使用螺旋堆积的3d打印的制作方法

使用螺旋堆积的3d打印的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引证 阳00引本申请要求库尔特杜德利（KudDudley)的2013年3月12日提交的标题为"使 用螺旋堆积的3D打印"（3DPRINTINGUSINGSPIRALBUILDUP)的美国临时申请序列号 61/778,285的优先权。此临时申请通过引证将全部内容结合于此，包括但不限于附图、图 表、原理图、图和相关书面说明。
[000引发明背景
技术领域
[0004] 本文描述的是用于从多种介质（诸如聚合物、生物制品或金属材料）中形成=维 (3D)物体的方法、程序和设备。该方法、程序和设备编程为使用聚合、交联、固化、烧结、烙化 或凝固及类似技术W对传统的立体光刻（Stereolithogra地ic)、光固化（photocur油Ie) 进行改进的方式或使用其他3D物体形成技术来产生所期望的=维（3D)结构。
【背景技术】 阳00引最近几年，诸如为了照相印刷（phototyping，照相凸版印刷）和制造的目的，3D打印已经被证明是一种用于精确地形成3D物体的有效的技术。从一般的意义上说，3D打 印通常使用3D扫描仪或3D计算机软件来产生所期望的物体的图像地图（imagemap,图 像映射）。然后，该图像地图转换为格子状结构，W使得制造设备经由添加过程（additive process)可W沉积可流动的材料，诸如塑料、聚合物、生物材料或树脂，运些材料同时固化 W创建3D物体。多种现有的3D打印方法提供了独特的优点，并且每一种方法还具有各自 的缺点。
[0006] 例如，由查尔斯.赫尔（化arlesW.化11)自主开发的并在美国专利号4, 575, 330 中阐述的一种立体光刻的方法。立体光刻旨在基于与先前形成的介质层相邻的流体状介质 层的连续线性形成和运些层根据表示所期望的3D物体的连续切片W形成固体层的横截面 数据的选择性固化来创建3D物体。立体光刻技术使用液体介质，液体介质通常是选择性固 化的光聚合物或烙融的热塑性塑料。热塑性塑料通过暴露于较低的溫度中而固化；光聚合 物通常通过暴露于引起聚合物交联或固化的可见波长或紫外线的福射中而固化。用于将该 福射引导至光固化材料上的典型方法包括电机控制的扫描镜、掩膜系统（masksystems)或 激光器，其中，最小物理分辨率是激光束的尺寸，或在掩膜内部时最小物理分辨率是像素的 尺寸。
[0007] 使光聚合物型树脂固化的立体光刻型机器通常利用单一的、聚焦的激光点，该激 光点使用物理台架系统在X-Y平面内扫描，或另外通过机电驱动高反射表面（例如检流计 (galvanometers)或旋转多角镜）来引导。正因为如此，打印速度与层密度和层体积成反 比。 阳00引赫尔化uU)的美国专利号4, 575, 330中描述了使用"奇点（singularpoint)"型 立体光刻来使光聚合物固化的方法，该方法包括利用激光和可控镜构造。该过程将构建平 台逐渐浸没在光固化材料的桶中，其中，覆盖构建平台的材料层通过来自激光器的目标福 射来固化，该激光器使用两个可控镜在x/y平面内沿着材料的表面对福射引导。对应于横 截面数据（该数据用代表物体的虚拟3D模型的切片的横截面位图图像表示）来选择性地 使一些区域固化。沿循液体表面上的线来使光固化材料固化。该过程通过将构建平台在材 料桶中降低至与下一期望的层高度相关的量而重复多次。在新材料沉积在构造区域上面之 后，重复固化过程W形成单独的堆叠层，从而形成3D物体。
