3D打印设备、3D打印方法和由所述方法获得的3D管状物体与流程

本发明涉及通过通常称为3d打印的增材制造工艺来制造物体的领域。更具体地，本发明涉及一种根据打印模型制造至少一个管状3d物体的3d打印设备。所述3d打印设备包括：-具有外表面的构建平台；-提供树脂的装置，配置为在所述构建平台的所述外表面上提供可通过电磁辐射聚合的流体树脂；-电磁辐射源，配置为从源输出向所述构建平台的所述外表面发射适合聚合所述流体树脂的电磁辐射射束；-射束定位装置，配置为在于所述外表面上提供的所述流体树脂上可变地定位所述射束的撞击点；和-控制装置，配置为根据所述打印模型控制所述射束定位装置和所述电磁辐射源以制造所述3d管状物体。本发明还涉及相应的3d打印方法，以及通过所述方法获得的管状3d物体。

背景技术：

1、在3d打印领域中，允许制造具有高分辨率的物体的解决方案是已知的。特别地，立体光刻(sl)技术是已知的，它允许以高分辨率打印3d物体，因为此类技术基于通过通常是紫外线的电磁辐射射束的入射来聚合的树脂(厚度通常为10微米或更厚)的测微层的连续创建。入射光通常来自激光器或根据每层树脂中待聚合的点被掩蔽的均匀光源。在这两种情况下，都可以在待聚合的点上获得高精度，因此该技术能够打印具有高分辨率的3d物体。立体光刻需要使用托盘，托盘装满了待聚合的树脂，其中连续的水平材料层是从用作构建平台的平坦衬底创建的。在创建每一层的过程中，设备保持静止，构建平台没有移动。通常，在创建每一层之后，必须移动构造中的3d物体和/或必须添加新树脂才能创建下一层。由于分层制造，这导致打印方法缓慢。一般来说，创建3d物体所需的时间随着分辨率的增加而增加，即要创建的细节越小，连续的层必须越精细，因此需要的层数越多。此外，立体光刻还涉及树脂的高支出，因为一方面，待打印的物体浸入打印托盘中并且需要用足够的树脂覆盖它，另一方面，有必要为物体的悬臂部分创建支撑结构，随后必须将其移除以实现完整的物体。

2、其他类型的技术提供了更高的制造速度和材料的经济性，尽管它们没有达到与立体光刻相同的精度。例如，fdm(融合沉积建模)技术就是这种情况，该技术基于熔融热塑性材料的点对点沉积。在已知的fdm技术中，不可能获得低于200微米的高分辨率细节。主要原因是输送熔融材料的喷嘴不能太小，因为材料不会流过它。fdm的另一个缺点是制造的物体由于点对点沉积而具有粗糙度。此外，熔融材料从喷嘴流出的速度通常无法高精度控制。因此，fdm技术不适合生产具有非常小尺寸的细节的高分辨率物体。

3、3d打印的一个特例是创建管状物体。在本文件中，术语“管状物体”通常是指具有由管状表面和在所述管状表面的整个或部分上延伸的聚合材料界定的空内部区域的任何物体。除非另有说明，术语“管状表面”通常是指围绕纵轴延伸的表面并且不一定限于规则形状，例如圆柱形。

4、fdm技术可用于管状物体的3d打印。然而，这些技术的缺点是打印管状物体的空区域的管状表面通常在喷嘴沉积熔融材料的点之间具有明显的不规则性。为了解决这个问题，一种特殊的fmd 3d打印方法被建议在guerraantonio.contribution tobioabsorbable stent manufacture with additive manufacturing technologies(universitat de girona的博士论文,2019；可在以下网站中获取：http://hdl.handle.net/10803/667867)。在这种特殊方法中，材料通过喷嘴沉积在圆柱形芯的表面上。由于熔融材料通过喷嘴沉积在芯的光滑圆柱表面上，因此可以获得所打印的管状物体的空区域的更规则的管状表面。然而，除了上述讨论的fdm技术的固有缺点之外，这种特定方法出现的问题是点对点沉积和喷嘴与圆柱形芯之间的相对旋转的组合限制了打印速度。

