CN110662644B - 用于预陶瓷聚合物立体光刻的孔系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于自底向上的立体光刻装置的孔系统，所述孔系统包括具有下部开口的储液器、孔和边界密封件，所述孔包括定位在储液器内并覆盖下部开口的柔性隔膜，所述边界密封件包括围绕柔性隔膜的周边定位，所述边界密封件包括一个或多个边界密封部件，并且抵靠储液器固定柔性隔膜的周边。柔性隔膜由对立体光刻装置中使用的液体树脂以及由该装置制造的固化的光聚合物树脂部件具有低亲和性的材料形成。另外，当将固化的树脂部件从孔中拉出时，柔性隔膜能够变形，因此使得在固化的树脂和孔之间的界面处发生较低能量的混合模式粘合破坏，并且降低了对固化的光聚合物部件的内聚破坏的机会。

Description

用于预陶瓷聚合物立体光刻的孔系统
技术领域
本发明整体涉及聚合物立体光刻，并且更具体地，涉及一种用于具有高无机含量的聚合物的立体光刻的孔系统和装置。
背景技术
使用立体光刻或光聚合物树脂的三维(3D)打印的增材制造(AM)作为制造具有复杂几何形状的结构或部件的方法已经引起了广泛关注。这些方法通常通过在垂直堆叠中依次沉积多层或多个横截面的材料直到获得所需的高度和形状来形成结构。
在立体光刻中，通常通过使保持在储液器内的相应的液体光聚合物树脂层聚合来形成固体材料层。通过将树脂曝光于能够固化树脂的辐射源(例如，数字投影仪、激光、LED)，例如通过在树脂中引发一个或多个聚合反应，可以实现这种液体到固体层的受控转变。定位在辐射源和构建平台表面或先前沉积的层之间的一定体积的液体光聚合物树脂在辐射曝光时聚合，因此形成新的固体树脂层。在聚合期间将这些层堆叠以由此形成三维固体材料。
在自下而上的立体光刻方法中，保持在储液器中的液体光聚合物树脂通过定位于储液器底部的透明孔曝光于辐射源。构建平台或先前沉积的材料层定位在距所述孔预设距离处，并在孔和平台或部件的底面之间创建一层固体树脂。形成新的固体层，使该固体层直接接触(例如，直接相接触)在储液器底部的孔。随后将新的固体层与孔分离，并且可以重复层沉积过程。
自下而上的立体光刻装置中使用的孔通常包括由诸如玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)的材料制成的耐用的透明窗口。然而，这些材料具有高硬度值，并且会容易粘合到直接沉积在窗口上的任何固化树脂上。固化的树脂和窗口之间的这种粘合会阻止或阻碍固化的光聚合物部件的移除，因此过早地停止或减慢沉积过程。因此，自下而上的立体光刻装置的孔还可以包括定位于窗口和树脂之间的顺应性释放层，以减少树脂和窗口之间的粘合结合，从而避免或减少与去除粘合的树脂有关的损坏。这种顺应性释放层对于辐射源必须是透明的，并且通常包括硅酮或氟化聚合物。
然而，这种含硅或含氟的顺应性释放层可能与制造陶瓷部件所需要的高无机含量的预陶瓷光聚合物树脂(例如，含硅的光聚合物树脂)不相容。具体地，含硅或氟的顺应性释放层会牢固地粘合到由固化的高无机含量的预陶瓷树脂制成的部件上，从而在施加力以使部件与孔分离时在固化的部件中引起诸如破损或破裂的损坏。因此，限制了在增材制造中使用高无机含量的预陶瓷光聚合物树脂。
发明内容
本发明的实施例的各方面涉及一种在自底向上的立体光刻系统中使用的用于增材制造具有高无机含量的光聚合物树脂的结构。
本发明的其它方面将在下面的说明中部分地阐述，并且部分地从所述说明中清楚呈现，或者可以通过实施所呈现的实施例而获知。
根据本发明的实施例，一种用于自底向上的立体光刻装置的孔，所述孔包括：具有下部开口的储液器；孔，所述孔包括：柔性隔膜，所述柔性隔膜定位在储液器内并覆盖下部开口；和边界密封件，所述边界密封件围绕柔性隔膜的周边定位，所述边界密封件包括一个或多个边界密封部件并抵靠储液器固定柔性隔膜的周边。
所述孔还可以包括：透明窗口，所述透明窗口在柔性隔膜的下方且在储液器的下部开口中，透明窗口覆盖下部开口；和顺应性释放层，所述顺应性释放层在储液器的下部开口中位于透明窗口和柔性隔膜之间，顺应性释放层覆盖下部开口并对柔性隔膜具有低亲和性。
柔性隔膜可以被构造成具有与用于立体光刻的树脂大于约40°的接触角度。
柔性隔膜可以被构造成具有小于约200N/m的相对于固化的光聚合物树脂部件的层间剥离强度。
柔性隔膜可以包括聚苯乙烯(PS)、聚甲基戊烯(PMP)、环状烯烃共聚物(COC)、氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)或其混合物。
柔性隔膜可以具有约10μm至约750μm的厚度。
边界密封部件可以包括可逆的机械连接件。
可逆的机械连接件可以包括具有约5lb到约60lb的磁力的磁体。
边界密封部件可以包括环氧树脂粘合剂、丙烯酸酯粘合剂、硅酮密封剂、聚氨酯密封剂或其混合物。
边界密封部件可以包括真空卡盘，以保持柔性隔膜与储液器壁之间的接触。
边界密封件可以延伸到大于储液器内的孔的高度，并且可以包括树脂交换部件。
透明窗口可以包括玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯(BOPET)、聚甲基戊烯(PMP)、环烯烃共聚物(COC)、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其混合物。
透明窗口可以具有约0.1mm至约16mm的厚度。
顺应性释放层可以包括硅酮、氨基甲酸酯、氟化聚合物或其混合物。
顺应性释放层可以包括气体或液体，所述气体或液体包括空气、水、乙醇、油、不具有光引发剂成分的树脂、或其混合物。
顺应性释放层可以具有约0.1mm至约13mm的厚度。
所述孔还可以包括在柔性隔膜下方的透明窗口，其中柔性隔膜和透明窗口被一体形成并被包括在下部开口中作为在柔性隔膜与透明窗口之间没有顺应性释放层的单个主体。
柔性隔膜可以在张力下悬垂在曝光源的上方，而在柔性隔膜下方没有顺应性释放层或窗口。
所述孔还可以包括在柔性隔膜和顺应性释放层之间的一定体积的气体或液体。柔性隔膜和顺应性释放层之间的气体或液体可以包括空气、水、乙醇、油、没有光引发剂成分的树脂、或其混合物。
顺应性释放层和透明窗口可以被一体形成并被包括在孔中作为单个主体。
根据本发明的实施例，一种立体光刻装置包括：构建平台；储液器，所述储液器定位在构建平台的下方，使得构建平台可以降低到储液器中或从储液器中升起；孔，所述孔定位在储液器的底部的至少一部分中并覆盖所述至少一部分；和曝光源，所述曝光源定位在储液器的下方并被构造为发出穿过所述孔的光；其中所述孔包括：柔性隔膜和边界密封件，所述边界密封件围绕柔性隔膜的周边定位，所述边界密封件包括一个或多个边界密封部件，并且抵靠储液器固定柔性隔膜的周边。所述孔还可以包括以下部件中的一个或多个：透明窗口，所述透明窗口在柔性隔膜的下方且在储液器的下部开口中，透明窗口覆盖下部开口；和顺应性释放层，所述顺应性释放层在储液器的下部开口中位于透明窗口与柔性隔膜之间，顺应性释放层覆盖下部开口并对于柔性隔膜具有低亲和性。
附图说明
本发明实施例的这些以及其它特征和优点将在结合以下附图考虑时通过参照以下详细说明而变得更加清晰，其中：
图1是简化的自下而上的立体光刻设备的示意性横截面图，其中包含液体光聚合物树脂的储液器通过储液器底部上的透明窗口曝光于光输出；
