增材制造中的窗可变性校正的制作方法

相关申请

本申请要求2017年10月23日提交的序列号为62/575804的美国临时申请的优先权，该美国临时申请的公开内容通过引用而以其整体并入本文。

本发明涉及增材制造，特别是立体光刻，包括连续液体界面生产(clip)。

背景技术：

有时被称为“立体光刻”的成组的增材制造技术通过可光聚合树脂的顺序聚合来形成三维物体。这样的技术可为“自下而上”技术，其中光通过透光窗而投射到生长的物体的底部上的树脂中，或这样的技术可为“自上而下”技术，其中光投射到生长的物体的顶部上的树脂上，生长的物体然后向下浸入到树脂池中。

被称为连续液体界面生产(clip)的更快速的立体光刻技术的最近引入与用于增材制造的“双重固化”树脂的引入结合而将立体光刻的有用性从原型制作扩展到了制造(参见例如授予desimone等人的美国专利no.9211678、no.9205601和no.9216546；以及还有j.tumbleston、d.shirvanyants、n.ermoshkin等人的continuousliquidinterfaceproductionof3dobjects(science347，1349-1352)(2015年3月16日在线公布)；还参见rolland等人的美国专利no.9676963、no.9453142和no.9598606)。

随着自下而上式立体光刻技术的速度和多功能性提高，这样的设备中所采用的窗已变得更复杂，并且，这样的窗中的缺陷引起在其上生产的物体中的缺陷的可能性已变得成问题。在窗呈可在设备之间切换的可互换的“盒”的形式的情况下，甚至是原本可适应的光学变化也可能破坏生产过程。因此，需要用以解决窗光学缺陷和可变性的问题的新技术。

技术实现要素：

在根据本发明的一些实施例中，提供了一种在自下而上式立体光刻设备上制作物体的方法。该设备包括光源、驱动组件以及控制器，控制器与光源和驱动组件操作性地相关联，其中光源和/或驱动组件具有可由控制器调整的至少一个可调整参数。该方法包括：(a)以光源投射所通过的构造将可移除窗盒安装于该设备上，窗盒包括光学透明部件，光学透明部件具有构建表面，可在构建表面上生产物体，并且其中，光学透明部件在其中具有至少一个可变性质；以及然后(b)由控制器基于窗的至少一个可变光学性质而修改至少一个可调整参数；以及然后(c)在构建表面上通过自下而上式立体光刻由可光聚合液体生产物体。

在一些实施例中，窗盒包括与其操作性地相关联的唯一标识符(例如，条形码、qr码、nfc标签等)，并且，修改步骤通过以下步骤而执行：(i)检测唯一标识符(例如，利用唯一标识符读取器)；以及然后(ii)将针对至少一个可变光学性质并且对应于唯一标识符的光学校正指令从数据存储介质(例如，云数据库)传递(例如，通过互联网)到控制器。

在一些实施例中，窗盒包括其上的数据存储介质(例如，闪速驱动器)，并且，数据存储介质包含针对至少一个可变光学性质的光学校正指令；并且，修改步骤通过以下步骤而执行：(i)使存储介质与控制器操作性地相关联(例如，通过usb接口)；以及然后(ii)将光学校正指令从数据存储介质传递到控制器。

在一些实施例中，可变性质包括光学性质、物理性质(例如，对聚合抑制剂的可透性)或它们的组合。

在一些实施例中，可变性质包括窗厚度或窗高度(窗在装配于该设备上时的顶部的机械位置)，并且，可调整参数包括投射的图像的放大率(对于图像整体和/或其部分)和/或光源焦平面。

