CN111344135B - 创建物体的装置及其半刚性衬底 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过材料的激发、固化或硬化创建物体的装置，例如三维打印机，包括：‑半刚性材料的至少一个板(1)的衬底，该衬底限定参考表面；以及‑聚焦在所述衬底上方或下方的激发、固化和/或硬化的源。衬底的半刚性可以是衬底本身固有的，或者可以在衬底自身上提供释放层。

Description

创建物体的装置及其半刚性衬底

技术领域

本公开涉及增材制造，例如使用三维(3D)打印机，其中使用逐层技术以及在衬底上或者衬底下从参考表面连续生长来建造物体。

背景技术

在增材制造中，使用液体/膏状材料作为用于待制造、待构造或待建造的物体的衬底的参考表面或者载体是优选的。在现有技术中，根据本公开的发明人所知，在3D打印机中和其他同样的应用中，参考层、载体或衬底通常是硬的、刚性的、平的板，或者类似的部件。该参考表面用于限定所施加的层的层厚度和表面性能。一旦该层被固化和/或添加到待制造的物体，该层就必须从参考表面释放。最经常地，如果不总是，在施加用于创建待制造物体所需的层之后，参考表面立刻被移除。

为了在参考层上获得适当的层，参考表面应当在公差范围内是平的和光滑的，并且当该层在参考表面上固化时该参考表面还应当不粘附该层，这就是为什么总是采用硬的、刚性的和平的参考表面来作为衬底的原因。作为示例参考US-2011/089610，其公开了针对衬底的一般配置。

在参考表面上制造物体之后的阶段，出现的问题是参考表面和所制造的物体在它们的交界面具有彼此完美对应的硬的和刚性的表面，以及在它们之间没有显著的空间。因此，参考表面和其上被制造的物体不能自由地或者容易地分离。分离通常被真空力(由于环境造成的压力)的抑制。这些释放阻力需要足够低以便对增材制造起作用并且允许物体从参考表面释放。例如，如果释放阻力高于所制造的物体或模型中的拉伸强度的最弱点，则所创建的物体或模型可能破裂或者撕裂。如果释放阻力高于参考层的(或者载体或衬底的)强度，则衬底可能受到损害。如果释放阻力高于线性致动器能够产生的力，则该层将不会释放，从而在不能够将物体从衬底释放的情况下将无法建造物体，因此该衬底于是不得不成为该物体的组成部分。

发明内容

根据本公开这一问题的一个潜在的解决方案是确保至少参考表面具有橡胶状性能，以便参考表面是柔性的或者所制造的模型是柔性的。当参考层被制成具有柔性时，这允许参考层-可以说-从所制造的物体上被剥离。这两个建议的挑战在于只有有限数量的材料对例如3D打印机是有效的，以及在许多情况下这些材料没有展示出最终期望的性能。例如，当通过3D打印制造假牙时，所制造的最终产品不应该是柔性的。

根据本公开，平行的解决方案以柔性衬底的性能和/或衬底上释放涂层的性能的形式被提出。任何其上有涂层的衬底可用于赋予期望的柔性。另外，为了控制释放速度和所产生的力，可以设置或控制物体从释放层释放的方向。

这一解决方案在自上而下以及自底向上两种类型的3D打印机中是可应用的。

可以具体地使用柔性玻璃状材料作为衬底，这是对通过激发(例如激光)具有尽可能小的抑制的高度光学透明的无定形陶瓷材料。使用这种特殊材料是因为它非常平并且整体非常刚性。通过施加适当的薄的衬底，如此薄的衬底赋予系统充分的柔性以提供改进的和可接受的释放。

关键是衬底足够薄以具有足够的柔性，但是足够厚以具有足够的刚性。可选择的，涂层可以采用在刚性非柔性材料上以赋予期望的柔性。因此本公开允许衬底具有自身内在的柔性和/或允许涂层提供期望的柔性。

