CN111372756A - 制作物理对象的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过增材制造来制作物理对象的方法。该方法具有以下步骤：提供可光硬化的主要材料(11)，通过用光照射该可光硬化的主要材料(11)的部分来相继地硬化该部分从而构建对象(100)，用可透光涂层或氧保护材料涂覆该对象(100)的至少一部分；以及用光照射经涂覆的对象(100)，从而使任何可光硬化材料(11)进行后硬化。

Description

制作物理对象的方法
技术领域
本发明涉及一种通过增材制造来制作物理对象的方法，并且具体地涉及具有可透光涂层(具体地讲，氧保护材料)的对象的涂层以及用光照射经涂覆的对象以用于使任何可光硬化材料进行后硬化。
背景技术
在多种技术领域中，越来越多地通过增材制造工艺来制造物理对象或机械工件。
此类增材制造工艺通常允许以对象的期望的单独形状来构建对象，这通过随后添加材料以形成该形状来实现。通过移除材料来从超大坯料中加工出对象的所谓的减成工艺越来越多地被增材制造工艺所取代。
虽然增材制造工艺在快速成型的行业中被同时广泛使用，但是在许多领域中的最终产品的制造仍然具有挑战性。特别是对于制作牙科修复物，一般需要使用与用于人体相容的材料。另外，由构建过程制造的牙科修复物必须满足对机械稳定性的要求以及对美学的期望，例如涉及色差和半透明度。
一些增材制造工艺基于立体光照型技术。立体光照型技术一般使用光来硬化可光硬化的或可光致聚合的树脂。基于计算机辅助设计和/或计算机辅助制造(CAD/CAM)的数据被用于在可光硬化树脂层上投影光图案。光敏树脂通常由于光暴露而固化，使得形成根据图案的固化树脂层。期望的三维对象借助连续添加层创建。从而根据三维对象的期望形状来控制图案。
通常，在对象与可光硬化材料之间的边界处，一些可光硬化材料在构建对象之后驻留在对象上。可光硬化材料通常以不同的量驻留在对象上，这取决于例如可光硬化材料的粘度。这种多余材料通常是不期望的，因为它在对象的实际形状上形成了附加的结构，而且因为可光硬化材料通常是粘性的、可能包含不期望的单体和/或可能(因此)不能形成耐用的结构。因此，目前通常对这种残留的可光硬化材料进行后固化，以提供具有固体表面的对象。根据另一种方法，对对象进行机械清理或借助于化学溶液来清理，之后任选地后固化。
虽然通过增材制造制备的用于处理对象上的多余材料的现有方法提供了有用的结果，但仍然需要提供具有精确且耐用的外表面的对象的方法。
发明内容
本发明涉及通过增材制造来制作物理对象(本文中还称为“对象”)的方法。所述方法包括以下步骤：
(a)提供可光硬化的主要材料，其中所述可光硬化的主要材料是液体或糊状的；
(b)通过用光照射所述可光硬化的主要材料的部分来相继地硬化所述部分，从而构建所述对象；
(c)用可透光流动涂层涂覆所述对象的至少一部分；以及
(d)用光照射经涂覆的对象，从而使任何可光硬化的主要材料进行后硬化。
在一个替代形式中，本发明涉及通过增材制造来制作物理对象(本文中还称为“对象”)的方法。所述方法包括以下步骤：
(a)提供可光硬化的主要材料，其中所述可光硬化的主要材料是液体或糊状的；
(b)通过用光照射所述可光硬化的主要材料的部分来相继地硬化所述部分，从而构建所述对象；
(c)在包含可透光流动涂层的贮存器中提供所述对象；以及
(d)用光照射所述贮存器内的所述对象，从而使任何可光硬化材料进行后硬化。
除非另外指明，否则以下公开内容适用于本发明的两个替代形式。