图2是自下而上的立体光刻设备的示意性横截面图，其中顺应性释放层被定位于透明窗口上，以便于固化的光聚合物树脂(部件)与孔分离；
图3是示出对于表面具有不同吸引度的液滴所测量的接触角度的示意图；
图4是根据本发明实施例的示例性孔系统的横截面图，所述孔系统包括储液器、边界密封件、柔性隔膜、顺应性释放层和透明窗口；
图5是根据本发明实施例的仅包括储液器、边界密封件和柔性隔膜的示例性孔系统的示意性横截面图；
图6是示出根据本发明实施例的当从与柔性隔膜的界面接触中移除固化的光聚合物树脂时发生的混合模式分离和释放的示意性横截面图；
图7A和图7B是示出根据本发明实施例的示例性孔系统的示意性横截面图，其中在固化的光聚合物树脂的分离和释放期间，在柔性隔膜与顺应性释放层之间的界面处存在(A)真空或(B)流体或液体；
图8是根据本发明实施例的示例性孔系统的示意性横截面图，其中包括清扫器臂以在分离和释放固化的光聚合物树脂之后方便清洁和重新定位柔性隔膜；
图9是根据本发明实施例的示例性孔系统的局部示意性横截面图，其中孔的上表面延伸到液体光聚合物树脂储液器中，并且图3中所示的边界密封件被替换为具有树脂交换特征的磁性夹；
图10是根据本发明实施例的包括作为边界密封件的永久性密封剂的示例性孔系统的局部示意性横截面图，其中图3中所示的孔的上表面与液体光聚合物树脂储液器的下部边界齐平；以及
图11是根据本发明实施例的示例性孔系统的局部示意性横截面图，其中顺应性释放层和透明窗口被组合成顺应性窗口，该顺应性窗口通过机械连接边界密封件与柔性隔膜保持在适当位置。
具体实施方式
在以下详细的描述中，通过说明的方式仅示出和描述了本发明的主题的特定示例性实施例。如本领域技术人员将认识到的，本发明的主题可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为对于在此阐述的实施例的限制。
在本申请的上下文中，当第一元件被称为在第二元件“上”、“连结到”或“连接到”第二元件时，所述第一元件可以是直接在第二元件上、直接连结到或直接连接到第二元件，或者通过在第一和第二元件之间插入的一个或多个中间元件间接地在第二元件上、或者间接地连结到第二元件或间接连接到第二元件。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。为了清楚起见，在附图中可能放大了层、膜、面板、区域等的厚度。附图不一定按比例绘制。
本发明实施例的多个方面涉及一种孔系统和一种包括所述孔系统的装置，该孔系统将用于光聚合物树脂的立体光刻中，所述光聚合物树脂包括高无机含量的预陶瓷光聚合物树脂。在一些实施例中，孔系统可以被包括在任何可商购的自下而上的立体光刻装置中，以改进所述装置的通用性以及与高无机含量的预陶瓷光聚合物树脂的相容性。
在此所用的术语“光聚合物树脂”可以指：1)包括一种或多种单体、低聚物和/或交联剂的液体溶液或混合物，所述单体或低聚物和/或交联剂可以在曝光于适当波长的光辐射(例如，UV线)时被聚合或“固化”以形成固体聚合物网状物；和/或2)当在液体溶液或混合物的聚合或部分聚合时形成包括一种或多种单体、低聚物和/或交联剂的固体或半固体产物。在通过立体光刻和/或3D打印进行增材制造的情况下，液体的、未固化的“光聚合物树脂”还可以被称为“光聚合物墨水”。诸如“固化树脂”和“固化光聚合物”等的术语在本文中可以互换使用，以表示固体聚合物或打印的结构，并且将固化的固体聚合物/结构与液体的、未固化的光聚合物树脂或墨水区分开。然而，将理解的是，对光聚合物树脂、固化树脂或简称为“所述/一种树脂”的引用可涵盖固化状态和未固化状态中的一个或两者，并且本领域技术人员能够基于上下文确定材料的(多种)相关状态。
在此所用的术语“预陶瓷”是指可以在升高的温度(例如，高于200℃，例如约200℃至约1,000℃，或者约500℃至约1,000℃)下被加热、热解和/或氧化从而制造陶瓷材料的材料。在此所用的术语“陶瓷”是指无机(例如，非有机)和非金属的固体，所述固体包括通过离子和/或共价键保持在一起的金属、非金属和/或类金属原子的网状物。陶瓷材料可以是结晶、半结晶或非定形的。陶瓷材料的非限制性示例包括金属氧化物、硼化物、碳化物和氮化物，例如碳化硅、氮化硅、氧化锆和/或类似物。
如本文所描述的光聚合物树脂，术语“高无机含量”是指包括无机原子的预陶瓷材料，其在预陶瓷材料转化为陶瓷材料时可以保留至少一部分。在一些实施例中，大于约40％的预陶瓷材料的质量可以是无机的并且在转化时保留，例如约45％至约95％、或者约55％至约80％。在一些实施例中，例如，当预陶瓷光聚合物树脂或其成分中的一种是基于硅氧烷、硅氮烷、碳硅烷等的衍生物时，和/或当预陶瓷用于生产诸如碳化硅(SiC)、碳氮化硅(SiCN)、碳氧化硅(SiOC)、碳氮氧化硅(SiOCN)、碳硼化硅(SiCB)等的陶瓷材料时，无机含量可以包括硅(Si)原子。然而，本发明的实施例不限于此，并且包括例如除Si之外或代替Si的其它无机原子的组合物的其它适当的光聚合物树脂组合物也落入本发明的保护范围之内。
在一些实施例中，无机含量可以作为主要成分或作为首要成分存在。在此所用的术语“主要成分”是指存在于组合物、聚合物或产物中的量大于组合物或产物中任何其他单独成分的量的成分。而术语“首要成分”是指构成组合物、聚合物或产物的至少50％(wt％或at％)或更多的成分。然而，应理解的是，可以包括任何量的Si成分；例如，作为次要成分(例如，量少于该成分中所包括的其他材料的量)，“高”的实际定义是指导致光聚合物树脂或固化树脂不利地粘合至包括基于硅氧烷的材料或氟化材料的顺应性释放层的无机材料的任何量，这将在此进行说明。
在立体光刻和3D打印中，通过在构建平台上逐层沉积材料来制造部件。在立体光刻中，通常将待沉积的材料用作液体光聚合物树脂的储液器。当液体树脂曝光于具有适当波长的诸如UV光的辐射(例如，光线)下时，液体光聚合物树脂的薄层可以被聚合(例如，固化)并沉积在构建平台上。立体光刻系统可以根据曝光源是分别从储液器上方施加还是在储液器下方施加而被划分为自顶向下或自底向上的系统。当立体光刻系统是自底向上的系统时，储液器应该包括透明孔，以允许辐射(光)被传输到液体光聚合物树脂中。
本文所使用的术语“透明”是指在没有有害量的吸收或散射的情况下传输辐射(例如，光)的能力，并且在本文中可以具体为具有在紫外线(UV)范围内的波长的光，例如所述紫外线范围为在约200nm至约460nm之间。所述术语可以指落入该范围内的任何波长(例如，所有波长)的传输或者该范围内的至少一个离散波长的传输。然而，本发明的实施例不限于此，并且应当理解的是，本领域技术人员应该能够根据本文所述原理选择其他适当的辐射源、波长和透明特性。
本文所用的术语“孔”可以指定位于光聚合物树脂和曝光源之间的一个或多个部件中的一组，其有助于将光输出传输到光聚合物树脂中，而术语“孔系统”可以包括附加部件，所述附加部件不直接参与光传输，但是可以提供其他功能，例如对直接参与光传输的部件的物理支撑。即使没有明确描述孔或孔系统以及其中包括的一个或多个部件是透明的，它们也可以是透明的以允许光传输到光聚合物树脂中。
