CN108369379A - 改良的立体光刻系统 - Google Patents

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Abstract

立体光刻系统包含发射装置和设置在所述发射装置上方的贮槽。所述贮槽具有第一光学透明底壁和第二光学透明底壁，且两者之间设置有间隙。存在远离所述贮槽延伸的线性平移台，并且载体平台可沿着所述线性平移台移动远离所述贮槽。在所述贮槽内在所述贮槽的底壁处还存在可湿性材料。流体冷却系统与设置在所述贮槽的所述第一光学透明底壁与所述贮槽的所述第二光学透明底壁之间的所述间隙流体连通。

Description

改良的立体光刻系统
技术领域
本发明涉及一种立体光刻系统，并且具体来说，涉及一种包括贮槽的立体光刻系统，且在贮槽的光学透明底部具有可湿性材料。
背景技术
迪西蒙(DiSimone)等人的PCT申请公开号WO 2014/126837公开了一种形成三维物体的方法，所述PCT申请公开的完整公开内容以引入的方式并入本文中。方法包含提供载体和具有构建表面的光学透明部件。在载体与构建表面之间界定了一构建区域。用可聚合液体填充构建区域并且通过光学透明部件照射构建区域，由可聚合液体形成固体聚合物，同时并行地向前推载体，使它远离构建表面，从而由固体聚合物形成三维物体，同时还并行地：(i)持续地维持与构建表面接触的可聚合液体的盲区，和(ii)持续地维持盲区与固体聚合物之间的聚合区的梯度并保持它们彼此接触，聚合区的梯度包含呈部分固化形式的可聚合液体。还公开了一种用于实施所述方法的设备。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改良的立体光刻系统。
因此提供了这样一种立体光刻系统，它包含发射装置和设置在发射装置上方的贮槽。贮槽具有第一光学透明底壁和第二光学透明底壁，且两者之间设置有间隙。存在远离贮槽延伸的线性平移台和可沿着线性平移台移动远离贮槽的载体平台。在贮槽内在贮槽的第一光学透明底壁处还存在可湿性材料。流体冷却系统与设置在贮槽的第一光学透明底壁与贮槽的第二光学透明底壁之间的间隙流体连通。
可湿性材料可涂布在贮槽的第一光学透明底壁上，或可湿性材料可以是覆盖在贮槽的第一光学透明底壁上的膜。贮槽的第一光学透明底壁在300K下可具有大于20W/(m×K)的热导率。贮槽的第一光学透明底壁可以是蓝宝石玻璃或透明陶瓷尖晶石。
可湿性材料可包括水凝胶，并且在某些实例中，可包括水凝胶和过氧化氢。可湿性材料可包括氢供体和除氧剂。可湿性材料可包括甘油。可湿性材料可包括UV抑制剂。可湿性材料可具有超疏水表面。可湿性材料的超疏水表面的纳米结构可以是垂直排列型表面或分层结构化表面或其组合。可湿性材料的超疏水表面的纳米结构可包括多个凸起，这些凸起的顶部直径在5微米与15微米之间并且按小于10微米的间距隔开。可湿性材料可使用按具有交叉线的图案涂覆的粘合剂粘附到贮槽的底部。
流体冷却系统可将空气泵入设置在贮槽的第一光学透明底壁与贮槽的第二光学透明底壁之间的间隙中。流体冷却系统可将水泵入设置在贮槽的第一光学透明底壁与贮槽的第二光学透明底壁之间的间隙中。可存在一冷却装置来冷却贮槽，并且冷却装置可以是气刀。贮槽的第二光学透明底壁可包括UV OLED或具有UV LED的LCD监视器。贮槽可以进一步包括与可湿性材料流体连通的储水槽。在其它实例中，贮槽的光学透明底壁和发射装置可以是一体的。可存在振动贮槽的振动器。振动器可在25HZ与60HZ之间振动。振动器可以是压电振动器。
还提供了一种立体光刻系统，它包含发射装置和设置在发射装置上方的贮槽。贮槽具有第一光学透明底壁和第二光学透明底壁，且两者之间设置有间隙。存在远离贮槽延伸的线性平移台和可沿着线性平移台移动远离贮槽的载体平台。在贮槽内在贮槽的第一光学透明底壁处还存在硅酮材料。流体冷却系统与设置在贮槽的第一光学透明底壁与贮槽的第二光学透明底壁之间的间隙流体连通。硅酮材料可具有超疏水表面。硅酮材料的超疏水表面的纳米结构可以是垂直排列型表面或分层结构化表面或其组合。硅酮材料的超疏水表面的纳米结构可包括多个凸起，这些凸起的顶部直径在5微米与15微米之间并且按小于10微米的间距隔开。硅酮材料可使用粘合剂，按具有交叉线的图案涂覆粘合剂而被粘附到贮槽的底部。可存在振动贮槽的振动器。振动器可在25HZ与60HZ之间振动。振动器可以是压电振动器。
附图说明
参考附图，从仅作为实例给出的本发明的实施例的以下说明将更容易理解本发明，在附图中：
图1是改良的立体光刻系统的透视图；
图2是图1的立体光刻系统的前正视图；
图3是图1的立体光刻系统的前正视局部剖视图；
图4A是图1的立体光刻系统的贮槽的透视截面视图；
图4B是图1的立体光刻系统的贮槽内的可湿性材料的表面区域的放大视图；
图5A到5D是可在图1的立体光刻系统的贮槽内的可湿性材料的表面区域的替代实施例的放大视图；
图6A到6C是图1的立体光刻系统的贮槽的俯视平面图；
图7是图1的立体光刻系统的局部剖视透视图，显示一物体正在形成；
图8是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的空心部分正通过树脂的连续固化而形成；
图9是图1的立体光刻系统的另一个片段视图，显示物体的空心部分正通过树脂的连续固化而形成；
图10是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的具有相对较小截面的实心部分正通过树脂的连续层状固化而形成；
图11是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的具有相对较小截面的实心部分正通过树脂的连续层状固化而形成，并且可湿性材料随着物体被拉离贮槽底部而弯曲；