在一些实施例中，可变性质包括窗的光透射率(例如，一个或多个离散瑕疵、透射率梯度等)，并且，可调整性质包括光强度(例如，带有较小的光透射率的区域中的较大的强度)。

在一些实施例中，可变性质包括光学缺陷区域，并且，可调整参数包括对构建表面的投射区域(例如，用于在该构建表面上生产物体的排除的区域或“非打印区”)。

在一些实施例中，可变性质包括窗中的区域性光学畸变，并且，可调整参数包括投射的光图像的映射到区域性光学畸变的区域性光学校正。

在一些实施例中，可变性质包括对聚合抑制剂(例如，氧气)的可透性，并且，可调整参数包括光强度、生产速度或它们的组合。

在一些实施例中，各个可调整参数独立地应用于窗的一个或多个较小部分、窗的较大部分或窗的整体或它们的组合。

在一些实施例中，光学透明部件包括多个截然不同的层。

在一些实施例中，光学透明部件包括：(i)刚性或柔性的半透性或非透性的支承部件；(ii)支承部件上的半透性部件(例如，含氟聚合物部件)或支承部件上的不可混溶层(例如，水凝胶)；(iii)半透性部件(当存在时)中的聚合抑制剂(例如，氧气)；(iii)任选地，但优选地，非透性支承部件与半透性部件之间的缓冲部件；以及(v)任选地，但优选地，非透性支承部件与半透性部件之间的供给空间(例如，供给通道)(例如，缓冲部件中或缓冲部件上)，供给空间构造成用于将额外的聚合抑制剂(例如，氧气)供应到半透性部件中。

在一些实施例中，修改步骤提高该设备的至少一个性能特性(例如，通过降低其上的生产失效的频率，诸如通过提高其上的物体生产的准确度、减少其上所生产的物体中的缺陷形成等，包括它们的组合)。

在一些实施例中，生产步骤通过连续液体界面生产(clip)而执行。

在一些实施例中，一种自下而上式立体光刻设备包括：(a)光源；(b)驱动组件；(c)控制器，其与光源和驱动组件操作性地相关联，其中光源和/或驱动组件具有可由控制器调整的至少一个可调整参数；(d)接合组件，其与光源操作性地相关联，并且构造成用于以光源投射所通过的构造使可移除窗盒固定于该设备上，窗盒包括光学透明部件，光学透明部件具有构建表面，可在构建表面上生产物体，并且其中，光学透明部件具有至少一个可变性质；以及(e)(i)唯一标识符读取器(例如，nfc标签读取器)，其与控制器操作性地相关联，并且配置成用于读取窗盒上的唯一标识符，或(ii)数据存储介质耦合器(例如，usb耦合器)，其与控制器操作性地相关联，并且配置成用于耦合到窗盒上的数据存储介质。

在一些实施例中，控制器配置成执行本文中所描述的方法。

在一些实施例中，一种可用于可移除地装配于自下而上式立体光刻设备上的窗盒包括：(a)周向框架；(b)光学透明部件，其连接到周向框架，光学透明部件具有构建表面，可在构建表面上生产物体，并且其中，光学透明部件在其中具有至少一个可变性质；以及(c)唯一标识符(例如，nfc标签)或数据存储介质(例如，闪速存储器)，其连接到周向框架。