5、jp2000043150a公开了一种旨在制造包括金属轴和齿轮的复合产品的3d打印机。只有齿轮是通过3d打印由聚合树脂制成的。轴可旋转地安装在液态树脂罐内，辐射射束使轴上的树脂聚合以形成齿轮。最终产品是一种复合产品，其中通过3d打印形成的齿轮与金属轴是一体的。

6、us2019311822a1公开了一种类似的方法，其中复合产品是带有聚光器的电导体杆。杆部分浸没在树脂的液态树脂罐中，并以受控速度旋转以调节形成在杆上的树脂层的厚度。辐射射束聚合杆上的树脂层以形成聚光器。最终产品是一种复合产品，其中通过3d打印形成的聚光器与杆是一体的。

7、因此，需要一种3d打印解决方案来打印高分辨率管状物体，并解决上述缓慢、成本和额外步骤的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种本文开篇所述类型的3d打印设备，能够避免上述已经识别的问题。

2、该目的通过本文开篇所述类型的3d打印设备实现，其特征在于，所述构建平台包括具有纵轴的杆，所述杆围绕所述纵轴形成管状表面，使得所述构建平台的所述外表面包括在所述管状表面中，并且其中所述射束定位装置被配置为将射束的所述撞击点可变地定位在于所述管状表面上提供的所述流体树脂的至少一部分的不同点上。

3、管状表面形成在杆的至少一部分中，但不一定沿着整个杆形成。杆本身不一定形成为单件。

4、这样，没有使用传统立体光刻技术的平面支撑体，而是使用具有管状表面的杆作为构建平台：提供覆盖所述杆的管状表面并直接在其上聚合的树脂。支撑体上的流体树脂的厚度对应于聚合树脂层的厚度，排除聚合过程中可能的收缩或膨胀效应。因此，连续层围绕杆同心地创建。以这种方式，与布置在彼此顶部的水平层的制造相比，层数显著减少。在某些情况下，单层可能足以创建3d管状物体。

5、这种层数及其排列的减少有几个优点。首先，制造时间大大减少。此外，所得物体的强度提高，因为它具有更少的层连接，并且因为它们的层同心排列。另一方面，与本领域已知的立体光刻方法相比，制造具有悬臂部分的物体更容易，因为不需要随后必须移除的上述支撑结构。此外，可以将治疗剂封装在层之间，因为这些层同心排列。最后，可以制造具有由不同树脂制成的同心层的3d管状物体，这在创建管状物体时特别有利，例如，在内层和外层之间需要不同的机械特性。所有这些都促成了一个事实，即本文提出的解决方案特别有利于制造需要管状空区域的3d管状物体。

6、优选地，所述射束定位装置被配置为通过至少以下方式在所述流体树脂上可变地定位所述射束的所述撞击点：

7、-围绕所述纵轴在圆周方向上的圆周定位；和

8、-沿由所述纵轴限定的纵向方向的纵向定位。

9、因此可以使用3d打印模型，其中每一层的点仅使用两个坐标定义：一个对应于射束和杆之间的相对圆周位置，一个对应于相对纵向位置。这种类型的坐标不同于传统立体光刻中使用的笛卡尔坐标。在本发明的情况下，不必在xy平面中创建层并沿着z轴沉积每个层。相反，在本发明中，每层已经产生三维体，尽管仅由两个坐标定义但根据管状几何形状形成。这种类型的定位简化了3d建模并降低了打印设备所需的计算成本，因为不需要将笛卡尔坐标分解为支撑体和等效射束之间的相对位置。特别地，所描述的定位类型涉及圆柱坐标并且当待打印的支撑件是管状时特别有利，并且如果它是圆柱则特别有利。

10、优选地，所述射束定位装置还被配置成通过所述源输出与所述杆的所述管状表面的距离定位可变地定位所述射束在所述流体树脂上的所述撞击点，从而限定射束长度。这种距离定位有两个主要优点：首先，它可以确定合适的射束长度，使焦点与树脂上的入射点重合。其次，它允许射束长度适应杆的几何形状，因此杆不必是圆柱形的，因此可以设想其他不太规则的形状。

