CN105209240B - 使用螺旋堆积的3d打印 - Google Patents

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Abstract

本发明示出了用于高效3D打印的方法、设备和系统，其解决了传统的低效率，同时利用单个紧凑的设备。本发明的一些实施方式使用围绕单个中心点对称地旋转的圆形构建区域，该实施方式使用连续的螺旋打印过程。在一个实施方式中，用于固化的液体光聚合物在构建平台上沉积以形成物理物体。构建平台连续地旋转并且同时以编程控制的方式逐渐上升。从平台下面的聚焦产生了以螺旋方式沉积和结合的单个连续的材料“层”。

Description

使用螺旋堆积的3D打印
相关申请的交叉引证
本申请要求库尔特杜德利(Kurt Dudley)的2013年3月12日提交的标题为“使用螺旋堆积的3D打印”(3D PRINTING USING SPIRAL BUILDUP)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。
发明背景
技术领域
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)中形成三维(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、熔化或凝固及类似技术以对传统的立体光刻(stereolithographic)、光固化(photocurable)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三维(3D)结构。
背景技术
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(image map，图像映射)。然后，该图像地图转换为格子状结构，以使得制造设备经由添加过程(additive process)可以沉积可流动的材料，诸如塑料、聚合物、生物材料或树脂，这些材料同时固化以创建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。
例如，由查尔斯.赫尔(Charles W.Hull)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这些层根据表示所期望的3D物体的连续切片以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熔融的热塑性塑料。热塑性塑料通过暴露于较低的温度中而固化；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辐射中而固化。用于将该辐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(mask systems)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。
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。
赫尔(Hull)的美国专利号4,575,330中描述了使用“奇点(singular point)”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辐射来固化，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辐射引导。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，重复固化过程以形成单独的堆叠层，从而形成3D物体。
另一种方法使用“平面曝光(plane exposure)”型立体光刻，该方法使用立体光刻过程中的数字微镜设备(DMD)变型。因为数DMD阵列可以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，所以这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720×480DMD阵列在单层曝光中一次全部可以曝光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以在0.2-10+秒的范围内变动，这取决于多种因素。基于DMD的过程对于小型打印尺寸可以很好地工作，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。
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。这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以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。
此外，使流体表面承受辐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。这些扰动可以由外部源振动和内部源振动引起。物体的层高度以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。这就限制了在材料的给定范围可以实现的竖直分辨率。
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，在构造过程可以重新开始之前，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以允许放置新材料。
用于消除粘附力的这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以及打印物体的新固化几何尺寸，这可以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EP 2419258 A2中描述了在大的固化区域中减少这种表面粘附的方法，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。
所有快速制造系统可以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，以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涉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这些通常的低效率，同时使用单个紧凑的设备。
发明内容
