CN105593004B - 用于加工可光聚合材料以逐层形成成型体的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于加工高度粘性可光聚合材料以逐层形成成型体的装置，包括：具有至少在其某些区域内是透明的底部的槽；以及可移动地引导的刮刀配置，该刮刀配置具有用于使所述刮刀配置在所述构建平台下方往返移动的驱动单元。该刮刀配置包括两个刮刀，所述两个刮刀在移动方向上间隔开，所述两个刮刀能以距离槽底部恒定的距离沿所述底部移动。在所述两个刮刀之间形成有在其下侧敞开的腔室，其中所述腔室的壁包括至少一个开口，所述至少一个开口在移动方向上延伸贯穿所述壁以形成溢流通道，以使堆积在所述引导刮刀与正对的槽端壁之间的材料经所述至少一个溢流通道被迫压到所述腔室内。

Description

用于加工可光聚合材料以逐层形成成型体的装置

本发明涉及用于加工可光聚合材料以逐层形成成型体的装置，包括：

-槽，可光聚合材料可被填充至所述槽内，所述槽具有底部，所述底部至少在其某些区域内是透明的；

-构建平台，所述构建平台被保持在所述槽底部以上的可设定的高度处；

-曝光单元，所述曝光单元能够以局部选择的方式受控制地曝光在所述构建平台的下表面与所述槽底部之间形成的材料层，所述曝光经过所述槽底部从下方进行；

-控制单元，所述控制单元被布置用于通过控制所述曝光单元在连续的曝光步骤中使彼此叠置在构建平台上的、分别具有预定几何形状的多个层聚合，并且所述控制单元被布置用于在每个层曝光步骤之后调节构建平台与槽底部的相对位置，以便以这种方式相继地构建呈期望形状的成型体；以及

-可移动地引导的刮刀配置，其包括用于使所述刮刀配置在所述构建平台下方往返移动的驱动单元。

此外，本发明涉及一种用于这样的装置的刮刀配置。

上述类型的装置是从EP 2 505 341 A1中得知的。

这样的装置允许尤其是在所谓的快速原型工艺过程中的成型体的基于光刻的生产制造。在所提到的这些立体光刻工艺中，新提供的材料层在每种情况下均聚合成具有期望的轮廓，其中，通过相继地为每一层限定其各自的轮廓，期望的主体以其三维形状形成，这是由于制备的多层的连续导致的。

在这种类型的装置中，在许多情况下要利用工具来翻动槽中的材料或者将其重新分布以确保均质的材料层。工具例如是可移动地安装的刮刀，该刮刀包括用于在构建平台下方往返移动该刮刀的驱动单元。在曝光步骤后提升该构建平台后，在被曝光区域内存在材料缺乏。这是由于这样的事实，即在设定的材料层固化之后，来自该层的材料已经被固化并且已经随构建平台和已形成在构建平台上的成型体的部分一起被提升。由于这种原因，在已形成的成型体的部分的下表面与槽底部之间缺乏的可光聚合材料不得不从来自曝光区域周围的邻近区域的可光聚合材料的填料补充。由于材料的高粘度，该材料不会自动流入在成型体部分的下表面与槽底部之间的被曝光区域内，从而可能在此处留下材料凹口或“孔”。刮刀用于在各曝光步骤之间将所提到的材料中的凹口弄平。采用目前形式的刮刀，不能以可靠的方式进行材料分配，尤其是对于高粘度的材料来说。特别地，供给和运输不会足够快速地进行并且会经受定量的波动。

本发明的目的在于以这样的方式改进基于光刻的生产制造方法，即以确保未使用的光聚合物的一致和快速的补充的方式。

为了实现这种目的，本发明实质上提供了：在上述类型的装置中，刮刀配置包括两个刮刀，所述两个刮刀在移动方向上间隔开，所述两个刮刀以距离槽底部恒定的距离沿槽底部移动。优选地，该配置在此是这样的，使得刮刀到槽底部的垂直距离可以通过简单的调节装置调节并且以这种方式，可设定被补充的材料的层厚度。优选地，所述两个刮刀被布置成到槽底部的距离相等。所述刮刀优选地被连接至驱动单元，所述驱动单元驱动所述刮刀往返移动。具有两个刮刀的这种配置允许在两个移动方向上形成材料层，这允许大幅度地减少加工时间。在具有常规刮刀配置的装置中，刮刀或刮拭元件不得不在能够形成新层之前被来回地驱动。