11、优选地，所述电磁辐射包括由以下组成的列表中的至少一种：红外辐射、可见光和紫外辐射。紫外辐射，uv，已普遍用于立体光刻领域，然而，本发明的设备不限于特定的可紫外聚合的树脂。还可以针对特定应用设想不同的流体树脂，例如，具有对可见光或红外波长ir敏感的光引发剂的生物相容性树脂。

12、优选地，所述杆的所述管状表面具有关于所述纵轴的旋转对称性。在杆为旋转体的情况下，对于每个纵向点，纵轴到杆的管状表面的距离对于任何角度都是相同的，这有利于射束的定位并降低根据打印型号来确定这个定位所需的计算成本。

13、所述杆的所述管状表面优选地具有圆锥形、截头圆锥形或圆柱形，从而增强上述优点，特别是在圆柱形的情况下。实际上，在所述圆柱形的情况下，纵轴和杆的管状表面之间的距离对于任何角度并且沿着杆的管状表面的整个长度都是相同的。

14、在本领域中，术语漫射表面是指其中入射电磁辐射以多个角度而不是单个反射角度反射的表面。这种现象的发生通常是由于表面上存在不规则性，所述不规则性的大小与入射电磁辐射的波长相当。相反，镜面是那些镜面反射现象更为明显的表面，当反射率在除一个角度外的所有角度都接近于零时发生。这些通常是光滑的抛光材料。因此，漫射表面基本上没有镜面反射。

15、优选地，所述杆的所述管状表面是所述电磁辐射的波长的漫射表面。因此，被反射的电磁辐射能量部分以不同的角度分布，而不是像镜面反射那样集中在一个方向上，否则可能会导致在镜面反射的路径中的流体树脂聚合。因此，所制造的物体的精度增加，因为在受反射射束影响的相邻点处发生较少的寄生聚合。

16、优选地，所述杆的所述管状表面不反射所述电磁辐射，即入射射束基本上不被管状表面反射，并且能量被吸收到那里，至少对于对应于电磁辐射的波长，从而最小化上述寄生聚合的影响。

17、优选地，所述杆的所述管状表面对于所述电磁辐射是不透明的，使得入射射束不透射通过杆和/或不受其他内部反射的影响，如果在退出点处有流体树脂，这可能产生不希望的聚合。

18、优选地，所述杆包括包裹在由弹性体材料制成的外层中的硬芯，所述外层形成所述杆的所述管状表面。所述硬芯为阀杆提供高机械阻力并使其不易扭转。此外，由于弹性体层的弹性能力，弹性体层有助于在打印后移除物体。此外，所述弹性体还具有用于射束的电磁辐射的漫射表面。硬芯优选地由金属制成，特别是钢，从而使上述效果最大化，同时保持设备的适度制造成本。弹性体材料优选为乳胶或尼龙，其物理化学特性特别有利于实现上述脱模和漫反射效果。

19、优选地，所述提供树脂的装置包括树脂罐，其布置成使得杆穿过所述树脂罐，使得流体树脂从该树脂罐直接供应到杆的管状表面。这种布置简化了设备，因为它避免了使用更复杂的装置将树脂供应到杆的管状表面，例如通过灌注、刷涂、通过转移辊等。这样，制造设备的成本可以被最小化并且管理流体树脂供应所必需的控制方法可以被简化。如有必要，随着液态树脂被聚合，树脂罐填充有满更多的液态树脂。

20、在优选实施方案中，所述杆水平布置，使得所有管状表面位于树脂罐中的树脂装料高度下方。因此，纵轴是水平的，因此它是纵向的。优选地，该设备包括用于围绕其纵轴旋转杆的装置，使得为了在给定的纵向位置上打印点，射束击中所述杆的管状表面中的对于给定的纵向位置最高的点。因此，对于所述点待聚合的树脂的厚度对应于点的高度与树脂装料高度之间的距离。因此，考虑到所述杆的形状，以及聚合时流体树脂可能的收缩或膨胀，每一层的厚度可以通过树脂装料高度来控制。优选地，当所述流体树脂在打印过程中用完时，罐填充有额外的流体树脂。本领域技术人员将理解，装料高度可以变化，例如，可能需要提高连续打印层之间的水平，或者替代地，需要降低杆。如果杆是圆柱形的，则该实施例特别有利，因为在杆的整个长度上，装料高度和杆的最高点之间的距离是相同的，使得更容易控制树脂层的厚度。