图12是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的具有相对较小截面的实心部分正通过树脂的连续层状固化而形成；
图13是图1的立体光刻系统的另一个片段视图，显示物体的具有相对较小截面的实心部分正通过树脂的连续层状固化而形成；
图14是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的具有相对较小截面的实心部分正通过树脂的连续层状固化而形成，其中物体与可湿性材料之间存在间隙；
图15是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的具有相对较小截面的实心部分正通过树脂的连续层状固化而形成，其中树脂部分填充物体与可湿性材料之间的间隙；
图16是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的具有相对较小截面的实心部分正通过树脂的连续层状固化而形成，其中树脂部分填充物体与可湿性材料之间的间隙；
图17是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的具有相对较大截面的实心部分正通过树脂的层状固化而形成；
图18是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的具有相对较大截面的实心部分正通过树脂的层状固化而形成，其中贮槽沿第一方向倾斜；
图19是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的具有相对较大截面的实心部分正通过树脂的层状固化而形成，其中贮槽沿第二方向倾斜；
图20是图1的立体光刻系统的片段视图，显示物体的具有相对较大截面的实心部分正通过树脂的层状固化而形成；
图21是图1的立体光刻系统的另一个片段视图，显示物体的具有相对较大截面的实心部分正通过树脂的层状固化而形成；
图22是可与图1的立体光刻系统一起使用的贮槽的第二实施例的透视截面视图；
图23是可与图1的立体光刻系统一起使用的贮槽的第三实施例的透视截面视图；
图24是可与图1的立体光刻系统一起使用的贮槽的第四实施例的透视截面视图；
图25是可与图1的立体光刻系统一起使用的贮槽的第五实施例的透视截面视图；
图26是可与图1的立体光刻系统一起使用的贮槽的第六实施例的透视截面视图；
图27是另一个改良的立体光刻系统的透视图；
图28是图27的立体光刻系统的贮槽的透视截面视图；
图29是可与图27的立体光刻系统一起使用的贮槽的第二实施例的透视截面视图；
图30是可与图27的立体光刻系统一起使用的贮槽的第二实施例的透视截面视图；以及
图31是流程图，示出了本文中所公开的立体光刻系统的控制器的逻辑。
具体实施方式
参看附图并且首先参看图1和2，示出了改良的立体光刻系统10。立体光刻系统10包含外壳12，外壳12安装在多个脚轮上，例如脚轮14和16，这使得立体光刻系统10能容易地移到所期望的位置。脚轮14和16在结构和功能上是基本上相同的并且各自具有对应的制动器，例如关于其中一个脚轮14所示出的制动器18。制动器18是地面啮合制动器并且能使立体光刻系统10固定在所期望的位置。外壳12具有下部20和上部30。外壳12的下部20包括门22，门22上设置有把手24和锁26，由此允许进入和限制进入外壳12的下部20。外壳12的下部20还设置有通风口28以允许空气在外壳12的下部20循环，通风口28仅在图1中示出。同样，外壳12的上部30也包括门32，门32上设置有把手34和锁36，由此允许进入和限制进入外壳12的上部30。在本实例中，外壳12的上部30的门32上设置有光学透明方框38。
现在参看图3，在外壳12的下部20内部设置有发射装置40。发射装置可以是任何可用于固化或聚合树脂的合适的发光装置。在发射装置上方，在外壳12的上部30的内部设置有贮槽42。在外壳12的上部30中还有线性平移台44。线性平移台44远离贮槽42竖直延伸并且载体平台46可沿着线性平移台44移动。如上所述，立体光刻系统10是一种用于“自上而下(top down)”3D打印技术(three-dimensional printing technique)中的一般常规立体光刻系统，其中物体的截面形成于正在形成的物体的底部。
然而，如最佳在图4A中所示，立体光刻系统10的贮槽42具有新颖结构。贮槽42具有光学透明底壁48。有多个侧壁从贮槽42的底壁48延伸出来，例如侧壁50、52和54。在贮槽42内在贮槽42的底壁48处存在光学透明可湿性材料56。可湿性材料56可以是任何能被润湿的材料，即能持水的材料。在本实例中，可湿性材料56呈膜形式并覆盖在贮槽42的底壁48上。但在其它实例中，可湿性材料56可涂布或形成于贮槽42的底壁48上。可湿性材料56的厚度可介于1毫米与4毫米之间。
图4B示出了可湿性材料56的表面的纳米结构。可湿性材料56的表面的纳米结构包括多个呈截平的圆锥体形式的凸起，例如凸起58a、58b和58c，这些凸起沿着可湿性材料56的表面隔开。在本实例中，凸起58a、58b和58c的底部直径在10微米与20微米之间并且顶部直径在5微米与15微米之间。在本实例中，凸起58a、58b和58c按小于10微米的间距隔开。可湿性材料56的表面的纳米结构使得可湿性材料56的表面是超疏水表面并且可采用合适的替代形式，如图5A到5D中作为说明性实例所示的。在图5B中，可湿性材料的表面的纳米结构包含多个呈圆柱体形式的凸起。在图5C和5D中，可湿性材料的表面的纳米结构是花瓣的纳米结构的仿制品。可湿性材料56的表面的纳米结构可通过化学处理或激光雕刻或光刻制备。可湿性材料56的表面的纳米结构可以是垂直排列型表面或分层结构化表面或其组合。作为选择，仍然可能用例如或另一种疏水性材料涂布可湿性材料56的表面的纳米结构。本领域的普通技术人员应了解，可使用与本段中所述相同或类似的方法为常规“自上而下”立体光刻系统中的硅酮材料(例如层)提供超疏水表面。