在本文中的附图和下文中所阐述的说明书中更详细地解释了本发明的前述和其它目的和方面。本文中所引用的所有美国专利参考文献的公开内容都将通过引用而并入本文中。

附图说明

图1示意性地图示了本发明的第一实施例，其中，光学校正指令通过互联网从云数据库传递到控制器。

图2示意性地图示了本发明的第二实施例，其中，光学校正指令经由本地连接来从与窗盒相关联的存储介质传递到控制器。

图3a是窗盒的侧视截面示意图，其中，窗的高度是均一的。

图3b是窗盒的侧视截面示意图，其中，由于窗弯曲，窗的高度是不均一的。

图3c是窗盒的侧视截面示意图，其中，由于窗中的厚度差异，窗的高度是不均一的。

图3d是窗盒的侧视截面示意图，其中，由于在其中装配窗的框架中的高度不规则性，窗的高度是不均一的。

图4a是窗的俯视平面图，其中，高度形貌(topography)从最低(h¹)至最高(h⁵)横跨五个区域而变化。

图4b是包含具有较小的透射率的离散区域(即，“瑕疵”)的窗的俯视平面图。

图4c是窗的俯视平面图，其中，透射率形貌从透射率最大(t¹)至透射率最小(t⁴)横跨四个区域而变化。

图4d是包含两个光学畸变区域(即，与窗的剩余区域相比，通过其投射的图像发生畸变的区域)的窗的俯视平面图。

图4e是包含四个缺陷的窗的俯视平面图，这四个缺陷致使缺陷位于其中的窗的区域不适合于生产至少一些物体(或一些物体的至少一些部分)。

具体实施方式

现在在下文中参考附图而更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同形式体现，且不应当被解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开内容将为全面且完整的，且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。

如本文中所使用的，用语“和/或”包括相关联的所列项目的任何和所有可能的组合或相关联的所列项目中的一个或多个，以及当以备选方案(“或”)解释时不存在组合。

如本文中所使用的“唯一标识符”和“唯一标识符读取器”指代自动标识及数据采集系统的构件。合适的唯一标识符包括但不限于条形码(包括一维条形码和二维条形码(qr码))、近场通信(nfc)标签、射频标识(rfid)标签(包括有源rfid标签、无源rfid标签以及电池辅助式无源rfid标签)、光学字符识别(ocr)标签及读取器、磁条及读取器等。多种这样的系统在下者中已知且描述：例如，美国专利no.8120468、no.8526910、no.9373201、no.9562429、no.9576476、no.9587487、no.9589428以及no.9595058。如在下文中进一步讨论的，这样的唯一标识符可装配于用于树脂的容器上，以用于从树脂提供商分配到最终用户。

如下文中所讨论的，与树脂唯一身份相反，除了用于存储树脂特性或修改的操作指令之外，如本文中所使用的“信息存储介质”可为在上文中结合“唯一标识符”而描述的相同装置中的任何装置。

1.增材制造方法和设备。

增材制造设备和方法是已知的。合适的设备包括自下而上式设备，自下而上式设备采用窗或光学透明部件或“构建板”，可聚合液体池位于其上，并且图案化的光通过其而投射以生产三维物体。这样的方法和设备在下者中已知且描述：例如，授予hull的美国专利no.5236637、授予lawton的美国专利no.5391072和no.5529473、授予john的美国专利no.7438846、授予shkolnik的美国专利no.7892474、授予el-siblani的美国专利no.8110135、joyce的公布号为2013/0292862的美国专利申请和chen等人的公布号为2013/0295212的美国专利申请。这些专利和申请的公开内容通过引用而以其整体并入本文中。

clip在下者中已知且描述：例如，授予desimone等人的美国专利no.9211678、no.9205601和no.9216546；以及还有j.tumbleston、d.shirvanyants、n.ermoshkin等人的continuousliquidinterfaceproductionof3dobjects(science347，1349-1352)(2015年3月16日在线公布)。还参见r.janusziewcz等人的layerlessfabricationwithcontinuousliquidinterfaceproduction(proc.natl.acad.sci.usa113，11703-11708)(2016年10月18日)。在一些实施例中，clip采用如上文中所描述的自下而上式三维制备的特征，但在执行辐射和/或所述推进步骤的同时还同时维持生长的物体与构建表面或窗之间的稳定或持久的液体界面，诸如通过：(i)连续维持与所述构建表面接触的可聚合液体的死区，以及(ii)连续维持在死区与固体聚合物之间并与其中的各个接触的聚合区(诸如活性表面)的梯度，聚合区的梯度包括呈部分固化形式的第一组分。在clip的一些实施例中，光学透明部件包括半透性部件(例如，含氟聚合物)，并且通过以下方式来执行连续维持死区：通过光学透明部件而供给聚合抑制剂，从而在死区中且任选地在聚合区的梯度的至少部分中产生抑制剂的梯度。如在desimone等人的专利(在上文中引用)中以及还有sun等人的公布号为us2016/0288376的美国专利申请中描述的，抑制剂可完全穿过半透性部件，或抑制剂“池”可存在于半透性部件内并且穿过其树脂接触表面。虽然优选的抑制剂是氧气，但也可使用其它抑制剂，诸如，如在desimone等人的专利中描述的碱(包括胺)或在sun等人的专利中描述的抑制剂。可在本发明中使用并且潜在地避免对于半透性“窗”或窗结构的需要的用于执行clip的其它方法包括：利用包括不可混溶液体的液体界面(参见l.robeson等人的2015年10月29日公布的wo2015/164234)；通过电解而生成作为抑制剂的氧气(参见icraven等人的2016年8月25日公布的wo2016/133759)；以及使光活化剂所耦合至的可磁定位的颗粒并入到可聚合液体中(参见j.rolland的2016年9月15日公布的wo2016/145182)。本发明的实施例可应用于的立体光刻或“clip”过程的额外示例包括2016年3月10日公布的公布号为2016/0067921的美国专利申请和2018年8月30日公布的公布号为2018/0243976的美国专利申请。

