使用螺旋堆積的3d打印的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引證 陽00引本申請要求庫爾特杜德利（KudDudley)的2013年3月12日提交的標題為"使 用螺旋堆積的3D打印"（3DPRINTINGUSINGSPIRALBUILDUP)的美國臨時申請序列號 61/778,285的優(yōu)先權。此臨時申請通過引證將全部內(nèi)容結合于此，包括但不限于附圖、圖 表、原理圖、圖和相關書面說明。
[000引發(fā)明背景
技術領域
[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、程序和設備。該方法、程序和設備編程為使用聚合、交聯(lián)、固化、燒結、烙化 或凝固及類似技術W對傳統(tǒng)的立體光刻（Stereolithogra地ic)、光固化（photocur油Ie) 進行改進的方式或使用其他3D物體形成技術來產(chǎn)生所期望的=維（3D)結構。
【背景技術】 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。從一般的意義上說，3D打 印通常使用3D掃描儀或3D計算機軟件來產(chǎn)生所期望的物體的圖像地圖（imagemap,圖 像映射）。然后，該圖像地圖轉換為格子狀結構，W使得制造設備經(jīng)由添加過程（additive process)可W沉積可流動的材料，諸如塑料、聚合物、生物材料或樹脂，運些材料同時固化 W創(chuàng)建3D物體。多種現(xiàn)有的3D打印方法提供了獨特的優(yōu)點，并且每一種方法還具有各自 的缺點。
[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 福射引導至光固化材料上的典型方法包括電機控制的掃描鏡、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器通常利用單一的、聚焦的激光點，該激 光點使用物理臺架系統(tǒng)在X-Y平面內(nèi)掃描，或另外通過機電驅(qū)動高反射表面（例如檢流計 (galvanometers)或旋轉多角鏡）來引導。正因為如此，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（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造。該過程將構建平 臺逐漸浸沒在光固化材料的桶中，其中，覆蓋構建平臺的材料層通過來自激光器的目標福 射來固化，該激光器使用兩個可控鏡在x/y平面內(nèi)沿著材料的表面對福射引導。對應于橫 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。該過程通過將構建平臺在材 料桶中降低至與下一期望的層高度相關的量而重復多次。在新材料沉積在構造區(qū)域上面之 后，重復固化過程W形成單獨的堆疊層，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)字微鏡設備值MD)變型。因為數(shù)DMD陣列可W立刻曝光并引導聚焦的光的整個 平面，而不是必須被掃描來創(chuàng)建層的單一的點，所W運些變型在打印速度上提供了顯著的 改進并且創(chuàng)建了獨立于針對給定的層體積的層密度的恒定構建時間。典型的720X480DMD 陣列在單層曝光中一次全部可W曝光345600個單獨的固化樹脂"袋（pocket)"，也被稱為 立體像素（voxel)。典型的層的曝光時間可W在0.2-10+秒的范圍內(nèi)變動，運取決于多種因 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物體的構建。
[0010] 上述過程存在多個限制。例如，分辨率與激光器的可聚焦的點的尺寸成正比；如果 想要增加分辨率，必須使用更小的點尺寸。運導致增加了在給定區(qū)域中所沿循的線的總量， 從而造成更長的構造時間。此外，將構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于可由與液體表面的擾動 引起的一致的層高度的問題和錯誤。運些擾動可W由外部源振動和內(nèi)部源振動引起。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。運就限制了在材料 的給定范圍可W實現(xiàn)的豎直分辨率。
[0012] 最近，反轉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、 傾斜、剝離和滑動來抬高構建平臺W允許放置新材料。
[0013] 用于消除粘附力的運些過程在高應力載荷條件下處理桶、構建平臺、用于構建平 臺的提升元件W及打印物體的新固化幾何尺寸，運可W減少機器及其部件的功能壽命，并 引起待構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)域中減少運種表面粘附的方法，其中，單個層被破壞成單獨固化并分離的子部件圖像。然 而，該方法使得構造時間成倍增加，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)品失敗的機會。