现在参看图6A到6C，在本实例中，可湿性材料56通过光学透明粘合剂60，如粘性底涂剂或氰基丙烯酸酯粘合剂，而被固定到贮槽42的底壁48(图6A到6C中未示出)。如图6A中所示，可湿性材料56可仅绕贮槽42的底壁48的周边粘附到底壁48。这使得可湿性材料56能弯曲。可湿性材料56可按如图6B中所示的网格图案粘附到贮槽42的底壁48。这使得可湿性材料65只能在限定区域内弯曲。可通过按如图6C中所示的圆形图案或任何其它具有交叉线的合适图案粘附可湿性材料56来得到类似结果。本领域的普通技术人员应了解，可使用与本段中所述相同或类似的方法将硅酮材料(例如层)粘附到常规“自上而下”立体光刻系统，从而使硅酮材料只能在限定区域内弯曲。
贮槽42还设置有致动器，致动器可以呈振动器62和64的形式。在本实例中，振动器62和64是超声换能器，并且尤其是压电致动器或振动器。然而，可使用任何合适的振动器。振动器62和64在本实例中按垂直方向使用，但在其它实例中可按水平方向使用。振动器62和64可按25Hz与60Hz之间的频率振动。在需要时，振动器62和64起使贮槽42倾斜的作用。然而，在其它实例中可使用任何合适的致动器来使贮槽倾斜，如设置在贮槽两侧上的电动机驱动的线性致动器。
图7显示正由立体光刻系统10的贮槽42中的树脂70形成物体68。在载体平台46上形成物体68时，发射装置40发射光喷射束或光发射束72。在发射装置40发射光喷射束或光发射束72和物体68形成时，载体平台46向上移动远离贮槽42。可取决于正形成的物体或正形成的物体的一部分，使用控制器74控制光喷射束或光发射束的持续时间和强度。因此可使用贮槽42中的树脂70的连续、连续层状或层状固化来形成物体68。立体光刻系统10还可以设置有冷却装置，如冷却风扇76，用于在形成物体68并产生高温时冷却贮槽42和其内容物，即可湿性材料56和树脂70。冷却装置可以或者是气刀或另一种合适的冷却装置。在本文中所公开的立体光刻系统10的操作过程中，因为物体68形成时相对较高的速度而产生了高温。本领域的普通技术人员应了解，通过照射使树脂固化或聚合，从而形成物体68的截面。
因为树脂固化时产生了热量，所以期望尽可能多的散热，尤其是在持续形成物体68时。通过用具有高热导率的材料形成贮槽42的底壁48，能够更快地散热，因为累积的热量减少了，所以物体68的截面大小和高度能够增加。此外，如果贮槽42的底壁48具有高热导率，那么可湿性材料和/或树脂中一般不会形成气泡。在可湿性材料和/或树脂中形成气泡可不利地影响物体68的形成。
因此期望由具有高热导率的光学透明材料形成贮槽42的底壁48。蓝宝石玻璃在300K下的热导率是25W/(m×K)，可用它来形成贮槽42的底壁48。透明陶瓷尖晶石在300K下的热导率是25W/(m×K)，也可用它来形成贮槽42的底壁48。还可以使用具有高热导率的低铁玻璃，如StarphireTM玻璃。但也可以由丙烯酸玻璃或钠钙玻璃或钠钙硅玻璃形成贮槽42的底壁48，丙烯酸玻璃在25K下的热导率是0.20W/(m×K)，钠钙玻璃或钠钙硅玻璃在25K下的热导率是0.95W/(m×K)。
如图8和9中所示，在物体68的空心部分78的形成过程中，控制器74可缩短光喷射束或光发射束72的持续时间并增加光喷射束或光发射束72的强度。在空心部分78的形成过程中，因为较小的表面区域被固化，所以树脂固化或聚合所需的时间较少，因此缩短光喷射束或光发射束72的持续时间。但是，为了通过物体68的截面的连续形成加速物体68的形成，在空心部分78的形成过程中增加光喷射束或光发射束72的强度。图8和9示出了在贮槽42的底壁48处的可湿性材料56与正由贮槽42中的树脂70形成的物体68之间的空隙80。空隙80使得物体68能持续地形成，因为物体68不是直接形成在贮槽42的底壁48上的，由此大体上摆脱了在物体68的空心部分78的形成过程中将物体68剥离或拉离贮槽42的底壁48的要求。
在物体68的具有相对较小截面的实心部分82的形成过程中，如图10到13中所示，控制器74可在实心部分82的形成过程中增加光喷射束或光发射束72的持续时间并降低光喷射束或光发射束72的强度。在实心部分82的形成过程中，因为较大的表面区域被固化，所以树脂需要额外的时间进行固化或聚合，因此增加光喷射束或光发射束72的持续时间。在实心部分82的形成过程中，为了使余热降到最低，降低光喷射束或光发射束72的强度，余热可使可湿性材料56变干。图10和13也示出了在贮槽42的底壁48处的可湿性材料56与正由贮槽42中的树脂70形成的物体68之间的空隙80。空隙80使得物体68能够通过树脂70的连续层状固化而形成，因为在物体68的实心部分82的形成过程中，物体68不是直接形成在贮槽42的底壁48上的并且物体68能够被容易地拉离贮槽42的底壁48，如最佳在图10和11中所示。这是因为可湿性材料56能够在限定区域内弯曲，如在可湿性材料56的区域84所示，由此减小了拉离物体68所需的力。这缩短了形成物体68的实心部分82的截面所需的时间。
现在参看图14到17，还可以通过直到树脂填满物体68的底部88与贮槽42的底壁48之间的间隙86时才提供光喷射束或光发射束，来防止在物体68中形成气泡。在物体68的形成过程中，并且如最佳在图14中所示，随着载体平台46远离贮槽42的底壁48移动，在空隙80与物体68的底部88之间短暂地存在过间隙86。间隙86几乎瞬间就被树脂70填充，如图15和16中所示。但是，如果物体68的截面在树脂70完全填满间隙86之前就形成了，如图15中所示，那么在物体68的截面形成过程中，随着间隙86周围的树脂固化，间隙86就会在物体68中形成气泡。因此期望等到间隙86基本上填完树脂70为止，如图16中所示，然后再形成物体68的截面。这可以通过给控制器74设计一个采用以下算法的程序来实现。