具有两个刮刀的配置还提供了这样的优势，即可在所述两个优选平行的刮刀之间形成腔室，该腔室充当用于新鲜材料的贮器。在分配步骤期间，在所述刮刀的向后或向前移动过程中，新鲜材料可向下流出该腔室以便可能地再填充在材料层中存在的孔、空的空间或凹口，其中，在移动方向上牵引的刮刀限定出层厚度。浴面上的孔、空的空间或凹口可尤其在这样的区域内形成，在该区域内，构建平台或成型体的已固化层在曝光步骤之后被向上提升离开该浴。由于新鲜浆体主要位于该腔室内，仅需要相对少的材料来开始构建过程并维持可靠的材料补充。

为了避免可光聚合材料在刮刀的区域内冷却，尤其是位于所述两个刮刀之间的贮器腔室内的材料，所述刮刀在优选的实施方案中是可加热的。尤其，所述刮刀可配备有至少一个加热元件，例如电阻加热元件。

在刮刀配置的往返移动过程中，在移动方向上位于导引刮刀推动在其前方的多余材料，直至该刮刀配置到达该槽的另一端。在那里，多余材料积聚，所述多余材料已经以小波浪形式堆积在导引刮刀与槽端壁之间，并且趋于横向流回刮刀配置的旁边或流到刮刀配置的上边缘上方。为了利用或加工积聚的材料，优选地布置成，腔室的至少一个壁具有这样的至少一个开口，所述至少一个开口在所述刮刀配置的移动方向上延伸贯穿所述壁，以形成溢流通道。通过这种方式，积聚的材料可在分配步骤过程中或结束时被迫压到在刮刀之间形成的腔室内。采用这种方式，腔室内的材料可用于下一个分配步骤得以实现。此外，通过挤压材料并让材料流过溢流通道，该材料被连续地混合，从而可大幅度降低分离的风险，尤其是所填充的光聚合物分离的风险。优选地，在该腔室的两个相对壁的每个壁中形成至少一个开口，从而保证了在刮刀配置的两个移动方向上的材料溢流。

如果需要，为了允许新鲜光聚合物的充分补充，优选地，该腔室在其顶面上设置有再填充开口，该开口通向该腔室。在再填充过程中，优选地使用定量给料单元。

此外，在其底部敞开的腔室可在延伸于所述两个刮刀之间的两个窄端面的每个端面处包括流入开口，从而在沿移动方向导引的刮刀处靠近槽底部积聚的材料也可流入该腔室内。

此外，至少可设置第三刮刀，该第三刮刀优选布置在所述两个刮刀之间并且该第三刮刀在朝向槽底部的方向上突出超过所述两个刮刀。第三刮刀被如此地移动定位，以使得未消耗的材料从槽底部被拾起(pick-up)。采用这种方式，未消耗的材料在刮刀配置的每次往返移动时从槽底部被拾起并被输送至在所述两个刮刀之间形成的腔室内，可在该腔室内进行混合和均质化。

为了确保在刮刀配置的高度改变时无需单独重新调节该第三刮刀，该第三刮刀优选地如此布置，以使得其被回弹性地压在该槽底部上。这可通过使刮刀自身由弹性材料制成或通过将刮刀安装成对偏置力是可移动的来实现。以这种方式实现了第三刮刀是与槽底部接触的，而与刮刀配置的高度调节无关。在薄的施加层没有发生固化的情况下，可以优选的方式在旋转槽中实现相当的刮刀结构。