本发明的有利之处在于，其允许提供通过增材制造构建的对象，该对象至少在对象的外表面处具有最少量的非硬化材料。如本文所提及的涂层可为氧保护材料。因此，术语“涂层”可替换为术语“氧保护材料”。涂层或氧保护材料包封或封装非硬化材料，从而保护非硬化材料不接触氧。因此，可使可光硬化的主要材料的任何氧抑制最小化，使得任何非硬化材料可以最大化的质量进行后硬化。另外，本发明的有利之处在于其允许通过增材制造由不期望的粘附的非硬化材料以及另外由氧保护材料构建的广泛清理对象。因此对象的清理是非侵入性的且无接触的。因此，防止了对象发生结构损坏或机械故障，例如可能由清理工具或清理剂引起的那些结构损坏或机械故障。此外，由于该清理基于物理作用，因此清理通常不依赖于多余材料或涂层的化学组成。具体地讲，不需要用于化学清理的溶剂或清理剂(但另外也可应用化学清理步骤)。因此，本发明可与基于不同化学基础的多种可光硬化的主要材料和次要材料以及涂层一起使用。
在一个实施方案中，涂层由包含介于50重量％和99重量％之间的甘油以及介于1重量％和49重量％之间的热解法二氧化硅的组合物制成。
在一个实施方案中，该方法还包括步骤(或所述步骤)：通过使所述对象移动从而在涂层中产生质量惯性力来清理对象上的涂层。清理对象上的涂层的步骤可通过其他方式执行。例如，可通过用清理剂洗涤对象从而从对象移除涂层来移除所述涂层。
在另一个实施方案中，该方法包括步骤(或所述步骤)：通过使所述对象移动从而在多余材料中产生质量惯性力来清理所述对象上的多余材料。如本文所提及的多余材料由可光硬化的主要材料和可光硬化的次要材料中的至少一者形成。这意味着多余材料可由可光硬化的主要材料、可光硬化的次要材料或由可光硬化的主要材料和可光硬化的次要材料的组合形成。
在用可透光涂层涂覆对象的至少一部分的步骤之前，执行清理对象上的多余材料的步骤。(在替代形式中，在将对象提供于贮存器中的步骤之前执行清理对象上的多余材料的步骤。)因此，多余材料的量被减少或最小化。这有助于以最大化的准确度提供对象。此外，多余材料由所述可光硬化的主要材料和可光硬化的次要材料中的至少一者形成。
术语“可光硬化的主要材料”优选地是指用于构建对象的材料类型中的非硬化材料。此外，术语“可光硬化的次要材料”是指非硬化材料，该非硬化材料是与构建对象的材料不同的材料。可将可光硬化的次要材料施加到所构建的对象，例如涂覆在所构建的对象上以进行精加工。如本文所用，术语“可硬化的”可包含或对应于“可聚合的”。
可光硬化的主要材料和可光硬化的次要材料以及因此还有多余材料优选地是液体或糊状的。因此，可光硬化的主要材料和次要材料以及多余材料也是可流动的。可光硬化的主要材料和次要材料可以不是粉末。此外，涂层优选为液体或糊状或凝胶。
如本文所提及的术语“质量惯性力”可被指定为每单位质量的力，并因此可以m/s2为单位来指定。此外，质量惯性力可由作为重力加速度的因子的G力来表示。出于本说明书的目的，重力加速度为9.81m/s2。因此，例如9.81m/s2的质量惯性力可表示为1G。
多余材料，只要此类多余材料保留在对象上，就优选地形成对象的一部分。这意味着尽管一些多余材料可通过清理对象上多余材料的任何残余部分而从对象移除，但多余材料的任何残余部分形成对象的一部分。
具体地讲，多余材料可由用于制作物理对象的特定类型的增材制造工艺产生。例如，用于制作物理对象的特定类型的增材制造工艺可能固有地导致可光硬化的主要材料粘附在对象上。这种粘附的可光硬化的主要材料可例如以膜的形式存在于对象的外表面上。作为一种选择，多余材料可完全留在对象上并在构建对象之后进行后硬化。在这种情况下，不执行清理对象上的多余材料的步骤。在多余材料进行后硬化之前，可将物理对象(包括多余材料)暴露于真空。
作为另一种选择，可通过清理对象上的多余材料的步骤来至少部分地移除多余材料。因为通常清理步骤导致多余材料的移除为多余材料的初始量的至少约95％，所以剩余的多余材料优选地也是后硬化的。