步骤1：开始。
步骤2：移动物体68，使它远离贮槽48的底部，如图14中所示。
步骤3：在树脂流到正在形成的物体68的底部88与空隙80之间的间隙86中时，如图15和16中所示，暂时不发射光。
步骤4：当树脂70填满了正在形成的物体68的底部88与空隙80之间的间隙86时，如图17中所示，发射光以固化树脂，从而形成正在形成的物体68的所期望的截面。
步骤5：重复步骤2。
在物体68的具有相对较大截面的实心部分90的形成过程中，如图18到21中所示，可能需要使贮槽42倾斜以微微剥离物体68的实心部分90。在载体平台46远离贮槽42移动的同时，如图18和19中所示，图6A到6C中所示的振动器62和64交替振动。这有助于树脂70在物体68与可湿性材料56之间流动，如图20中所示。接着可以形成物体68区域的另一个截面，如图21中所示。使载体平台46复位并重复所述过程直到物体68完全形成为止。
振动器62和64在任何不发射光来固化或聚合树脂70的时候启动。振动器62和64还可以用于辅助树脂70的流动。振动器62和64可以定位成使得贮槽42一侧的振动器向上振动而贮槽相对侧的振动器向下振动。可以基于正在形成的物体68的截面选择性致动振动器62和64，从而产生最有效的振动组合。
图22示出了可与本文中所公开的立体光刻系统10一起使用的贮槽的第二实施例110。贮槽110基本上类似于图4A中所示的贮槽42。贮槽110具有光学透明底壁112，在贮槽110内在贮槽110的底壁112处具有可湿性材料114。然而，在贮槽110的第一侧面设置有致动器116并且在其第二侧面设置有铰链机构118。在本实例中，致动器116是电动机驱动的线性致动器，它使得贮槽110绕着铰链机构118枢转，以便使贮槽110倾斜。
图23示出了可与本文中所公开的立体光刻系统10一起使用的贮槽的第三实施例120。贮槽120基本上类似于图4A中所示的贮槽42。贮槽120具有光学透明底壁122，在贮槽120内在贮槽120的底壁122处具有可湿性材料124。然而，贮槽120进一步具有与可湿性材料124流体连通的储水槽126。储水槽126中可存在水，可将此水施用于可湿性材料124，使可湿性材料保持湿润。
图24示出了可与本文中所公开的立体光刻系统10一起使用的贮槽的第四实施例130。贮槽130基本上类似于图4A中所示的贮槽42，显著例外之处是贮槽140具有由可湿性材料形成的光学透明底壁132。
图25示出了可与本文中所公开的立体光刻系统10一起使用的贮槽的第五实施例140。贮槽140基本上类似于图4A中所示的贮槽42。贮槽140具有光学透明底壁142，在贮槽140内在贮槽140的底壁142处具有可湿性材料144。然而，贮槽140进一步具有闭合回路树脂再循环和/或树脂冷却系统150，它包括与输入管道154流体连通的泵152。输入管道154具有三个输入端口156a、156b和156c，它们实现了输入管道154与贮槽140之间的流体连通。闭合回路树脂再循环和/或树脂冷却系统150还包括输出端口158，输出端口158实现了贮槽140与输出管道160之间的流体连通。在输出端口158与泵152之间沿着输出管道160设置有盘管162。在操作中，泵152通过输出端口158将树脂从贮槽140抽出。树脂通过输出管道160流到泵152，并且随着它流动通过盘管162，可得到冷却。泵152接着将树脂泵送通过输入管道154并通过输入端口156a、156b和156c回到贮槽140中。树脂以约100mm/min的流速流到贮槽140中以使得在树脂中的湍流降到最低并且流到贮槽140中邻近其底壁142处。本领域的普通技术人员应了解，闭合回路树脂再循环和/或树脂冷却系统还可与常规“自上而下”立体光刻系统中的贮槽一起使用。
图26示出了可与本文中所公开的立体光刻系统10一起使用的贮槽的第六实施例170。贮槽170具有第一光学透明底壁172a和第二光学透明底壁172b。将贮槽170的第一底壁172a和贮槽170的第二底壁172b隔开并且两者之间存在间隙173。可湿性材料174是在贮槽170内在贮槽170的第一底壁172a处。贮槽170进一步具有闭合回路流体冷却系统180，它包括与输入管道184流体连通的泵182。输入管道184具有输入端口186，输入端口186实现了输入管道184与贮槽170的第一底壁172a和贮槽170的第二底壁172b之间的间隙173之间的流体连通。闭合回路流体冷却系统180还包括输出端口188，输出端口188实现了输出管道190与贮槽170的第一底壁172a和贮槽170的第二底壁172b之间的间隙173之间的流体连通。在输出端口188与泵182之间沿着输出管道190设置有盘管192。在操作时，泵182将流体泵入贮槽170的第一底壁172a与贮槽170的第二底壁172b之间的间隙173中。流体可以是空气或水，它用于冷却贮槽170的第一底壁172a和防止对可湿性材料174造成热损坏。流体接着通过输出端口188抽出并通过输出管道190流到泵182，并且随着它流动通过盘管192，可得到冷却。泵182接着将冷却后的流体泵送通过输入管道184并通过输入端口186回到贮槽170的第一底壁172a与贮槽170的第二底壁172b之间的间隙173中。本领域的普通技术人员应了解，闭合回路流体冷却系统还可与常规“自上而下”立体光刻系统中的贮槽一起使用。