特别优选的是，该刮刀配置是完整的一体形成的，其包括两个外刮刀。该刮刀配置优选地由聚合物材料例如聚四氟乙烯或聚甲醛构成。以这种方式，该刮刀配置可布置成是耐磨的和刚性的。由于高耐磨性，在操作过程中不会发生显著磨损，从而光聚合物不会受到污染。此外，所提到的用于刮刀配置的材料是容易清洁的。

如已经提到的那样，本发明还适用于加工高粘度的原料。例如包含用于增塑并相应提高刚性的高分子单体系统的光聚合物显示了特别高的粘度。下述光聚合物/单体系统可优选用于本发明：

·单和多官能丙烯酸酯

·多官能甲基丙烯酸酯

·分子量介于200和1000g/mol之间的各种不同的聚乙二醇。

当加工所填充的可光聚合材料(浆料)时，人们还是会面临原料的高粘度。在这种情况下，可烧结材料(例如陶瓷或金属)以粉末形式被添加到粘性光敏树脂中。在各层固化时，被固化的聚合物充当粘合剂。在成型体的分层产生完成之后，已固化的聚合物被热移除并且之后剩余的填充材料(例如陶瓷粉末)被烧结成刚性结构。这样的过程允许实现生产制造的全部优点，同样对于本身不适合于这些过程的材料。在这方面，填充水平，即在浆料中的粉末的百分比，是与可加工性和材料品质相关的最重要的因素之一。在这方面，结果证明，尤其是在42％和65％之间的填充水平下，可产生高品质的组分。高填充水平在大多数情况下伴随着原料的高粘度，这产生了一些问题，例如像高反作用力、浆料分离和加重的材料补充。

为了降低光聚合物的粘度，优选设置固定的加热装置，用于将在槽中存在的可光聚合材料的层加热至至少30℃的温度。在这方面，该加热装置必须是与曝光单元分离的装置。优选地，材料被加热至至少40℃。加热装置的设置基于各种光聚合物在温度稍微升高时显示出显著的粘度降低的事实。通常加热到50℃便足够，以使额外的功耗在可接受的范围内。在特殊情况下加热至80℃可以是必要的。在较高温度下会发生光聚合物的非预期的热聚合。由于加热，也可以采用显示出增强的分子间相互作用的可光聚合材料。这种增加的分子间相互作用体现为在室温(20℃)下的增加的粘度。如果起始材料在室温下具有至少20Pa·s的粘度，在这样的情况下的分子间相互作用尤其被认为是足够的。

凭借在加工区内的升高的温度，光聚合物的反应性也得以增强。与在室温下加工相比，在不会不利地影响整个体系的反应性的情况下，反应性基团的减少是可能的。

此外，已经认识到，能够确保将粘度令人满意地降低至在无需大量耗力和耗时的情况下实现材料分配和层形成的程度，尤其是在粘性材料优选地在延伸区域内在大部分反作用力发生的界面区域(槽底部)处被加热时。

所述材料优选仅在装置的加工区内被加热。该加工区包括在透明的槽底部与到目前为止构建的成型体之间的区域。典型地，厚度介于10微米至1.000微米的光聚合物层被加热。该装置的成型体所位于的其余加工体积可以是处于比加工区的温度低的温度下。

优选地，加热装置包括至少一个加热元件，所述加热元件设置在槽底部处或槽底部中，例如加热箔。因此，热量通过槽底部传递，从而确保了节能传热。加热箔包括例如由塑料制成的薄载体元件，在其中设置由呈曲折图案的电热丝，形成了电阻加热器。该加热装置，例如加热箔，可置于槽底部的透明部分的外侧。特别地，可设置两个加热元件，例如加热箔，其中，在曝光区域的透明底部子区域的每侧各设置一个元件。在曝光步骤期间，刮刀组件停放在这些外侧或边缘区域内的停放位置内。这种配置不仅允许曝光不受干扰，而且允许快速加热新鲜光聚合物，该材料在刮刀配置包括两个刮刀的情况下主要位于所述两个刮刀之间的腔室内。