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(Heliolithography，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。它允许三维实心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以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以使用多种材料作为其基底材料，并且这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(actinic photon source)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。
日照光刻使用上面讨论的最好地“奇点”和“平面曝光”概念，以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。当这些线定位成构建区域中的半径时，例如在围绕单个中心点对称地旋转的圆形构建区域中时，则能以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以形成物理物体)连续地旋转并且同时以非常平缓的方式上升，同时材料被固化，诸如光聚合物以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辐射的固定的线被引导至液态光聚合物，以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以螺旋方式沉积的材料。可替代地，日光制版法(heliography)也可以通过无需旋转地缓慢升高构建平台执行，同时聚焦的辐射线以编程的方式在下方“旋转”，连续地固化液态光聚合物。在另一个实施方式中，平台可以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以周期地或连续地重新定位。
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以比可以通过以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。这样的系统能以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。
在结合本发明特征的装置的一些实施方式中，使用了具有可以沿着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，排放系统用以清除未使用的材料，额外地材料脱离器用于收集、清除以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辐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三维物体的点数据一致。
在使用光聚合物时，构造材料和辐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，以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这些过程中，构造的物体的竖直分辨率可以对应于材料的连续螺旋层的层高度或层倾斜角并且可以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。
基于下面结合附图的详细的描述，本发明的这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
图1是结合本发明特征的3D打印设备的横截面分解图；
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；
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；
图4是结合本发明特征的3D打印机的成像部件的立体图；
图5是结合本发明特征的3D打印机的z轴升降台(elevator stage)的立体图；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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心辐射的正在构造的单个物体；
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心辐射的正在构造的多个物体；
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；
图13B示出了利用结合本发明特征的3D打印机的多个构造区域的连续螺旋层结构的侧视图；
图14是用于结合本发明特征的3D打印机部件的辐射源的立体图；
图15是用于结合本发明特征的3D打印机的替代的辐射源的立体图；
图16是用于结合本发明特征的3D打印机的另一种辐射源的放大立体图；
图17是用于结合本发明特征的3D打印机的第四种辐射源的立体图；
图18是用于结合本发明特征的3D打印机的第五种辐射源的立体图；
图19是使用在本文示出和描述的3D打印设备用于产品形成的具体实施方式的工艺流程图；
图20是使用在本文示出和描述的3D打印设备用于产品形成的具体实施方式的工艺流程图；
图21是使用在本文示出和描述的3D打印设备用于产品形成的具体实施方式的工艺流程图；以及
图22是图1中的3D打印设备在打印3D结构过程中的侧视图。
具体实施方式
本公开阐述了用于高效3D打印的方法和设备，其解决了通常的低效率和和缺陷，同时利用单个紧凑的设备。正如这样的方法和3D生产设备说明的，本发明描述了光固化物质在透明基板上的分配、这种材料的选择性固化和凝固以及固化产品的修补。然而，基于本文的教导，本领域的技术人员将认识到在本文中描述的装置和技术不局限于与适于有效固化的辐射源一起使用的光聚合物，而是可以容易地适用于可以迅速固化以用于固体、3D物体连续形成的可流动材料的广泛范围。
在整个公开中，本文中优选的实施方式和说明的示例仅作为范例提供，而并不作为对本公开范围的限制。如本文中所使用的，术语“发明”、“方法”、“系统”、“本方法”、“本系统”或“本发明”是指结合本文描述的发明特征的实施方式的任何一项，以及任何等同物。此外，贯穿整个公文涉及“发明”、“方法”、“系统”、“本方法”、“本系统”或“本发明”的各种特征不意味着所有要求保护的实施方式或方法必须包括引用的特征。
还应当理解的是，当元件或特征是指在另一个元件或特征“上”或“相邻”时，它可以是直接在其他元件或特征的上面或相邻，或还可存在中间元件或特征。此外，相关术语(诸如“外部”、“上方”、“底部”、“下方”和类似的术语)可以在本文中用来描述一个特征与另一个特征的关系。应当理解是，除了示出的附图中的方向以外，这些术语旨在包含不同的方向。