本发明还公开了一种后处理从增材制造获得的物理对象的方法。后处理方法包括(所述)步骤：通过增材制造提供对象并将物理对象暴露于真空。该方法还可包括步骤：通过使对象移动从而在多余材料中产生质量惯性力来清理对象上的多余材料(如本说明书中所述)。将物理对象暴露于真空的步骤优选地在清理对象上的多余材料的步骤之前执行。此外，将物理对象暴露于真空的步骤优选地在清理对象上的多余材料的步骤之前或开始时结束。将物理对象暴露于真空的步骤可与清理对象上的多余材料的步骤重叠，但优选地在清理对象上的多余材料结束之前结束。已经发现的是，多余材料暴露于真空导致最终被截留在多余材料内的空气朝向多余材料的外表面移动。此外，已发现到达多余材料附近的任何空气可形成气泡，所述气泡可导致多余材料的外表面处的不规则部分(例如，如此和/或在破裂之后)。在清理对象上的多余材料的步骤中，多余材料的此类外表面优选地连同此类不规则部分一起被移除。因此，通过如本文所公开的后处理方法，可提供具有最大化的表面光滑度的物理对象。
为了将物理对象暴露于真空，可在真空室中提供物理对象。例如，离心机可具有真空室，在所述真空室内可顺序地执行施加真空和离心，而无需在其间处理物理对象。如上所述，施加真空和离心可部分同时执行，但应优选地在清理对象上的涂层的步骤结束时降低或去除真空，以避免产生表面不规则部分。
可基于绝对压力来测量真空的大小。绝对压力优选地小于100mbar，更优选地小于20mbar，最优选地小于4mbar。虽然较低的绝对压力通常提供较好的多余材料脱气，但可选择较大的绝对压力(其仍提供可接受的结果)以实现较快的加工并且最大化制造环境中的吞吐量。
根据本发明，优选地使得至少一些多余材料和/或涂层由于作用在粘附的多余材料和/或涂层上的加速力或质量惯性力而与对象分离。加速力或质量惯性力是通过使对象移动(例如旋转)而引起的。就此而言，“使得与对象分离”的措词涵盖粘附的多余材料或涂层的部分分别从多余材料或涂层分离出来。因此，在清理对象上的涂层或多余材料的相应步骤期间，多余材料的量优选地减少，并且涂层的量优选地减少。如所提及的，粘附的可光硬化的主要材料或次要材料的非常薄且均匀的膜或颗粒通常在清理对象上的多余材料的步骤之后保留。然而，此类剩余的膜优选地为后固化的。此外，在清理对象上的多余材料的步骤之后，可保留非常少量的涂层。然而，优选地选择形成涂层的材料，使得其可保留在对象上或使得其可被不影响对象的溶剂溶解。优选的溶剂为水。
增材制造通常可基于对可光硬化的主要材料的部分或层进行相继地光硬化。增材制造(或增材制造工艺)可包括立体光照型技术(SLA)、多喷射建模(MJM)和膜转移成像(FTI)中的至少一者。所有这些增材制造工艺通常都使用液体和/或糊状的可光硬化材料来构建对象。
立体光照型技术(SLA)通常基于通过将可光硬化的主要材料的选定部分暴露于光而对可光硬化的主要材料的部分(具体地讲，层)进行硬化。立体光照型技术通常使用可定位的激光束来选择性地硬化可光硬化的主要材料的部分。此外或另选地，可使用投影仪作为光源来选择性地硬化可光硬化的主要材料的部分。一种基于投影仪的增材制造工艺通常称为Digital Light ProcessingTM(DLP)。基于立体光照型技术和投影仪的增材制造工艺(包括DLP和其他工艺)在本文中被称为“立体光照型技术”，但在增材制造领域中，这些工艺可被理解为形成另选方案。
在一个实施方案中，本发明的方法在用于通过增材制造来制作物理对象的系统上执行。因此，本发明可另外涉及被构造用于执行如本文所公开的本发明方法的系统。具体地讲，该系统可包括用于增材制造的装置，该装置被构造成至少执行本发明的方法的步骤(a)和(b)。此外，该系统可包括后处理装置，该后处理装置被构造成至少执行本发明的方法的步骤(c)和(d)。用于增材制造的装置和后处理装置可被构造成彼此独立地操作(例如可以两个单独的装置的形式形成系统)或可组合操作(例如可组合形成一个装置或系统)。
优选地，该系统具有用于接纳可光硬化的主要材料的槽和用于承载对象的构建载体。构建载体形成构建表面。构建表面优选地平行于槽的支撑表面。槽优选地为透明的或具有至少透明的底壁。底壁优选地形成支撑表面。构造表面和支撑表面面向彼此。此外，构建表面优选地面向重心，而支撑表面面向相反的方向。支撑表面支撑一定量的可光硬化的主要材料(如果存在这种材料的话)。因此，槽可具有用于将可光硬化的主要材料保持在槽中的周向侧壁。槽和构建载体优选地能够相对于彼此移动。槽和构建载体优选地可通过计算机数字控制(CNC)相对于彼此定位。更具体地讲，槽和构建载体优选地能够在垂直于支撑表面和构建表面的维度上相对于彼此移动和定位。该维度在本文中还被称为“构建维度”。构建维度还对应于其中对象被相继地构建的维度。