图1示出了简化的自底向上的立体光刻系统的示意性横截面图。所述系统使用紫外线(UV)光输出1作为聚合辐射，该聚合辐射由位于不透明储液器3下方的曝光源2产生。光输出通过透明孔4传输到保持在不透明储液器内的液体光聚合物树脂5中，使得与孔相邻的一层树脂可以被固化。所述孔可以包括一层或多层、多片或多个部件，并且在一些实施例中，所述孔能够被拆卸和/或可以包括一次性和/或可更换的部件，如下所述。
在图1和其余附图中，没有完全示出储液器3的整个横截面。取而代之的是，附图仅示出了围绕孔系统的底层的一部分。然而，可以理解地是，只要储液器被构造为容纳平底孔系统并保持足够形成至少一层固化树脂层的体积的液态树脂，储液器就可具有任何适当的形状、体积、底层面积、壁高度等。
图2示出了在典型的自底向上的立体光刻系统和工艺中生产的部件的示意性横截面图。如在图1中类似说明的，紫外线(UV)光输出1由位于不透明储液器3下方的曝光源2产生。所述光输出通过孔4传输到液体光聚合物树脂5中。活动的(例如，可移动)构建平台6被提供用作沉积固化的光聚合物部件7的表面或锚固件。在图2所示的实施例中，孔4包括窗口8和在窗口8上(例如，在窗口和液态光聚合物树脂之间，和/或在窗口和固化的光聚合物部件之间)的顺应性释放层9。将在下面更详细地描述窗口和顺应性释放层。
在固化树脂层的每次沉积期间，构建平台6浸没在液体光聚合物树脂中，使得构建平台的下表面和/或连接到构建平台的固化的光聚合物部件7被定位在距孔适当距离的位置处，所述距离包括一层液体光聚合物树脂的厚度，该厚度与下一个固化树脂层的所需厚度相对应。在方框10中，定位在构建平台或固化的光聚合物部件7的面向下的表面与孔4的面向上的表面之间的液体光聚合物树脂层曝光于通过孔4正在传输的光输出1。液体的光聚合物树脂层由此被聚合到构建平台6或固化的光聚合物部件7的底部上。产生的累积固化的光聚合物部件7在构建平台6和孔4之间以及相邻于构建平台6和孔4形成。
在方框11中，构建平台向上(例如，远离孔)移动，以使固化的光聚合物部件与孔分离(例如，“从孔上升起”)。构建平台的移动能够使液体光聚合物树脂的新层进入到(例如，形成在)固化的光聚合物部件和透明孔之间。然后可以以与上述相同的方式固化液体光聚合物树脂的所述新层。
透明孔4与光聚合物树脂5和/或固化树脂部件7之间的低粘合度(例如，低粘合强度)与由立体光刻系统制造的光聚合物部件中的高程度的分辨率相关联。例如，低粘合度有助于在每次沉积过程之后容易地移除固化的光聚合物部件7，使得固化的光聚合物部件在从孔4中分离时受到最小的力和/或应变。粘合度确定或影响可以打印在孔表面上(例如，邻近孔表面固化)的连续层的尺寸和/或数量。当固化的光聚合物部件7粘合至孔4时，在孔应该被替换的点处或该点之前，尝试从孔移除光聚合物部件可能会导致所述部件的内聚衰坏(例如，破损或破裂)。在一些情况下，在后续层的沉积和去除时，固化的光聚合物部件和孔之间的粘合逐渐增加可能会限制孔的使用寿命。
在一些实施例中，孔4可以包括窗口8。窗口可以由对UV光透明且足够刚性以用作稳定的储液器底部的材料(例如，玻璃、PET和/或PMMA)形成。然而，这样的材料通常对固化和/或未固化的预陶瓷光聚合物具有亲和力(例如，倾向于粘合)，因此由这些材料形成的窗口一旦形成就会容易地粘合至固化的光聚合物部件。固化的光聚合物部件7和窗口8之间的这种粘合会干扰部件的移除，这在部件与孔分离时会造成破裂或遭受其它的结构损坏。
因此，在一些实施例中，孔4可以还包括顺应性释放层9(如图2所示)。当施加力以使所述部件与孔系统分离时，顺应性释放层9促进固化的光聚合物部件和孔系统之间的界面处的粘合破坏。在此所用的术语“顺应性释放层”可以与术语“顺应性隔膜”，“释放膜”和“界面层”互换使用，以表示具有降低固化聚合物树脂和透明孔系统之间的界面处的粘合功能的层。这里，形容词“顺应性”用于描述所述层的材料特性(例如，该层是柔性的)，而术语“释放”是指该层促进固化的光聚合物树脂从具有孔系统的界面释放的能力。顺应性释放层可以由透射UV的材料形成。现有技术中的典型顺应性释放层9包括诸如硅树脂或氟化聚合物的透射UV的聚合物，例如PDMS和PTFE。
包括可消耗的透射UV的顺应性释放层的自底向上的立体光刻系统的市售示例包括FormLabs Form 1、Form 1+和Form 2；Carbon M1、Autodesk Ember、B9Creator、SprintRay MoonRay和Kudo3D Titan光刻系统。在这些系统中，“可消耗”是指顺应性释放层应定期更换的情况，因为顺应性释放层在使用期间会退化或被损坏。在一些系统中，例如Kudo3DTitan，顺应性释放层被包括作为一堆一次性顺应性膜。与固化的光聚合物树脂部件相接触的最上面的释放膜在每个部件完成之后被去除并被丢弃，因此可防止或减少了更换整个孔系统的需要。
这些市售系统中的顺应性释放层通常包括硅酮或氟化聚合物，它们与常见的有机光聚合物树脂(例如，丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、聚氨酯、环氧树脂等)很大程度上相容，这是因为顺应性释放层和这些聚合树脂之间的界面处的粘合强度比固化的光聚合物树脂部件的层间(内层)强度低大约一个数量级。然而，包括硅酮或氟化聚合物的顺应性释放层通常不适合与高无机含量的光聚合物树脂(例如，含硅的那些树脂)一起使用，这是因为共享的硅含量往往会促进顺应性释放层与固化的光聚合物部件之间的粘合。对含硅的光聚合物树脂特别感兴趣之处在于它们具有制造可以被热解以制造含硅的陶瓷材料的预陶瓷聚合物部件的能力。这样的预陶瓷聚合物部件非常易碎，并且在粘合到包括硅酮或氟化聚合物的顺应性释放层上时容易内聚或内部破裂。因此，在立体光刻中使用高无机含量的光聚合物树脂和其它产生易碎部件的树脂组合物受到了限制。
本发明实施例的多个方面提供了一种用于自底向上的立体光刻装置的孔系统。所述孔系统可以适合与高无机含量的光聚合物树脂和其它易碎树脂一起使用。
在一些实施例中，孔系统可以包括：具有下部开口的储液器；柔性隔膜，所述柔性隔膜定位在储液器内并覆盖下部开口；和边界密封件，所述边界密封件围绕柔性隔膜的周边定位，该边界密封件包括一个或多个边界密封部件，并且抵靠储液器壁固定柔性隔膜的周边。在此所用的术语“柔性隔膜”是指具有与上述“顺应性释放层”不同功能的部件。
在一些实施例中，孔系统还可以包括在柔性隔膜下方且在储液器的下部开口中的透明窗口，该透明窗口覆盖下部开口。孔系统还可以包括在储液器的下部开口中的透明窗口和柔性隔膜之间的顺应性释放层，顺应性释放层覆盖下部开口且对柔性隔膜具有低亲和性。
储液器可以由不透射光(例如，不透明)并不会与光聚合物树脂或者与光聚合物树脂混合的任何溶剂反应的耐用材料形成，例如聚碳酸酯塑料、金属、涂覆有不透明涂层的玻璃等。储液器可以具有任何适当的形状、体积、底层面积、壁高等，只要储液器被构造为容纳平底孔系统并保持足够用于形成至少一层固化树脂层的体积的液态树脂即可。储液器在其底面或壁中具有开口，所述开口被构造成容纳孔。所述孔可以跨越或基本跨越开口，使得在储液器的底部中没有可能使液体光聚合物树脂通过而泄漏的间隙。在一些实施例中，孔或孔的一部分可以被嵌入到开口中。开口和孔的尺寸和形状没有特别限制，而是可以类似于当前在现有技术的商业系统中使用的那些，或者可以由本领域技术人员根据制造的部件所期望的最大尺寸(水平平面面积或占用的空间)、储液器的稳定性等来选择。
