CN110062690A - 具有力监测和反馈的连续液体界面生产 - Google Patents

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Abstract

一种制造三维物体（31）的方法，其通过以下步骤进行：(a)提供载体（15）和具有构建表面的光学透明构件（12），所述载体（15）和所述构建表面界定出二者间的构建区，所述光学透明构件（12）带有可聚合液体（21）；(b)推进所述载体（15）和所述光学透明构件（12）彼此远离，以将所述可聚合液体（21）吸入所述构建区；然后(c)任选地，使所述载体（15）和所述光学透明构件（12）朝向彼此部分缩回；并且然后(d)用光照射所述构建区以由所述可聚合液体（21）形成生长的三维物体（31）；并且然后(e)在维持所述生长的三维物体（31）与所述光学透明构件（12）之间的连续液体界面（22）的同时，周期性重复步骤(b)至(d)，直至形成所述三维物体（31）的至少一部分，在所述周期性重复中的至少一些期间时：(i)在所述推进步骤(b)期间监测所述载体（15）与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体（31）的张力的瞬时增大，并任选地在所述部分缩回步骤(c)期间监测所述载体（15）与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当张力的瞬时增大已基本上减退时，(ii)开始所述部分缩回步骤(c) (当存在时)，或开始所述照射步骤(d)。

Description

具有力监测和反馈的连续液体界面生产
相关申请
本申请要求2016年12月14日提交的美国临时专利申请序列号62/433,829的权益，所述临时专利申请的公开内容通过引用以其全部并入本文。
发明领域
本发明涉及立体光刻方法和设备，特别是用于进行连续液体界面生产的那些。
发明背景
J. DeSimone等人，Continuous Liquid Interphase Printing，PCT申请号WO2014/1268372 (2014年8月21日公布；还参见美国专利号9,205,601)描述了一种从窗口起的改进立体光刻方法，其中通过使聚合抑制剂、诸如氧或碱穿过窗口(或离开窗口内的“池”)，对窗口的粘附得以抑制，从而形成非聚合释放层或"死区"，其随生长的三维物体形成“液体界面”，进而允许三维物体由该界面连续或无层地生产(还参见J. Tumbleston等人，Continuous liquid interface production of 3D Objects，Science 347，1349-1352(2015年3月16日在线公布))。用于进行连续液体界面生产(或"CLIP")的其他方法包括：利用包含不混溶液体的液体界面(参见L. Robeson等人，WO 2015/164234，2015年10月29日公布)，通过电解生成氧作为抑制剂(参见I. Craven等人，WO 2016/133759，2016年8月25日公布)，以及将耦合光活化剂的可磁定位的颗粒掺入可聚合液体(参见J. Rolland，WO 2016/145182，2016年9月15日公布)。
Ermoshkin等人，Three-Dimensional Printing with Reciprocal Feeding of Polymerizable Liquid，PCT申请公布号WO 2015/195924 (2015年12月23日公布)描述了CLIP方法，其中以逐步形式或交互形式推进载体，以促进粘性可聚合液体流入构建区中(具体参见其中的图22-25和27A-29B以及相关联文本)。
CLIP的一个优点是可制造物体的速度。CLIP的另一个优点是可在该方法中使用的(通常粘性的)可聚合液体的多样性，诸如J. Rolland等人，美国专利号9,453,142 (和其他者)中所描述的“双重固化”树脂。然而，在一些情况下，由于材料的固有柔性，这类树脂所形成的中间三维物体自身是柔性而非刚性的。在其他情况下，由于物体的几何形状，在物体生产的早期，中间体可为相对刚性的，但随着生产进行，物体可总体变得越来越柔性(或“柔顺(compliant)”)。在类似这些的情况下，所生产的柔顺物体可能不能克服物体对构建表面的流体粘附，并使流体流入构建区中(特别是在逐步或交互操作模式期间)。
加速生产中的另一个潜在复杂情况是过早的光活化。如果在分步模式中曝光被过早活化，而树脂仍在流入构建区，则可能出现物体中未固化的内部树脂通道(可作为物体上的表面点蚀观察到)。并且如果在交互模式中曝光被过早活化，而树脂在流出构建区，则可能出现物体表面的起霜或起绒毛(有时称为“边缘现象”)。因此，需要实施连续液体界面生产的新方法。
发明内容