该设备可包括本地控制器，该本地控制器包含并执行用于典型地根据由用户输入到控制器中的物体数据文件而在该设备上生产三维物体的操作指令。连同典型地投射以用于光聚合的物体的基本三维图像一起(连同载体和构建表面在z方向上彼此远离的移动一起)，操作指令可包括或生成诸如下者的过程参数：光强度；曝光持续时间；曝光间持续时间；生产速度；台阶高度；在步进或往复操作模式下的上冲程的高度和/或持续时间；在往复操作模式下的下冲程的高度和/或持续时间；用于泵送粘性可聚合液体的旋转速度；树脂加热温度；和/或树脂冷却温度；旋转速度和频率等(参见例如ermoshkin等人的three-dimensionalprintingwithreciprocalfeedingofpolymerizableliquid(公布号为wo2015/195924的pct专利申请)(2015年12月23日公布)；sutter等人的fabricationofthreedimensionalobjectswithmultipleoperatingmodes(公布号为wo2016/140886的pct专利申请)(2016年9月9日公布)；j.desimone等人的methodsandapparatusforcontinuousliquidinterfaceproductionwithrotation(公布号为wo2016/007495的pct专利申请)(2016年1月14日公布)；还参见j.desimone等人的美国专利no.9211678和j.batchelder等人的continuousliquidinterfaceproductionsystemwithviscositypump(公布号为us2017/0129169的美国专利申请)(2017年5月11日公布))。

在一个非限制性实施例中，该设备可为carboninc.的m1或m2增材制造设备，其可从carboninc.(1089millsway，红木城，美国加利福尼亚州94063)得到。

2.构建板和窗盒。

虽然本发明在优选的实施例中针对用于执行clip的窗盒而设想，但本发明可适用于窗可得益于光学校正的任何自下而上式立体光刻过程，而不论该窗是由单层光学透明材料形成，还是由以不同材料形成的多层光学透明材料形成。

在一些实施例中，可用于可移除地装配于自下而上式立体光刻设备上的窗盒包括：(a)周向框架；(b)光学透明部件，其连接到周向框架，光学透明部件具有构建表面，可在构建表面上生产物体，并且其中，光学透明部件在其中具有至少一个可变性质；以及(c)唯一标识符(例如，nfc标签)或数据存储介质(例如，闪速存储器)，其连接到周向框架。光学透明部件可包括多个截然不同的层。在一些实施例中，光学透明部件包括：(i)刚性或柔性的半透性或非透性的支承部件；(ii)支承部件上的半透性部件(例如，含氟聚合物部件)或支承部件上的不可混溶层(例如，水凝胶)；(iii)半透性部件(当存在时)中的聚合抑制剂(例如，氧气)；(iii)任选地，但优选地，非透性支承部件与半透性部件之间的缓冲部件；以及(v)任选地，但优选地，非透性支承部件与半透性部件之间的供给空间(例如，供给通道)(例如，缓冲部件中或缓冲部件上)，供给空间构造成用于将额外的聚合抑制剂(例如，氧气)供应到半透性部件中。