柔性隔膜可以被构造成具有布局、连接设计、材料特性等的任何组合，这种组合允许柔性隔膜通过边界密封件连接到储液器并在使用期间弯曲或变形，如在此处的实施例中所述。例如，柔性隔膜可以具有与开口至少相同的形状和尺寸，而在一些实施例中可以具有比开口大的尺寸，使得柔性隔膜与围绕开口的储液器的壁部分地重叠。
另外，柔性隔膜对于与由底部安装的曝光源所产生的(多个)辐射波长和/或引发保持在储液器中的液体光聚合物树脂的聚合所需的(多个)波长相对应的一个或多个波长来说是透明的。例如，当底部安装的曝光源产生UV辐射时，柔性隔膜可以对在约200nm至约460nm之间的UV辐射或者在约200nm至约460nm之间的至少一个离散波长来说是透明的，该波长具有用于聚合树脂所需的适当能量。
包括在孔中的柔性隔膜可以被选择或被构造为对其固化和未固化形式的光聚合物树脂表现出低亲和性，从而使该部件可以容易与柔性隔膜分离，并且聚合期间不易与柔性隔膜形成高表面积的粘合界面。柔性隔膜还可以被构造为对定位于柔性隔膜下方的任何孔部件表现出低亲和性，使得在从柔性隔膜在从柔性隔膜移除固化的光聚合物部件期间可以容易地被从那些部件拉开(分离)。在此所用的术语“低亲和性”是指在100个或更多个光聚合循环(例如，500个或更多个光聚合循环、或者1,000个或更多个光聚合循环)中不干扰孔的功能的层间或分子间吸引程度、层间结合程度或者层间粘合程度。
可以用术语接触角度来描述柔性隔膜与液体(未固化的)光聚合物树脂之间的亲和性。在此所用的术语“接触角度”在其领域公认的含义是用来表示测试表面上的测试液体的液滴的底部与壁之间的角度(例如，平行于液体-固体界面的第一矢量和垂直于液滴外表面并垂直于液体-固体界面的周长的第二矢量之间的角度)作为液体物质和固体物质之间的分子间吸引量的替代物。图3是示出对于液滴15所测量的接触角度14的示意图，液滴15相对于表面16具有不同的吸引程度。在一些实施例中，例如，柔性隔膜可以被构造为与液体光聚合物树脂具有大于约40°的接触角度，例如，约40°至约90°、约40°至约60°或者约60°至约90°。例如，柔性隔膜可以由具有上述范围内的接触角度的特定材料形成，或者可以对柔性隔膜进行进一步的表面处理、纹理化等，以在上述范围内相对于正在被使用的液体光聚合物树脂进一步修改接触角度。液体树脂与柔性隔膜之间的接触角度可以取决于几个因素，例如树脂的组成、柔性隔膜的表面官能团和隔膜的微尺度结构，并且应该理解的是本领域技术人员能够为柔性隔膜和液体树脂部件选择适当的结构和组成，以便获得适当的或期望的接触角度。可以使用本领域中可用的任何适当的方法来测量和定量接触角度，例如静态或动态的座滴法(sessile drop method)、悬滴法或者Wilhelmy方法的变型。
可以根据层间剥离强度来说明柔性隔膜与固体(固化的)光聚合物树脂部件之间的亲和性。在此所用的术语“层间剥离强度”可以指的是分离具有共享界面表面积的两层所必需的力的平均量。在一些实施例中，例如，柔性隔膜可以被构造为对于固化的光聚合物树脂部件具有小于约200N/m的层间剥离强度，例如，小于150N/m或小于约100N/m。例如，柔性隔膜可以由具有在上述范围内的层间剥离强度的特定材料形成，或者可以对柔性隔膜进行进一步的表面处理、纹理化等，以进一步将相对于正在形成的光聚合物树脂部件的层间剥离强度修改为在上述范围内。柔性隔膜和固化树脂部件之间的剥离强度可以取决于包括界面表面积的几个因素，并且应该理解的是本领域技术人员能够为柔性隔膜和固化树脂部件选择合适的结构和材料，以便获得适当或期望的剥离强度
如上所述，柔性隔膜可以由对固化的光聚合物树脂具有适当的弹性和亲和性的材料形成。在一些实施例中，例如，柔性隔膜可以由脂族聚合物形成。脂族聚合物的非限制性示例包括聚苯乙烯(PS)、聚甲基戊烯(PMP)、环烯烃共聚物(COC)、氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)及其混合物。
可以根据一个或多个考虑因素来选择柔性隔膜的厚度，所述考虑因素包括期望的孔的总厚度、柔性隔膜的耐久性、刚度和折射率以及是否存在附加的孔部件。在一些实施例中，柔性隔膜可以具有约10μm至约750μm的厚度。例如，柔性隔膜可以具有约50μm至约500μm或者约200μm至约400μm的厚度。然而，本发明的实施例不限于此，并且本领域技术人员能够根据装置的期望结构和本文描述的原理来选择适当的膜厚度。
当柔性隔膜的厚度与透明窗口和/或顺应性释放层的厚度相比相对较小(薄)时，柔性隔膜的硬度、折射率和透明度可以相应地对整个孔的总吸收和散射的影响较小。因此，在一些实施例中，柔性隔膜可以包括通常被认为不适合或不适用于窗口和/或顺应性释放层的材料(例如，由于其硬度、折射率和透明度)。然而，本发明的实施例不限于此，并且本领域技术人员能够根据本文描述的原理来选择合适的柔性隔膜和/或其中包括的材料。
边界密封件被定位在与光聚合物树脂相接触的储液器-隔膜界面的侧部(例如，在储液器内)的柔性隔膜的周围。边界密封件可以执行两个功能。首先，边界密封件可以阻止或防止液体光聚合物树脂进入柔性隔膜的下方，由此例如在孔中包括多个成分层时减少树脂损失以及孔系统内树脂固化和沉积的机会。在密封孔系统以防止光聚合物树脂进入中，边界密封件可以通过减少固化的光聚合物树脂(可以是对UV不透明的)粘合到孔部件上的机会并通过阻止光传输使系统无法使用由此增加或提高装置的使用寿命。第二，即使在将柔性隔膜被放置于变形状态下(例如，拉出平面构型)后，边界密封件也可以向柔性隔膜施加适当量的张力，以便限制其移动并保持柔性隔膜相对于孔系统的其它部件的位置。例如，如果隔膜张力太高，则隔膜随着固化部件被从孔中提起不会充分弯曲和/或可能撕裂。然而，如果隔膜张力太低，则从隔膜中释放出部件会伴随有柔性隔膜的下垂或起皱，这会导致光通过孔从曝光源进入树脂中而随后发生的变形和散射。可以理解地是，本领域技术人员能够根据本文所述原理选择合适的膜张力。
边界密封件可以由组合的多个部件形成，或者可以形成为单个部件。边界密封件及其部件可以是永久性的(例如，孔系统的一体部件)，或者可以是可移除的(例如，非永久性的)，这选择取决于孔系统的期望特性。例如，永久边界密封件不太可能泄漏，而可移除边界密封件可以允许进入和更换孔系统部件(包括透明窗口、顺应性释放层和/或柔性隔膜)。在一些实施例中，边界密封件可以包括永久元件和可移除元件的组合。
当边界密封件是永久性的时，可以包括在边界密封件中的部件的非限制性示例包括诸如粘合剂(例如，环氧树脂、丙烯酸酯等)和密封剂(例如，硅酮、氨基甲酸酯等)的化学密封件、以及不可逆的机械连接件(例如，过盈配合件、棘爪等)。当边界密封件包括例如粘合剂或密封剂的永久性化学密封件时，可以选择粘合剂或密封剂以使其与液体光聚合物树脂相容(例如，缺乏反应性)。在一些实施例中，边界密封件可以包括丙烯酸酯化的氨基甲酸酯、硅酮和/或脂环族环氧树脂。
当边界密封件是可移除的时，可以包括在边界密封件中的部件的非限制性示例可以包括机械紧固件、磁体、胶带和可逆的卡扣配合件。在一些实施例中，当边界密封件包括机械紧固件时，机械紧固件可以包括螺钉、螺栓、压褶、夹具、夹子等。