图27示出了另一个改良的立体光刻系统210，它与图7中所示的立体光刻系统10基本上相同，显著例外之处是发光装置240与贮槽220集成并且立体光刻系统210的冷却装置是气刀212。贮槽220更详细地示出在图28中并且大体上类似于图4A中所示的贮槽42。贮槽220具有光学透明底壁222，在贮槽220内在贮槽220的底壁222处具有可湿性材料224。然而，贮槽220的底壁222进一步包括沿着其周边边缘设置的多个发光装置，例如发光装置226和228。发光装置提供连续光发射以形成物体。贮槽的底壁可以是改良的LCD监视器，其中LCD监视器的白色背光灯替换成了起发光装置作用的UV LED灯。这使得以前本来在白光中投影在LCD监视器上的图像将在UV光喷射束或发射束中连续投影，按图像的形状形成物体。本领域的普通技术人员应了解，LCD监视器的白色背光灯替换成了起发光装置作用的UV LED灯的改良的LCD监视器还可用作常规“自上而下”立体光刻系统中的贮槽的底壁。
图29示出了可与本文中所公开的立体光刻系统一起使用的贮槽的第二实施例230。贮槽230基本上类似于图4A中所示的贮槽42。贮槽230具有光学透明底壁232，在贮槽230内在贮槽230的底壁232处具有可湿性材料234。然而，在贮槽230的底壁232处存在UV有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)236。UV OLED起发光装置作用。本领域的普通技术人员应了解，起发光装置作用的UV OLED还可与常规“自上而下”立体光刻系统中的贮槽一起使用。
图30示出了可与本文中所公开的立体光刻系统10一起使用的贮槽的第三实施例240。贮槽240具有第一光学透明底壁242a和采用起发光装置作用的UV有机发光二极管(OLED)形式的第二底壁242b。将贮槽240的第一底壁242a和贮槽240的第二底壁242b隔开并且两者之间存在间隙243。可湿性材料244是在贮槽240内在贮槽240的第一底壁242a处。贮槽240进一步具有闭合回路流体冷却系统250，它包括与输入管道254流体连通的泵252。输入管道254具有输入端口256，输入端口256实现了输入管道254与贮槽240的第一底壁242a和贮槽240的第二底壁242b之间的间隙243之间的流体连通。闭合回路流体冷却系统250还包括输出端口258，输出端口258实现了输出管道260与贮槽240的第一底壁242a和贮槽240的第二底壁242b之间的间隙243之间的流体连通。在输出端口280与泵252之间沿着输出管道260设置有盘管262。在操作时，泵252将流体泵入贮槽240的第一底壁242a与贮槽240的第二底壁242b之间的间隙243中。流体可以是空气或水，它用于冷却贮槽240的第一底壁242a和防止对可湿性材料244造成热损坏。流体接着通过输出端口258抽出并通过输出管道260流到泵252，并且随着它流动通过盘管262，可得到冷却。泵252接着将冷却后的流体泵送通过输入管道254并通过输入端口256回到贮槽240的第一底壁242a与贮槽240的第二底壁242b之间的间隙243中。本领域的普通技术人员应了解，闭合回路流体冷却系统还可与常规“自上而下”立体光刻系统中的贮槽一起使用。
立体光刻系统210还具有控制与贮槽集成的发光装置的控制器214。
图31是流程图，示出了本文中所公开的立体光刻系统的控制器的逻辑。当执行最佳算法时，控制器确定物体应该通过树脂的连续固化、连续层状固化还是层状固化来形成。
可湿性材料
可湿性材料56可以是水凝胶，例如硅酮水凝胶，或任何其它适合在可湿性材料56与贮槽42中的树脂之间的界面处产生空隙80或“盲区”的可湿性材料，如图21到29中所示。空隙80可以是可湿性材料56与贮槽42中的树脂之间的分子间斥力的结果和/或空隙80可以是将可湿性材料56与树脂隔开的水层的结果，因为树脂和水是不可混溶的。可湿性材料56与树脂之间的隔开效果可通过在可湿性材料56中加入甘油来改良，因为甘油与树脂不可混溶。可湿性材料56与树脂之间的隔开效果可通过在可湿性材料56中加入UV抑制剂和甘油而得到进一步改良。UV抑制剂和甘油的加入防止了在与可湿性材料56的界面处很薄的一层树脂的固化。
甘油和UV抑制剂在可湿性材料56中的浓度取决于所用树脂的类型。甘油在可湿性材料56中的浓度可低至1体积％，这适合于基于水凝胶的可湿性材料；且可高达95体积％，这适合于基于甘油凝胶的可湿性材料。UV抑制剂在可湿性材料56中的浓度可介于0.5体积％与25体积％之间。含有较多光引发剂的高反应性树脂可能需要较多甘油和较多UV抑制剂，而含有较少光引发剂的低反应性树脂可能需要较少甘油和较少UV抑制剂。
基于水凝胶的可湿性材料
可湿性材料56中所用的水凝胶可通过任何方法制备，举例说明以下一般方法：
聚(丙烯酸)水凝胶可在丙烯酸和/或其盐的溶液中，采用水溶性交联剂，例如亚甲基双丙烯酰胺，按浓度为10％到70％的水溶液，并且使用甲氧基氢醌(methoxyhydroquinone，MHC)作为抑制剂来制备。这可产生凝胶弹性产物结晶，它可以经过干燥和粉碎，储存起来。
超吸收性水凝胶可制备为丙烯酰胺与双丙烯酰胺的混合物，丙烯酰胺作为单体，双丙烯酰胺作为交联剂，在去离子水中进行稀释。
聚乙二醇水凝胶可通过以下制备：使用自由基产生剂(UV引发剂)交联聚乙二醇丙烯酸酯，接着使用体积单甲醚氢醌(monomethylether hydroquinone，MEHQ)作为抑制剂稳定水凝胶。
物理交联的水凝胶可通过将溶液中的κ-卡拉胶(Kappa-Carrageenan)一直温热到在分子中形成螺旋形状为止来制备。额外使用含盐(Na+、K+)溶液将引起螺旋进一步聚集形成稳定凝胶。
海藻酸钠水凝胶可制备为倒入1wt.％氯化钙混合物中的wt.2％海藻酸钠混合物。