本发明的第一方面是一种制造三维物体的方法，所述方法通过以下步骤进行：(a)提供载体和具有构建表面的光学透明构件，载体和构建表面界定出二者间的构建区，光学透明构件带有可聚合液体；(b)推进载体和光学透明构件彼此远离，以将可聚合液体吸入构建区；然后(c)任选地，使载体和光学透明构件朝向彼此部分缩回；并且然后(d)用光照射构建区以由可聚合液体形成生长的三维物体；并且然后(e)在维持生长的三维物体与光学透明构件之间的连续液体界面的同时，周期性重复步骤(b)至(d)，直至形成三维物体的至少一部分，在周期性重复中的至少一些期间时：(i)在推进步骤(b)期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的张力的瞬时增大，并任选地在部分缩回步骤(c)期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当张力的瞬时增大已基本上减退时，(ii)开始部分缩回步骤(c) (当存在时)，或开始照射步骤(d)。在一些实施方案中，在周期性重复中的至少一些期间，不存在部分缩回步骤(c)；在其他实施方案中，在周期性重复中的至少一些期间，存在部分缩回步骤(c)。在一些实施方案中，所述方法还包括，在周期性重复中的至少一些期间：(iii)在部分缩回步骤(c)期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当压缩的瞬时增大已基本上减退时，(iv)开始照射步骤(d)。
本发明的另一个方面是一种制造三维物体的方法，所述方法通过以下步骤进行：(a)提供载体和具有构建表面的光学透明构件，载体和构建表面界定出二者间的构建区，光学透明构件带有可聚合液体；(b)推进载体和光学透明构件彼此远离，以将可聚合液体吸入构建区；然后(c)使载体和光学透明构件朝向彼此部分缩回；并且然后(d)用光照射构建区以由可聚合液体形成生长的三维物体；并且然后(e)在维持生长的三维物体与光学透明构件之间的连续液体界面的同时，周期性重复步骤(b)至(d)，直至形成三维物体的至少一部分，在周期性重复中的至少一些期间时：(i)任选地，在推进步骤(b)期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的张力的瞬时增大，并任选地在部分缩回步骤(c)期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当张力的瞬时增大已基本上减退时，(ii)任选地，开始部分缩回步骤(c) (当存在时)，或开始照射步骤(d)；然后(iii)在部分缩回步骤(c)期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当压缩的瞬时增大已基本上减退时，(iv)开始照射步骤(d)。
在前述的一些实施方案中，在(f)连续推进载体和光学透明构件彼此远离以及(g)在维持连续液体界面的同时，间歇或连续照射构建区以形成生长的三维物体时，形成了三维物体的至少一部分。
在前述的一些实施方案中，生长的三维物体的至少一部分是柔性的(由于固化材料的柔性，物体的几何形状，或它们的组合)。
在前述的一些实施方案中，物体的至少一部分(例如，主要部分)呈格或网的形式。
在前述的一些实施方案中，可聚合液体在室温(例如，25摄氏度)下是粘性的(例如在室温下具有至少200、300、1,000或2,000厘泊或者更高的粘度)。
在前述的一些实施方案中，光学透明构件包括半透性构件(例如，含氟聚合物)，推进、部分缩回(当存在时)、照射和/或周期性重复步骤进行的同时还同时：
(i) 连续维持可聚合液体与构建表面接触的死区，和/或
(ii)连续维持死区与生长的三维物体之间和与其各自接触的聚合区的梯度，聚合区的梯度包括部分固化形式的可聚合液体，
并且通过将聚合抑制剂进料经过光学透明构件来进行死区的连续维持，由此在死区和任选在聚合区的梯度的至少一部分中产生抑制剂的梯度。例如，在一些实施方案中，可聚合组分包含可自由基聚合的液体，且抑制剂包含氧；在其他实施方案中，可聚合组分包含酸催化可聚合液体或可阳离子聚合液体，且抑制剂包含碱。
在前述的一些实施方案中，以至少每小时1或10毫米至每小时1,000或10,000毫米或者更高的速度制造三维物体。
本发明的另一个方面是一种可用于由可聚合液体制造三维物体的设备，所述设备包括：(a)载体，可于其上制造三维物体；(b)光学透明构件，其具有与载体操作上相关联的构建表面，载体和构建表面界定出二者间的构建区，光学透明构件被配置以带有可聚合液体；(c)升降机组合件，其与载体和/或光学透明构件操作上相关联，升降机组合件被配置用于推进载体和光学透明构件彼此远离，以将可聚合液体吸入构建区；(d)光引擎，其与光学透明构件操作上相关联，并被放置以用光照射构建区，用以由可聚合液体形成生长的三维物体；(e)力传感器，其与载体和/或光学透明构件操作上相关联，并被配置成监测载体与构建表面之间经过二者间形成的三维物体的张力的瞬时增大和/或压缩的瞬时增大；以及(f)控制器，其与升降机组合件、光引擎和力传感器操作上相关联，其中控制器被配置在