在一些实施例中，边界密封件可以包括磁体或利用磁力将边界密封件保持在适当位置。当边界密封件浸入到光聚合物树脂中时，这种磁性连接方法会特别适用，这是因为非互锁磁性密封件不太容易被完全或部分固化的树脂卡住。在一些实施例中，边界密封件可以包括多个成对的磁体。在一些实施例中，边界密封件包括一系列永磁体，该一系列永磁体与包括铁磁材料的轨道、结构、一系列零件等配成对(相吸引)。然而，实施例不限于此，并且本领域技术人员应该能够根据本文描述的原理选择其他合适的磁性连接。
当边界密封件通过磁力保持在适当位置时，磁体可以具有任何保持力，所述保持力适合于在将固化的光聚合物部件从孔系统中移除时保持隔膜上的张力和/或加强边界密封。例如，在一些实施例中，磁体可以具有大约0.5lb至大约1lb的保持力，总保持力(磁性连接力)为至少5lb，并且在一些实施例中为大约5lb到约60lb。
在一些实施例中，可移除的边界密封件可以通过诸如利用真空卡盘施加的压力差来实现。由真空卡盘施加的真空可以是在固化的光聚合物部件与柔性隔膜分离时保持密封的任何适当水平的真空，例如，约10-30英寸Hg或者约10-20英寸Hg。
在一些实施例中，边界密封件可以与树脂储液器内的孔的表面齐平或基本齐平。例如，当通过压力差而不是具有物理高度的部件实现边界密封件时，孔系统的表面可以是基本平坦的。类似地，当通过永久密封剂实现边界密封件时，密封剂的轮廓可以是低的或基本平坦的。在一些实施例中，边界密封件可以延伸到大于储液器内的孔系统的高度的高度。当边界元件在孔系统的表面上方延伸时，边界密封件可以包括树脂交换部件，例如通气孔、通道、挡板或槽，以便有助于孔系统边界内的树脂体积与孔系统边界外的树脂体积之间的流体交换或流动。在所述示例中提供了包括各种边界密封件的实施例的示意说明。
在一些实施例中，孔可以还包括在柔性隔膜下方且在储液器的下部开口中的透明窗口。透明窗口对引发液体光聚合物树脂的聚合所需的一个或多个波长是透明的，如本文结合柔性隔膜所述。透明窗口可以由具有适当强度和刚度的材料形成，以用作光聚合物储液器的底部。例如，当安装在底部的曝光源产生UV辐射时，窗口对于在约200nm至约460nm之间的UV辐射或者在约200nm至约460nm之间的至少一个离散波长可以是透明的。在一些实施例中，例如，透明窗口可以由玻璃(例如，石英、熔融石英、蓝宝石)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯(BOPET)、聚甲基戊烯(PMP)、环状烯烃共聚物(COC)、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其混合物形成。
在一些实施例中，可以选择窗口的组成和厚度，使得窗口的折射率与占据窗口和曝光源之间的容积的材料(例如，空气)以及包括在孔中的其它材料的折射率匹配。当折射率匹配困难或不可行时，可以通过减小窗口的厚度来使折射率差最小。在一些实施例中，窗口可以具有约1mm至约16mm的厚度。例如，窗口可以具有约1mm至约10mm、或者约1mm至约5mm的厚度。
当孔系统包括顺应性释放层时，顺应性释放层可以在柔性隔膜和透明窗口之间。顺应性释放层允许固化的光聚合物部件被压紧成与孔系统紧密接触而不会被损坏。因此，可以选择顺应性释放层以使其具有一定的顺应性(例如，具有低硬度或硬度计)，以防止或减少固化的光聚合物部件在被从孔中移出时受到的损坏。如果硬度太高，则当部件与孔系统分离时，界面将不会变形(例如，屈服)，并且此过程可能会导致部件损坏。在一些实施例中，用于形成顺应性释放层的材料可以具有约30OO至约65A的硬度。用于形成顺应性释放层的材料的成分、透明度和折射率可以被选择成以类似于透明窗口的方式减少或最小化光的吸收和散射。
满足该顺应性释放层的需求的材料的非限制性示例可以包括具有范围从超软到中硬的硬度的硅酮和氨基甲酸酯。在一些实施例中，例如，顺应性释放层可以由诸如
Figure BDA0002288786220000181
184或
Figure BDA0002288786220000182
7600的硅酮弹性体形成。由于柔性隔膜使光聚合物树脂与顺应性释放层分离，所以顺应性释放层可以包括与液体或固体(固化)预陶瓷光聚合物不相容的材料。在此所用的术语“不相容的”是指能够与液体或固化的预陶瓷光聚合物反应和/或粘合于液体或固化的预陶瓷光聚合物的材料或成分。
在一些实施例中，顺应性释放层的厚度可以为约0.1mm至约13mm，例如，约1mm至约10mm，并且在一些实施例中为约3mm至约6mm。顺应性释放层的水平平面面积可以是覆盖或保护透明窗口的任何适当的尺寸，例如大约等于或大于透明窗口的尺寸。
尽管可以在本发明中说明上述部件的特定组合，但是应当理解，本发明的实施例不限于此。以上部件的附加组合，包括其中两个或更多个部件被一体形成为单个部件的那些结构，都被包括在本发明的实施例的保护范围内。此外，除非另有说明，否则包括以上部件中的一个或多个的孔系统不限于那些部件，并且可以进一步与在此未明确描述的元件和装置组合。
在一些实施例中，孔可以包括柔性隔膜、顺应性释放层和透明窗口。图4是根据本发明的实施例的包括储液器3、柔性隔膜12、边界密封件13、透明窗口8和顺应性释放层9的孔系统的简化示意性横截面图。储液器3在曝光源2的上方保持一定体积的液体光聚合物树脂5。柔性隔膜12被定位于液体光聚合物树脂5和顺应性释放层9之间，而顺应性释放层9被定位于透明窗口8上。柔性隔膜12通过带粘性的边界密封件13围绕其周边保持在适当的位置处，所述边界密封件13阻挡或防止光聚合物树脂5进入柔性隔膜12和顺应性释放层9之间。
在一些实施例中，孔可以省略顺应性释放层9或透明窗口8中的一个或两者，使得柔性隔膜12在张力下悬垂。例如，柔性隔膜12可以在没有(例如，缺少)顺应性释放层9的情况下与透明窗口8结合，使得在柔性隔膜12和窗口8之间形成间隙。可选地，柔性隔膜12可以直接悬垂在曝光源的上方(例如，没有支撑柔性隔膜的底面的透明窗口或顺应性释放层)。在任一种设计中，柔性隔膜12上的张力被配置为足够高以防止或减少起皱或屈曲。此外，可以选择柔性隔膜的厚度和张力，使得所述柔性隔膜不会由于未支撑的柔性隔膜层上的光聚合物树脂的重量而产生显著变形，并且在剥离期间仍保持柔性。
图5是根据本发明实施例的示例性孔系统的示意性横截面图，所述示例性孔系统仅包括储液器3、边界密封件13和柔性隔膜12。这里，孔被简化，使得只存在直接接触光聚合物树脂5和7的柔性隔膜12。
现有技术中的传统的自底向上的立体光刻系统通常包括孔，所述孔包括透明窗口和顺应性释放层，使得光聚合物树脂与顺应性释放层接触。在这些系统中，顺应性释放层被构造为执行两个功能。首先，顺应性释放层被构造为防止或减少固化的光聚合物部件和透明孔之间的粘合。第二，顺应性释放层被构造成允许固化的光聚合物部件被压成与孔紧密接触而不会被损坏。如本文所述，这两种功能直接或间接取决于顺应性释放层的组成。这样，顺应性释放层的组成限于适合两种功能的材料。
柔性隔膜在顺应性释放层上或上方的柔性隔膜和顺应性释放层的组合可以使这两种功能减弱。因此，两种不同的材料可以用于每个部件和功能。例如，在一些实施例中，柔性隔膜可以用作与树脂接触并减少部件和孔之间的粘合的表面，而顺应性释放层可以用作使得部件能够被压靠在孔上的基础，但是没有暴露在树脂中。这样，柔性隔膜可以由硬的(例如，高硬度的)且非粘性的材料形成，而顺应性释放层可以由低硬度材料形成，该低硬度材料相对固化的光聚合物部件具有高粘合潜力。这样，可以从更广泛的材料中选择柔性隔膜和顺应性释放层中的每一个，并且可以针对它们各自的功能分别优化。