该系统通常可基于上述方法中的任一种。在特定的实施方案中，该系统基于DLP，其中光源(具体地讲，图像投影仪)被布置在构建载体的相对侧上的槽下方。在这种系统中，在增材制造期间使对象离开重心移动。此外，投影仪沿离开重心的方向投射光。图像投影仪特别地被布置成将图像形式的光穿过支撑表面朝向载体投射。优选地根据可光硬化的主要材料中包含的光引发剂来选择光。例如，如果基于酰基氧化膦的光引发剂如
Figure BDA0002501829070000081
TPO包含在可光硬化的主要材料中，则图像投影仪优选地至少发射波长在340nm至430nm之间的紫外光。
Figure BDA0002501829070000082
TPO通常具有介于350nm至420nm之间的吸收光谱，其中最大吸收为约381nm。然而，图像投影仪可被构造用于发射更多波长的光。例如，图像投影仪可适于发射至少在450nm至495nm之间的波长内的蓝光和/或发射380nm至750nm的波长范围的白光。
替代系统也具有用于接纳可光硬化的主要材料的槽和用于承载对象的构建载体。构建载体形成优选地背对重心的构建表面。支撑表面支撑一定量的可光硬化的主要材料(如果存在这种材料的话)。槽具有用于将可光硬化的主要材料保持在槽中的周向侧壁。槽和构建载体优选地能够相对于彼此移动。槽和构建载体优选地可通过计算机数字控制(CNC)相对于彼此定位。更具体地讲，槽和构建载体优选地能够在垂直于构建表面的维度上相对于彼此移动和定位。该系统可具有布置在槽上方的激光光源。在这种系统中，在增材制造期间，对象朝向重心移向。此外，激光光源沿朝向重心的方向投射光。同样优选地根据如上所述的可光硬化的主要材料中包含的光引发剂来选择光。
在一个实施方案中，构建对象的步骤(b)可包括步骤：由可光硬化的主要材料提供层。优选地，来自可光硬化的主要材料的层形成在构建表面与支撑表面之间。如果可光硬化的主要材料的层已在之前硬化(如本发明方法的步骤(b)中所定义)，则来自可光硬化的主要材料的层形成在硬化层与支撑表面之间。为了形成该层，可在槽中提供可光硬化的主要材料，并且构建载体和槽可朝向确定的位置定位。优选地，该层具有沿构建维度的层厚度。构建表面与支撑表面之间的距离对应于或形成层厚度。一旦已构建对象的一个或多个层，则层厚度对应于相应的硬化层与支撑表面之间的距离。位置最靠近构建表面的硬化层被称为最底部硬化层。最底部硬化层具有面向支撑表面的表面。因此，在对象被至少部分地构建的情况下，来自可光硬化的主要材料的层在最底部硬化层的表面与支撑表面之间形成。
在另一个实施方案中，该方法包括步骤：硬化可光硬化的主要材料的层的体积元件。体积元件的厚度对应于层厚度。具体地讲，来自可光硬化的主要材料的层可暴露于从图像投影仪发射的光。硬化的体积元件通常在形状上对应于由图像投影仪从可光硬化的主要材料朝该层投射的图像。例如，由图像投影仪投影的环形图像通常产生硬化的主要材料的环，其厚度与层厚度相对应。体积元件围绕构建维度形成周向表面。该体积元件自然地与可光硬化的主要材料接触。例如，在通过图像投影产生环形体积元件的情况下，这种环形体积元件形成与可光硬化的主要材料接触的大致圆柱形的周向表面(在图像外部并因此未暴露于光)。
在另一个实施方案中，该方法包括步骤：使体积元件沿构建维度(沿厚度的维度)移动。具体地讲，使用立体光照型技术，可以降低体积元件以使得另一可光硬化的主要材料能够在体积元件上方流动，或者另选地，可以升高体积元件以使得另一可光硬化的主要材料能够在体积元件下方(具体地讲，在体积元件与支撑表面之间)流动。因此，形成了另一层可光硬化的主要材料。