维持三维物体与光学透明构件之间的连续液体界面的同时，用于推进载体和构建表面彼此远离、然后任选地使载体和构建表面朝向彼此部分缩回、并且然后用光照射构建区以于二者间形成三维物体的周期性重复循环，直至形成三维物体的至少一部分，控制器进一步被配置成在周期性重复中的至少一些期间：(i)在推进期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的张力的瞬时增大，任选地在部分缩回期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当张力的瞬时增大已基本上减退时，开始部分缩回(当存在时)，或开始照射；和/或(ii)在部分缩回期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当压缩的瞬时增大已基本上减退时，开始照射步骤。在一些实施方案中，光学透明构件包括半透性构件(例如，含氟聚合物)。在一些实施方案中，光引擎包括与图案化阵列(例如，液晶显示器阵列或数字微镜阵列)组合的光源(例如，激光器)。在一些实施方案中，力传感器包括应变仪。
监测张力的瞬时增大的步骤可通过以下进行：(a)监测绝对力，(b)监测力的变化率，或(c)相互结合监测绝对力和力的变化率两者。在一些实施方案中，优选(b)或(c)，以降低零点慢漂移的影响，如下文论述的。
Lin等人/Autodesk公司，美国专利申请公布号2015/0331402 (2015年11月19日)在第0032-0033段描述了嵌入DLP SLA系统的应变仪，用于测定窗口粘附，以及用于测量打印期间的压缩、拉伸、剪切、弯曲和扭转应力，但未提出所述应变仪与制造弹性中间体或者在分步或交互打印模式期间相联系的用途，并且未指明这类信息可如何用来消除在这类模式过程中的时间损失。
在本文的附图中和下文阐述的说明中更详细地解释本发明。本文引用的所有美国专利参考文献的公开内容以全文引用的方式并入本文。
附图简述
图1示意性地示出可用于进行本发明的设备。较大的向上箭头指示在分步和交互(或“泵送”)生产模式期间向上移动的主导方向。虚线箭头指示在交互模式期间较少的向下移动。
图2示意性地示出本发明的设备的一个实施方案的力传感器和控制组件。
图3示意性地示出在本发明的设备的一个实施方案的控制器(微控制器)中(或所)实施的分量(components)(或运算(operations))。
图4示出本发明的设备的一个实施方案的分步控制要素，但未实施力反馈。
图5示出图4的实施方案的分步控制要素，但现在实施了力反馈。
图6示出本发明的设备的一个实施方案的交互控制要素，但未实施力反馈。
图7示出图6的实施方案的交互控制要素，但现在实施了力反馈。
图8示出在连续液体界面生产(CLIP)的分步操作模式中感应的力，具有力监测、但不具有反馈。
图9示出图8的CLIP的分步操作模式，但实施了力反馈以减少否则会损失的时间。
图10示出在CLIP的交互操作模式中感应的力，具有力监测、但不具有反馈。
图11示出图10的CLIP的交互操作模式，但实施了力反馈(对于张力和压缩两者)以减少否则会损失的时间。
图12图解性地将绝对力的测量(带圆圈的细线)与力的变化率的测量(带正方形的粗线)进行了比较。
图13与图3类似，但利用力的变化率作为力测量结果。
图14与图7类似，但利用力的变化率作为力测量结果。
说明性实施方案的详述
现在在下文中参考示出本发明的实施方案的附图来更充分地描述本发明。然而，本发明可以多种不同的形式实施，并且不应解释为局限于本文所阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案以使得本公开将是全面且完整的，并将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。
全文同样的数字指代同样的要素。在附图中，为清楚起见，可能放大了某些线、层、组件、元件或特征的厚度。除非另外规定，使用的虚线例示出任选的特征或操作。
本文中使用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，并不意图限制本发明。除非上下文另有明确指示，如本文中所使用的单数形式“一种”、“一个”和“所述”意图也包括复数形式。将进一步理解，在本说明书中使用的术语“包括”或“包含”规定了所述特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或群组或它们的组合的存在，但并未排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或群组或它们的组合的存在或添加。
如本文中所使用的术语“和/或”包括相关联列举项目的任何和所有可能组合或其中的一者或多者，以及在以替代词(“或”)解释时组合的缺少。