衬底和/或其上的涂层的柔性使得能够减少释放力。在层的形成期间一定程度的刚性提供了正确的几何形状，并且在生产之后潜在地还提供了操纵，允许所形成的物体在被衬底保持的同时在冲洗和切割处理步骤期间被操纵。

当被固化的物体以及更具体地在衬底上的物体的接触层从衬底被拉开时，衬底基本上在释放的方向弯曲以从衬底剥离该层。

这一原理可以通过根据应用使用许多不同类型的衬底来完成。衬底的选择可以基于对激发辐射或某些化学品的透明度。作为示例，单晶硅可用在足够薄的层中，其对于处理来说是强劲的并且对于从衬底切割物体来说是柔性的。硅对于电磁波谱的某些波长区域是透明的。

在设想的应用中，由于其VU传输性能，可以使用玻璃状材料。其他材料，例如塑料、金属、陶瓷和元素也可以用于这一目的。

衬底的表面几何形状将作为每个添加层的基础几何形状。在特定的实施例中可能需要非常平的衬底表面。

当第一层在衬底上固化时，其适于衬底的几何形状，虽然两个表面可能没有化学粘合剂，但它们通过小的力和真空保持在一起。相对大的表面积和许多相对小的力和真空的结合导致大的净力，来将衬底和所创建的物体维持在一起，并阻止所创建的物体从衬底释放。

如果忽略许多小的力，则真空力单独等于Atm压力*表面积。在实践中，这意味着当以宏观尺度生产的物体在某个点处具有10cm*10cm或100cm²的接触横截面表面积时，在双硬表面释放期间产生的力将是大致100kg。更不用说在物体整个建造期间，使增材制造机器和待制造物体反复承受如此大的力会造成大的复杂性。

然而，根据本公开，可以通过从所创建的物体的基层的边缘简单地剥离衬底来克服该真空力。可选地，可以降低衬底周围的压力以便于衬底的释放。为此，衬底可以布置在压力室中，在该压力室中可以降低衬底周围的压力。

因此，当层从衬底被拉开时，衬底朝着从边缘到中心剥离的释放的方向弯曲。这一剥离是有效的，因为由于简单的机理，弯曲衬底朝着衬底的边缘的所需的力大于在中心的力。

衬底的表面能量由施加到衬底的释放涂层确定。在特定实施例中，可以采用特氟隆涂层(例如FEP)等。这种材料具有非常低的比表面能并且材料本身通常是化学上非常稳定的。虽然这种材料的缺点可能是这种材料不是非常的耐划伤，但是它可以很好地用来形成可替代的释放涂层。

由于特氟隆涂层的低表面能，这种材料将非常不可能形成与有可能用在增材制造系统的实施例中的任何材料的任何结合或者吸引。

由于其它涂层的性能，也可以使用其它涂层。这可以是金属或陶瓷涂层以及其它有机/塑料涂层。例如，可以使用PET，其化学惰性较低但耐刮擦性较高，同时具有与考虑的当前应用相对相似的光学性能。

特氟隆本身可能不会展示出增材制造所需要的性能。更详细地，当以足够厚的层提供以提供所需的刚性以便产生期望的表面几何形状时，具有适当波长的光不会穿过该层。尽管特氟隆具有很高的透射性，但它也具有显着的散射性能。然而，当施加足够薄的涂层时，光散射性能不再占优势，同时保留了表面性能。当在涂层中施加特氟隆到衬底或者以形成衬底时，衬底的整体性能将保持对表面几何形状的优势，而涂层的化学性能对表面化学性质而言占优势。

显然，在该配置中可以使用许多不同的材料来提供所需要的表面化学性质，而在该配置中可以应用不同的但也是大的材料组作为衬底。

为了将涂层结合到衬底上，可以使用粘附层。由于涂层和衬底的物理和化学性能可能是不相容的，因此可能需要第三层和可能的第四层来将涂层结合到衬底上。作为结果的配置可展示出一些与在金属涂层工业中的实践的相似性，在金属涂层工业中，通常使用中间金属涂层将最终涂层粘附到衬底的表面。