虽然术语第一、第二等可在本文中用来描述多种元件或部件，但是这些元件或部件不应受这些术语的局限。这些术语仅用于区分一个元件或部件与另一个元件或部件。由此，下面讨论的第一元件或部件可以称为第二元件或部件，而不脱离本发明的教导。正如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关联列出的术语的一个或多个的任意组合或所有组合。
本文所使用的术语是仅用于描述具体实施方式的目的，并且不旨在限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文在其他方面明确指出。例如，当本申请书指的是“一个”辐射源或“一个”材料源时，应该理解的是，这种语言在第一个实例中包括单个源或多个辐射源(一排辐射源)，以及在第二实例中包括单个材料源或多个材料源。将要进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其中的组的存在或添加。
还应当认识的是，关于“实心的”3D结构指的是形成实心的构造材料，并且所生产的3D产品不一定是实心结构并且可能包括在其中具有未填充的或中空空间的产品，或者如果想要，还包括开放的、多孔的或网状的结构，并且实际上可包括在其中装入液体的或非固体的填充材料的空间。
为了描述构造过程，术语“反向的”或“反向构建”指的是构建3D结构的方法和过程，该3D结构和附接于构建平台插入件18的有时称为3D结构的“基座”部分一起悬挂于水平组装构建结构16、18的下方。在组装的构建结构16、18打印3D结构780时，组装的构建结构从结构/固化区域20的上方竖直地上升，例如在图22中示出的。
在一些实施方式中，日照光刻(Heliolithography)工艺的基本功能可以通过使用产生图像地图的3D模型软件来执行，该图像地图使用计算机辅助绘图(CAD)型计算机程序将其划分为蜗旋或螺旋结构。螺旋结构可以转化成分段图像或比特(bit)数据，分段图像或比特数据对应于沿着待打印物体的将通过可控的辐射投影在曝光区上的固化来选择性地固化构造材料的表面区域的点。
固化方法可以利用任何能够响应于刺激从液体或可流动状态转变为固体的构建材料。例如，提供一种具有合适的物理特性的辐射源来处理位于旋转构建平台上的辐射反应液体光聚合物材料或与该聚合物材料发生反应可导致固化。在一些实施方式中，构建材料包括容纳至少一种光引发剂的光聚合物溶液。光引发剂吸收产生导致局部辐射区域的快速聚合的自由基的特定波长的辐射。可以使用的代表性化学成分可以包括不饱和聚酯、苯乙烯-多烯烃、硫醇-丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯-脂环族环氧化物。可替代地，第二反应材料可被分配从而导致初级聚合物的交联。此外，热塑性塑料可以加热以液化，然后迅速冷却固化。又可替代地，粉末金属或热塑性塑料可被分配并且使用热源或激光束来“点焊(spotwelded)”。
用于在该工艺中使用的光敏材料的典型制剂(formulation)包括一种或多种单体(提供特定所需的性能和粘附力的低分子量的分子)、低聚物(中等长度的聚合物链有助于额外的性能，例如增加的抗拉强度、硬度和伸长度)、光引发剂(触发自由基产生以激发聚合过程的感光材料)和添加剂，诸如填料、颜料、染料、粘合促进剂、耐磨材料、紫外光稳定剂和化学稳定剂。
可以在描述的工艺中使用的光聚合物制剂的一个实例包括单体溶液，例如，具有一种或多种光引发剂的1,6-己二醇，HOCH2(CH2)4CH2OH)和聚乙二醇二丙烯酸酯((C3H3O).(C2H4O)n.(C3H3O2)、苯基双(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦([(CH3)3C6H2CO]2P(O)C6H5)以及按重量计介于2％至8％的浓度的二苯基(2，4，6三甲基苯甲酰)氧化膦((CH3)3C6H2COP(O)(C6H5)2)。
图1至图2分别示出了结合本发明特征的示例性3D打印机10的一些主要功能部件的截面图和前视立体图。3D打印机10包括成像单元12、z轴升降台14(也称为构造框架)、构建平台16和构建平台插入件18，构件平台插入件构造为与构建平台16组装在一起，以提供组装的构建平台(如图2中示出的)。虽然本公开阐述了同时利用构建平台16和构建平台插入件18的结构，但可以理解的是结合本发明特征的方法和设备的使用可以单独地利用构建平台16，而不需要构件平台插入件18。在组装的构建平台16、18下面的是结构/固化区域20、材料储存区域22、材料盒/储存器24、电子部件26以及固化装置28。这些部件和它们多种子部件将在整个本公开中更加详细地讨论。
参照图1和图2，3D文件(对应于将要制造的想要的3D物体(“打印任务”))载入打印处理器100的存储器中以控制3D打印机10，该打印处理器构造为与中央处理器(CPU)和固态存储器一起操作。该打印任务能以本领域已知的多种方式传输通过中央处理器(CPU)并进入固态存储器中。例如，打印任务可以从使用网际协议的远程服务器或程序传输(通过它们的以太网或无线连接102)，或打印任务可以通过用户使用控制界面104和/或通用串行总线(USB)数据传输端口手动载入。控制界面104可以是本领域已知的任何控制界面。在实施方式中示出的，控制界面104是触摸屏界面，例如液晶显示器(LCD)触摸屏界面。数据可以上传至执行自测试和启动(priming)功能的装置，以准备用于打印的机器。电机驱动器108通过接收从打印处理器100发出的低电压信号并产生正确控制在整个打印机使用过程中所需的多种马达的可控电流信号来与打印处理器一起工作。3D打印机10的电子部件组件26内部的其他电子设备包括电源112，该电源可以转换电压输入以向电子部件组件26的所有部件提供稳定的电压。应该理解的是，虽然电源112描述为包括电源插座，但是本领域已知的任何合适的电源(例如电池电源或电机电源)都在本公开的范围之内。
打印机包括构建平台16和构造区域20。构建平台16可以永久地安装或更换，例如可拆卸地连接至z轴升降台。构建平台16可以顺时针旋转和/或逆时针旋转，或者可在一个或多个方向上是移动，并且可以具有多种形状，包括任何规则或不规则的多边形，或者可以是圆形或大体上是圆形的。构建平台16可以使用z轴步进电机114朝向固化区域20降低；传感器124可以用来决定何时达到待制造的物体所需的层高度。打印机则将首先通过确保所有可移动轴处于正确的起始位置而开始打印周期。对于z轴，开始位置通常在固化区域上面(起始位置上面)一个层的高度。然而，可以理解的是，其它起始位置也可以指定作为特定的打印任务的需要和/或作为更新的技术变得有效并且与根据本发明的设备和方法结合。
每个轴的建立了“0”的回归过程或启动位置在封闭的反馈系统中使用传感器124(例如霍尔效应传感器)以决定每个轴的硬性限制(hard limit)。霍尔效应传感器是本领域已知的并且通常包括换能器，换能器改变其响应于磁场的输出电压。位于每个限制处的一对线性传感器(例如霍尔效应接近传感器124)可以驱动每个轴的硬性限制。当使用霍尔效应传感器时，一个或多个小的磁体126可以嵌入可移动的z轴支架14中。因为传感器具有直接与磁通量成正比的线性模拟输出，所以每个传感器均可用其自身的触发电压来校准。