21、在替代实施方案中，所述杆水平布置，使得管状表面的一部分位于树脂罐中的树脂装料高度上方，而管状表面的另一部分位于所述树脂装料高度下方。因此，当杆围绕其纵轴旋转时，流体树脂被杆的管状表面从罐的底部一直拖曳到装料高度的顶部，在那里它可以被射束照射并聚合。这样，可以获得可以精确聚合的薄层。专家将理解，层的厚度将取决于流体树脂的特性，特别是它的粘度，以及杆的管状表面，特别是它的孔隙率或突出物。因此，可以通过控制这样的特性来获得期望的层厚度。

22、在另一个优选的实施方案中，树脂罐包括围绕杆布置的容器，使得树脂室限定在容器和所述杆的管状表面之间，所述容器由对电磁辐射透明的材料制成。以这种方式，可以从容器外部穿过透明壁并朝向树脂室照射流体树脂。这有几个优点。首先，树脂层的厚度由树脂室的厚度非常精确地确定。此外，由于杆被容器包裹，因此可以将杆以最方便的角度布置，甚至可以垂直布置。另一个优点是树脂的浪费最小化，因为只需要将精确量的流体树脂提供到树脂室中。

23、优选地，3d打印设备还包括温度控制装置，配置成控制由提供树脂的装置提供在杆的管状表面上的流体树脂的温度，从而允许控制流体树脂的粘度。优选地，所述温度控制装置包括热电电池，也称为珀耳帖电池，因此能够加热和冷却流体树脂的温度。

24、在一个优选实施例中，电磁辐射源包括电磁辐射发生器和光纤导引模块，用于将所述电磁辐射导引至光纤输出，使得所述源输出为所述光纤输出。优选地，光纤输出包括一个或多个透镜以将输出辐射集中在窄射束中。

25、在替代实施方案中，电磁辐射源包括具有激光输出的激光器，使得所述源输出为所述激光输出，从而利用窄且集中的激光射束特性以高精度影响期望点。本领域的专家将理解，激光射束的引导可以包括已知元件，以及其他非限制性示例，反射镜、棱镜、透镜或以上的组合。在本发明的上下文中，所述激光输出是指射束离开引导系统(如果有的话)并且被引导至杆的管状表面上的撞击点的点。

26、优选地，所述杆围绕纵轴可旋转地安装，并且其中所述射束定位装置包括：

27、旋转控制元件，用于通过控制所述射束围绕所述纵轴的旋转来控制所述射束的所述撞击点在围绕所述纵轴的圆周方向上的圆周定位；

28、纵向位置控制元件，用于控制所述射束的所述撞击点沿由所述纵轴限定的纵向方向的纵向位置；和

29、距离控制元件，用于控制所述源输出与所述杆的所述管状表面之间的距离，从而限定射束长度。

30、因此，可以通过控制杆和射束的相对位置来定位射束。特别是，杆绕纵轴旋转，而射束在纵向上并在距离上定位。或者，可设定这样的实施例，其中射束定位成围绕杆旋转并且所述杆保持静止。然而，杆的旋转是优选的选项，因为它简化了设备的设计和操作过程中的能量消耗。距离控制允许适应杆的形状，以及根据其焦点定位射束的撞击点。

31、优选地，所述旋转控制元件包括伺服电机，其可操作地连接到杆以引起所述杆围绕纵轴旋转，使得支撑件可以通过可以容易地集成到打印设备中的技术元件来旋转。

32、优选地，纵向位置控制元件包括至少一个直的纵向引导件，该引导件被配置成在平行于纵轴的方向上纵向定位源输出。作为非限制性示例，位置控制元件包括一个直的纵向引导件，使得激光器可沿着所述直的纵向引导件移动。