[0009] 另一种方法使用"平面曝光（planeexposure)"型立体光刻，该方法使用立体光刻 过程中的数字微镜设备值MD)变型。因为数DMD阵列可W立刻曝光并引导聚焦的光的整个 平面，而不是必须被扫描来创建层的单一的点，所W运些变型在打印速度上提供了显著的 改进并且创建了独立于针对给定的层体积的层密度的恒定构建时间。典型的720X480DMD 阵列在单层曝光中一次全部可W曝光345600个单独的固化树脂"袋（pocket)"，也被称为 立体像素（voxel)。典型的层的曝光时间可W在0.2-10+秒的范围内变动，运取决于多种因 素。基于DMD的过程对于小型打印尺寸可W很好地工作，但是一旦超过了临界层区域，由层 剥离装置产生的抽吸力将抑制3D物体的构建。
[0010] 上述过程存在多个限制。例如，分辨率与激光器的可聚焦的点的尺寸成正比；如果 想要增加分辨率，必须使用更小的点尺寸。运导致增加了在给定区域中所沿循的线的总量， 从而造成更长的构造时间。此外，将构建平台浸没在材料桶的过程既限制了可W创建的物 体的功能尺寸，还需要曝光大量光固化材料来构造3D物体。
[0011] 此外，使流体表面承受福射的上述方法造成了的一套关于可由与液体表面的扰动 引起的一致的层高度的问题和错误。运些扰动可W由外部源振动和内部源振动引起。物体 的层高度W及因此竖直分辨率还依赖于所使用材料的粘度和表面张力。运就限制了在材料 的给定范围可W实现的竖直分辨率。
[0012] 最近，反转的立体光刻过程已经发展起来，该过程引入了由粘附于桶底部的新的 固化层造成的表面粘附的额外因素。粘附力根据固化层的尺寸而增加。然而，在构造过程 可W重新开始之前，必须消除粘附力并且在下一附加材料层固化之前例如通过利用移动、 倾斜、剥离和滑动来抬高构建平台W允许放置新材料。
[0013] 用于消除粘附力的运些过程在高应力载荷条件下处理桶、构建平台、用于构建平 台的提升元件W及打印物体的新固化几何尺寸，运可W减少机器及其部件的功能寿命，并 引起待构造的物体的变形和分层。在欧洲专利申请书EP2419258A2中描述了在大的固化 区域中减少运种表面粘附的方法，其中，单个层被破坏成单独固化并分离的子部件图像。然 而，该方法使得构造时间成倍增加，并且由于由未支持的待固化区域的量的增加引起的分 层增加了产品失败的机会。
[0014] 所有快速制造系统可W通过公共区域来改进，包括增加分辨率、提高构造部件的 可扩展性，增加构造复杂几何形状（诸如中空腔或悬壁结构）的能力，W及增加构造和维护 小且易碎的几何形状（诸如具有小周围支撑的几何形状）的能力。构造单独的层的时间和 总构造时间是设及每个系统的构造过程的效率的另外的重要因素，每个系统均具有自己的 一套决定其将需要多少时间来构造给定物体的特有的限制因素。因此需要有效的方法和装 置来解决运些通常的低效率，同时使用单个紧凑的设备。

【发明内容】

[0015] 本文描述的是用于高效3D打印的方法、设备和系统，该方法、设备和系统解决了 目前现有的使用单个设备的3D打印系统的低效率和缺点。为了便于说明并提供有效的 命名，使用阐述和结合本发明特征的新技术、程序和设备的3D结构的形成称为日照光刻 Ofeliolithogra地y，日光平版印刷术）。日照光刻为与传统的成型技术有关的上述固有问 题提供了解决方案。它允许=维实屯、物理产品在很短的时间使用完全自动化的过程直接由 计算机驱动数据制成并且W非常高和精确的详细层次再生产。日照光刻的某些方面类似于 立体光刻。基于日照光刻的过程和基于立体光刻的过程都可W使用多种材料作为其基底材 料，并且运些材料通过多种固化技术固化成物理部分，例如通过曝光于足够能量密度的精 确引导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过程和基于立体光刻打印过程之间具有几个关键差异。