一旦确定了硬性限制，打印机固件的存储器中保持每个轴相对于其起始位置当前位置。当打印机接通电源后，打印机可编程为例如在接受新的打印任务之前返回(re-home)每个轴，以对轴在打印机断电时所移动到的位置进行进行补偿。每个轴的当前位置可以存储为从零开始以电机步进的整数。在这些结构中，“向上”移动轴将增加这个内部计数器，并且向下移动轴将减小该计数器。
软性限制(soft limits)也可布置在适当的位置以将打印机构造成使得打印机将不允许使轴移动到最低位置的下方的电机运动或不允许使轴经过对于每个轴长度的最大的允许值的电机运动。如果轴即将超过这些预设的限制，打印机控制器将停止打印任务并且发出相应的错误消息。此外，如果存在程序错误并且打印机尝试移动经过软性限制，内置于每个轴的硬性限制将在任何对打印机的损害发生之前停止轴的运动和打印任务，这需要进行适当的软性复位。
材料存储区域22可以容纳可更换的材料盒24。材料盒包含电子存储信息，该电子信息由通过3D打印机10读取以决定盒24中材料的数量和关于盒中材料的其他特性。如图10中示出的，还可包括例如为磁搅拌装置230的搅拌器装置并且该搅拌器装置位于盒24的下面以确保材料在分配之前均匀地混合。一个或多个大气控制装置119(诸如电子加热装置和/或风扇和/或加湿控制系统)还可用于改变材料盒24中的构造材料的温度，或例如用于控制根据需要而暴露于湿气中，以在分配之前达到所需的粘度或减少有害的水分。热传感器和/或湿度传感器还可以用于监测何时达到所需的材料温度或不存在多余的水分。
参照图10，材料泵115可用于将光固化构建材料(例如液态光固化材料)从材料储存器24移动至材料沉积器(depositor)。然后，可以分配在构建表面上涂覆适当厚度所需的至少最小的材料量。材料(例如光聚合物树脂)可以通过打印机的由小泵驱动的内部管道系统引入至打印区域。参照图1，在树脂被引入时，树脂向下流过打印头部中的树脂供给通道，并且流过处理区域并流进树脂返回通道117中。额外的液态树脂连续地从树脂返回通道117引出，如果需要则过滤并返回到树脂罐或排放。
然后，组装的构建平台16、18可以旋转，该组装的构建平台将液态树脂散布在固化区域上，将光聚合物沉积并均匀地散布至所需的层厚度。在一些实施方式中，所需的厚度是在0.001毫米至0.1毫米之间。次级材料分配器可以在固化之前选择性地用于将具有额外添加剂、颜料、染料、着色剂的主要材料注入到初级光聚合物中。在替代的实施方式中，次级材料可以是与第一材料反应以影响固化的材料。应当理解的是，虽然在本文描述的实施方式阐述了可旋转的构建平台和静止的材料分配器以及固化区域，还能使用相反的(reverse)结构并且在本申请书的范围之内，其中材料分配器和固化区域在固定构建平台下面旋转。在替代的实施方式中，材料分配器、固化和构建平台以编程的方式可以同时地或交替地移动。
一旦建立了连续的树脂流动(flow)，在固化过程开始建立穿过材料分布器的均匀材料流动之前，组装的构建平台16、18开始旋转。组装的构建平台16、18的旋转借助于变速电机136执行，该变速电机利用啮合成90度的齿轮138驱动中心轴137，该齿轮既旋转扫描仪还旋转悬挂在一个或多个连接至Z-平台14的轴承142上的组装的构建平台16、18。构建平台可以设置成旋转设定数量的转数，也被称为“自旋”周期。组装的构建平台16、18的旋转有助于在固化区域上面绘制新材料，并且确保没有空气截留。无需暂停旋转，通过激活固化装置来开始光固化过程，就能使打印机开始打印过程。
构建表面的连续旋转(或供给装置或其他编程为移动的部件的移动)推进打印材料到横跨的曝光/固化区118上，曝光/处理区优选地是玻璃或另一种坚固的、透明的并且优选地是低粘附度的介质。曝光区118可以用非粘性和耐磨涂层处理，这防止或阻碍固化材料粘附到曝光区表面上。在构建平台和透明结构表面之间沉积的材料段的选择性固化通过辐射源和辐射引导装置的多个可能组合中的一个来进行，该辐射引导装置用来引导辐射通过固化区域的透明基板部分，然后到液体构造材料上面并进入液体构造材料中。材料盒24中的材料水平(level)传感器还用于监测材料的水平，并且如果材料水平变得非常低时，能够暂停或减缓打印周期。
储存于打印机的存储器中的数据以编程的方式传送给固化装置28，从而通过透明基板选择性地曝光，光聚合物的部分以对应于正在构造的3D模型的特定段相关的结构信息的方式固化。连续出现的日照光刻(Heliolithography)过程实际上可以包括用于构建平台的每个完整旋转的多个小的累积的“台阶”，在每个台阶处需要暂停一小段时间(通常为5-10毫秒之间)以允许聚合反应进展通过临界的“固化(cure)度”(即固化水平)，该固化度需要充分附接于构建平台插入件18并牢固地与正在形成的结构的预固化部分邻接。作为替代的实施方式，构建平台插入件18可以包括增加至构建平台插入件的下表面的可拆卸的保持构件，该保持构件可以结合到正在构建的产品的第一层上，从而一旦完成构建，就允许该结构从构建平台插入件处可拆卸的附接。在一些实施方式中，参照图8，可以形成孔以添加替代的保持结构770(诸如倒置的椎体)，或可以添加附加结构770以提供对正在构建的结构的进一步的保持。未固化的材料同时被移除并再循环回到材料储存器中。
随着正在构建的结构的部分充分固化，旋转的组装的构建平台16、18连续地从曝光区118移除固化材料并提供散布穿过构造区域20的新的构造材料。同时，固化材料还朝向包括排出管132(例如多余材料脱离器)的回收区域旋转，该脱离器从递增结构去除任何未固化的材料，然后未固化的材料根据需要而过滤并回收至结构材料储存器24中，并进一步地回收到固化装置133中。
在构建过程的每个额外步骤都完成时，新信息提供到固化装置133，从而在所需要的地点和时间固化树脂。在组装的构建平台16、18旋转时，它通过线性致动器根据比例不断地升高，从而使得组装的构建平台16、18在每个循环(revolution)中均升高一个层高度。在一些实施方式中，一个层高度对应于结构期望的固化件的半径的数量。例如，在沿着直径(即2个半径)固化时利用一种材料的实施方式中，在构建平台的每个180度旋转期间整个层都将被固化。在一些实施方式中，使用多个固化区域，但是仍然使用单一的材料，单个层能以例如大约为360度/径向延伸的固化装置的数量的更少的旋转而更快地固化。线性致动器包括步进电机146，步进电机经由耦接设备148耦接至紧固件(诸如导向螺钉150)从而在旋转的时候升高z-平台，该平台与紧固件接受件(诸如导向螺母152)。安装在Z-平台中的轴承154和线性导轨156使这种竖直运动稳定。