33、优选地，距离控制元件包括至少一个直的横向引导件，该引导件被配置成在与纵轴正交的方向上横向定位源输出。作为非限制性实施例，距离控制元件包括两个平行引导件，前述纵向引导件可沿其移动，并且其中纵向引导件的每一端附接到平行引导件之一。

34、优选地，杆被水平布置，源输出被布置成在垂直向下的方向上发射所述射束，并且所述距离控制元件被配置成垂直定位所述源输出。在杆布置为穿过这类在顶部具有开口的树脂罐的情况下，该布置特别有利，此配置使得射束可以通过所述开口撞击在杆的管状表面上。此外，这种配置允许部分再利用笛卡尔3d打印设备，其中电磁辐射源(例如，激光)可垂直和水平移动。以上进一步促进了基于现有立体光刻设备的现有专业技能设计本发明的3d打印设备。

35、在替代实施方案中，所述杆垂直布置，所述源输出布置成在水平方向上发射所述射束，并且所述距离控制元件被配置成水平定位所述源输出。作为先前实施例的替代，它还允许重新使用已知的设备来移动电磁辐射源。关于这两个示例性实施方案，一个或另一个替代实施例的选择将取决于特征，特别是杆的尺寸、待打印的物体和容纳打印设备所需的空间。

36、优选地，所述3d打印设备还包括层测量装置，配置为确定于所述管状表面上提供的所述流体树脂的层的厚度测量值。聚合树脂层的厚度对应于待聚合的流体树脂层，排除在聚合过程中最终收缩或膨胀。因此，测量管状表面上的流体树脂层的厚度能够确定聚合树脂层的厚度。

37、优选地，层测量装置包括激光断面仪，使得厚度的测量值由当在管状表面上没有设置流体树脂时激光断面仪的测量值与当在所述管状表面上设置所述流体树脂时的测量值之间的差值确定。激光断面仪在本领域中是已知的并且它们提供良好的精度。在这种情况下，测量流体树脂层的厚度包括两个步骤：首先，激光断面仪指向其上没有流体树脂的管状表面，因此测量的距离是从断面仪到所述表面的距离。其次，提供液态树脂，激光断面仪采取另一种测量；在这种情况下，测量的距离是从断面仪到流体树脂的距离。因此，使用两种测量值之间的差值，可以确定树脂层的厚度。本领域技术人员将理解，具体计算将取决于激光断面仪和杆的定位。在待创建的3d管状物体包括一层以上的情况下，通过比较，不是与管状表面本身，而是与已被聚合的层进行比较，可以获得第二层和后续层的厚度等效测量值。

38、优选地，3d打印设备还包括层厚度控制装置，其被配置为接收厚度测量值并且在必要时改变在管状表面上提供的树脂层的厚度。因此，不仅可以知道树脂层的厚度，还可以根据待使用模型打印的3d管状物体的要求进行更改，特别是如果测量的厚度与在模型中定义的厚度不同时，层厚度控制装置相应地增加或减少厚度。改变厚度的方式取决于3d打印设备的种类、使用的流体树脂、树脂如何设置在管状表面上等。可以设想不同的选项，但优选地，改变厚度是通过以下方式中至少一种实现：

39、改变由所述提供树脂的装置提供的树脂量；

40、改变所述流体树脂的温度；和

41、改变所述杆的转速。

42、作为非限制性实施例，在杆水平布置在罐内的情况下，改变在所述罐中提供的树脂的量影响所述罐内的流体树脂的料面，因此，如果管状表面在液态树脂的料面之下，则影响树脂层的厚度。在管状表面仅部分浸没在所述水平的液态树脂下的其他情况下，可以通过改变液态树脂的温度来改变树脂的流动性，并且因此也可以改变在杆旋转时被拖到聚合点时的层的厚度。同样，改变转速也会影响拖动流体树脂的方式。

43、本发明还涉及一种3d打印方法，用于根据打印模型从具有外表面的构建平台开始制造3d管状物体；该方法包括创建一个或多个连续的聚合树脂层，其中每个聚合树脂层通过以下步骤创建：

