CN107077075B - 具有加热单元的立体光刻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立体光刻装置，其具有用于容纳自由流动的可光聚合材料的槽(2)，所述槽具有至少位于用于曝光的曝光区域中的透明槽底部(3)；曝光单元(8)，所述曝光单元(8)布置在槽下方，用于曝光具有用于在各种情况下在曝光区域内待形成的层的预定轮廓的表面；在槽底部上方悬置在提升单元(6)上的构建平台(4)，在构建平台(4)上通过曝光固化的第一层将悬置于其上形成；控制单元，所述控制单元被配置成通过所述曝光单元引起各具有预定轮廓的连续曝光，并且在每种情况下在另外的层曝光之后连续调整构建平台在槽底部上方的位置；并且具有用于加热所述槽中的可光聚合材料的加热单元，其特征在于，所述加热单元具有透明导电层(33)，其覆盖所述槽底部上方的至少曝光区域的整个区域，并且其在所述曝光区域的外部在所述层的相对侧上设置有在相对侧上延伸的电触点(20)，所述电触点连接到受控电源，以能够通过流过该层的电流加热在所述曝光区域中的所述槽底部上的整个区域的可光聚合材料。

Description

具有加热单元的立体光刻装置
技术领域
本发明涉及一种立体光刻装置，其具有用于容纳自由流动的可光聚合材料的槽，所述槽至少在用于曝光的曝光区域中具有透明槽底部；布置在槽下方用于曝光在曝光区域中的具有轮廓的表面的曝光单元，所述轮廓专用于待形成的各层；在槽底部上方悬置在升降单元上的构建平台，在所述构建平台上通过曝光固化的第一层将悬置于其上形成；控制单元，其被配置为通过曝光单元引起各自具有预定轮廓的连续曝光，并且在每种情况下在另外的层曝光之后连续地调整构建平台在槽底部上方的位置；并且具有加热单元，用于加热槽中的可光聚合材料。
背景技术
立体光刻装置例如由WO2010/045950A1获知，其特别涉及从液体可光聚合材料构建牙科修复体。在已知的立体光刻装置中，安装构建平台，使得构建平台在槽底部上方可竖直移动，该槽底部实施为透光的。曝光单元位于槽底部下方。构建平台首先下降到槽中，在其中填充足够的自由流动的可光聚合材料，使得在构建平台和槽底部之间仅剩下具有由可光聚合材料制成的期望层厚度的层。随后，具有预定轮廓的该层通过曝光单元在曝光区域中曝光并因此固化。在构建平台升起之后，再引入可光聚合材料到构建平台下方的曝光区域中，这可以通过任何类型的分配装置进行，例如通过刮刀刀片，在槽底部上方与其相关的限定距离处移动该刮刀刀片，以将可光聚合材料推入曝光区域并在其中将其弄平。层厚度的后续限定如所述通过将构建平台降低到再引入的可光聚合材料中来进行，其中过量的可光聚合材料从槽底部中最后形成的层的下侧之间的中间空间移出。在成型体的产生式(generative)逐层制造期间，各自具有存储在控制单元中的预定轮廓的层被连续地曝光并固化，直到通过连续固化各自具有预定轮廓的层产生具有期望形状的成型体。
曝光单元具有例如光源，其将光定向到成像单元上，该成像单元例如由可由控制单元选择性地激活的微镜矩阵形成，使得曝光区域中的每个图像元素可以通过相关微镜的相应控制而选择性地曝光。如果激活所有微镜，则曝光整个曝光区域。供选择地，光源的光可以被引导到所谓的“数字光阀”，例如LCD矩阵，其中LCD矩阵的各个图像元素被单独激活，以对于每个图像元素单独地使光能够通过或者单独地阻止光通过。还可以通过间隔地打开和关闭各个图像元素，例如通过脉宽调制控制每个图像元素的曝光强度。
用于接收自由流动的可光聚合材料的槽的底部至少在曝光区域中例如通过玻璃板实施为透明的。在本申请的含义中，透明是指槽底部使得与曝光操作相关的波长区域内的大部分电磁辐射通过；然而，如果在选择曝光强度和曝光持续时间时考虑这种衰减，则在这种情况下，确实会发生电磁辐射的强度的一定衰减，从而使得衰减被补偿，并且引起由可光聚合材料制成的各个限定层的可能最均匀的固化。