除非另外定义，本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域普通技术人员所通常理解的相同的含义。将进一步理解，术语、诸如在常用词典中定义的那些，应解释为具有与其在说明书和权利要求书的情形下的含义一致的含义，并且不应以理想化或过度正式的意义被解释(除非本文明确如此定义)。为简洁和/或清楚起见，可能未详细描述众所周知的功能或构造。
将理解，当一个元件被称为在另一个元件“上”、“附接”至另一个元件、“连接”至另一个元件、与另一个元件“耦合”、“接触”另一个元件等时，该元件可直接在另一个元件上、附接至另一个元件、连接至另一个元件、与另一个元件耦合和/或接触另一个元件，或者还可存在介于中间的元件。相比之下，当一个元件被称为例如“直接在另一个元件上”、“直接附接”至另一个元件、“直接连接”至另一个元件、与另一个元件“直接耦合”或“直接接触”另一个元件时，不存在介于中间的元件。本领域技术人员还将理解，对设置为“邻近”另一个特征的结构或特征的引用可具有与邻近特征重叠或在邻近特征下方的部分。
空间相对术语，诸如“在...下”、“在...下方”、“下部”、“在...上”、“上部”等，为了便于描述可在本文中使用来描述如附图中所示一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。将理解空间相对术语意图涵盖除附图中描绘的取向以外装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果在附图中装置被倒置，则描述为“在其他元件或特征下”或“下面”的元件将被定向为“在其他元件或特征上”。因此，示例性术语“在…下”可涵盖在…上和下两个取向。装置可以其他方式定向(旋转90度或其他取向)，并且本文中使用的空间相对描述词相应地解释。类似地，除非另外明确指示，术语“向上”、“向下”、“垂直”、“水平”等在本文中仅出于解释的目的。
将理解，虽然术语第一、第二等可在本文中用来描述各种元件、组件、区域、层和/或区段，但这些元件、组件、区域、层和/或区段不应受限于这些术语。相反，这些术语仅用来将一个元件、组件、区域、层和/或区段与另一个元件、组件、区域、层和/或区段区分开来。因此，在不脱离本发明的示教的情况下，本文中论述的第一元件、组件、区域、层或区段可被称为第二元件、组件、区域、层或区段。除非另外明确指示，操作(或步骤)的顺序不限于权利要求或附图中呈现的次序。
1.通用方法和设备
如上文指出的，用于“连续液体界面生产”(或"CLIP")的方法、设备和可聚合液体或树脂在例如J. DeSimone等人，PCT申请号PCT/US2014/015486 (公布为美国专利号9,211,678)；PCT/US2014/015506 (公布为美国专利号9,205,601)，PCT/US2014/015497 (公布为美国专利号9,216,546)，J. Tumbleston等人，Continuous liquid interface production of 3D Objects，Science 347，1349-1352 (2015年3月16日在线公布)，以及R.Janusziewcz等人，Layerless fabrication with continuous liquid interfaceproduction，Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113，11703-11708 (2016年10月18日)中可知并有所描述。用于进行连续液体界面生产(或"CLIP")的其他方法包括：利用包含不混溶液体的液体界面(参见L. Robeson等人，WO 2015/164234，2015年10月29日公布)，通过电解生成氧作为抑制剂(参见I. Craven等人，WO 2016/133759，2016年8月25日公布)，以及将耦合光活化剂的可磁定位的颗粒掺入可聚合液体(参见J. Rolland，WO 2016/145182，2016年9月15日公布)。仍其他的方法描述于美国专利申请公布号2017/0129169 (Batchelder等人)和2016/0288376 (Sun等人)中。
另外，且也如上文所指，利用逐步或交互推进载体和生长的三维物体离开光学透明构件或“窗口”来实施CLIP的方法和设备在例如A. Ermoshkin等人，Three-Dimensional Printing with Reciprocal Feeding of Polymerizable Liquid，PCT申请公布号WO2015/195924中可知且有所描述。
可用于CLIP的双重固化可聚合液体在例如J. Rolland等人，PCT申请PCT/US2015/036893 (还参见美国专利申请公开号US 2016/0136889)、PCT/US2015/036902 (还参见美国专利申请公开号US 2016/0137838)、PCT/US2015/036924 (还参见美国专利申请公开号US 2016/016077)和PCT/US2015/036946 (还参见美国专利号9453,142)中可知且有所描述。