基于聚(乙二醇)的图案化水凝胶可通过将聚(乙二醇)溶解在含有2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮作为光引发剂的水溶液中来制备。在UV固化工艺过程中使用光刻技术来获得所期望的图案。
PEGDA冻干凝胶可通过混合冷冻干燥的PEGDA与水和光引发剂并暴露于UV光(365nm)以形成水凝胶结构来制备。
基于聚乙烯吡咯烷酮的水凝胶可通过根据特定应用的需要混合聚乙烯吡咯烷酮与过氧化氢并使用UV光(254nm)交联以形成凝胶结构来制备。
胶原蛋白/HEMA水凝胶可通过使用与HEMA单体、过硫酸铵和焦亚硫酸钠混合的胶原蛋白溶液制备。
聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶可通过混合SucMA、甲基丙烯酸羟乙酯，使用三丙二醇二丙烯酸酯作为交联剂并使用过硫酸铵和焦亚硫酸钠作为自由基引发剂来制备。
聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶还可以通过热聚合制备。可以三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯作为交联剂并以过氧化苯甲酰作为自由基引发剂来聚合甲基丙烯酸羟甲酯。接着根据水凝胶的特征，将混合物温热到75℃，持续一段时间。
可使用以上所提到的水凝胶和20％到50％的浓过氧化氢，使用介于40ml与60ml之间的水凝胶和介于60ml与80ml之间的过氧化氢的混合物制备可湿性材料。还可使用以上所提到的水凝胶，使用水凝胶和全氟化碳的混合物制备可湿性材料。这可产生表面层抑制聚合的富氧可湿性材料。
还可使用以上所提到的水凝胶，使用水凝胶与氢供体和除氧剂的混合物制备可湿性材料。下文提供水凝胶的特定实例。
实例1：基于水凝胶的可湿性材料可包括1体积％琼脂、25体积％甘油、0.5体积％单甲醚氢醌(MEHQ)、1体积％锗烷II、72.5体积％去离子水。
向混合槽中加入去离子水，确保良好涡旋，接着缓慢地加入单甲醚氢醌、甘油、锗烷II以及琼脂。混合至少四小时。
通过将所期望的体积的混合物加热到95℃并将温度在95℃下保持五分钟或一直保持到混合物均匀为止，得到用于浇注水凝胶的制剂。将混合物倒入模具中并放置二十四到四十八小时。
为了使水凝胶获得更好的机械强度，可增加琼脂浓度。
为了获得更好的机械强度或为了获得更好的耐热性，甘油浓度可不同。
为了实现在打印过程中进一步抑制树脂聚合，从而减小或增加空隙或“盲区”，单甲醚氢醌浓度可不同。
实例2：基于水凝胶的可湿性材料可包括1体积％琼脂、25体积％甘油、0.5体积％单甲醚氢醌(MEHQ)、1体积％锗烷II、72.5体积％在去离子水中稀释过的15％浓过氧化氢。
向混合槽中加入去离子水，确保良好涡旋，接着缓慢地加入单甲醚氢醌、甘油、锗烷II以及琼脂。混合至少四小时。在临加热混合物进行浇注之前加入浓过氧化氢。
通过将所期望的体积的混合物加热到95℃并将温度在95℃下保持五分钟或一直保持到混合物均匀为止，得到用于浇注水凝胶的制剂。将混合物倒入模具中并放置二十四到四十八小时。
为了增加打印过程中对树脂聚合的抑制，过氧化氢浓度可不同。
实例3：基于水凝胶的可湿性材料可包括1体积％到2体积％的琼脂、25体积％甘油、0.5体积％单甲醚氢醌(MEHQ)、1体积％锗烷II、0.4体积％到2体积％的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)、69.5体积％到72.1体积％的去离子水。
向混合槽中加入去离子水，确保良好涡旋，接着缓慢地加入单甲醚氢醌、甘油、锗烷II、琼脂以及聚乙烯醇。混合至少四小时。
通过将所期望的体积的混合物加热到95℃并将温度在95℃下保持五分钟或一直保持到混合物均匀为止，得到用于浇注水凝胶的制剂。将混合物倒入模具中并放置二十四到四十八小时。
为了改良机械特性，聚乙烯醇浓度可不同。
为了增加打印过程中对树脂聚合的抑制，可向混合物中加入在去离子水中稀释后的浓过氧化氢。
实例4：基于水凝胶的可湿性材料可包括聚乙二醇二丙烯酸酯(polyethyleneglycol diacrylate，PEGDA)，它使用由N,N,N',N'-四甲基乙二胺(N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine，TMEDA)和氧化剂组成的促进剂溶液制备，氧化剂例如过硫酸铵(ammonium persulfate，APS)。
向促进剂溶液中加入5％与30％之间的已知浓度的聚乙二醇二丙烯酸酯。此溶液通过在10毫摩尔与50毫摩尔之间的范围内混合N,N,N',N'-四甲基乙二胺与蒸馏水来制备。通过向蒸馏水中加入过硫酸铵，制备浓度在10毫摩尔与50毫摩尔之间的范围内的过硫酸铵溶液。反应在大约37℃的温度下进行两到三小时。
这种基于水凝胶的可湿性材料的变化可通过用过氧化氢替换蒸馏水来实现。
实例5：基于水凝胶的可湿性材料可包括聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)，它通过UV光聚合制备，使用光引发剂来实现聚合，例如819苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-氧化膦、651(2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮)、2959(1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮)或任何其它考虑到光引发剂的有效波长是适合的光引发剂。