[0014] 所有快速制造系統(tǒng)可W通過公共區(qū)域來改進，包括增加分辨率、提高構造部件的 可擴展性，增加構造復雜幾何形狀（諸如中空腔或懸壁結構）的能力，W及增加構造和維護 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。構造單獨的層的時間和 總構造時間是設及每個系統(tǒng)的構造過程的效率的另外的重要因素，每個系統(tǒng)均具有自己的 一套決定其將需要多少時間來構造給定物體的特有的限制因素。因此需要有效的方法和裝 置來解決運些通常的低效率，同時使用單個緊湊的設備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本文描述的是用于高效3D打印的方法、設備和系統(tǒng)，該方法、設備和系統(tǒng)解決了 目前現(xiàn)有的使用單個設備的3D打印系統(tǒng)的低效率和缺點。為了便于說明并提供有效的 命名，使用闡述和結合本發(fā)明特征的新技術、程序和設備的3D結構的形成稱為日照光刻 Ofeliolithogra地y，日光平版印刷術）。日照光刻為與傳統(tǒng)的成型技術有關的上述固有問 題提供了解決方案。它允許=維實屯、物理產(chǎn)品在很短的時間使用完全自動化的過程直接由 計算機驅(qū)動數(shù)據(jù)制成并且W非常高和精確的詳細層次再生產(chǎn)。日照光刻的某些方面類似于 立體光刻。基于日照光刻的過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，并且運些材料通過多種固化技術固化成物理部分，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關鍵差異。
[0016] 日照光刻使用上面討論的最好地"奇點"和"平面曝光"概念，W通過螺旋堆積在 細線中連續(xù)地固化構建材料，諸如光聚合物材料。當運些線定位成構建區(qū)域中的半徑時， 例如在圍繞單個中屯、點對稱地旋轉的圓形構建區(qū)域中時，則能W螺旋方式執(zhí)行連續(xù)打印過 程。在一個實施方式中，構建平臺（固化材料在該構建平臺上沉積W形成物理物體）連續(xù) 地旋轉并且同時W非常平緩的方式上升，同時材料被固化，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€被引導至液 態(tài)光聚合物，W生產(chǎn)正在固化的材料的單個連續(xù)的層，正在固化的材料沉積并粘接到相鄰 的預先或同時W螺旋方式沉積的材料?？商娲兀展庵瓢娣ɑ痚liogra地y)也可W通過 無需旋轉地緩慢升高構建平臺執(zhí)行，同時聚焦的福射線W編程的方式在下方"旋轉"，連續(xù) 地固化液態(tài)光聚合物。在另一個實施方式中，平臺可W周期地或連續(xù)地旋轉并且同時在構 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] 結合本發(fā)明特征的方法和系統(tǒng)尋求解決具有高結構分辨率的同時仍然W比可W 通過W前的技術實現(xiàn)的更快更經(jīng)濟的方式保持打印大結構物體的能力的問題。運樣的系統(tǒng) 能W導致材料的螺旋堆積的旋轉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] 在結合本發(fā)明特征的裝置的一些實施方式中，使用了具有可W沿著Z軸控制的高 度的旋轉構建平臺。該構建平臺降低到至少一個固化區(qū)域上，其包括至少一個材料分配器、 至少一個透明基板、至少一個排放系統(tǒng)和至少一個額外的材料脫離器，例如在固化期間材 料從透明基板流動并且保持抵靠構建平臺，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 的電磁福射被引導至目標區(qū)域中的光固化構造材料上，該目標區(qū)域與來源于存儲于機器存 儲器系統(tǒng)中的=維物體的點數(shù)據(jù)一致。
[0019] 在使用光聚合物時，構造材料和福射源均選擇成為構造材料提供近瞬時固化。固 化材料粘附于旋轉構建平臺，導致材料連續(xù)的或半連續(xù)的螺旋堆積，W構造大體上在外表 類似于所需的3D物體的物體。在使用結合本發(fā)明特征的運些過程中，構造的物體的豎直分 辨率可W對應于材料的連續(xù)螺旋層的層高度或?qū)觾A斜角并且可W通過改變反轉的構建平 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] 基于下面結合附圖的詳細的描述，本發(fā)明的運些和其他進一步的實施方式、特征 和優(yōu)點對于本領域的那些技術人員將是顯而易見的，附圖中：
【附圖說明】
[0021] 圖1是結合本發(fā)明特征的3D打印設備的橫截面分解圖；
[0022] 圖2是結合本發(fā)明特征的圖1的3D打印設備的前視立體圖；
[0023] 圖3是結合本發(fā)明特征的3D打印設備的部件的橫截面分解圖；
[0024] 圖4是結合本發(fā)明特征的3D打印機的成像部件的立體圖；
[0025] 圖5是結合本發(fā)明特征的3D打印機的Z軸升降臺（elevatorstage)的立體圖； [00%] 圖6是用于結合本發(fā)明特征的3D打印機的構建平臺附接板的立體圖；
[0027] 圖7是用于結合本發(fā)明特征的3D打印機的可移動構建平臺插入件的立體圖； 陽02引圖8是用于結合本發(fā)明特征的3D打印機的可移動構建平臺插入件的仰視圖；
[0029] 圖9是用于結合本發(fā)明特征的3D打印機的放大的固化區(qū)域/桶的俯視圖；
[0030] 圖10是結合本發(fā)明特征的3D打印機的基礎材料存儲和構造區(qū)域的局部內(nèi)部立體 圖；
[0031] 圖11是結合本發(fā)明特征的3D打印機的完整固化區(qū)域的立體圖；
[0032] 圖12A示出了從結合本發(fā)明特征的3D打印機部件的構建室地板的中屯、福射的正 在構造的單個物體；
[0033] 圖12B示出了從結合本發(fā)明特征的3D打印機的構建室地板的中屯、福射的正在構 造的多個物體；
[0034] 圖13A示出了利用結合本發(fā)明特征的3D打印機的單個結構形成區(qū)域的連續(xù)螺旋 層結構的側視圖；
[0035] 圖13B示出了利用結合本發(fā)明特征