如果粘合层足够薄，则仅化学性能将占优势。如果施加更厚的粘合层，则可以赋予系统额外的性能，从而允许整体性能变得更加普遍。

在基于特氟隆和/或更特别地FEP的实施例中，当用臭氧等离子体处理释放涂层或衬底以活化表面时，可将有机硅粘合剂层施加到该氧化表面，其中该系统然后被层压到半刚性衬底上。潜在地，可以采用特氟隆/硅膜作为专用胶带。

获信任的实验已经表明，在具有衬底和分离的释放涂层以及中间的粘合剂层的系统中，如果粘合剂层足够厚，事实是比其粘合的涂层厚10倍，因为这是硅橡胶，则可以获得额外的柔性/表面柔软度。在优选实施例中，粘合剂层足够薄以具有可忽略的整体性能。

为了使衬底材料的整体性质充分发挥作用，理想地，它将是自由浮动的。由于这是不切实际的，因此可以使用橡胶类材料将衬底悬挂在框架上或框架下。

由于橡皮状的材料相对柔软，因此允许衬底自由地折曲和弯曲，同时保持其在相对于框架的适当位置。

因此，用于将衬底悬挂或承载在框架之下或之上的支撑件或悬架的性能可有助于系统的整体性能。如果该材料是更刚性的，则其将对衬底的弯曲提供更大的阻力，反之亦然，如果支撑件或悬架不够刚性，则将允许衬底更容易地弯曲。

通过使用形成鲜明对比或的相互增强的材料性能，释放物的净性能由整个系统的所有层的总和形成，并且如果存在的话，由将衬底连接到框架的悬架或支撑件形成。

要考虑的另一个事实是粘合剂层的几何形状对粘合剂的结构性能的影响，因为粘合剂的行为是材料性质和几何形状的函数。因此，在软橡胶类材料夹在两个硬表面(例如具有平整表面的两个金属块)之间的情况下，两个层之间的弹性程度和由在中间的橡胶层提供的两个块之间的间隔变化所需的力的量是橡胶层的几何形状的函数，而橡胶的厚度越大，橡胶层的弹性性能在整个系统中将越普遍。反之亦然，使用非常薄的橡胶层，例如100nm的层将导致对整个系统所增加的弹性忽略不计。

通过对粘合剂层施加特定的几何形状，例如具有相等宽度的橡胶类材料的框珠(framing bead)将衬底悬挂在框架下方。然后显著地改变框架一侧相对另一侧的高度。然后，悬架或支撑件沿其圆周变化。这导致系统在悬架或支撑件较高的一侧上相对于在系统具有较低轮廓且更刚性的另一侧上更柔性。

通过改变几何形状，可以将额外的变量添加到系统中，不是如上所述在单个维度上，而是也在第二和第三维度上。并且通过可变地引起粘合剂中的气泡来改变粘合剂的密度，以局部改变整体材料性能。

然后，当从衬底释放所创建的物体的基层时，整个系统上的这一变量可以用于指导释放。

如果在简单示例中，衬底更容易朝着释放的方向弯曲，则这一侧预计比系统更刚性的一侧更长久的保持在物体的基层上，从而产生释放的方向定向。

该原理可以被描述为虚拟倾斜，其中，由于力分布，即使没有发生物理倾斜，也产生了倾斜衬底的净效应。

系统可以包括倾斜机构，以增强剥离效应和更严格地指引释放。

支撑衬底的框架然后被保持在一侧，而相对的一侧被允许例如沿着如图1中的箭头A所示的旋转路径，自由地机械移动预定距离。

在大气或加压条件下，通过选择上述性能或者所有上述性能的组合，来实现所创建的产品的基层所期望的释放。

减小由层和衬底的分离所产生的释放力的另一辅助手段是减小周围压力。因为所产生的净力当然是周围液体的粘度的结果，而且也是系统的环境压力的结果。为此，可以将衬底布置在压力室中，在该压力室中，可以降低衬底周围的压力。

