，在该承载体上形成所述Ξ维物体；（C)形成在承 载体内的至少一个通道；（d)连接到支撑体的构建板，所述构建板包含半渗透性元件，所述 半渗透性元件包含构建表面，其中构建表面和承载体限定它们之间的构建区域；（e)液体聚 合物供应，其操作关联到所述构建板并配置用W将液体聚合物通过至少一个通道供应至构 建区域中，用于固化/聚合；（f)照射源，其操作关联到构建板并配置用W通过构建板照射构 建区域和在其中由液体聚合物形成固体聚合区域;和(g)通过所述半渗透性元件与聚合抑 制剂来源流体连通的构建表面，w便促进在所述固体聚合区域和所述构建表面之间形成的 由所述可聚合液体组成的液膜脱离层的形成或维持，通过所述聚合抑制剂抑制该液膜的聚 厶 1=1 〇
[0042] 在上述的一些实施方案中，承载体具有在其中形成的多个通道，配置用于将不同 的可聚合液体供应通过多个通道的不同通道。
[0043] 在一些实施方案中，所述设备还包含与物体分开的至少一个或多个外部进料导管 (例如，其可在物体制造过程中构造），所述至少一个进料导管各自与承载体内的通道流体 连通，配置用于将至少一种或多种不同的可聚合液体由承载体供应至构建区域。
[0044] 在上述的一些实施方案中，构建板是基本上固定的或不动的。
[0045] 在上述的一些实施方案中，聚合抑制剂来源为在半渗透性元件内的聚合抑制剂储 器。
[0046] 在上述的一些实施方案中，半渗透性元件还包含与构建表面分开的进料表面。
[0047] 在上述的一些实施方案中，进料表面与聚合抑制剂流体接触W便提供聚合抑制剂 来源。
[004引在上述的一些实施方案中，所述设备还包含控制器，其操作关联到承载体和光源， 用于在构建区域内在液体聚合期间或之后将承载体提升远离构建板。
[0049] 在上述的一些实施方案中，所述设备还包含加热器，其操作关联到构建板和/或液 体聚合物供应器，所述加热器配置用于加热供应至构建区域内的可聚合液体。
[0050] 在上述的一些实施方案中，所述设备还包含冷却器，其操作关联到构建板并配置 用W冷却构建区域内的可聚合液体。
[0051] 在上述的一些实施方案中，半渗透性元件包含上表面部分、下表面部分和侧表面 部分;构建表面在上表面部分上;和进料表面在上表面部分、下表面部分和侧表面部分至少 之一上。
[0052] 上述的一些实施方案还包含操作关联到液体聚合物供应的压力源。
[0053]