由于当提起(例如，远离孔移动)固化部件时，柔性隔膜可以朝着固化的光聚合物部件和/或构建平台(例如，在移动方向上)拉伸和变形，因此包括柔性隔膜的孔展示出与孔不同的分离行为，其中部件直接沉积在顺应性释放层上。当柔性隔膜从平面形状变形为钟形曲线形状时，在固化的光聚合物部件和柔性隔膜之间的界面处的粘合破坏模式从纯模式I(剥离)变为混合模式(例如，模式I(剥离)+模式II(剪切))。改进的(混合)粘合破坏模式需要较少的能量使固化的光聚合物部件与孔分离。这样，与根据任何纯模式(例如，纯模式I、纯模式II等)分离所需的力的大小相比，可以使用减小量的力来移除固化的光聚合物部件。这种混合模式界面分离可以使厚的(>75mm厚度)或精细特征的(<50μm分辨率)预陶瓷聚合物成分得以制造，而不会因尝试分离期间施加在固化树脂上的过度应变而导致损坏。较低能量的粘合破坏模式和两个表面(例如，固化的光聚合物部件和柔性隔膜)之间减少的粘合潜力的组合可以使自底向上的立体光刻装置中的预陶瓷聚合物成分能够更有效且可重复制造。
图6是示出通过在图4的示例性孔系统中包括柔性隔膜而实现的混合模式界面分离的横截面示意图。在方框20中，光聚合物树脂5曝光于UV光输出1，使得固化的光聚合物树脂部件7的层与柔性隔膜12相邻形成(例如，固化/沉积)。在方框21中，构建平台6远离柔性隔膜12和孔系统移动，从而将固化的光聚合物树脂部件7和柔性隔膜12的连接部分远离位于其下方的顺应性释放层9拉动。当固化的光聚合物树脂部件7拉到柔性隔膜12上时，隔膜的形状从平坦表面变形为向下凹的抛物线函数或钟形曲线的形状，该曲线的峰值对应于连接部分的中心，并且曲线零点对应于柔性隔膜的边缘。当柔性隔膜12变形时，在柔性隔膜12和固化的光聚合物树脂部件7之间的界面处的粘合失效机构从纯模式I(剥离)转变为较低能量的混合模式(“混合模式界面分离”)，由此出现柔性隔膜12和固化的光聚合物树脂部件7的分离(“柔性隔膜释放”)。然后，在方框22中，将构建平台定位成与柔性隔膜相距适当的距离，该距离与下一个沉积层的期望厚度相对应。在方框20中，光聚合物树脂再次曝光于UV光输出1，使得相邻于柔性隔膜形成下一层。
在孔系统的一些实施例中，柔性隔膜和顺应性释放层在与光聚合物树脂的曝光于UV曝光源的表面区域相对应的区域上紧密(例如，直接)接触。在从孔移除固化的光聚合物部件期间，柔性隔膜被从顺应性释放层上拉开，使得柔性隔膜在其中心附近变形，同时保持固定在边界密封件处。在柔性隔膜和边界密封件之间产生的位移导致中间容易的产生和/或变形。图7A是突出显示在柔性隔膜变形时在顺应性释放层9和柔性隔膜12之间产生容积23的示意图，该容积被低压空气间隙或真空占据。相对于周围储液器中的光聚合物树脂材料5，该容积23内的低压力在柔性隔膜12上施加恢复力，并在释放固化的光聚合物树脂部件7时使柔性隔膜朝向平坦的几何结构“打嗝”或跳回。该运动会损坏部件和/或对于释放需要额外的能量。
在一些实施例中，可以通过将额外的气体或流体增加到柔性隔膜和顺应性释放层之间的界面来减小这种拉回力。因此，在一些实施例中，孔系统还可以包括在顺应性释放层和柔性隔膜之间的气体和/或液体。图7B是其中柔性隔膜12和顺应性释放层9之间的容积被流体界面24占据的实施例的示意性横截面图，该流体界面24在固化的光聚合物部件7被提起时变形。该流体界面24的存在可以通过减少使柔性隔膜12变形所需的能量输入量来促进混合模式界面的分离。然而，在一些实施例中，流体界面24的存在也可以阻碍隔膜返回到均匀平坦的表面，这会对附加层的水平沉积产生负面影响。
在一些实施例中，当流体界面24包括气体时，所述气体可以包括氮气、氩气、氦气、空气、二氧化碳或它们的混合物等。在一些实施例中，可以在大约1atm的压力下包括所述气体，例如1atm至0.8atm。
在一些实施例中，当流体界面24包括液体时，液体可以包括水、乙醇、油、没有光引发剂成分的光聚合物树脂、或它们的混合物。可以使用任何适当的气体和/或液体，只要它们不干扰或减少输出到树脂中的光输出的传输并适当地与孔系统的其他部件的折射率匹配即可。
在一些实施例中，可以在使用孔系统之前将固定量的气体和/或液体注入并密封(例如，使用皮下注射针)在界面内，并且因此可以一直存在于界面中。当将固化的树脂从柔性隔膜上拉开时，界面中的气体和/或液体的体积会增加，并且蒸汽压力会降低。在一些实施例中，可以在隔膜变形期间将一部分或全部的气体和/或液体注入或拉入界面空间中(例如，从单独连接的储液器中抽出)，并且在隔膜被允许后退到适当位置时返回或者被推回到单独的储液器。然而，气体或液体不是与光聚合物树脂交换的流体，并且不被结合到含有光聚合物树脂的储液器中。
在一些实施例中，孔系统可以还包括清扫器臂。清扫器臂可以被定位于柔性隔膜的顶面上，并且可以用于在连续曝光期间清洁和定位隔膜表面。图8是包括清扫器臂25的实施例的示意图，清扫器臂25横过孔系统的暴露表面以清洁任何残留的树脂和/或去除柔性隔膜12中的任何褶皱。在不需要操作孔系统时，清扫器臂能够使用更薄的柔性隔膜，所述隔膜更容易起皱，或者可以广泛使用对固化的预陶瓷光聚合物具有更大粘合强度的柔性隔膜材料。另外，如上所述，在其中流体被包括在柔性隔膜/顺应性释放层界面中的实施例中，清扫器臂25可以适当地用于使柔性隔膜12平坦化。
在一些实施例中，顺应性释放层和透明窗口一体形成，并且可以作为单个主体(例如，“顺应性窗口”)被包括在孔系统中。本文所使用的术语“一体形成”可以表示这样的状态：其中先前分离的部件(例如，顺应性释放层和透明窗口)的物理形式和功能被组合成单个部件或主体，该单个部件或主体具有两者的组合功能。单独主体的物理形式或覆盖区可以与先前分离部件的组合体积或覆盖区相似或基本相同；然而，本发明的实施例不限于此。
在一些实施例中，柔性隔膜和透明窗口一体形成，并且可以作为单个主体被包括在孔系统中，所述柔性隔膜与所述透明窗口之间没有顺应性释放层。单个主体的物理形式或覆盖区可以与先前分离的部件的组合的体积或覆盖区相似或基本相同；然而，本发明的实施例不限于此。
在一些实施例中，顺应性释放层被移除(例如，孔包括柔性隔膜和透明窗口，但是不包括顺应性释放层)，并且柔性隔膜和透明窗口之间的中间体积或厚度被气体或液体扩大和填充。例如，顺应性释放层可以被气体或流体取代，所述气体或流体执行相同的功能，以使固化的光聚合物部件能够被压靠在孔上并有助于柔性隔膜与孔系统容易分离。气体或流体可以与如上所述关于柔性隔膜和顺应性释放层之间的气体或流体界面所描述的相同。当顺应性释放层被气体或流体取代时，中间体积的厚度可以为约0.1mm至约13mm，例如，约1mm至约10mm；并且在一些实施例中为约3mm至约7mm。
本发明的实施例的各方面提供了一种立体光刻装置，所述立体光刻装置包括：构建平台；定位于所述构建平台下方的储液器，使得构建平台可以被降低到储液器中或从储液器中抬起；孔，所述孔被定位于储液器底部的至少一部分内并覆盖储液器底部的至少一部分；和曝光源，所述曝光源被定位于储液器下方并被构造为发射光(例如，图案化的光)，使得光穿过孔。
构建平台、储液器和曝光源没有特别限制，并且就合适的材料和尺寸而言，它们可以与市售元件相似。