2.具有力反馈的实施
如上文指出的，图1示意性地示出可用于进行本发明的设备。较大的向上箭头指示在分步和交互(或“泵送”)生产模式期间向上移动的主导方向。虚线箭头指示在交互模式期间较少的向下移动。总地来说，设备包括光引擎11，窗口(或“构建板”) 12，控制器13，以及升降机和传动组合件14。载体平台(或“载体板”) 15如在常规设备中地被安装于升降机和传动组合件，但具有与其操作上相关联的力传感器16。在窗口12的顶部上提供可聚合液体21。
窗口12可对聚合抑制剂(例如氧)不透性或半透性，视所采用的进行连续液体界面生产的具体方法而定。在一些实施方案中，根据已知技术，窗口包括含氟聚合物。
示出了生长的三维物体31在(其所粘附的)载体平台15与可聚合液体21之间形成，在可聚合液体21与物体31之间具有连续液体界面22。在生长的物体上指示出具有较高刚性的区域(刚性区域) 32和具有较低刚性的区域(柔性区域) 33。如示意说明所表明的，柔性区域是高度悬臂式的且在方法中稍后形成的那些，但在其他实施方案中(例如，高度网状物体和/或由固化时固有柔性的树脂形成的物体)，整个物体可为柔性的。
可使用任何合适的光引擎11，包括各种光源和/或图案化元件中的任何者，包括激光器(例如，如传统立体光刻中的扫描激光器)、液晶显示器(LCD)面板、数字微镜显示器(DMD)等。可使用单个光引擎，或可使用一组平铺的光引擎，视窗口12的大小和期望分辨率而定。
尽管示意图表明推进离开是通过在升降机上将载体举起来实现，但还注意到可通过提供固定或静止的载体，并通过在所述载体下面的升降机上安装窗口和光引擎(它们则可被降低)来实现推进离开和部分缩回。
可将任何合适的装置用作力传感器16。实例包括但不限于机械触觉传感器、电容力传感器、金属应变仪、半导体应变仪、导电弹性体、碳毡和碳纤维传感器、压电力传感器、热电力传感器、光学力传感器、磁力传感器、超声力传感器、电化学力传感器等，包括它们的组合。参见例如Matthias Fassler，Force Sensing Technologies (瑞士苏黎世联邦理工学院，2010年春季学期)。一个合适的实例是Omega LCM202-1KN小型度量通用测力传感器，可从Omega Engineering公司(800 Connecticut Ave., Suite 5N01, Norwalk,Connecticut 06854 USA)购得。可使用任何合适构型的力传感器或测力传感器，包括但不限于在载体与升降机之间线内安装(或“夹在”二者间)的单个测力传感器。力传感器可包括多个力传感器以提供平均化输出(例如，夹在压缩板之间以使负载平衡)，和/或可包括多个力传感器以从载体的多个区域提供独立的数据。另外，可通过感应马达电流或扭矩、或任何其他对力直接或间接的测量来进行力感应。
使进行本文所述方法的本发明的设备的非限制性实施例结构化的其他细节在图2-7中给出。在这个说明性实施方案中，未示出在微控制器与主系统控制器之间的通信(可为本地或远程的、例如基于云的)。在说明性实施方案中，无论何时调用移动、等待或曝光功能，它们均由高级主系统控制器指示并由微控制器执行。无疑，整个控制规程可替代地由主系统控制器或本地控制器实施。
如图2中通常示出的，为模拟装置的力传感器16由具有模拟-数字转换器(ADC;13a)的微控制器数字采样，并且信息存储于微控制器存储器13b中。微控制器优选维持对ADC和模拟装置恒定的采样率。微控制器操纵所有移动、等待和光引擎功能。不具有力反馈时(在本发明中也可能与力反馈组合使用)，由高级系统控制器向微控制器给出预计算的命令表。具有力反馈时，可指示微控制器以反馈移动并等待，而不是使用固定的预计算等待命令。可使用任何逻辑语言来编码微控制器，包括但不限于C/C++。
图3示出微控制器中(或所)实施的其他分量(或运算)。高级系统控制器通知微控制器移动、等待，并监测力传感器的触发因素(triggers)。负向力在图中描述为“张力”；正向力在图中描述为“压缩”。
图4示出本发明的设备的一个实施方案的分步控制要素，但未实施力反馈，并且图5示出图4的实施方案的分步控制要素，但现在实施了力反馈。如先前注意到的，在物体生产中的所有循环均可利用力反馈，或一些循环可放弃力反馈(例如，对于物体早期段的生产，或具有高度可预测行为部分的生产)。以类似的形式，图6示出本发明的设备的一个实施方案的交互控制要素，但未实施力反馈，并且图7示出图6的实施方案的交互控制要素，但现在实施了力反馈。前述操作模式的一些或全部可在特定物体生产期间组合到一起，并且实际上物体的一些部分确实可以“连续”操作模式被制造。
大体而言，本发明的方法可如下进行，其中任选步骤的存在或不存在取决于(i)在逐步或交互载体推进期间是否实施力反馈，和(ii)在特定循环的上行冲程、下行冲程、或上行冲程和下行冲程两者期间是否实施力反馈。考虑到这点，各种实施方案的步骤可通常包括：