[0016] 日照光刻使用上面讨论的最好地"奇点"和"平面曝光"概念，W通过螺旋堆积在 细线中连续地固化构建材料，诸如光聚合物材料。当运些线定位成构建区域中的半径时， 例如在围绕单个中屯、点对称地旋转的圆形构建区域中时，则能W螺旋方式执行连续打印过 程。在一个实施方式中，构建平台（固化材料在该构建平台上沉积W形成物理物体）连续 地旋转并且同时W非常平缓的方式上升，同时材料被固化，诸如光聚合物W液态形式在透 明平台上的细线中沉积。从平台下面的位置传输的聚焦的光化福射的固定的线被引导至液 态光聚合物，W生产正在固化的材料的单个连续的层，正在固化的材料沉积并粘接到相邻 的预先或同时W螺旋方式沉积的材料。可替代地，日光制版法化eliogra地y)也可W通过 无需旋转地缓慢升高构建平台执行，同时聚焦的福射线W编程的方式在下方"旋转"，连续 地固化液态光聚合物。在另一个实施方式中，平台可W周期地或连续地旋转并且同时在构 建和固化过程期间光化的光能W周期地或连续地重新定位。
[0017] 结合本发明特征的方法和系统寻求解决具有高结构分辨率的同时仍然W比可W 通过W前的技术实现的更快更经济的方式保持打印大结构物体的能力的问题。运样的系统 能W导致材料的螺旋堆积的旋转的方式使用用于沉积和固化材料（例如光固化材料）的连 续方法。
[0018] 在结合本发明特征的装置的一些实施方式中，使用了具有可W沿着Z轴控制的高 度的旋转构建平台。该构建平台降低到至少一个固化区域上，其包括至少一个材料分配器、 至少一个透明基板、至少一个排放系统和至少一个额外的材料脱离器，例如在固化期间材 料从透明基板流动并且保持抵靠构建平台，排放系统用W清除未使用的材料，额外地材料 脱离器用于收集、清除W及回收未固化的材料。在光聚合过程中，从透明基板下面的源发射 的电磁福射被引导至目标区域中的光固化构造材料上，该目标区域与来源于存储于机器存 储器系统中的=维物体的点数据一致。
[0019] 在使用光聚合物时，构造材料和福射源均选择成为构造材料提供近瞬时固化。固 化材料粘附于旋转构建平台，导致材料连续的或半连续的螺旋堆积，W构造大体上在外表 类似于所需的3D物体的物体。在使用结合本发明特征的运些过程中，构造的物体的竖直分 辨率可W对应于材料的连续螺旋层的层高度或层倾斜角并且可W通过改变反转的构建平 台悬挂于保持在透明基板上的可固化材料上面的相对距离来控制。
[0020] 基于下面结合附图的详细的描述，本发明的运些和其他进一步的实施方式、特征 和优点对于本领域的那些技术人员将是显而易见的，附图中：
【附图说明】
[0021] 图1是结合本发明特征的3D打印设备的横截面分解图；
[0022] 图2是结合本发明特征的图1的3D打印设备的前视立体图；
[0023] 图3是结合本发明特征的3D打印设备的部件的横截面分解图；
[0024] 图4是结合本发明特征的3D打印机的成像部件的立体图；
[0025] 图5是结合本发明特征的3D打印机的Z轴升降台（elevatorstage)的立体图； [00%] 图6是用于结合本发明特征的3D打印机的构建平台附接板的立体图；
[0027] 图7是用于结合本发明特征的3D打印机的可移动构建平台插入件的立体图； 阳02引图8是用于结合本发明特征的3D打印机的可移动构建平台插入件的仰视图；
[0029] 图9是用于结合本发明特征的3D打印机的放大的固化区域/桶的俯视图；
[0030] 图10是结合本发明特征的3D打印机的基础材料存储和构造区域的局部内部立体 图；
[0031] 图11是结合本发明特征的3D打印机的完整固化区域的立体图；
[0032] 图12A示出了从结合本发明特征的3D打印机部件的构建室地板的中屯、福射的正 在构造的单个物体；
[0033] 图12B示出了从结合本发明特征的3D打印机的构建室地板的中屯、福射的正在构 造的多个物体；
[0034] 图13A示出了利用结合本发明特征的3D打印机的单个结构形成区域的连续螺旋 层结构的侧视图；
[0035] 图13B示出了利用结合本发明特征