供选择地或者此外，可以规定该加热装置至少部分地在所述底部的透明部分上方延伸并且该加热装置被布置成是透明的。然而，在这种情况下，必须仔细观察加热箔的光学特性，尤其是关于透明度和关于没有封入粗糙颗粒的事实。

可通过提供温度传感器来以简单的方式实现温度控制，所述温度传感器与控制单元协作用于以使可光聚合材料达到和/或维持在给定温度的方式来控制加热装置的加热功率。该温度传感器可优选被形成为Pt温度传感器并且可被整合在该加热箔内。

曝光单元原则上可以多种不同方式布置，其中，本发明并不限于使用可见光。相反，能够使所用的具体的可光聚合材料固化的任何电磁辐射均是适合的。例如，可利用紫外线。供选择地，可使用波长在可见范围内的光。

曝光单元优选位于槽底部以下。该曝光单元由控制单元控制，以便选择性地以具有期望几何形状的图案照射槽底部的下表面上的预定曝光区域。优选地，该曝光单元包括光源，该光源具有一个或多个发光二极管，其中，优选地在曝光区域内达到约15至200mW/cm²的光照功率。由曝光单元发射的光的波长优选在350至500纳米的范围内。该光源的光在其强度上可以局部选择的方式通过光调制器调节并且所产生的具有期望几何形状的强度图案可投射到槽底部的下表面上。可使用各种不同类型的所谓的DLP-芯片(数字光处理芯片)作为光调制器，例如微镜阵列、LCD-阵列等。供选择地，可使用激光作为光源，其中，激光束通过由控制单元控制的可移动的镜片成功地扫描曝光区域。

优选地，该构建平台以高度可调的方式被升降机构保持在槽底部以上，其中，该升降机构由控制单元控制。优选地，将该控制单元布置成借助升降机构设定层的厚度，即构建平台或最后形成的层到槽底部之间的距离。

该槽优选地分两部分设计并且包括优选地多层的透明的槽底部和槽框架。该槽底部的最下层例如由大玻璃板构成，该大玻璃板充当承载或支承元件。在槽底部的顶部设置有硅层和防粘箔，该防粘箔用于在提升最后固化的层时降低反作用力。该框架优选由化学稳定的塑料制成。

有利地，除了作为材料容器的功能以外，该槽框架还用作槽系统的夹持装置。这允许简单且快速地改变和更换所述槽。槽的两部分构造允许在构建过程之后的简单和快速的清洁。

此外，单个槽本体可被间隔壁细分为多个槽段并且可形成多个根据本发明的槽。

下面将参考在附图中示出的多个实施方案来更详细地进一步解释本发明。在图1至3中示出了根据本发明的装置在过程的后续阶段中的示意性剖视图；图4示出了不带构建平台的装置的透视图；图5示出了根据图4的槽的透视图；图6示出了根据本发明所用的刮刀配置的透视图；以及图7示出了根据图6的刮刀配置的示意性剖视图。

现将首先参考图1-3描述根据本发明的装置的操作，其中，在这方面参考在EP 2505 341 A1中描述的装置。该装置包括具有槽底部2的槽1，该槽底部2至少在其区域的子区域3中是透明的或半透明的。该槽底部2的该子区域3至少覆盖位于该槽底部2以下的曝光单元4的延伸部分。该曝光单元4包括光源和光调制器，在控制单元的控制下通过该光调制器以局部选择方式设定强度，以针对目前待形成的层在槽底部2形成具有期望的几何形状的曝光区域。供选择地，可在曝光单元4中使用激光，其中，激光的光束通过由控制单元控制的可移动的镜片扫描具有期望强度图案的曝光区域。

在曝光单元4的对面并且在槽1以上设置有构建平台5，该构建平台5由升降机构(未示出)支承，从而该构建平台5在曝光单元4以上的区域内以高度可调的方式被保持在槽底部2的上方。该构建平台5同样可以是透明的或半透明的，以使光可由在构建平台5以上的另一曝光单元以这样的方式照射，即至少在构建平台5的下侧面上的第一层正形成时，该第一层也可从上方曝光，以使得第一个在构建平台5上固化的层附着在该构建平台上，具有甚至更高的可靠性。