该方法还可包括步骤：硬化另一体积元件。该另一体积元件在该另一层可光硬化的主要材料内硬化。
优选地重复以下步骤：硬化可光硬化的主要材料的层的体积元件，
使体积元件沿构建维度移动，以及硬化另一体积元件，直到对象被构建。
在一个实施方案中，可光硬化的次要材料不同于可光硬化的主要材料。例如，可光硬化的次要材料可基于不同于可光硬化的主要材料所基于的化学组成的化学组成。具体地讲，可光硬化的次要材料可具有不同于可光硬化的主要材料的颜色和/或半透明度的颜色和/或半透明度。
在一个实施方案中，可光硬化的主要材料为可光致聚合的树脂。另外，可光硬化的次要材料可以是可光致聚合的树脂。硬化优选地通过用光照射可光硬化的主要材料和/或可光硬化的次要材料来执行。该光可为或可包括如本文所指定的紫外光、蓝光或白光。
在一个实施方案中，可光硬化的主要材料以及可光硬化的次要材料各自基于包含酰基氧化膦(具体地讲，
Figure BDA0002501829070000101
TPO)作为光引发剂的制剂。可光硬化的主要材料和次要材料还可基于具有(甲基)丙烯酸酯部分作为反应性基团的单体，并且可包含填料、染料和着色剂。
在一个实施方案中，用于移除至少一些多余材料而施加的质量惯性力对应于至少100G的G力。100G的质量惯性力已被证明适于移除中至高粘度的可光硬化的材料。技术人员将认识到，质量惯性力对于较低粘度的材料而言可能较小，而对于较高粘度的材料而言则较大。质量惯性力通常可通过调节旋转速度来调节。例如，半径通常由对象的尺寸和后处理装置的构型来确定，使得质量惯性力可通过对象移动时的旋转速度来调节。优选地，清理对象上的多余材料是在对象(包括多余材料)被空气(具体地讲环境空气)围绕的情况下执行的。这意味着多余材料与空气(具体地讲环境空气)直接接触。
清理对象上的涂层可根据如本文所公开的用于清理多余材料的相同方法步骤来执行。最终，相对于清理对象上的多余材料，在清理对象上的涂层时，可降低旋转速度。
在一个实施方案中，在清理对象上的涂层或多余材料的步骤中，对象的移动是对象的旋转。因此，质量惯性力可由离心力产生。多余材料或涂层的颗粒上的离心力取决于旋转速度和该颗粒距旋转轴线的半径。因此，具有不均匀的外部形状的对象上的多余材料或涂层(例如，对于牙科修复物通常就是这种情况)暴露于不同的离心力。然而，已发现，至少对于对象的偏离对象旋转的旋转轴线定位的大多数外表面部分而言，以特定最小旋转速度可达到令人满意的清理效果。此外，已发现对于对象的更靠近旋转轴线定位(或位于旋转轴线中)的那些外表面部分而言，清理对象的涂层或多余材料的步骤可通过围绕另一不同的旋转轴线使对象旋转来执行。
因此，该旋转优选地围绕至少第一旋转轴线和第二旋转轴线执行。该第一旋转轴线和第二旋转轴线具有不同的取向。因此，可有效地清理通过增材制造构建的对象的外表面上的多余材料和涂层。对象的旋转可围绕可在一个、两个或三个维度上连续倾斜的多条旋转轴线或一条旋转轴线来执行。旋转轴线可在一个、两个或三个维度上连续倾斜的实施方案可通过万向悬架或卡登悬架(Cardan suspension)来实现。
该旋转可由包括马达驱动轴的装置执行，对象可在该马达驱动轴上以两个不同的取向被接纳以用于围绕第一旋转轴线和/或第二旋转轴线旋转。在此类装置中，第一旋转轴线和第二旋转轴线通常延伸穿过对象。另选地，旋转可由离心机执行，其中对象可保持在离心机的转子处。对象相对于旋转轴线的不同取向可通过离心机的不同旋转速度来调节。这是因为离心机通常包括用于接纳对象的一个或多个保持器，并且保持器悬挂在转子处以用于根据离心机的旋转速度从旋转轴线径向向外枢转。在此类装置中，第一旋转轴线和第二旋转轴线通常延伸到对象的外部。