由于衬底上被固化的基层和衬底之间的距离实际上为零，当拉开时，造成高真空，其力是表面积乘以压差。因此，降低环境压力可以显著地减小所产生的真空力。

针对某些实施例，膏体涂层系统面临显著的限制。该系统必须适合在有限大小的空间内，并且必须是可靠的和具有成本效益。

大多数其他系统需要昂贵地庞大设置，不适合机器的一些实施例，并且没有足够的化学惰性以符合习惯要求。

起作用的其它因素是污染风险和易用性。

此外，与现有系统相比，现有系统仅可使用相对低粘度的液体用于使用激发的固化或设置，本公开的系统允许使用高粘度液体和触变液体，由此材料通常可自由流动。通过将固化或硬化激发(例如激光)与全局和/或局部施加器组合可以实现此有益效果。

根据本公开的系统可以具有模块化设计，其中装有液体并将衬底浸没在其中的标准盆可以容易地被另一系统替换，例如这种增加了膏体涂层的功能。

在特定实施例中，根据本公开的系统可以使用双向刮板或全局膏体层施加器，其在两个行进方向上在材料厚度上在实质上地整个衬底上施加适当的层。在行进长度的末端附近，刮板被机械地抬升到在施加该层期间在刮板前面行进的大部分材料上。

在生产过程期间，监测在刮板前面行进的过度量，并且如果需要，添加更多的材料。

可以提供附加的或可选的局部施加器，以通过在通过采用固化激发将层有效地添加到被制造的物体之前局部地施加一个或多个部件来更精细地改变层的性能，例如颜色，乃至在衬底上方或下方的一高度处的层内的性能。同样地，全局施加器可以配置为在层上形成每层不同材料和/或不同颜色的材料的层。特别地，施加器与固化激发(例如激光)的组合，可选地还包括柔性悬架，这相对于US-2011/089610是新颖的，其中衬底被没有任何弹性或柔性地固定地安装在用于自上而下或自下而上3D打印的可固化材料浴中，然而本领域技术人员不会考虑将局部或全局层施加器与所采用的激发组合，因为施加器通常仅用于基于从打印头的喷射而固化的印刷材料，其可与本发明的全局或局部施加器相当，但在没有聚焦的或集中的固化激发的情况下起作用。此外，在衬底的悬架中提供弹性/柔性与本领域技术人员的偏见相悖，因为这预期将导致较低的精度，但是可以提供以下讨论的在产品释放方面的益处，同时便于局部和/或全局施加器的采用，因为由此运用到衬底上的任何力或压力被吸收而没有衬底错位的风险。这种弹性并没有呈现为如从US-2011/089610已知的倾斜或铰链连接，而是衬底的框架可以连接到铰链。在本公开中，如下所述，悬架的弹性或柔性允许更容易地释放，以及在由局部和/或全局施加器(如果提供的话)运用的力的压力下使衬底弯曲自如。

在优选实施例中，使用白色陶瓷浆料来创建薄涂层的基底。然后，喷射头或喷涂头可以局部地施加例如颜料。这样，可以创建全色密集的陶瓷物体。在同一条生产线中，可以在每层局部地施加不同的材料以诱导不同材料的性能。