所述光可以是能够对在立体光刻装置内可以使用的任何树脂中引发光聚合反应的任何形式的光，例如通过产生能够进行一个或多个键形成反应的反应性物质来引发。在一些实施例中，光可以是紫外线(UV)光，例如具有约200nm至约460nm的波长的光。可以通过任何合适的曝光源(例如，数字投影仪、灯、LED、激光器等)产生光。所述光可以为任何适当的形式，例如可以是准直的(相干的)或非相干的。然而，本发明的实施例不限于此，并且本领域技术人员能够基于本文描述的原理来选择适当的光和曝光源。
孔系统可以与本发明中所述的实施例中的任何一个相同，或者可以具有上述实施例的特征的任何相容组合，只要孔系统包括如本文所述的柔性隔膜即可。
立体光刻装置还可以包括在储液器内的液体光聚合物树脂。所述树脂可以是任何UV可固化的光聚合物树脂。UV可固化的光聚合物树脂可以包括光引发剂化合物和一种或多种单体或低聚物。一旦曝光于UV光能下，包括在UV可固化的聚合物前体混合物中的化合物可以经历一种或多种光引发的聚合(光聚合)反应，以形成包括聚合物网状物的固体材料。
对包括在液体光聚合物树脂中的单体、低聚物和光引发剂没有特别限制，只要它们彼此相容(例如，包括相互反应的官能团)并且与曝光源相容(例如，在通过曝光源产生的UV波长下被活化)即可。如上所述，当UV可固化的光聚合物树脂是预陶瓷光聚合物树脂时，单体和低聚物可以包括大量的无机原子(例如，Si)，并且可以被交叉反应性官能团取代。然而，本发明的实施例不限于此，并且本领域技术人员应能够根据本文所述原理选择合适的树脂混合物或组合物。
本发明实施例的各方面提供了一种增材制造预陶瓷部件的方法，所述方法包括：将一定体积的光聚合物树脂固定在配备有孔系统的自底向上的立体光刻装置中，使光聚合物树脂曝光于定位在孔系统下方的曝光源以使树脂层固化；和从孔系统中拉出树脂部件的固化层，以使柔性隔膜与顺应性释放层分离，并且使固化层与柔性隔膜分离。孔系统可以与本发明中所说明的实施例中的任何一个孔系统相同，或者可以具有上述实施例的特征的任何相容组合，只要孔系统包括如本文所述的柔性隔膜即可。
例如，在一些实施例中，孔系统可以包括：具有下部开口的储液器；定位于储液器内并覆盖下部开口的柔性隔膜；和围绕柔性隔膜的周边定位的边界密封件，所述边界密封件包括一个或多个边界密封部件，并且抵靠储液器壁固定柔性隔膜的周边。在一些实施例中，孔系统还可以包括在柔性隔膜下方且在储液器的下部开口中的透明窗口，所述透明窗口覆盖下部开口。孔系统还可以包括在储液器的下部开口中在透明窗口和柔性隔膜之间的顺应性释放层，顺应性释放层覆盖下部开口并对柔性隔膜具有低亲和性。
本发明的孔系统的另外示例性实施例在图9至图11中示出。图9示出了孔系统的示例性实施例，所述孔系统包括透明窗口8、顺应性释放层9、柔性隔膜12和边界密封件13。边界密封件13被分成便于对隔膜和界面元件进行维修/更换的四个单独的部件：嵌入在定位于柔性隔膜的表面上方的上边界密封件31中的磁夹(N)30和嵌入在定位于柔性隔膜12下方并在储液器3的底部内表面上的下边界密封件33中的磁夹(S)32。由于边界密封件13和孔表面(即，柔性隔膜12的轮廓)在树脂储液器壁上方延伸，因此树脂交换部件34(流动通道)被包括在上边界密封部件31中，以允许在外部树脂体积35和内部树脂体积36之间树脂交换，这两个体积由边界密封件13划界。在图9所示的实施例中，下边界密封件33被永久地固定(例如，使用粘合剂37)到储液器壁3上，而磁夹30和32之间的非永久吸引力被用于加强上边界密封件31相对柔性隔膜12的接触。图9示出了一个实施例，其中两个边界元件31和33包括作为可移除夹具的成对的永磁体。在一些实施例中，机械紧固件或者一体形成的互锁部件也可以用于密封边界。
图10示出了其中孔的表面(即，柔性隔膜12的轮廓)与光聚合物储液器3的下边界齐平或接近水平的示例性实施例。因此，交换部件不需要相邻于孔连接和交换储液器3的剩余部分中的树脂(共同被示出为光聚合物树脂5)。在该设计中，在储液器3中使用小的插入件来安装透明窗口8和顺应性释放层9，同时将柔性隔膜12通过包括永久性密封剂(例如，围绕边界密封件周边涂覆的化学粘结物、基于硅的胶带等)的边界密封件13固定到储液器3上。这种设计不允许维修或更换柔性隔膜元件，并且整个孔系统都是自耗的。
图11示出了一个示例实施例，该示例实施例包括图9至图10中的第一和第二设计的组合元件。在图11的示例性实施例中，顺应性释放层和透明窗口已经被组合成(例如，被替换为)单个“顺应性窗口”部件40，所述部件通过围绕储液器3的周边的边界密封件13相对于储液器3密封。柔性隔膜12被定位在储液器3内与顺应性窗口40直接接触，并且柔性隔膜通过刚性边界框架被保持在适当位置处，所述刚性边界框架通过机械连接件41(例如，与边界密封件相连接的螺钉)机械地连接到储液器3。因为边界密封件13没有深深地延伸到储液器中，所以没有添加树脂交换部件。
尽管已经关于含硅的预陶瓷聚合物说明了本发明的实施例，但是本发明的实施例不限于此，并且应当理解，本文描述的孔系统的实施例可以有益地与其他类型的聚合物和光聚合物树脂结合使用。例如，本发明的实施例可以有助于制造具有更大数量的层或易碎部件(例如，瓶颈)的部件，这些部件更容易发生内聚破坏。
这里描述的本发明的实施例可以应用于各种增材制造方法和装置，以便减少部件数量、减少报废、减少非重复工程等。此外，本发明的实施例可以用于在高磨损或高温应用中需要使用陶瓷材料的组件和部件的增材制造，包括推进结构(叶片、叶轮、机舱、推进器)、控制表面(散热片、前缘)、超音速结构(热保护系统、隔热罩)、高磨损部件(制动器、离合器、转子)、催化剂支撑结构、泵部件和过滤器。增材制造陶瓷在各个领域都有很高的商业需求，包括：汽车和航空航天、工业过滤(熔融金属过滤器、流动分离器)、金属加工(铸模/坯料)、可植入的牙科和医疗装置以及半导体处理。因此，本发明的实施例可以在自底向上的立体光刻系统中使用，以能够在各种不同的工业和应用中进行增材制造。
如本文所使用的，除非另有明确规定，否则所有数字，例如表示值、范围、量或百分比的那些数字，都可以被理解为由词语“约”开头，即使该术语没有明确出现。本文中所使用的术语“基本上”、“大约”和类似术语被用作近似术语而不是程度术语，并且意在说明测量值或计算值中固有的偏差，这些偏差会被本领域技术人员所认可。此外，本文列举的任何数值范围旨在包括被归类在所述范围内的具有相同数值精度的所有子范围。例如，范围“1.0至10.0”旨在包括在所列举的最小值1.0与所列举的最大值10.0之间(并且包括所述最小值和所述最大值)的所有子范围，即，具有等于或大于1.0的最小值和等于或小于10.0的最大值，例如2.4至7.6。本文列举的任何最大数值限制旨在包括其中包含的所有较低数值限制，并且本说明书中列举的任何最小数值限制旨在包括其中包含的所有较高数值限制。因此，申请人保留修改本说明书(包括权利要求书)的权利，以明确列举包含在本文明确叙述的范围内的任何子范围。本文所用的术语“其组合”以及“其多种组合”可以指成分的化学组合(例如，合金或化学化合物)、混合物或层状结构。
将理解的是尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可以用于说明各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分区分开。因此，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下，以下描述的第一元件、部件、区域、层或部分也可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