在一个实施方案中，对象包括用于从该对象提供牙科修复物的工件。优选地，所述对象包括牙科修复物。具体地讲，工件优选地形成牙科修复物。因此，该工件可对应于牙科修复物，在对象被构建和清理之后，从该牙科修复物移除该对象的任何其他结构。因此，该工件可具有牙齿形状。例如，工件可以是牙冠、牙桥或牙嵌体。该对象还优选地包括固定部分。固定部分优选地不形成工件或牙科修复物的一部分。而是，固定部分可被构造用于将对象保持在后处理装置中，以用于清理对象上的多余材料和/或涂层。该对象还可包括一个或多个支撑结构，该一个或多个支撑结构将工件和固定部分彼此连接。支撑结构优选地也不形成工件或牙科修复物的一部分。因此，为了获得牙科修复物，该方法可包括步骤：从工件或牙科修复物移除支撑结构。
该对象还可包括两个或更多个工件，该两个或更多个工件经由支撑结构被布置到一个共同的固定部分上。这允许同时构建若干个牙科修复物，并且允许一次在一个对象(但若干个牙科修复物)上执行清理对象上的涂层或多余材料的步骤。
在另一方面，本发明涉及由至少光硬化材料制成的对象。该对象包括由包含介于50重量％和99重量％之间的甘油以及介于1重量％和49重量％之间的热解法二氧化硅的组合物制成的优选地可透光涂层。合适的组合物可以商品名AirBlockTM购自登士柏西诺德公司(Dentsply Sirona Inc.)、以商品名Oxyguard II购自可乐丽美国公司(KurarayAmerica Inc.)或以商品名Liquid
Figure BDA0002501829070000131
购自义获嘉伟瓦登特(Ivoclar Vivadent)。
附图说明
图1为可与本发明一起使用的用于增材制造的装置的示意图；
图2为可使用本发明的方法来制作的对象的透视图；
图3为图2所示对象的不同透视图；
图4为根据本发明的实施方案的附接到离心机上的对象的局部剖视图；
图5为根据本发明的实施方案的离心机的顶视图；
图6为可与本发明一起使用的托盘组件的透视图；
图7为图6所示托盘组件的剖视图；
图8为可与本发明一起使用的托盘的局部透视图；以及
图9为在离心机的操作中的图8的托盘的局部透视图，该离心机中使用了托盘。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的方法通过增材制造来制作物理对象100的装置1。在该示例中，装置1用于构建牙科修复物。因此，该示例中的物理对象100为牙科修复物。牙科修复物包括例如牙冠、牙桥、牙嵌体或一个或多个替换齿。
装置1包括槽3，在该槽中提供了可光硬化的主要材料。为了提供可光硬化的主要材料，装置1可具有用于存储可光硬化的主要材料的一个或多个罐(未示出)和用于将可光硬化的主要材料的部分分配到槽3中的装置。可根据需要以不同的牙齿颜色选择性地提供可光硬化的主要材料。在该示例中，可光硬化的主要材料为可光硬化的树脂(在牙科材料实践领域中也通常称为可光致聚合树脂)。可光硬化的主要材料具有液体或糊状(并且因此可流动)的稠度。槽3具有可透光基座2。在该示例中，整个槽3由透明材料制成。用于槽3的合适材料包括，例如，石英玻璃或聚碳酸酯。其他材料也可以适当地使用。
槽3为大致杯形的。具体地讲，槽3具有底壁3a、侧壁3b并且形成与底壁3a相对的开口。该示例中的槽3为大致圆形的(具有圆形侧壁)，但其他几何形状也是可能的。
装置1通常被构造为通过立体光照型技术来构建对象100。这意味着通过相继地硬化可光硬化的主要材料的部分(具体地讲，层)来构建物理对象。因此，每个构建层均由硬化的主要材料组成。硬化的主要材料是固态的(且不可流动)。层被“堆叠”或在彼此上方提供的尺寸在本文中被称为“构建尺寸”，并且在图中被指定为“B”。其余两个维度中的形状由硬化的主要材料的层中的每一层的形状控制。