附图说明

在附图中，本公开的范围不限于此，并且其中可以使用相同或相应的附图标记来指定类似或相同的元件、部件和方面，并且其中

图1、3-5示出了使用3D打印机的一系列生产步骤；以及

图2展示了相对于图1的实施例的轻微修改的配置。

具体实施方式

在图中，展示了以下元件、部件和方面：1-板，其本身可以是常规硬的、平的、刚性的或柔性的，或者只是稍微柔性的并且因此是半柔性的；

2-粘合剂层；

3-释放涂层；

4-橡胶连接件；

5-金属或玻璃等的框架；

6-不同厚度的橡胶连接件；

7-施加器，以沉积可固化的膏体材料；

8-由施加器7所沉积的可固化膏体薄膜；

9-局部沉积的可固化膏体材料；

10-附加施加器，以局部沉积可固化的膏体材料，例如用于喷射沉积、喷墨沉积、粉末沉积、粉末蒸发、液滴沉积等；

11-铰链机构；

12-铰链；以及

13-连杆。

在图1中，体现为参考层的衬底1、2、3，经由至少一个柔性支撑件或悬架连接件4(例如橡胶)，安装在例如玻璃或金属的框架5中。衬底包括板1，以及粘合剂层2和释放涂层3。板1本身可以是常规硬的、平的、刚性的或柔性的，或者只是稍微柔性的并且因此是半柔性的。释放涂层3设置为便于制造的物体(未示出)更容易的从板1释放，例如特氟龙、FEP、PET。释放涂层的材料特性将取决于用于待制造物体的材料，并且可以对应于创建物体的机理，例如激光影响、热和用于释放涂层的合适材料的选择，其完全在用于例如3D打印机的基础材料领域中的技术人员的普通技术范围内。

如果要在从板垂下的位置制造物体，则除了附图中的粘合剂层2和释放涂层3之外，或者作为替代，粘合剂层2和释放涂层3可以布置在板1的下侧上。

粘合剂层2设置为将释放涂层3永久地或临时地固定在板1上，并且是可选的，因为可以采用将释放涂层固定到板上的其它方式。

如果板1是硬的、刚性的、坚硬的和平的，并且被设计为重复使用的，则粘合剂层2可以将防粘涂层3临时地固定到板1，以允许制造的产品(未示出)与板1分离，在制造的产品上具有释放涂层3。在这样的实施例中，板1可以直接附接到连接件4，并且粘合剂层2和释放涂层3可以在板1与连接件4的附接范围内延伸。相反，如果板1是柔性的或半柔性的，则粘合剂层2可用于将释放涂层3永久地附接到板1，并且粘合剂层2和释放涂层3可如附图中所示在板1和连接件4之间延伸。

例如橡胶的柔性连接件4导致构成违背本领域技术人员关于施加在由框架5和板1形成的载体上的前提条件的假设，因为该柔性连接件似乎允许一些游隙并且因此也允许误差，特别是在板1旨在相对于施加器7、施加器10移位的情况下(将在本公开中以下进一步描述)。而且，当施加器7、施加器10相对于固定板1移动时，机械振动可能导致类似的误差。因此，本领域技术人员的自然倾向和偏见一直是将3D打印机中的组件配置得尽可能坚固和非柔性的。

框架5与铰链机构11连接，允许框架5沿着箭头A倾斜。示意性示出的铰链机构11可以包括铰链12和连杆13。

图2展示了具有例如橡胶的连接件6的变化高度的构造，而不是图1中连接件4的统一高度。在图2中的左侧上的连接件6高于右侧上的连接件6。

在图1和图2中，框架5和板1限定了容纳部，在该容纳部中或在该容纳部上可以逐层地或整体地创建物体(未示出)，例如如图5所示从底部或从上面采用固化激发或激活，如热、激光束等。正如从以横截面侧视图描绘构造的附图中明显的，由板1和框架5限定的容纳部本质上是杯形的。然而，可以采用任何俯视图形状，例如矩形、正方形、椭圆形等。