聚乙二醇二丙烯酸酯/蒸馏水/光引发剂的混合物通过混合已知量的聚乙二醇二丙烯酸酯到5％与30％之间的最终浓度和光引发剂(0.05-2.0％)来获得。向聚乙二醇二丙烯酸酯中加入光引发剂，接着在搅拌的同时加热到65℃，直到光引发剂完全溶解并且均匀为止。通过加入蒸馏水使聚乙二醇二丙烯酸酯与光引发剂的混合物达到最终体积并且搅拌直到混合物完全溶解为止。使此最终溶液暴露于UV光源十到二十分钟，形成水凝胶。所得水凝胶用水轻轻冲洗，去除任何未反应的化学物质。
使用过氧化氢代替蒸馏水，使用之前所述的相同比例，获得这种配制品的变化形式。
实例6：基于水凝胶的可湿性材料可包括聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)，它通过UV光聚合制备并以70％的浓度溶解在乙醇中，UV光聚合借助于使用光引发剂来实现聚合，光引发剂例如819苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-氧化膦、651(2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮)、2959(1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮)或任何其它考虑到光引发剂的有效波长是适合的光引发剂。
浓度在5％与20％之间的乙醇/光引发剂的溶液通过将光引发剂溶解在乙醇中来制备。溶液必须搅拌并加热到60℃，直到光引发剂溶解为止。在光引发剂溶解后，必须将温度维持在大约60℃下。聚乙二醇二丙烯酸酯(5％-30％)/蒸馏水溶液通过将已知量的聚乙二醇二丙烯酸酯加入到蒸馏水中来制备。搅拌混合物直到它完全均匀为止。接着按在1-5体积％范围内的浓度向聚乙二醇二丙烯酸酯/蒸馏水溶液中加入乙醇和光引发剂并搅拌直到完全均匀为止。使最终溶液暴露于UV光源十到二十分钟。使用蒸馏水轻轻洗涤所得水凝胶。
这种配制品还可以使用过氧化氢代替蒸馏水制备混合物来获得。
实例7：基于水凝胶的可湿性材料包括丙烯酰胺(acrylamide，AAm)、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(N,N'-methylenebisacrylamide，MBAAm)、过硫酸铵(APS)以及N,N,N',N'-四甲基乙二胺(N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine，TEMED)。
制备浓度为5％到25％w/v的过硫酸铵溶液。在干燥的烧瓶中混合浓度为5％到20％w/v的丙烯酰胺与浓度为0.005到0.020％w/v的N'-亚甲基双丙烯酰胺。接着加入对应的量的蒸馏水，获得所期望的浓度。在搅拌板中使用磁棒低速搅拌所得溶液，直到所有反应物完全溶解为止。接着加入过硫酸铵溶液(0.100-2.0％v/v)和N,N,N',N'-四甲基乙二胺(0.020-1.0％v/v)来引发聚合。将溶液用手温和地搅拌五到七次以混合所有组分，并立刻倒入模具中。在反应温度下发生聚合120到180分钟。将所得水凝胶浸没在蒸馏水中，持续三天，每六到八小时换水以去除任何未反应的单体。
可使用真空泵对单体溶液进行除氧。这为了去除任何在丙烯酰胺和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的搅拌过程中溶解的氧。
实例8：具有高度亲水性结构的聚丙烯酰胺水凝胶通过在聚合反应过程中使用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)来获得。使用以下反应物合成水凝胶：聚乙二醇二丙烯酸酯、丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBAAm)、N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)以及过硫酸铵(APS)。
使用蒸馏水制备已知体积的浓度在0.020-0.100摩尔之间的过硫酸铵溶液。还制备了0.10-0.50摩尔之间的N,N,N',N'-四甲基乙二胺溶液。过硫酸铵溶液和N,N,N',N'-四甲基乙二胺溶液将是氧化还原引发剂系统。将反应物按以下浓度溶解在蒸馏水中：丙烯酰胺介于5％与30％之间，过硫酸铵溶液介于5％与30％之间，并且N,N'-亚甲基双丙烯酰胺介于1.0％与5.0％之间。接着将聚乙二醇二丙烯酸酯(2％到30％w/v)溶解在单体溶液中并慢慢地搅拌直到完全溶解为止。一旦聚乙二醇二丙烯酸酯溶解，就加入浓度在5％与20％v/v之间的N,N',N'-四甲基乙二胺溶液并用手搅拌五到八次。接着立刻将溶液倒入模具中并使聚合进行十二小时。一旦聚合完成，就将所得水凝胶浸没在蒸馏水中以去除任何未反应的单体，并且每六到八小时小时换水，持续三天。
可使用真空泵对单体溶液进行除氧。
基于甘油的可湿性材料
基于甘油的凝胶可在甘油水溶液中制备，其中甘油的重量百分比根据应用的热要求而改变。可湿性材料可以是排斥树脂并且能够承受高温的甘油凝胶。
本领域的普通技术人员应了解，以上所提供的详情中的很多只是用来举例说明，并且并不打算限制本发明的范围，本发明的范围应参考以下权利要求书来确定。

Claims (36)

1.一种立体光刻系统，包含：
发射装置；
设置在所述发射装置上方的贮槽，所述贮槽具有第一光学透明底壁和第二光学透明底壁，且两者之间设置有间隙；
远离所述贮槽延伸的线性平移台和可沿着所述线性平移台移动远离所述贮槽的载体平台；
在所述贮槽内在所述贮槽的所述第一光学透明底壁处的可湿性材料；以及
流体冷却系统，与设置在所述贮槽的所述第一光学透明底壁与所述贮槽的所述第二光学透明底壁之间的所述间隙流体连通。