为了便于说明，在此可以使用空间上相关的术语，例如“在...下方”、“以下”、“下部”、“在...之下”、“在...上方”、“上部”和类似术语，以描述一个元件或部件与另外的(多个)元件或(多个)部件之间的关系，如附图所示。将理解的是，除了附图中描绘的方位之外，空间上相关的术语还意图涵盖装置在使用或操作时的不同方位。例如，如果附图中的结构被翻转，则被描述为在其他元件或部件“之下”或“下方”或“以下”的元件将被定向为在其它元件或部件“之上”。因此，示例术语“以下”和“在...下方”可以包括“上方”和“下方”两个方位。装置还可以以其他方式定向(例如，旋转90度或以其它方位)，并且本文中使用的空间相对的描述语应被相应地解释。
本文中使用的术语仅出于说明特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。复数包含单数，反之亦然。除非上下文另外明确指出，否则本文所使用的单数形式“一个”和“一种”也意图包括复数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”详细说明所述组件、一体件、动作、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其它组件、一体件、动作、操作、元件、部件和/或其群组。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。当诸如“至少一个”的表述在元件列表之前时，这表示修饰的是整个元件列表并且不修饰列表的各个元件。
尽管已经结合特定实施例说明了本发明的主题，但是应该理解，本发明的主题不限于公开的实施例，相反，本发明旨在涵盖在所附权利要求书及其等效形式所限定的精神和保护范围之内的各种修改和等效布置。

Claims (21)

1.一种用于自底向上的立体光刻装置的储液器结构，所述储液器结构包括：
具有下部开口的储液器；
孔系统，所述孔系统包括：
柔性隔膜，所述柔性隔膜定位在所述储液器内并覆盖所述下部开口；和
顺应性释放层，所述顺应性释放层在所述储液器的所述下部开口中位于所述柔性隔膜的下方，所述顺应性释放层横跨所述下部开口并与所述柔性隔膜分离；和
边界密封件，所述边界密封件围绕所述柔性隔膜的周边定位，所述边界密封件包括一个或多个边界密封部件且抵靠所述储液器固定所述柔性隔膜的周边，
其中，所述顺应性释放层具有30OO到65A的硬度。
2.根据权利要求1所述的储液器结构，所述孔系统还包括：
透明窗口，所述透明窗口在所述柔性隔膜下方且在所述储液器的所述下部开口中，所述透明窗口覆盖所述下部开口。
3.根据权利要求1所述的储液器结构，其中，所述顺应性释放层具有低于所述柔性隔膜的硬度，并且所述柔性隔膜具有低于具有固化的光聚合物部件的所述顺应性释放层的粘合潜力。
4.根据权利要求1所述的储液器结构，其中，所述边界密封件包括树脂交换部件。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的储液器结构，其中，所述柔性隔膜被构造成具有与用于立体光刻的树脂大于40°的接触角度。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的储液器结构，其中，所述柔性隔膜被构造为具有小于200N/m的相对于固化的光聚合物树脂部件的层间剥离强度。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的储液器结构，其中，所述柔性隔膜包括从由以下材料构成的组中选择的一个：聚苯乙烯(PS)、聚甲基戊烯(PMP)、环状烯烃共聚物(COC)、氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)和其混合物。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的储液器结构，其中，所述柔性隔膜具有10μm至750μm的厚度。
9.根据权利要求2所述的储液器结构，其中，所述透明窗口包括玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯(BOPET)、聚甲基戊烯(PMP)、环烯烃共聚物(COC)、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其混合物。
10.根据权利要求2所述的储液器结构，其中，所述透明窗口具有0.1mm至16mm的厚度。
11.根据权利要求2所述的储液器结构，其中，所述顺应性释放层和所述透明窗口被一体形成且被包括在所述下部开口中作为单个主体。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的储液器结构，其中，所述顺应性释放层包括硅酮、氨基甲酸酯、氟化聚合物或其混合物。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的储液器结构，其中，所述顺应性释放层包括气体或液体，所述气体或液体包括氮气、氩气、空气、水、乙醇、油、不具有光引发剂成分的树脂或其混合物。
14.根据权利要求1-4中任一项所述的储液器结构，其中，所述顺应性释放层具有0.1mm至13mm的厚度。
15.根据权利要求1-4中任一项所述的储液器结构，所述孔系统还包括在所述柔性隔膜和所述顺应性释放层之间的一定体积的气体或液体。
16.根据权利要求1-4中任一项所述的储液器结构，其中，所述边界密封部件包括可逆的机械连接件。
17.根据权利要求16所述的储液器结构，其中，所述可逆的机械连接件包括具有5lb到60lb的磁力的磁体。
18.根据权利要求1-3中任一项所述的储液器结构，其中，所述边界密封部件包括环氧树脂粘合剂、丙烯酸酯粘合剂、硅酮密封剂、聚氨酯密封剂或其混合物。
19.根据权利要求1-3中任一项所述的储液器结构，其中，所述边界密封部件包括真空卡盘，以保持所述柔性隔膜与所述储液器之间的接触。
20.根据权利要求1-4中任一项所述的储液器结构，其中，所述储液器包括垂直壁，并且所述边界密封件在所述储液器内并与所述垂直壁分隔开。
21.一种立体光刻装置，包括：
构建平台；
储液器，所述储液器定位在所述构建平台的下方，使得所述构建平台能够降低到所述储液器中或从所述储液器中升起；
孔，所述孔定位在所述储液器的底部中的下部开口内并覆盖所述下部开口；和
曝光源，所述曝光源定位在所述储液器的下方并被构造为发出穿过所述孔的光；
其中所述孔包括：
柔性隔膜；
透明窗口，所述透明窗口在所述柔性隔膜的下方；
顺应性释放层，所述顺应性释放层在所述储液器的所述下部开口中位于所述透明窗口和所述柔性隔膜之间，所述顺应性释放层对于所述柔性隔膜具有低亲和性；和
边界密封件，所述边界密封件围绕所述柔性隔膜的周边定位，所述边界密封件包括一个或多个边界密封部件，并且抵靠所述储液器固定所述柔性隔膜的所述周边。
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