图3示出了全局膏体层施加器7，以至少将可固化材料的初始层8布置在释放涂层3上，用于形成待制造产品(未示出)的基层。施加器7可以将多个可固化材料层8布置在彼此的顶部上。可固化材料被固化的精确位置通过从上方或下方的固化激发来确定，如图5所示，例如激光、热等。通过局部施加用于设置可固化材料层8的期望图案和部分的固化激发或其它刺激，逐层地创建待制造物体。类似地，待制造产品可作为整体创建，例如通过使用交叉激光束(未示出)构造固化材料。如果如图3中施加可固化材料的完整8导致材料损失，或者由于其它原因，则可以采用更局部定向的局部膏体层施加器10作为对局部供应可固化材料的附加或替代，其中激发被期望用来固化用于创建待制造物体的材料。这不需要来自全局膏体层施加器7的如图3所示的完整层8。完整层铺设施加器7和局部施加器10的组合或两者中的任一个包含在本公开的范围内。

同样地，还包括浸没至少由板1和框架5限定的容纳部，其中来自不同方向的至少两个固化激活或固化激发的交叉确定了设置可固化材料的放置位置，并且每个激发本身不足以实现这种固化或单独设置，例如交叉激光束。在这样的实施例中，容纳部可以浸没在可固化或承烧(setting)材料的浴中，而不需要具有用于提供全局层8的施加器7和/或用于提供可固化材料9的附加施加器10的系统，附加施加器10更专注于预期发生材料9的固化、承烧或硬化的位置。

基于以上公开，其中本领域技术人员通过采用一般技术获得足够的理解以实现本公开，下面在所附权利要求书中限定范围，其中本公开不限于附图的上述实施例，并且包括相对于实施例描述的那些替代和附加实施例。例如，释放涂层可以在板的下侧上，并且在从板和释放涂层的组合悬挂物体的情况下进行物体的制造。粘合剂层是可选的。激发、硬化或固化材料以创建待制造物体可以用任何激励来执行，例如激光、热等。此外，应当注意的是，板和释放涂层可以呈现为适当材料的单个板，以在制造期间展示出柔性和/或对待制造产品的粘附性，和/或释放性能和/或任何其它期望的性能。可选的粘合剂层和释放涂层可在制造物体之后从板上移除并丢弃，以更换用于随后另一物体的制造。然后可以非常快地重复使用板。

Claims (14)

1.通过材料的激发、固化或硬化创建物体的装置，包括：

-至少一个板的衬底，该衬底限定参考表面，所述板是柔性的；以及

-聚焦在所述衬底上方或下方的激发、固化和/或硬化的源，

其中，所述衬底经由以框珠的形式的至少一个弹性的或柔性的悬挂或支撑连接件安装在框架中，所述悬挂或支撑件连接件在所述框架和所述衬底之间沿圆周布置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衬底布置在压力室中，以降低所述衬底周围的环境压力。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，包括全局膏体层施加器。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，包括局部膏体层施加器。

5.根据权利要求1或2所述的装置，还包括在所述板的一侧上的释放涂层，该释放涂层用于制造所述物体并且配置为便于将制造的物体从所述板释放。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，利用粘合剂层将所述释放涂层布置在所述板上。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述释放涂层能够从所述板移除。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述释放涂层是所述板的组成部分。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述释放涂层由以下材料中的任意一种或多种制成：硅、特氟隆或特氟隆类材料、金属、玻璃、陶瓷以及其他有机/塑料涂层；其中，所述硅包括单晶硅，所述特氟隆或特氟隆类材料包括FEP，所述其他有机/塑料涂层包括PET。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述衬底由以下材料中的任意一种或多种制成：硅、特氟隆或特氟隆类材料、金属、玻璃、陶瓷以及其它有机/塑料涂层；其中，所述硅包括单晶硅，所述特氟隆或特氟隆类材料包括FEP，所述其他有机/塑料涂层包括PET。

11.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述衬底支撑在所述框架上或者悬挂在所述框架下。

12.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述弹性的或柔性的悬挂或支撑连接件由橡胶制成。

13.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述弹性的或柔性的悬挂或支撑连接件的高度轮廓沿其所述圆周变化。

14.根据权利要求1或2所述的装置，还包括连接到所述框架的倾斜机构。

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