通过降低构建平台，从而最后形成的层的下侧浸入再引入的可光聚合材料中，并且设定最后形成的层的下侧到槽底部的距离来限定层的厚度，使得能够非常精确地设定待固化的下一层的层厚度。取决于应用，层厚度通常在10μm至100μm的范围内。精确设定层厚度的能力的优点比伴随其的不得不将曝光单元布置在构建平台下的槽底部下方的必要性的缺点突出。
在许多应用中，可光聚合材料具有高粘度，特别是如果使用填充有陶瓷粉末的可光聚合材料，即所谓的浆料，作为构建材料，情况正是如此，这在牙科修复体的生产中是特别感兴趣的。可光聚合材料增加的粘度可使得更难以将材料补充再引入到曝光区域中，因为随着材料的粘度增加流动性降低。此外，将其上具有最后形成的层的构建平台降低可能需要大量的力，用于限定下一层的层厚度，因为过量的可光聚合材料必须从中间空间移出。
关于这点，已知可以通过加热来提高粘性的可光聚合材料的流动性。US5,545,367B1描述了根据权利要求1的前序部分的立体光刻装置，其中提出了该槽设有加热单元以改善位于槽中的可光聚合材料的流动性。为此目的，提出该槽套有加热单元，加热线圈浸入可光聚合材料中，红外灯或微波辐射器被引导到槽中的材料上，或者槽作为整体被放置在炉中。
在立体光刻装置例如本发明的立体光刻装置的情况下，其中从下面通过透明的槽底部进行曝光，一个困难是加热单元不能干扰曝光区域中的曝光，即加热单元可以实际上仅作用于曝光区域外的可光聚合材料，因为否则将干扰构建平台下方的曝光区域中的曝光。然而，通过热传导和将加热的材料输送到曝光区域中进行的间接加热不是非常有效，并且不能在曝光区域中实现可光聚合材料的限定的可设定温度。
发明内容
本发明的目的是实现一种立体光刻装置，其具有通过槽底部的曝光，并具有加热单元，从而可以在曝光区域中有效和均匀地加热可光聚合材料。
具有权利要求1的特征的立体光刻装置用于实现该目的。本发明的有利实施方案在从属权利要求中说明。
根据本发明提供的是，加热单元具有透明的导电层，导电层布置在槽底部上方并且至少覆盖曝光区域的整个区域，并且在曝光区域外部在该层的相对侧提供电触点，电触点在相对侧上延伸。电触点连接到受控电源，从而可以通过流过整个层的电流加热曝光区域中的可光聚合材料的整个区域。导电层优选具有均匀的层厚度，以确保加热功率的均匀分布。
由于在曝光区域中可光聚合材料的整个区域上加热，其中加热单元作用于随后待实现的层的材料，所以在发生材料处理的区域中，精确地实现可光聚合材料的非常有效的加热，在这种情况下曝光不会受到干扰。在此，导电层的透明度意味着，如槽底部的情况那样，也不是必须在层中根本不发生用于曝光的电磁辐射的衰减。如果在设定曝光强度和曝光持续时间时考虑到一定的衰减，则可以明确地提供一定衰减。基本上，透明度甚至可以作为曝光区域中的位置的函数而变化，其中，对于通过曝光强度的与位置有关的设定进行补偿而言，必须考虑这一点。
在两个相对的边缘侧上，通过与这些边缘侧重叠的相对接触部进行电接触。例如，当从上方观察时为正方形或矩形的层的两个相对的边缘条可以各自被由铜制成的薄导电带覆盖，在每种情况下电源电路的电线通向所述薄导电带，其中还提供电源。因此，薄的相对的铜带可以在相对的边缘区域处直接且平坦地搁置在导电层上，以在其整个宽度上均匀地给其提供电能。
特别地，通过在曝光区域中加热可光聚合材料以及伴随其的材料粘度的降低，可以将构建平台与形成在其上的最后一层的下侧一起降低到材料中，以能够限定可光聚合材料的期望层厚度，而在此情况下不会发生从最后选择的层的下侧和槽底部之间的中间空间移出材料需要过大的力。因此，也可以在粘性材料的情况下，通过将构建平台向可光聚合材料降低进行有利的层厚度限定，而不必在构建平台和已形成于构建平台上的层上施加难以处理的过大的力，以便在层限定期间通过降低从中间空间移出材料。
在优选实施方案中，导电层被施加到作为载体膜的透明塑料膜，该透明塑料膜又布置在槽底部上方。在这种情况下，塑料载体膜可以与导电层一起布置，从而塑料载体膜面向槽底部，并且电层背向槽底部，或者反之亦然，透明塑料载体膜位于导电层上方，然后导电层面向槽底部。