(a)首先，提供载体和具有构建表面的光学透明构件，载体和构建表面界定出二者间的构建区，光学透明构件带有可聚合液体。
(b)提供了前述者，通过推进载体和光学透明构件彼此远离以将可聚合液体吸入构建区来开始所述方法。推进距离并不关键，但通常与后续部分推进步骤一并考虑，推进的累积距离(有时也称为“层面(slice)厚度”)可为0.1或0.2毫米，多达20或40毫米，或更多。下一个步骤可立即接着进行，或可存在短的暂停(例如，0.1或1秒至5、10、100或300秒或更多，诸如交互模式中推进与部分缩回之间的“平台期”，或简单地在分步模式中推进与照射之间的暂停)。
(c)任选地，但在一些实施方案中优选地，在前述推进步骤之后，使载体和光学透明构件朝向彼此部分缩回(在推进步骤后立即(无延迟)或如上文所描述的暂停之后)。
(d)在推进步骤(b)和任选的缩回步骤(c)之后，用光照射构建区，以由可聚合液体形成生长的三维物体。照射可进行任何合适的持续时间，诸如0.1或0.5秒至10、20、50或100秒或更多的时间。下一个步骤(周期性返回至步骤(b))可立即接着进行，或可在暂停之后接着进行，如下文论述的。
(e)在照射步骤(d)之后(例如，在照射后立即(无延迟)，或在0.1秒至1、10或100秒的延迟之后)，在维持生长的三维物体与光学透明构件之间的连续液体界面的同时，周期性重复步骤(b)至(d) (例如，另外5或10次，至另外5,000或10,000次或更多)，直至形成三维物体的至少一部分。
在前述周期性重复中的至少一些期间，进一步预先形成以下步骤：
(i)任选地，但在一些实施方案中优选地，在推进步骤(b)期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的张力的瞬时增大，并任选地在部分缩回步骤(c)期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当张力的瞬时增大已基本上减退时，
(ii)任选地，但在一些实施方案中优选地，开始部分缩回步骤(c) (当存在时)，或开始照射步骤(d)；然后
(iii)在部分缩回步骤(c)期间监测载体与构建表面之间经过生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当压缩的瞬时增大已基本上减退时，
(iv)开始照射步骤(d)。
上文给出的时间和距离并不关键，并且仅出于说明性目的。特定的时间和距离将取决于诸如以下的因素：物体几何形状、照射波长和强度、物体分辨率要求、树脂性质(包括但不限于光引发剂类型和密度、树脂粘度和照射后聚合树脂性质)、操作温度等，并且可由本领域技术人员优化。在指代张力(或压缩)瞬时增大(或减小)时，“基本上减退”通常意指处于紧接先前张力或压缩的百分之五、十或二十内。通常，制造物体或其相关部分的总速度或平均速度为至少每小时1或10毫米，多达每小时1,000或10,000毫米或者更高。
图8示出连续液体界面生产(CLIP)的分步操作模式，具有力监测、但不具有反馈。图9示出基本上相同的操作模式，但这次具有力反馈，用来在步骤的周期性重复期间开始下一个曝光或照射步骤。向上箭头指示在推进步骤期间载体移动的大致时间和方向。注意到与图8相比，图9中完成三个循环的时间减少。
图10示出CLIP的交互操作模式，具有力监测、但不具有反馈。图11示出图10的CLIP的交互操作模式，但实施了力反馈(对于张力和压缩两者)以首先在每个推进步骤之后开始部分缩回步骤，且其次在每个部分缩回步骤之后开始照射步骤。较大的向上箭头指示在推进步骤期间载体移动的大致时间和主导向上的方向，并且向下箭头指示在部分缩回步骤期间载体的移动大致时间和较少的向下移动。注意到与图10相比，图11中完成三个循环的时间减少。
在一些实施方案中，力传感器反馈的益处是其允许更有效地打印弹性物体。例如，被制造物体或其部分的刚性或弹性不需要是已知的。物体仅需要是足够刚性的以(a)经受生产的力而不发生部件撕裂或断裂，和(b)克服树脂的流体力以达到每次曝光或照射的期望层面高度。在不具有如本文所述反馈的情况下，解决方案可能被复杂化并且难以验证有限元分析(FEA)模型，该模型模拟了刚性、变形和粘附力、以及推进载体以克服粘附力(即，“泵送”树脂至构建区中)所需的实际距离或高度。这种方法的结果将通常是保守的，因为这类模拟难以完善，特别是在过程输入数据不一致时。相比之下，本文所述的方法允许更加侵入的方法，以在每个曝光循环期间减少否则会浪费的时间量。
在一些实施方案中，测量绝对力时，可能随着时间推移存在零点的慢漂移(缺少张力或压缩)。在不希望受任何具体理论约束的情况下，这可能归因于例如随着另外的树脂聚合至载体而使载体平台重量增加，随着部件在Z (垂直)方向上构建，浮力改变，电子传感器非线性等。尽管零点的漂移可通过各种技术来追踪，但一个解决方案是利用力的变化率(等同于斜率，参见图12)来追踪力，如图13-14中所示。再次，可在微控制器中实施功能，其中高级系统控制器通知微控制器以移动、等待、监测力传感器的触发因素等。