重复该循环，直到螺旋沉积和固化的材料建成并悬挂于组装的构建平台16、18下方但是在结构/固化表面20上面的构造的三维物体完成为止。以连续的方式重复该过程，直到打印物体的累积的总高度累实现为止。一旦该过程完成并且固化装置的输入缓冲器中没有剩余信息，固化装置(光子源)关闭并且构建平台的旋转停止。树脂流动切断并且所有剩余的液体树脂排放回材料储存器中。机器启动将构建平台提高至其软性限制的运动序列并且将平台的旋转带回至其初始“0”位置。
除了使用已经存在的软件打印模块，结合本发明特征的方法和设备还可以使用扫描仪和其他成像单元。在一些实施方式中，物体可以放置在扫描仪平台139上并且打印机10可以被指示成开始扫描。z-平台14将物体升高到初始高度以开始扫描。图案成像设备206(诸如投影仪)或激光器可以用来在物体的表面上投影已知的几何图案。然后，在扫描仪平台139通过与构建平台相同的变速电机136和驱动齿轮138驱动而旋转时，记录设备208可以记录这个已知的几何形状图案的失真。物体的高度通过使用线性致动器可以提高或降低，以执行后续的传递(passes)，从而产生物体几何形状的更大覆盖范围，以包括在切割的下方和悬挂的上方。然后将该信息传送至处理器100并且经由以太网、无线连接或有线连接102传输到用于扫描过的物体的再建的计算机或云系统。
许多不同的固化装置可以与根据本公开的方法和设备仪器一起使用。在图1的设备中使用的固化装置28包括任何辐射源，诸如高功率二极管212、214，辐射通过校正和聚焦光学器件222引导并被引导至电机控制镜扫描系统220上面以用于引导辐射通过固化区域的曝光区118。其他的固化装置在下面进一步讨论。
图3示出了成像单元12、z轴升降台14、构建平台16、构建平台插入件18、结构/固化区域20、材料存储区域22和材料筒/储存器24的分解图，构建平台插入件构造为与构建平台16一起组装以形成组装的构建平台16、18(如图2中示出)。图3示出了与根据结合本发明的特征的一些实施方式(例如，本申请的图1至图2中示出的实施方式10)的正确的构造对准的一些部件。图4示出了成像单元12的放大图，如上面讨论的，成像单元包括图案成像设备206和记录设备208。如图1中示出的，成像单元12经由轴承154可以连接到z轴升降台14。
图5示出了z轴升降台14的更加详细的示图，该z轴升降台包括磁体126、变速电机136、扫描仪平台139和紧固件接受件152，磁体可以与霍尔效应传感器相互作用以传递z轴平台14的位置，变速电机利用啮合成90度的齿轮138驱动中心轴137。这些部件可以如上面阐述的那样运行。
图6示出了构建平台16的放大图。在图6中更加清楚地示出的一个方面是插入件接收部分224。图7示出了构建平台插入件18和插块连接部分226。如图6中示出的构建平台16的插入件接收部分224可以构造为与图7中示出的构建平台插入件18的插块连接部分226相互作用或配合，从而使这两个部件可以连接成组装的构建平台16、18(例如在图2中示出)。这允许构建平台插入件18易于在设备中拆除和更换。图8示出了构建平台插入件18的仰视图，构建平台插入件包括允许增加用于构建材料的表面区域的孔228的阵列。可拆卸的构建平台插入件18或构建平台插入件18的可拆卸地附接件可以与完整的产品分离或与完整的产品保持为整体。
图9示出了结构/固化区域20的放大图，结构/固化区域包括初级材料分配器180、固化区118、树脂返回通道117、材料分布器182和固化装置133，诸如多余材料脱离器，这些部件如上面阐述的那样运行。
图10示出了材料存储区域22和材料盒储存器24的放大俯视图。还图10中还示出了控制界面104、材料泵115、树脂返回通道117、曝光/固化区118(是透明基板)、大气控制装置119、固化装置133、附接于紧固件150的耦接设备148、耦接设备内的线性导轨156、初级材料分配器180、材料分布器182、次级材料分布器184和磁搅拌装置230。图10还示出了添加材料盒186，该添加材料盒可以构造为通过初级材料分配器180和/或次级材料分配器184供给次级材料。
图11示出了结构区720的紧凑的立体图，结构区包括初级材料分配器180、材料分布器182、次级材料分配器184、曝光/固化区118(是透明基板)、树脂返回通道117和固化装置133。在图12A中示出了相同的结构，该图示出了从构建室21的地板中心辐射的单个结构区720。图12A还示出了添加材料盒结构186。图12B示出了替代的结构，在替代的结构中，多个结构区720和多个添加材料盒结构186从构建室21的地板中心辐射。
为了说明的目的，图13A和图13B分别是用于单个结构区231和用于多个结构区232的螺旋层打印结构的侧视图。多个结构区的使用还提供了同步创建层的优点或用于更大范围的构造材料选择的扩展能力，其中，每个构造区域可将唯一范围的材料分配并固化至单个层中。对于沉积至单个结构层，结构基板的后续高度还可以匹配待创建的螺旋层的间距并且在每个构造区域保证一致的层厚度。然而，这对于实现所需的颜色精确度不是必需的。还可以使用该过程，其中构建平台是旋转的，但是仅在一次完整的旋转完成后升高。这是使用相同高度的多个构造区域所具有的特殊价值。在这样的示例中，可以有效地实现对于每个材料段一致的层高度。在实际操作中，所描述的扩展的螺旋形可能不会发生，因为合适的固化技术使螺旋沉积的相邻的后续层在它们形成时粘附并固化在一起。
多种固化装置和辐射源可以与结合本发明特征的设备和方法一起使用。图14示出了图1的固化装置28。当使用光聚合物时，固化装置28可以包括多种辐射源，例如高功率二极管、发光二极管(LED)或激光器212、214。在具体的实施方式中，例如通过使用用于引导辐射通过曝光区118的电机驱动器，辐射被引导通过校正和聚焦光学器件222并且被引导至适于扫描入射光的控制扫描镜系统220上。固化装置28还可以结合DMD芯片微型镜设备(未示出)。
图15描述了使用微机电系统(MEMS)或光阀转换器(switch)的固化装置235。描述的是与可以和上述固化装置28一起利用的二极管相似的高功率二极管212、214，该高功率二极管耦接于光学系统238中的光导/波导236，以用于聚焦到光转换器240组件上。光转换器240是允许辐射通过布置在重叠的六边形网格系统中所需的位置的装置。风扇和散热器242和TEC温度控制系统244还可用于温度控制。
图16示出了替代的固化装置，该固化装置包括板式辐射源246，诸如超高性能(UHP)汞蒸汽灯248。该装置使用凸镜250，用于从源246朝向数字膜罩252(例如液晶屏)聚焦辐射。数字膜罩根据编程为阻止或传输辐射流通过数字膜罩的像素矩阵来控制辐射通过。
图17是使用辐射源254的又一替代的固化装置，该辐射源包括高功率二极管246和电机控制镜，例如多边形多面镜258。该镜相对于二极管旋转或二极管相对于镜旋转，以在相对于其旋转角度的线性方向上扫描辐射。45度的副镜260用来朝向曝光区反射辐射，例如固化区118的透明基板。这个副镜260可以是电机控制的以提供扫描的第二维度。光学系统262还用来校正失真和扫描角度。在一些实施方式中，使用场镜(F-theta)光学系统。