在替代实施方案中，塑料载体膜承担槽底部的功能，即，槽在曝光区域中的底部上开口，并且该开口被形成槽底部的塑料载体膜封闭，该塑料载体膜又承载导电层和可能的其它层，例如上面的硅树脂层和塑料保护膜。
导电层可以布置在槽底部上方的多个层的复合材料中。例如，首先可以在槽底部上方施加透明的硅树脂层，在其上方放置导电层，该导电层又被透明的塑料保护膜覆盖。
供选择地，导电层可以首先位于槽底部上方，然后在其上方放置透明的硅树脂层，该硅树脂层又被布置在其上的塑料保护膜覆盖。导电层也可以施加到透明塑料载体膜上，并且在这些情况下可以以该形式位于所述层复合材料结构中。
在这两种情况下，硅树脂层用于吸收作用在层序列上的张力的目的，如果最后实现的层的下侧在一定程度上粘附到槽底部上的最上层，则所述张力可以出现在最后层固化在上面的构建平台的提升期间。在作用在槽底部上的层序列上的力的情况下，该力可以在提升单元向上拉最后形成的层时发生，硅树脂层可以在一定程度上弹性变形，并且因此使得能够实现槽底部上的层序列的一定弹性变形，这减少了槽底部上的层序列中的张力。
在优选实施方案中，温度传感器设置在与其导热接触的导电层上。温度传感器连接到控制器，该控制器被配置为用于作用于电源并且调节通过导电层的电流，使得在槽底部上方的导电层的区域中产生期望的输入温度或期望的时间-温度曲线。在这种情况下，温度传感器优选地位于曝光区域的外边缘处或其外部，使得温度传感器和相关联的线路连接不干扰曝光操作。控制器可以是例如PI控制器(比例积分控制器)或PID控制器(比例积分微分控制器)。
所有透明塑料都被考虑作为用于导电层的塑料载体膜的材料，即例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚氟乙烯丙烯(FEP-基于四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)。
除了透明性之外，对用于覆盖在槽底部上的层序列的塑料保护膜有以下另外的要求：聚合的构建材料在固化之后应该尽可能少地粘附到塑料保护膜上。在这方面，特别地，上述塑料聚四氟乙烯(PTFE)和聚氟乙烯丙烯(FEP)尤其合适。
在优选实施方案中，导电层的材料有氧化铟锡(ITO)、掺杂氟的氧化锡(SnO2:F)、掺杂铝的氧化锡(ZnO2:Al)、氧化铝锌(AZO)、掺杂锑的氧化锡(SnO2:Sb)、石墨烯或其它导电碳化合物或导电聚合物或其它合适的金属材料。
导电层优选地实现为使得其形成薄层电阻，并且其在1-1000Ω每单位平方面积的范围内。
薄层电阻描述了足够小的厚度的导电层的电阻，电流仅平行于该层流过导电层，即电流在一端侧进入并且在相对边缘侧处再离开。具有各向同性电阻ρ的厚度d的层的薄层电阻为ρ/d。即，层越薄，其薄层电阻越高(在恒定比电阻ρ的情况下)。因此，薄层电阻具有与欧姆电阻相同的单位Ω。然而，为了将量度识别为薄层电阻，添加了用于说明的符号，其指示“每单位平方面积”，具体为/□。在英语中，还使用单位缩写Ω/sq，其中“sq”表示“平方”的缩写。
结合本发明，可以使用具有约1nm至几百纳米的厚度的层。例如，可以使用涂覆有氧化铟锡层(具有100nm的氧化铟锡层的厚度)的膜，其具有50Ω/□的薄层电阻。用通常的高达750W/m2的功率密度可以对其操作。在实验室条件下的实验中，能够在曝光区域中的可光聚合材料中以其实现40℃至100℃的温度。
导电层将至少覆盖曝光区域，以能够确保其中的升高的温度。导电层优选也可以延伸超过曝光区域，然而特别是基本覆盖整个槽底部。因此，曝光区域之外的材料可以是已经被加热的，从而可以在提升构建平台之后更容易地从其再引入可光聚合材料到曝光区域中。
附图说明
以下将基于示例性实施方案并结合附图解释本发明，其中：
图1示出了根据本发明的立体光刻装置的部件的示意图，
图2示出了根据第一实施方案的穿过立体光刻装置的槽底部的横截面图以及放大的细节图，