基于变化率来实施力感应提供了一个可行的反馈解决方案。然而，这种技术失去了一些监测绝对力的容错方面。因此，仍更稳健的技术是组合使用绝对力和力的变化率作为力感应技术。
前文是本发明的例示，并且不应解释为限制本发明。本发明由权利要求书和其中包括的权利要求的等同限定。

Claims (25)

1.一种制造三维物体的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供载体和具有构建表面的光学透明构件，所述载体和所述构建表面界定出二者间的构建区，所述光学透明构件带有可聚合液体；
(b)推进所述载体和所述光学透明构件彼此远离，以将所述可聚合液体吸入所述构建区；然后
(c)任选地，使所述载体和所述光学透明构件朝向彼此部分缩回；并且然后
(d)用光照射所述构建区以由所述可聚合液体形成生长的三维物体；并且然后
(e)在维持所述生长的三维物体与所述光学透明构件之间的连续液体界面的同时，周期性重复步骤(b)至(d)，直至形成所述三维物体的至少一部分，在所述周期性重复中的至少一些期间时：
(i)在所述推进步骤(b)期间监测所述载体与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体的张力的瞬时增大，并任选地在所述部分缩回步骤(c)期间监测所述载体与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当张力的所述瞬时增大已基本上减退时，
(ii)开始所述部分缩回步骤(c) (当存在时)，或开始所述照射步骤(d)。
2.如权利要求1所述的方法，其中监测张力的瞬时增大的所述步骤通过以下进行：(a)监测绝对力，(b)监测力的变化率，或(c)相互结合监测绝对力和力的变化率两者。
3.如权利要求1所述的方法，其中监测张力的瞬时增大的所述步骤是通过相互结合监测绝对力和力的变化率两者来进行。
4.如权利要求1所述的方法，其中在所述周期性重复中的至少一些期间，不存在所述部分缩回步骤(c)。
5.如权利要求1所述的方法，其中在所述周期性重复中的至少一些期间，存在所述部分缩回步骤(c)。
6.如权利要求5所述的方法，其进一步包括，在所述周期性重复中的至少一些期间：
(iii)在所述部分缩回步骤(c)期间监测所述载体与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当压缩的所述瞬时增大已基本上减退时，
(iv)开始所述照射步骤(d)。
7.如任何前述权利要求所述的方法，其中在(f)连续推进所述载体和所述光学透明构件彼此远离以及(g)在维持所述连续液体界面的同时，间歇或连续照射所述构建区以形成所述生长的三维物体时，形成所述三维物体的至少一部分。
8.如任何前述权利要求所述的方法，其中所述生长的三维物体的至少一部分是柔性的(由于固化材料的柔性，所述物体的几何形状，或它们的组合)。
9.如任何前述权利要求所述的方法，其中所述三维物体和/或生长的三维物体的至少一部分呈格或网的形式。
10.如任何前述权利要求所述的方法，其中所述可聚合液体在环境温度或室温(例如，25摄氏度)下是粘性的(例如在室温下具有至少200、300、1,000或2,000厘泊或者更高的粘度)。
11.如任何前述权利要求所述的方法，其中：
所述光学透明构件包括半透性构件(例如，含氟聚合物)，所述推进、部分缩回(当存在时)、照射和/或周期性重复步骤进行的同时还同时：
(i) 连续维持可聚合液体与所述构建表面接触的死区，和/或
(ii)连续维持所述死区与所述生长的三维物体之间且与其各自接触的聚合区的梯度，聚合区的所述梯度包括部分固化形式的可聚合液体，
并且通过将聚合的抑制剂进料经过所述光学透明构件来进行死区的所述连续维持，由此在所述死区和任选在聚合区的所述梯度的至少一部分中产生抑制剂的梯度。
12.如权利要求11所述的方法，其中：
所述可聚合组分包含可自由基聚合的液体，且所述抑制剂包含氧；或
所述可聚合组分包含酸催化可聚合液体或可阳离子聚合液体，且所述抑制剂包含碱。
13.如任何前述权利要求所述的方法，其中以至少每小时1或10毫米至每小时1,000或10,000毫米或者更高的速度制造所述三维物体。
14.一种制造三维物体的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供载体和具有构建表面的光学透明构件，所述载体和所述构建表面界定出二者间的构建区，所述光学透明构件带有可聚合液体；
(b)推进所述载体和所述光学透明构件彼此远离，以将所述可聚合液体吸入所述构建区；然后
(c)使所述载体和所述光学透明构件朝向彼此部分缩回；并且然后
(d)用光照射所述构建区以由所述可聚合液体形成生长的三维物体；并且然后；
(e)在维持所述生长的三维物体与所述光学透明构件之间的连续液体界面的同时，周期性重复步骤(b)至(d)，直至形成所述三维物体的至少一部分，在所述周期性重复中的至少一些期间时：