槽1容纳有高度粘性的可光聚合材料6的填料。填料的材料水平明显高于待以局部选择的方式被限定用于曝光的层的厚度。为限定可光聚合材料的层，采用了以下步骤。以受控制方式通过升降机构使构建平台5下降，以使得(在第一曝光步骤之前)该构建平台的下侧面浸入该可光聚合材料6的填料中至这样的程度，即在构建平台5的下表面或最后在其上形成的层与槽底部2之间保持精确的期望层厚度a(参见图2)的程度。在该浸入工艺期间，可光聚合的材料从构建平台5的下侧面与槽底部2之间的间隙被移出。在层厚度a设定好后，针对该层进行该层所期望的位置选择性曝光，以便以期望的形状固化该层。尤其是在形成第一层时，也可通过透明或半透明的构建平台5从上方进行曝光，从而特别是在构建平台5的下侧面与可光聚合材料6之间的接触区域内进行可靠且完整的固化，从而确保第一层良好地附着至该构建平台5。在该层形成后，借助升降机构再次提升该构建平台5。

随后多次重复这些步骤，最后形成的层7的下侧面到槽底部2的距离被分别设定成期望的层厚度a，并且下一层以期望的局部选择的方式被固化在其上。

在构建平台5在曝光步骤后被提升之后，如图3所示，在曝光的区域内存在材料不足。这是因为在固化具有厚度a的层后，该层的材料被固化并随构建平台5以及已形成在构建平台上的成型体的部分被提升。因此，在已形成的成型体部分的下侧面与槽底部2之间损失的可光聚合材料必须从来自被曝光区域周围的区域的可光聚合材料6的填料中再填充。然而，由于该材料的高粘度，其不会自身流回到成型体部分的下侧面与槽底部之间的被曝光区域内，从而材料凹口或“孔”会保留在此。

部件在图4的视图中示出，这些部件在图1-3中被省略以便更加清晰。该槽再次用1标记，其底部包括透明部分3。槽1与导轨8相关联，滑动件9可滑动地支承在该导轨8上以在双箭头10的方向上可移动。驱动装置提供滑动件9的往返移动，该驱动装置包括用于刮刀配置11的支座。该支座包括引导和调节装置，以便在沿高度方向的双箭头12的方向上调节该刮刀配置11。以这种方式，可设定刮刀配置11的下边缘到槽1的底部的距离。该刮刀配置11在构建平台已经如图3所示地被提升后使用，并且用于在设定给定层厚度的同时均匀分配材料6的目的，以便平衡在构建平台5的区域内的材料不足并且如果需要的话补充新材料。由材料分配步骤产生的材料6的层厚度由刮刀配置11的下边缘到槽1的底部2的距离限定。

此外，示出位于槽底部2的透明部分3的两侧的加热箔13和14，所述加热箔用于加热材料6的目的，以便降低材料的粘度。

在图5中，可更清楚地看到加热箔13和14。此外，示出了温度传感器15，该温度传感器用于分别测量加热箔14和材料6的温度。

在图6中更详细地示出了刮刀配置11的设计。该刮刀配置包括两个平行的刮刀16和17，腔室18在其之间形成在刮刀配置11的内部。在刮刀配置11的长侧面上设置有三个溢流通道19，材料6可如箭头20所示通过所述三个溢流通道流入该腔室18内。在刮刀配置11的相对的长侧面上还设置有相应的溢流通道，所述相对的溢流通道在图6中不可见。腔室18在刮刀配置11的窄侧面上敞开(开口21)，从而如由箭头22所示，材料6也能够在此流入。如果必要，可通过顶部开口25向腔室18内填充新材料。

现参考图7的剖视图描述刮刀配置11的操作。当沿箭头23的方向移动该刮刀配置11时，刮刀16和17的下边缘分别限定出具有给定层厚度的材料层26。刮刀16和17设置在距底部3相同的距离处。多余的材料6被在移动方向上引导的刮刀17向前推进，这导致与箭头24相对应的流动移动。当在循环末端的刮刀配置11朝槽1的内端壁进一步移动时，累积或堆积在刮刀17前方的材料经溢流开口19被迫压到腔室18内。在窄侧面处，材料可经窄侧面开口21流入腔室18内。