图3示出了根据第二实施方案的穿过立体光刻装置的槽底部的横截面图以及放大的细节图，
图4示出了根据第三示例性实施方案的穿过立体光刻装置的槽底部的横截面图以及放大的细节图，
图5示出了图3的槽底部的分解图。
具体实施方式
图1示意性地示出了立体光刻装置的各个部件(但是，没有载体和壳部分)。立体光刻装置具有带有透明槽底部3的槽2，自由流动的可光聚合材料1被倒入槽2中。在可光聚合材料1中(在构建平台4上构造第一层期间)，将该构建平台4下降到可光聚合材料1中，直到构建平台4的下侧位于至距槽底部预定距离处，使得恰好期望的层厚度的可光聚合材料保持在构建平台和槽底部之间。在构建平台4上的第一层固化之后，构建平台4被提升，从外部将可光聚合材料再引入到曝光区域中(如果可光聚合材料不是足够液态的，以自动流入曝光区域中，则可以使用与槽底部关联的可移动刮刀刀片将可光聚合材料推入曝光区域中)。其上已形成有层的构建平台4随后被下降到可光聚合材料1中，直到最后形成的层的下侧到槽底部的距离等于由可光聚合材料形成的随后待固化的层的期望层厚度。连续重复这些步骤，形成连续的层，每层具有预定的轮廓，直到这一系列层导致期望的成型体。
为了控制构建平台4的升高和降低，将其悬挂在可控的升降单元6上。
曝光单元8布置在槽2下方，在槽底部3上的曝光区域上从下面定向曝光单元8。曝光单元8被实现为用于在控制单元的控制下在曝光区域中产生单独激活的图像元素的期望图案，其中待固化的层的形状由曝光的图像元素产生。曝光单元8可以具有例如光源和场，所述光源和场具有大量微镜，该微镜通过控制单元可以单独地枢转，以曝光或不曝光曝光区域中相关联的图像元素。此外，还可以通过打开和关闭各个微镜根据需要以与位置有关的方式控制曝光的图像元素的强度。
槽底部3至少在曝光区域中例如通过薄玻璃板实现为透明的。对于槽底部和对于下面将更详细描述的导电层来说，术语透明的意味着它们在一定程度上是透光的，不必为此提供几乎完全的光透射率。可以通过相应地增加照射强度或照射持续时间事先考虑到用于槽底部材料或导电层的曝光的电磁波的任何可能的衰减。
图2示出了穿过槽底部3和在曝光区域中应用于其上的加热单元的示意性横截面图，以及横截面放大细节图。槽底部具有玻璃板31，玻璃板31上施加有透明的硅树脂层32。塑料载体膜35设置在硅树脂层32上，塑料载体膜35在其下侧具有导电透明涂层33。塑料载体膜35可以是例如由聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氟乙烯丙烯或聚乙烯制成的膜。导电透明涂层可以由例如氧化铟锡构成。透明塑料保护膜37又施加到透明塑料载体膜35上。但是，在本示例性实施方案中也可以省略这种透明塑料保护膜37，因为导电层33已被其塑料载体膜35覆盖和保护。
应注意的是，图2中的横截面视图仅是示意性的并且不是按比例的，即，相对层厚度将不是由此实际显示的。此外，为了说明的目的，用黑线示出了显示为相对薄的透明的导电层33，黑线仅使其更可见并且仅象征性地表示。事实上，层复合材料中的所有层都应该是透明的。
图3示出了对应于图2的第二示例性实施方案的横截面，其与图2的不同之处在于，在其下侧具有透明的导电层33的透明硅树脂层32和透明塑料载体膜35，已经交换了它们的位置，即，塑料载体膜35与导电层33直接位于透明槽底部31上。
图4示出了对应于图1和图2中的两个前述示例性实施方案的第三示例性实施方案的横截面图，其与图3中的第二示例性实施方案的不同之处在于，不是如图3中将导电层33施加至塑料载体膜35，而是将导电层33直接施加到透明玻璃板31上，并且透明硅树脂层32直接跟随导电层33，并且透明塑料保护膜37跟随其上。
图5以分解图示出了具有第二示例性实施方案的加热单元的槽底部的结构，即透明槽底部，以及跟随其上的这些层被彼此抬离。在图5中，示出了导电层33的电接触。这由两个相对的薄金属导体条带20执行，其中这些带状金属导体条带直接位于导电层33的相对边缘条带上。两个金属条带20中的每一个连接到电气线路，其与具有控制器(未示出)的电源一起形成电源电路，以通过受控的流过导电层33的电流产生所需的加热功率。