硬化的主要材料的各个层的形状通过暴露可光硬化的主要材料的层的选定部分来确定。这由光源5执行，该光源在该示例中为图像投影仪。图像投影仪由计算机基于三维虚拟对象进行控制(具体地讲，提供图像)，该三维虚拟对象实际上被切成所需厚度的层。图像投影仪可基于Digital Light ProcessingTM。数字光处理(DLP)使用在半导体芯片上布置成矩阵形式的微镜。此类半导体芯片被称为数字微镜器件(“DMD”)。DMD的典型反射镜的尺寸为约5μm或更小。每个反射镜能够通过控制半导体在两个位置之间移动。在一个位置中，反射镜被定位成反射通过光输出导向在反射镜上的光，而在另一个位置中，反射镜被定位成使得导向在反射镜上的光不离开投影仪。每个反射镜通常代表投影图像中的一个像素，使得反射镜的数量通常对应于投影图像的分辨率。技术人员将认识到，其他投影仪技术或激光束也可与本发明的装置一起使用。
光源5布置在装置1的可透光区域7下方。可透光区域7被布置成大致水平的(垂直于重力方向)，并且光源5布置在可透光区域7的面向重心的那一侧。在该示例中，可透光区域7设置在装置的外壳6中。槽3与可透光基座2可移除地放置在可透光区域7上。因此，由光源5发射并且透射穿过外壳6的可透光区域7的光也透射穿过槽3的可透光基座2。此外，由于槽3可移除地放置在装置1中，因此槽3可以由另一个槽(例如用于与不同颜色的可光硬化的主要材料一起使用的槽)代替。
优选的是，可透光区域7和可透光基座2是透明且清晰的。因此，投影到可透光基座的图像的图像清晰度可最大化。这也是以最大化的准确度构建对象的基础。应当指出的是，在另一个示例中，可透光区域和可透光基座可组合成一体。
装置1包括构建载体4。构建载体4布置在可透光区域7的与光源5相对的一侧上。构建载体4被构造为保持由装置构建的对象。可以通过计算机控制相对于可透光基座2(和可透光区域7)来定位构建载体4。具体地讲，构建载体4可至少在构建维度B上移动。在另一个示例中，构建载体可在垂直于构建维度的一个或两个维度上移动。
对象100在构建维度B上构建在装置1中。具体地讲，相对于首先形成的对象的一部分或层向下(在重力的方向上)执行构建过程。这是通过以下方式实现的：当对象100被构建时，装置1相继地向上牵拉对象100(离开重心并离开可透光区域7)。
构建载体4经由支撑件8连接到线性驱动器9。该示例中的线性驱动器9具有主轴(未示出)，该主轴机械地联接至支撑件8，使得支撑件8可在构建维度B上沿两个方向移动。线性驱动器9还具有马达10和位置测量装置。因此，可通过经由计算机数字控制(CNC)来控制装置1从而精确地定位支承件8和附接的构建载体4。技术人员将认识到，在另一个示例中，支撑件自身可被构造为构建载体。此外，技术人员将认识到，构建载体可通过其他方式与线性驱动器连接。此外，还可以使用主轴驱动器以外的其他驱动器。
在示出的阶段，对象100(在该示例中包括牙冠)已经部分地构建在装置1中。一般来讲，对象100构建在构建载体4与可透光基座2之间的区域中。具体地讲，对象100由构建载体4在对象100的第一端101处经由支撑结构103承载。在所示阶段中的构建载体4被定位成使得在对象100的相对的第二端102与可透光基座2之间形成空间12。空间12在构建维度B上具有预定的厚度。此外，可光硬化的主要材料11设置在槽3中。可光硬化的主要材料11的量被选择成使得形成预定填充水平的可光硬化的主要材料的浴。可光硬化的主要材料11的填充水平对应于或高于空间12的厚度。因此，空间12被可光硬化的主要材料11完全填充。在该阶段，图像投影仪5可用于将光发射穿过可透光基座2到空间12中。光优选地以二维图案的形式在平行于可透光基座2的平面中发射。因此，可光硬化的主要材料11根据光图案的图案被局部照射。具体地讲，图案的任何光像素使得可光硬化的主要材料11的暴露于光像素的光的此类部分硬化。可光硬化的主要材料11通常为在一定程度上可透光的，使得光完全穿透空间12中的可光硬化的主要材料11。因此，通过使可光硬化的主要材料硬化，形成硬化的主要材料的部分(具体地讲，层)。硬化的主要材料的这些部分与已构建成的对象100连接在一起，并成为得到更多补充的对象的一部分。从该阶段起，得到补充的对象可从可透光基座2回缩，以便形成填充有尚未硬化的可光硬化的主要材料的新空间，该尚未硬化的可光硬化的主要材料可被另一个光图案照射以进一步补充对象，以此类推，直到对象被完全地逐层构建起来。