在刮刀16和17之间布置有第三刮刀27，该第三刮刀在图7中被示意性示出并且其竖直地位于刮刀16和17的下方。该第三刮刀27接触槽底部3并从槽底部拾起未消耗的材料。以这种方式，分别在刮刀配置11的每次向后和每次向前移动时，未消耗的材料便被输送至腔室18内，其中，可在腔室18内进行材料的混合和均质化。

由于包括两个刮刀16和17和腔室18的刮刀配置是以基本对称的方式形成的事实，一次向后或向前移动便足以为下一次曝光步骤均匀地分配材料。这相对于为实现这种目的而必须往返移动的常规配置来说是相当有利的。

引导本发明的工作已经由欧盟在第七框架计划PHOCAM中以支持合同编号26043支持。

Claims (19)

1.用于加工高度粘性可光聚合材料以逐层形成成型体的装置，包括：

槽，可光聚合材料可被填充至所述槽内，所述槽具有底部，所述底部至少在其子区域内是透明的；

构建平台，所述构建平台被保持在所述槽底部上方的可调节的高度处；

曝光单元，所述曝光单元可控制用于以局部选择的方式曝光在所述构建平台的下侧面与所述槽底部之间形成的材料层，所述曝光经过所述槽底部从下方进行；

控制单元，所述控制单元被布置成通过控制所述曝光单元在随后的曝光步骤中使彼此叠置在所述构建平台上的、在每种情况下均具有给定几何形状的多个层聚合，并且在每个层曝光步骤之后调节所述构建平台相对于所述槽底部的相对位置，以借此相继地形成呈期望形状的成型体；以及

可移动地引导的刮刀配置，其包括用于使所述刮刀配置贯穿所述构建平台下方往返移动的驱动单元，

其特征在于，

所述刮刀配置包括两个刮刀，所述两个刮刀在移动方向上间隔开，并且所述两个刮刀可以以距离槽底部可调的距离沿槽底部移动，

所述槽包括槽端壁，以使在移动方向上导引的刮刀朝向槽端壁之一移动，

在所述两个刮刀之间形成在下侧敞开的腔室，所述腔室的壁包括在所述刮刀配置的移动方向上贯穿所述壁延伸的至少一个开口，用于如此地形成溢流通道，以使得在所述刮刀配置与朝向所述刮刀配置的槽端壁之间积聚的材料经所述至少一个溢流通道被迫压到所述腔室内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少其下侧敞开的腔室在两个所述刮刀之间的它的两个窄侧的每侧上包括流入开口。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔室在其顶侧包括再填充开口。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，至少设置有第三刮刀。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第三刮刀设置在所述刮刀配置的所述两个刮刀之间并且该第三刮刀在朝向所述槽底部的方向上突出超过所述两个刮刀。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第三刮刀接触所述槽底部。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第三刮刀被保持为被回弹性地偏压靠着所述槽底部。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述刮刀配置是完整地一体形成的，其包括两个外刮刀。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述刮刀配置由聚合物材料构成。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述刮刀配置由聚四氟乙烯或聚甲醛构成。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，设置有固定的加热装置，用于将在所述槽中的可光聚合材料的层加热至至少30℃的温度。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述加热装置包括在所述槽底部内或在所述槽底部表面的至少一个加热元件。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述加热元件为加热箔。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述加热装置设置在所述槽的透明的底部子区域的外侧。

15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述加热装置至少部分地在所述槽的透明底部部分上方延伸并且被布置成是透明的。

16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，设置有温度传感器，所述温度传感器与所述控制单元协作，用于以使可光聚合材料达到和/或维持在给定温度的方式来控制加热装置的加热功率。

17.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述刮刀配置是可加热的。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述刮刀配置被配备有至少一个加热元件。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述加热元件为电阻加热元件。