2.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述可湿性材料涂布在所述贮槽的所述第一光学透明底壁上。
3.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述可湿性材料是覆盖在所述贮槽的所述第一光学透明底壁上的膜。
4.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述可湿性材料包括水凝胶。
5.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述可湿性材料包括水凝胶和过氧化氢。
6.根据权利要求1、4或5中任一项所述的立体光刻系统，其中所述可湿性材料包括氢供体和除氧剂。
7.根据权利要求1、4或5中任一项所述的立体光刻系统，其中所述可湿性材料包括甘油。
8.根据权利要求1、4或5中任一项所述的立体光刻系统，其中所述可湿性材料包括UV抑制剂。
9.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述可湿性材料具有超疏水表面。
10.根据权利要求9所述的立体光刻系统，其中所述超疏水表面的纳米结构是垂直排列型表面或分层结构化表面或其组合。
11.根据权利要求9所述的立体光刻系统，其中所述超疏水表面的纳米结构包括多个凸起，所述凸起的顶部直径在5微米与15微米之间并且按小于10微米的间距隔开。
12.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述贮槽的所述光学透明底壁在300K下的热导率大于20W/(m×K)。
13.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述贮槽的所述第一光学透明底壁是蓝宝石玻璃。
14.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述贮槽的所述第一光学透明底壁是透明陶瓷尖晶石。
15.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述可湿性材料使用按具有交叉线的图案涂覆的粘合剂粘附到所述贮槽的所述第一光学透明壁上。
16.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述流体冷却系统将空气泵入设置在所述贮槽的所述第一光学透明底壁与所述贮槽的所述第二光学透明底壁之间的所述间隙中。
17.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述流体冷却系统将水泵入设置在所述贮槽的所述第一光学透明底壁与所述贮槽的所述第二光学透明底壁之间的所述间隙中。
18.根据权利要求1所述的立体光刻系统，进一步包括冷却所述贮槽的冷却装置。
19.根据权利要求18所述的立体光刻系统，其中所述冷却装置是气刀。
20.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述贮槽的所述第二光学透明底壁包括UV OLED或具有UV LED的LCD监视器。
21.一种立体光刻系统，包含：
发射装置；
设置在所述发射装置上方的贮槽，所述贮槽具有第一光学透明底壁和第二光学透明底壁，且两者之间设置有间隙；
远离所述贮槽延伸的线性平移台和可沿着所述线性平移台移动远离所述贮槽的载体平台；
在所述贮槽内在所述贮槽的所述第一光学透明底壁处的硅酮材料；以及
流体冷却系统，与设置在所述贮槽的所述第一光学透明底壁与所述贮槽的所述第二光学透明底壁之间的所述间隙流体连通。
22.根据权利要求21所述的立体光刻系统，其中所述硅酮材料具有超疏水表面。
23.根据权利要求22所述的立体光刻系统，其中所述超疏水表面的纳米结构是垂直排列型表面或分层结构化表面或其组合。
24.根据权利要求22所述的立体光刻系统，其中所述超疏水表面的纳米结构包括多个凸起，所述凸起的顶部直径在5微米与15微米之间并且按小于10微米的间距隔开。
25.根据权利要求21所述的立体光刻系统，其中所述贮槽的所述第一光学透明底壁在300K下的热导率大于20W/(m×K)。
26.根据权利要求21所述的立体光刻系统，其中所述贮槽的所述第一光学透明底壁是蓝宝石玻璃。
27.根据权利要求21所述的立体光刻系统，其中所述贮槽的所述第一光学透明底壁是透明陶瓷尖晶石。
28.根据权利要求21所述的立体光刻系统，其中所述硅酮材料使用按具有交叉线的图案涂覆的粘合剂粘附到所述贮槽的所述第一光学透明底壁上。
29.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述流体冷却系统将空气泵入设置在所述贮槽的所述第一光学透明底壁与所述贮槽的所述第二光学透明底壁之间的所述间隙中。
30.根据权利要求1所述的立体光刻系统，其中所述流体冷却系统将水泵入设置在所述贮槽的所述第一光学透明底壁与所述贮槽的所述第二光学透明底壁之间的所述间隙中。
31.根据权利要求21所述的立体光刻系统，进一步包括冷却所述贮槽的冷却装置。
32.根据权利要求31所述的立体光刻系统，其中所述冷却装置是气刀。
33.根据权利要求21所述的立体光刻系统，其中所述贮槽的所述第二光学透明底壁包括UV OLED或具有UV LED的LCD监视器。
34.根据权利要求1或21所述的立体光刻系统，进一步包括振动所述贮槽的振动器。
35.根据权利要求34所述的立体光刻系统，其中所述振动器在25HZ与60HZ之间振动。
36.根据权利要求34所述的立体光刻系统，其中所述振动器是压电振动器。
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