(i)任选地，在所述推进步骤(b)期间监测所述载体与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体的张力的瞬时增大，并任选地在所述部分缩回步骤(c)期间监测所述载体与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当张力的所述瞬时增大已基本上减退时，
(ii)任选地，开始所述部分缩回步骤(c) (当存在时)，或开始所述照射步骤(d)；然后
(iii)在所述部分缩回步骤(c)期间监测所述载体与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当压缩的所述瞬时增大已基本上减退时，
(iv)开始所述照射步骤(d)。
15.如权利要求14所述的方法，其中在(f)连续推进所述载体和所述光学透明构件彼此远离以及(g)在维持所述连续液体界面的同时，间歇或连续照射所述构建区以形成所述生长的三维物体时，形成所述三维物体的至少一部分。
16.如权利要求14至15所述的方法，其中所述生长的三维物体的至少一部分是柔性的(由于固化材料的柔性，所述物体的几何形状，或它们的组合)。
17.如权利要求14至16所述的方法，其中所述三维物体和/或生长的三维物体的至少一部分呈格或网的形式。
18.如权利要求14至17所述的方法，其中所述可聚合液体在环境温度或室温(例如，25摄氏度)下是粘性的(例如在室温下具有至少200、300、1,000或2,000厘泊或者更高的粘度)。
19.如权利要求14至18所述的方法，其中：
所述光学透明构件包括半透性构件(例如，含氟聚合物)，所述推进、部分缩回、照射和/或周期性重复步骤进行的同时还同时：
(i) 连续维持可聚合液体与所述构建表面接触的死区，和/或
(ii)连续维持所述死区与所述生长的三维物体之间且与其各自接触的聚合区的梯度，聚合区的所述梯度包括部分固化形式的可聚合液体，
并且通过将聚合的抑制剂进料经过所述光学透明构件来进行死区的所述连续维持，由此在所述死区和任选在聚合区的所述梯度的至少一部分中产生抑制剂的梯度。
20.如权利要求19所述的方法，其中：
所述可聚合组分包含可自由基聚合的液体，且所述抑制剂包含氧；或
所述可聚合组分包含酸催化可聚合液体或可阳离子聚合液体，且所述抑制剂包含碱。
21.如权利要求14至20所述的方法，其中以至少每小时1或10毫米至每小时1,000或10,000毫米或者更高的速度制造所述三维物体。
22.一种可用于由可聚合液体制造三维物体的设备，所述设备包括：
(a)载体，可于其上制造三维物体；
(b)光学透明构件，其具有与所述载体操作上相关联的构建表面，所述载体和所述构建表面界定出二者间的构建区，所述光学透明构件被配置以带有可聚合液体；
(c)升降机组合件，其与所述载体和/或所述光学透明构件操作上相关联，所述升降机组合件被配置推进所述载体和所述光学透明构件彼此远离，以将所述可聚合液体吸入所述构建区；然后
(d)光引擎，其与所述光学透明构件操作上相关联，并被放置以用光照射所述构建区，而由所述可聚合液体形成生长的三维物体；
(e)力传感器，其与所述载体和/或所述光学透明构件操作上相关联，并被配置成监测所述载体与所述构建表面之间经过二者间形成的三维物体的张力的瞬时增大和/或压缩的瞬时增大；以及
(f)控制器，其与所述升降机组合件、所述光引擎和所述力传感器操作上相关联，其中所述控制器被配置以在维持所述三维物体与所述光学透明构件之间的连续液体界面的同时，用于推进所述载体和所述构建表面彼此远离、然后任选地使所述载体和构建表面朝向彼此部分缩回、并且然后用光照射所述构建区以于二者间形成三维物体的周期性重复循环，直至形成所述三维物体的至少一部分，所述控制器被进一步配置成，在所述周期性重复中的至少一些期间：
(i)在所述推进期间监测所述载体与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体的张力的瞬时增大，任选地在所述部分缩回期间监测所述载体与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当张力的所述瞬时增大已基本上减退时，开始所述部分缩回(当存在时)，或开始所述照射；和/或
(ii)在所述部分缩回期间监测所述载体与所述构建表面之间经过所述生长的三维物体的压缩的瞬时增大；并且然后，当压缩的所述瞬时增大已基本上减退时，开始所述照射。
23.如权利要求22所述的设备，其中所述光学透明构件包括半透性构件(例如，含氟聚合物)。
24.如权利要求22或23所述的设备，其中所述光引擎包括与图案化阵列(例如，液晶显示器阵列或数字微镜阵列)组合的光源(例如，激光器)。
25.如权利要求22至24所述的设备，其中所述力传感器包括应变仪。
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