可用于执行本发明的窗的示例包括但不限于在下者中描述的示例：

授予j.desimone、a.ermoshkin和e.samulski的美国专利no.9498920；授予j.desimone、a.ermoshkin、n.ermoshkin和e.samulski的美国专利no.9360757；以及授予j.desimone、a.ermoshkin、n.ermoshkin和e.samulski的美国专利no.9205601；

j.desimone、a.ermoshkin等人的公布号为us2016/0046075的美国专利申请；d.moore、a.ermoshkin等人的公布号为us2016/0193786的美国专利申请；d.moore、j.tumbleston等人的公布号为us2016/0200052的美国专利申请；以及sun和lichkus的公布号为us2016/0288376的美国专利申请；

d.moore、j.tumbleston等人的公布号为2016/123499的pct专利申请；d.moore、j.tumbleston等人的公布号为wo2016/123506的pct专利申请；j.tumbleston、e.samulski等人的公布号为wo2016/149097的pct专利申请；j.tumbleston、e.samulski等人的公布号为wo2016/149014的pct专利申请；r.fortier和d.castanon的公布号为wo2016/172783的pct专利申请；r.fortier和d.castanon的公布号为wo2016/172788的pct专利申请；r.fortier和d.castanon的公布号为wo2016/172804的pct专利申请；r.fortier和d.castanon的公布号为wo2016/172805的pct专利申请；以及l.robeson、e.samulski等人的公布号为wo2015/164234的pct专利申请；以及其它专利文献(所有的这些专利文献的公开内容都通过引用而以其整体并入本文中)。

3.示例设备和方法。

在图1-2中给出了可用于执行本发明的设备的示例。在每种情况下，该设备包括与可移除窗盒12操作性地相关联的光引擎11连同驱动组件14上的(典型地也可移除的)载体平台13一起。所有这些构件都与底盘16操作性地相关联。控制器15(其可“机载(on-board)”于底盘上而被包括，或单独地被包括)与驱动组件和光引擎操作性地相关联。窗盒典型地借助于接合或对准组件17来装配到设备框架。

窗盒12典型地包括光学透明窗12a(其可由如上文中所描述的多个层组成)和窗框架12b。设备接合组件17构造成使窗框架12b可释放地固定成与光引擎11对准的构造。

在图1的实施例中，控制器与窗唯一标识符(或“标签”)读取器22操作性地相关联，窗唯一标识符(或“标签”)读取器22以用以从连接到窗盒12的窗唯一标识符(或“标签”)21读取的配置定位于该设备上。读取器与控制器12操作性地相关联，控制器12继而配置成经由互联网来将该唯一标识符传送到数据库(诸如云数据库23)并且从该数据库接收特定于盒的光学校正指令，使得如下文中所讨论的，可在本地作出适当校正。

在图2的实施例中，窗盒进一步包括窗数据存储介质21’，并且，该设备包括介质耦合器22’。存储介质包括特定于盒的光学校正指令。当固定到该设备时，存储介质耦合到耦合器22’，耦合器22’继而与控制器15操作性地相关联，并且耦合器22’继而配置成下载并且接收特定于盒的光学校正指令，使得如下文中所讨论的，可在本地作出适当校正。