图18示出了又一替代的固化装置264，该固化装置包括单独寻址的二极管阵列265，例如微发光二极管阵列266，其可以独立使用以控制构造材料的固化。光学系统268还可用于使辐射聚焦在5纳米至50纳米之间的所需的点尺寸。
又一替代实施方式可以使用一个或多个激光束，该激光束可能需要或可能不需要聚焦反光镜，因为激光束可以根据需要独立定位或重新定位，以将窄的、针点的可控频率光束传送到具体的目标位置。
参照图22，使用结合本发明特征的设备构造了具体的产品。使用上述的扫描技术，测量的直径为大约小于10.5英寸并且高度大约小于9.25英寸的三维物体的尺寸特征和表面特性被扫描并且与其有关的扫描的数据存储在3D构建系统的存储器中，例如图1至图2中示出的。优选为丙烯酸酯甲基丙烯酸酯树脂的照片光聚合物(photo photopolymer)添加到材料存储区域22，丙烯酸酯甲基丙烯酸酯树脂包括2-8％的二苯基(2，4，6三甲基苯甲酰基)氧化膦、热塑性聚烯烃(TPO)和/或苯基双(2，4，6-三甲基苯甲酰)膦氧化物的组合物。适于在3-10毫升/秒内有效地固化光聚合物的光源包括微发光二极管阵列(365-385纳米)以提供超过至少大约10.5英寸的宽度或直径的聚合物的辐射(大于200-300瓦/平方厘米)。
聚合物以大约3-10毫升每秒的速率计量，这取决于正在构造物体的尺寸，聚合物分布在具有透明曝光区的12英寸直径的构造区域(固化表面)上，该透明曝光区可以是对于某种类型的辐射(例如紫外辐射)是透明的构造区域的更小部分(例如，1英寸宽的部分)，该透明曝光区可以由玻璃制成。该曝光区已经预先用低粘附材料处理(诸如氟化乙烯丙烯(FEP)和/或聚四氟乙烯(PTFE)，商业上已知为特氟隆以延迟或防止固化聚合物粘附到固化表面。合成的液体聚合物膜的厚度约为20-100微米。构建平台的旋转速率主要取决于构建产品的尺寸和密度以及构造材料的固化率，这取决于辐射源的强度和频率。平台在2-12转/分的速率下旋转。
构造的速度可以通过使用多个固化区域和多个供给来增加。然而，结构的构造取决于结构的尺寸和构建材料每次曝光所固化的厚度。用于计算构建速度的通用方程如下：
因此，对于具有9英寸(228.9毫米)的预期高度和50微米(0.05毫米)的层高度的结构、5转/分的旋转速度和单个固化区，构建时间估算大约为915.60分钟，这大约为15.26小时([1/5]*[228.9/.05])。然而，对于诸如图12B示出的四个固化区，构建时间将削减至25％(大约3.8小时)。根据构建材料可以增加额外的固化区以进一步减少构建时间。
在本文描述的旋转构建平台的方法允许较大的表面区域暴露于用于固化沉积的光固化材料的电磁辐射中，从而导致构造了比单独固化区域的物理尺寸更大的物体，因此允许较大物体的结构。通过使用小区域来固化，更高的分辨率和功率密度可以通过将固化点的数量浓缩在更小更密集的区域来获得，该更小更密集的区域通过旋转可以照射构建区域的整个部分。这个减小的固化面积还导致辐射更加集中于目标区域，这有助于提供一种接近于瞬时的构造材料的固化，更快地生产结构物体。
在构建平台和另一基板之间固化或凝固材料的方法产生了更大的层高度均匀性、准确性和一致性。该方法还有助于防止层创建期间的错误，该错误可以由诸如振动的外部因素导致，还可能具有没有保持在两基板之间的合适位置上的干扰的材料。具有构造小的、超高分辨率的部件的具体优点转化为机器的更大可靠性，从而防止由3D构建设备上的内部或外部干扰而导致的变形或失真。
见于许多现有3D构建系统的局部分层(part delamination)的问题可由形成连续的单独的材料层引起，该材料层沿着其水平轴的接触区域(即，与后续的层相接触的位置)是固有的结构薄弱的。强行并重复地使固化材料与桶地板分离并且层之间的粘附不足的结合作用可以导致一个或多个层分离，从而造成失败的结构构建。具体地，在构造过程期间，由于结构无法提供足够的支撑和结构整体性并且由于施加于结构的外部载荷，增强的固化区域中急剧变化的物体可以导致结构薄弱区域的损坏或固化材料的高密度区域的损坏。在这些位置增加构建区域可以进一步加剧上述问题并且导致打印物体经由脱层而断裂的风险更大。在本文中描述的过程和设备提供固化材料和透明构建之间的减少的表面粘附，并且因此保持精巧的几何形状的完整性，该几何形状被构造并且在构造过程中能够增加使用速度。
结合本发明特征的方法通过使产生粘附的物理区域最小化而减小粘附力，本发明包括在与总构造区域相比相对小的区域中选择性地固化构造材料。构建平台的旋转运动用于连续地移除该粘附力，因为构建平台形成防止粘附力积累。这允许用可构造区域的小部分来进行大面积的构建，可构造区域的小部分曾经历材料与基板在任何给定的时间的粘附。由不粘材料组成或不粘材料处理过的透明基板进一步降低了粘附的影响。
结合本发明特征的方法包括使构建平台围绕固化区域并在固化区域上方旋转，提供用于使固化材料与构建基板分离的创造性的方法。由旋转的构建平台产生的圆周运动提供了一种优良的分离方法，该方法减小对新固化材料损害，因为需要较小的力来使得固化材料从透明构建基板分离或滑动，并且在构造部分施加了较小的力。这允许非常精巧的几何图形的构造，该几何图形可以是未支撑的、小的、高的、瘦的或孤立的，或者可能已经在现有技术的3D构建系统的分离过程中损坏了。用于连续或半连续构造的方法导致至少一个蜗旋形或螺旋形层的创建，该方法使用旋转装置，该装置用于抵靠沿着z轴逐渐向上移动的构建平台分配和固化光固化材料。材料的螺旋构建导致形成具有优异的层与层强度特性的物体，这有助于减少局部分层的机会并且导致很少发生失败结构。
反转的构造过程提供多个好处。在多个现有技术的系统中，在平台上用平台上的第一层构建物体，并且随后的层添加到现有层的顶部。虽然一些现有的系统可使用反转的构建，但是在现有的反转构建系统中，第一层连续地施加到构建平台并固化。然而，在构建过程期间，作为固体层，第一层也连续不断从构建平台移除，并且在第一层和构建平台之间供给新材料从而在连续不断地从构建平台中移除时粘附至上升的现有层。这允许具有相对浅的所需材料层的大面积的固化，与填满整个桶所需的材料数量相比，这允许在过程期间使用较少的材料。竖直的和反转的构造过程利用重力从先前的固化区域排出多余的材料。能够在结构内部形成中空腔对于节约材料是非常有益的，并且能够制造具有内部几何形状的物体。材料脱离器和排出管的使用有助于进一步移除多余的材料以用于回收，由此提高了机器的经济性并防止过量材料无意的固化，这可以允许生产更接近目标产物和具有更清晰的细节的物体。
使用用于构造的旋转运动的方法，而不是使用横向来回运动(例如振动)的方法，提供了用于机器的增加的可扩展性。不像振动，在一个方向上是连续运动的旋转元件不需要补偿由振动运动产生的动量。因此，使用上述旋转技术的机器可以包括更大或更重的部件，该部件可以对构造过程和操作速度具有更加负面的影响。在这种旋转方法中，构造速度独立于构造体积。增加构造装置和构建平台的尺寸将导致更大可能的构造体积、转换为从给定的材料体积中相对更快的构造。