为了控制待由电源提供的电功率，可以在导电层33上布置与导电层33导热接触的温度传感器，以检测其温度。温度传感器设置有控制器，控制器又连接到可控制的电源，以便控制其功率，从而在导电层33上设定期望的温度。

Claims (13)

1.一种立体光刻装置，其具有用于容纳自由流动的可光聚合材料的槽(2)，所述槽具有至少位于用于曝光的曝光区域中的透明槽底部(3)；曝光单元(8)，所述曝光单元(8)布置在槽下方，用于曝光具有用于在各种情况下在曝光区域内待形成的层的预定轮廓的表面；在槽底部上方悬置在提升单元(6)上的构建平台(4)，在构建平台(4)上通过曝光固化的第一层将悬置于其上形成；控制单元，所述控制单元被配置成通过所述曝光单元引起各具有预定轮廓的连续曝光，并且在每种情况下在另外的层曝光之后连续调整构建平台在槽底部上方的位置；并且具有用于加热所述槽中的可光聚合材料的加热单元，其特征在于，所述加热单元具有透明的导电层(33)，其覆盖所述槽底部上方的至少曝光区域的整个区域，并且其在所述曝光区域的外部在所述层的相对侧上设置有在相对侧上延伸的电触点(20)，所述电触点连接到受控电源，以能够通过流过该层的电流加热在所述曝光区域中的所述槽底部上的整个区域的可光聚合材料。
2.根据权利要求1所述的立体光刻装置，其特征在于，所述导电层(33)被施加到作为载体膜(35)的透明塑料膜，所述载体膜(35)又布置在槽底部上方。
3.根据权利要求1所述的立体光刻装置，其特征在于，所述槽底部通过透明塑料载体膜形成在曝光区域中，导电层位于透明塑料载体膜上。
4.根据权利要求1或2所述的立体光刻装置，其特征在于，首先在槽底部(3)上施加透明硅树脂层(32)，在透明硅树脂层(32)上施加导电层(33)，并且在导电层(33)上施加透明塑料保护膜(37)，以覆盖导电层。
5.根据权利要求1或2所述的立体光刻装置，其特征在于，所述导电层(33)位于槽底部(3)之上，在导电层(33)上设置透明硅树脂层(32)，透明硅树脂层(32)最终被布置在其上用于覆盖的塑料保护膜(37)覆盖。
6.根据权利要求1或2所述的立体光刻装置，其特征在于，温度传感器布置在与其导热接触的导电层(33)上，该传感器连接到控制器，该控制器配置成控制流过导电层的电流，使得在槽底部上方的导电层的区域中产生期望的温度或期望的时间-温度曲线。
7.根据权利要求2或3所述的立体光刻装置，其特征在于，由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚氟乙烯丙烯(FEP)制成的膜是用于导电层的塑料载体膜(35)。
8.根据权利要求4所述的立体光刻装置，其特征在于，塑料保护膜(37)是由聚四氟乙烯(PTFE)或聚氟乙烯丙烯(FEP)制成的膜。
9.根据权利要求5所述的立体光刻装置，其特征在于，塑料保护膜(37)是由聚四氟乙烯(PTFE)或聚氟乙烯丙烯(FEP)制成的膜。
10.根据权利要求1或2所述的立体光刻装置，其特征在于，所述导电层的材料具有氧化铟锡(ITO)、掺杂氟的氧化锡(SnO2:F)、掺杂铝的氧化锡(ZnO2:Al)、氧化铝锌(AZO)、掺杂锑的氧化锡(SnO2:Sb)、石墨烯或其它导电碳化合物、导电聚合物或合适的金属化合物。
11.根据权利要求1或2所述的立体光刻装置，其特征在于，所述导电层被实施为使得其具有在1-1000Ω每单位平方面积范围内的薄层电阻。
12.根据权利要求1或2所述的立体光刻装置，其特征在于，在所述曝光区域外部的区域中的槽底部上也设置电加热单元。
13.根据权利要求12所述的立体光刻装置，其特征在于，所述导电层(33)延伸超过所述槽底部(3)上的曝光区域。
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