44、在所述构建平台的所述外表面上提供通过电磁辐射聚合的流体树脂；

45、根据所述打印模型，将适用于聚合所述流体树脂的电磁辐射射束朝向所述构建平台的所述外表面定位，从而创建所述聚合树脂层；

46、其中所述构建平台包括具有纵轴的杆，所述杆围绕所述纵轴形成管状表面，使得所述构建平台的所述外表面包括在所述管状表面中，并且其中所述射束根据所述打印模型可变地定位，使得它撞击位于所述杆的管状表面的至少一部分上的所述流体树脂的不同点。

47、技术元件及效果与上述设备相同，为了简便，下文不再赘述。

48、优选地，根据打印模型将射束朝向杆的管状表面定位的步骤包括通过至少以下定位所述射束：

49、-围绕所述纵轴在圆周方向上的圆周定位；

50、-沿由所述纵轴限定的纵向方向的纵向定位；和

51、-优选地，所述源输出和所述杆的所述管状表面之间的距离定位，从而限定射束长度。

52、优选地，该方法包括创建一个或多个连续的额外的聚合树脂层的额外的步骤，其中每个额外的层通过以下步骤创建：

53、-所述杆的所述管状表面上提供额外的流体树脂，所述额外的流体树脂可通过电磁辐射聚合；

54、-根据所述印刷模型，将适合于使所述附加流体树脂聚合的电磁辐射射束朝向所述杆的所述管状表面可变地定位，使得它撞击位于具有管状形状的所述杆的所述管状表面的至少一部分上的所述流体树脂的不同点，从而创建所述聚合树脂层。

55、因此，该方法能够创建3d管状物体，其中每个同心层都可以由不同的聚合树脂制造，这不同于已知方法，所述已知方法只使用一种树脂是可能的并且每个连续层都布置在连续平面上，例如，垂直于纵轴。优选地，该方法包括用流体树脂、额外的流体树脂或甚至其他流体树脂或多种树脂重复先前的步骤。也可排列成基本同心层的多种树脂的应用使得可制造针对目前在3d打印领域不可能的应用的物体。因此，它有望成为未来研究和开发工作的主题。

56、优选地，流体树脂或在适当情况下额外的流体树脂独立地为丙内酯、pcl、衍生化合物，特别是pcl-二丙烯酸酯，是可通过紫外线辐射聚合的材料，并且其粘度可通过控制它的温度控制，这使得它在本发明的情况下特别有利。

57、优选地，流体树脂或在适当情况下额外的流体树脂是生物相容的，这允许它们用于医疗应用，例如，用于制造支架。可以任选地将治疗产品添加到至少一种这样的树脂中，使得3d管状物体本身可以具有治疗效果。

58、本发明还涉及通过上述3d打印方法制造的3d管状物体。

59、本发明还涉及通过3d打印制造的管状物体，其具有通过电磁辐射聚合的至少一个树脂层，其中这些聚合树脂层中的每一层都具有围绕纵轴的管状形状，与目前可以通过立体光刻获得的物体相反，每个连续层关于所述纵轴同心布置，特别是用于创建细节小于200微米的高分辨率细节。与由重叠的平面层制成的物体相比，这种类型的物体具有提高结构强度的额外优势。这种类型的物体在本领域中是未知的并且也可以使用上述生产的优选形式之一来打印。

60、优选地，所述聚合树脂层由一种或多种生物相容性树脂形成，优选这些树脂中的至少一种具有治疗产品，其具有上述技术效果。

61、本发明还涉及一种打印模型，该打印模型定义了可根据上述任何优选实施方案的方法打印的3d管状物体，至少包括待打印的层的模型，其中待打印的该层的每个点至少包括相对于以下的坐标：

62、-围绕该杆的所述纵轴的旋转角度；

63、-沿所述纵轴的纵向位置；和

64、-优选地，距所述纵轴的径向距离。

65、本发明还涉及根据用于制造支架的上述任何一个优选实施方案的使用方法。

66、本发明还涵盖在本发明的实施方案的详细描述和附图中说明的其他细节特征。