参照本发明理想的实施方式的不同视图和示意图，在本文描述了本发明的实施方式。正因为如此，例如由于制造技术和/或公差造成了示出的形状的变形被预料到。本发明的实施方式不应该被解释为局限于本文示出区域的特定形状，而是可以考虑包括例如由于制造造成的形状上的偏差。
虽然结合本发明特征的设备、系统和方法主要用于基于液体的构建材料的立体光刻过程，但是为了能够增强分辨率、构造时间更快、使用经济的材料和在构造物体中形成中空腔(否则将填充过量的构造材料)的目的，本发明的技术可以具有使用其他可流动的材料和适当的固化技术(例如选择性地激光烧结(SLS))的应用。这样的实施方式可以使用随后固化的加热的构造材料。使用发射红外光谱辐射的激光二极管，结构基板对于红外辐射也是透明的。在材料和构建室21上热和大气控制对于在构造过程中更好地控制反应材料是可取的。
例如金属或粉末聚合物的烧结材料可以与用于材料的加热和/或熔化的加热和/或辐射源一起使用用于上述过程。上面所述的过程的主要不同在于能够加入大气控制系统和热控制系统，大气控制系统将用例如为氩气或氮气的惰性气体填充构建室21，热控制系统例如为红外加热器。激光束可用于熔化和熔合构造材料。
可流动的可烧结的材料或添加剂还可以用作构造材料或用作构造材料的一部分。烧结的材料则可以通过周围光聚合物的固化或粉末聚合物的熔化或粘合限制在合适的位置，导致产生“绿色物体”。然后该绿色物体需要额外的步骤来转变绿色物体，以创建更高的局部密度，该步骤被称为后窑炉处理，该处理可包括再脱脂(debinding)，再脱脂包括在一定温度下将部分放置在火炉中，使得粘合材料蒸发或碳化并提升绿色构建材料的可控收缩或颈缩(necking)以在形成固体结构的同时保持其形状。
渗透是将另一种材料注入形成的实心的但多孔的部分中并填充至该部分中的多孔空隙中的过程。该注入的材料的熔点壁主构造材料的熔点低。这种适于渗透的材料的实例是铜。熔化的铜可以扩散到铁粉末颗粒中从而产生膨胀。通过控制铜浓度，能够在烧结期间抵消铁的自然收缩，以有助于维持绿色物体的部件尺寸。这样的过程还可用于从生物相容材料形成结构，然后该生物相容材料可以与其他生物材料一起注入以形成生物相容的植入结构。
固结(consolidation)是可以在烧结期间发生的过程，导致产品收缩从而增加部件的密度。
由于包括足够功率的激光，所以能够进行构造材料的直接热烧结或能够使包含在分配制剂中的添加剂固结，分配制剂的成分能够彼此熔合并熔合至构建平台。该实施方式需要材料和构建室21的更大的热控制以及用于调节大气的装置和用于去除任何气态副产物的方法，用于调节大气的装置将利用惰性气体(诸如氮气和氩气)来覆盖固化区域。
可烧结的添加剂的实例是：17-4和15-5不锈钢、马氏体时效钢(maraging steel)、钴铬合金、镍铬铁合金625和718、钛Ti6Alv4、钛Ti64、钴铬合金Co28Cr6Mo、镍基合金In718。理论上，几乎任何合金金属均可以在该过程中使用。烧结通常包括感应粘合、液相烧结和/或完全熔化。这些技术是本领域已知的。
图19至图21示出了工艺流程图，其可以结合计算机软件，用于使用结合本发明特征的3D打印设备。关于图19，其示出了用户启动过程800，会话开始于初始步骤802，该步骤可以包括软件(诸如OM(奥米克编译器文件)软件或其他合适的软件)的启动。用户可以参与并引发一系列相互关联的用户操作。例如，用户可以激活导入步骤804，例如，其中用户从现有的数据或最近扫描的数据导入3D几何形状。从该步骤中，用户可以选择启动保存步骤806，其中用户可以保存3D几何形状数据，例如，保存为.OM软件文件。替代地，或者除了启动保存步骤806之外，用户可以启动导入3D几何形状数据的手动重新调整尺寸/重新定位步骤808。然后3D几何形状数据可以在自动调整步骤810中自动地重新调整尺寸/重新定位。
在任何点处，现有的文件，例如，在保存步骤806中保存的现有的.OM文件或从手动和自动调节步骤808、810得到的手动和自动调节的文件可以在加载步骤812中加载到用户界面的存储器中。从加载步骤812，可以启动多个额外的步骤。例如，用户可以启动复制步骤814，其中，可以复制3D几何形状数据的一个或多个方面。然后用户可以启动应用步骤816，其中，用户可以改变和/或应用对于3D几何形状数据的颜色和其他材料的选择项。然后用户可以启动连接步骤818，其中，用户可以定位本地3D打印机并且连接，在连接步骤之后用户可以启动打印步骤820，其中，3D物体开始打印。
在安装过程和编译用于在打印步骤820中打印3D物体的打印指令期间，指令可以提供来生产实心或中空结构并且额外的步骤可以启动以进一步限定物体。用户可以启动中空步骤822，借此中空物体产生了，而不是现有的实心物体。然后用户可以启动中空调节步骤824，由此可以调节中空或去壳产品的壁厚。还可以启动自动填充步骤826，其中，填充中空模型是自动发生的。最后，用户可以启动定制步骤828，其中，额外的自定义的专用打印应用于3D物体。
可以理解的是，虽然上面引用的实例特别提到了.OM文件，但是可以使用其他软件的文件格式。例如，用户可以导入规定格式为AMF、STL、PLY<OBJ或在本领域已知的任何其他类似的文件的3D模型。可以包括用于自动检测颜色和/或材料的支持(support)。每一件独特的导入的3D几何形状数据均可以使用转移矩阵(从原点施加)和描述颜色和材料选择的元数据存储。
现在参照图20，该图示出了结合本发明特征的另一工艺流程图850，自动打印准备(扫描)过程852通过用户或响应于刺激而启动，例如，打印机接上电源或接收来自计算机或其他用户界面的连接信号。在第一步骤854中，正在重制的物体的智能网格固结(consolidation)发生。在一些实施方式中，使用该算法以固结准备用于切片(slicing)的所有网格。该第一步骤854可以用于单独组合的网格(mesh)的生产，每个网格均通过颜色和材料来组织。在第二步骤856中，该算法可以根据需要自动生成并且添加每个组合网格所需的任何支持结构。在第三步骤858中，网格的径向切片可以发生。在这个步骤858中，一个或多个算法可以径向地切下输入网格并且产生已编码的矢量数据，该矢量数据描述预期的结构以使用实际单元在真实世界的维度下打印。该数据可以存储并稍后编辑为机器特定指令。在该阶段层高度被考虑并且可以预先设定一个恒定值用于整个打印或者在整个打印过程中变化。
在第四步骤860中，打印工作通过一个或多个算法编译以产生单个编译(机器专用)的打印工作文件，该文件包含由打印机使用的所有打印信息。在第五步骤862中，这个编译的打印工作文件传送至打印机，该文件可以是机器专用的并且可以是.OM格式。