虽然在图1-2中给出了系统架构的非限制性示例，但将认识到，可采用多种不同架构中的任何架构。控制器可为：通用计算机，其专用于特定设备或机载于特定设备上；本地通用计算机，其经由局域网(或城域网)来与成组的机器操作性地相关联；远程通用计算机，其经由广域网或互联网连接来与机器操作性地相关联；以及它们的组合(例如，组织成客户端-服务器架构和/或分布式架构)。同样地，数据存储设备或存储器可位于在本地或远程地定位的单独的(易失性和/或非易失性)存储器装置、单个存储器装置的分割的区段等(包括它们的组合(例如，除了本地存储器之外，还包括远程备用存储器))上。用于数据输入和显示的外围装置可以以在本领域中已知的多种方式中的任何方式实施，这些方式包括典型的键盘输入、视频显示器和打印设备以及图形用户界面(诸如，触摸板、触摸屏等，包括智能电话触摸屏)。

第一组示例窗光学性质在图3a-3d中给出并且涉及窗高度，可针对这些窗光学性质而生成光学校正指令。在图3a的实施例中，窗高度h横跨窗盒而基本上均一。对于此情形，除非该高度大于或小于预期(与平均或“标准”窗相比)，否则可不需要特定于窗的指令。如果该高度小于预期(并且因此，窗比预期更接近于光引擎)，则投射的光图像的放大率可增大。如果该高度大于预期，则投射的光图像的放大率可增大。

在图3b的实施例中，外围区域中的窗高度h¹比中心区域中的窗高度h²更低，并且，对于那些不同区域，需要如结合图3a而描述的校正指令。

在图3c的实施例中，由于窗中的倾斜，窗高度横跨窗而变化，并且，对于具有不同高度的区域，需要如上文中所描述的校正指令。

在图3d的实施例中，由于窗框架中的不规则性，窗高度横跨窗而变化，并且，对于因此具有不同高度的窗区域，需要如上文中所描述的校正指令。

注意到，虽然在图3b-3d中给出了两个高度(可针对这两个高度而给出对应的校正指令)，但如由图4a的实施例中的高度h¹、h²、h³、h⁴、h⁵指示的，可存在三个、四个、五个或更多个不同高度区域。在此，校正指令可包括针对距光引擎更远的窗区域的投射的光图像的减小的放大率或针对更接近于光引擎的区域的增大的放大率。

图4b示意性地表示带有具有相对于窗的周围区域而更小的光透射率的多个离散区域(即，瑕疵)的窗，并且，图4c表示带有从t¹通过t²、t³至t⁴的减小的光透射率的渐进梯度的窗。再者，校正指令可包括针对具有更小的光透射率的区域的增大的光强度。

图4d示意性地表示带有使光学图像畸变的区域的窗。在此，校正指令可包括投射的图像的如下的对应或互补的畸变：该畸变映射到(一个或多个)畸变的区域，使得通过(一个或多个)畸变的区域到达构建区域的图像是正确的。

图4e示意性地表示带有如下的区域的窗：该区域带有瑕疵或畸变，使得通过那些区域的任何投射的图像仍将造成在那些区域中生产的物体内的不可接受的缺陷(至少处于针对所生产的特定物体而指定的公差内)。在此，校正指令可仅仅限定排除区域，不在该排除区域上生产物体，或光不通过该排除区域投射，其中针对所生产的物体的图像投射于窗上的别处(例如，在同时地生产多个物体的情况下，多个物体可自动地由控制器以不利用排除区域来投射的方式布置)。

当该窗是对聚合抑制剂(例如，氧气)半透的窗时，可作出类似校正，并且，可变性质是对该抑制剂的可透性，特别是减小的可透性。例如，当可透性(在窗的离散区域中、在横跨窗的梯度中或在窗的整体中)小于预期(例如，与先前的窗、先前的窗的平均、或实际或任意的标准窗相比)时，则从光引擎投射的光强度可减小，生产(如由驱动组件执行的)的速度可减小，或它们的组合。如果一些区域中的可透性太低而不能在其中可行地生产物体，则可形成排除区域(如在上文中结合图4e而描述的排除区域那样)。

前文说明了本发明，且将不被解释为限制本发明。本发明由以下权利要求限定，其中权利要求的等同体将被包括在其中。