现在参照图21，该图示出了步骤882之后工艺流程880的实例，其中，打印工作文件编译并传送至打印机(该步骤可以是图20中的第五步骤862的延续，或直接从外部加载或独立提供打印文件进行)。在第一步骤884中，算法将向量指令从实际单元转换为用于打印机的二进制装置(独立的1和0的阵列)。在第二步骤886中，打印机的打印处理器将数据比特以与电机/镜运动同步的硬件同步速率传输至固化装置。在第三步骤888中，实际的日光制版法(heliography)(固化)过程发生，使用连续的计算机控制的选择性固化。在第四步骤890中，反映虚拟的3D几何形状的完整物理物体产生了。

Claims (31)

1.一种用于在竖直方向上对结构进行3D打印的3D打印设备，该3D打印设备包括：
构造框架，
材料分配器，所述材料分配器中具有能流动的构建材料，所述构建材料是能凝固的，
构造区域和独立的构建平台，所述构造区域和所述构建平台均水平放置在所述构造框架内部并且构造成用于在所述构造框架之间进行固化的3D结构的反转构建，所述构建平台与所述构造区域间隔一限定的距离并且连续地在所述构造框架内部竖直地移动并且构造为在所述构造框架内部以连续的或半连续的方式旋转，以便在所述构建平台的每360°旋转中提供所述构建平台与所述构造区域之间连续增加的限定的距离或半连续增加的限定的距离，
所述材料分配器定位成将能流动的构建材料的膜传输至所述构造区域的上表面的曝光区上，并且
固化装置定位成将固化介质传输至位于所述曝光区的所述能流动的构建材料，
所述构建平台构造为在所述能流动的构建材料的膜固化时接收并保持传输至所述构造区域的所述上表面上的所述能流动的构建材料的膜，并且所述构建平台在所述构造框架内部旋转时竖直向上移动所述限定的距离，其中，所述3D打印设备还包括排放系统。
2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述构造区域的所述曝光区对于辐射源是透明的，并且所述固化装置位于透明的所述构造区域下面。
3.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述固化装置包括辐射源。
4.根据权利要求3所述的3D打印设备，其中，所述辐射源包括一个或多个镜。
5.根据权利要求4所述的3D打印设备，其中，所述一个或多个镜是能移动的。
6.根据权利要求3所述的3D打印设备，其中，所述辐射源包括一个或多个发光二极管。
7.根据权利要求3所述的3D打印设备，其中，所述辐射源包括一个或多个激光二极管。
8.根据权利要求1所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括次级材料分配器。
9.根据权利要求2所述的3D打印设备，其中，透明的所述构造区域包括玻璃。
10.根据权利要求1所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括用于从所述构建平台清除多余的构造材料的装置。
11.根据权利要求1所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括材料分布器，所述材料分布器构造为在所述构造区域的整个所述曝光区均匀地散布材料。
12.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述构建平台构造为沿着Z轴向上或向下移动。
13.根据权利要求1所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括用于控制所述3D打印设备的所述构造框架内的空间的温度的特征结构。
14.根据权利要求1所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括在所述3D打印设备的所述构造框架内部的空间的受调节的大气条件。
15.根据权利要求1所述的3D打印设备，所述材料分配器包括用于供给和引导一种或多种材料的一个或多个材料盒。
16.根据权利要求15所述的3D打印设备，其中，所述一个或多个材料盒是能拆卸的且能更换的。
17.根据权利要求1所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括成像单元。
18.根据权利要求17所述的3D打印设备，其中，所述成像单元包括至少一个图像记录系统。
19.一种3D打印设备，包括：
材料分配器，所述材料分配器用于传输能固化的液体材料的膜；
材料固化装置，所述材料固化装置用于使所述液体材料的膜固化，
构建平台；以及
构造区域，所述构造区域的上表面上具有曝光区，
所述构建平台和所述构造区域构造成用于将所述能固化的材料的膜传输至所述曝光区和所述构建平台的下表面之间的空间，所述构造区域和所述构建平台定位于基本上平行的平面中，
其中，所述构建平台构造为相对于所述构造区域旋转多个360°的圈并且在每360°的旋转中连续的或半连续的增加所述构建平台和 所述构造区域之间的限定的距离，从而所述构建平台的旋转引起所述能固化的材料的膜的部分被输送至所述空间并且固化成待保持在所述构建平台的下表面上的结构，其中，所述设备还包括排放系统。
20.根据权利要求19所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括次级材料分配器。
21.根据权利要求19所述的3D打印设备，其中，所述曝光区包括透明基板。
22.根据权利要求21所述的3D打印设备，其中，所述透明基板包括玻璃。
23.根据权利要求19所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括用于从所述构建平台清除多余的构造材料的装置。
24.根据权利要求19所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括材料分布器，所述材料分布器构造为在所述构造区域的整个所述曝光区均匀地散布材料。
25.根据权利要求19所述的3D打印设备，其中，所述构建平台构造为沿着Z轴向上或向下移动。
26.根据权利要求19所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括温度控制系统，所述温度控制系统用于调节并保持所述3D打印设备内部的构建空间中的预定的温度。
27.根据权利要求19所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括用于调节并保持所述3D打印设备内部的构建空间中的预定环境条件的控制系统。
28.根据权利要求19所述的3D打印设备，其中，所述材料分配器包括一个或多个材料容器和传输装置，所述传输装置用于供给并引导来自所述一个或多个材料容器材料的材料。
29.根据权利要求28所述的3D打印设备，其中，所述材料容器是能拆卸的且能更换的。
30.根据权利要求19所述的3D打印设备，所述3D打印设备还包括成像单元。
31.根据权利要求30所述的3D打印设备，其中，所述成像单元包括一个或多个用于图像捕捉和存储的设备。
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