构建载体4具有保持表面，该保持表面面向可透光区域7并且对象100粘附在该保持表面上。保持表面用于保持硬化的主要材料。该硬化的主要材料的保持优于硬化的主要材料在可透光基座2上的保持。因此，在将对象从可透光基座拉离时，对象在与可透光基座断开连接的同时仍保持在构建载体上。技术人员将认识到控制硬化的主要材料在构建载体上的更好粘附的若干技术可能性，包括对用于构建载体4和可透光基座2的材料的选择、构建载体4和可透光基座2的表面粗糙度的构型、保持元件的布置或它们的组合。可透光基座2任选地涂覆有不粘涂层，例如聚四氟乙烯。因此，在硬化部分彼此粘附的同时，硬化的主要材料从可透光基座松动。因此，可以防止在回缩期间所构建的对象的任何分裂。
在对象的回缩期间，由于物理原因，槽中的可光硬化的主要材料被吸入(或被环境压力压入)到新出现的空间中。为了防止填充水平下降到空间的厚度以下(这可能导致对象中出现空隙)，在对象的回缩之前和/或同时在槽中提供另外的可光硬化的主要材料。
在构建对象100之后，有利地移除粘附到对象的多余的(液体或糊状)可光硬化的主要材料。多余的可光硬化的主要材料可能粘附到对象，因为从中相继地拉出对象的可光硬化的主要材料通常不会完全流失。尽管这种粘附的多余的可光硬化的主要材料可以硬化(后固化)以节省任何清理步骤，但已发现，粘附的可光硬化的主要材料可能不形成均匀的层。因此，粘附的多余的可光硬化的主要材料可能对对象的形状准确度产生负面影响。
在清理对象100上的多余材料之后，将对象100从装置1移除并且用可透光涂层涂覆，该可透光涂层在示例中为甘油基凝胶。该示例中的涂覆通过将对象100浸没于容纳一定量的甘油基凝胶的贮存器中来执行。涂覆的其它方式为可能的。例如，可将涂层喷涂或倾倒在对象上。用光照射经涂覆的对象100以用于硬化任何可光硬化的主要材料和/或次要材料。随后，再次移除涂层，如下文进一步详细描述。
图2和图3示出了如图2所述的在装置中构建的对象100。对象100包括工件104(在该示例中为牙冠)，该工件经由支撑结构103连接至固定部分105。工件104、支撑结构103和固定部分105由光硬化的主要材料构建。固定部分105允许在任何所谓的后处理步骤中对对象100进行处理和可再现地定位。然而，固定部分105和支撑结构103形成所谓的丢弃部件，即仅用于制造并且随后从工件104移除的部件。后处理步骤可包括例如工件104(牙冠)的清理、后固化、切割、磨削和/或移除支撑结构103。在该示例中，固定部分105具有平面105a，该平面允许将对象100可再现地定位在预定的角度位置。此外，固定部分105中设置有第一腔和第二腔105b、105c。第一腔和第二腔105b、105c(见图3)允许将对象100安装在马达驱动的主轴上，如下文更详细地描述的。技术人员将能够提供允许将对象定位在后处理装置中的其他结构。示例包括螺纹、燕尾结构、卡口锁的一部分以及其他合适的结构。在清理(以及任选地进一步修整)之后，例如通过从对象100脱离来移除任何支撑结构103以获得工件或牙科修复物。
图4示出了附接到离心机200上的对象100。在所示的阶段，对象100可处于两种不同的状态：(i)对象100可被构建并且尚未清理多余的材料。在这种情况下，离心机200优选地用于清理对象上的多余材料。(ii)对象100可能已经清理多余的材料、后硬化并用涂层涂覆。在这种情况下，离心机200优选地用于清理对象上的涂层。离心机200具有马达驱动的主轴201。具体地讲，在该示例中，通过压力配合将对象100与固定部分105一起接纳在主轴201上。另选地或作为压力配合的补充，可设置用于防止对象100相对于主轴201移动的防扭转结构。此外，离心机200具有用于驱动主轴201的马达单元202。马达单元202具有连接到或可连接到电源的电动马达(未示出)。控制单元203作为离心机200的一部分或作为外部单元(未示出)，用于调节马达的旋转速度并因此用于调节主轴201的旋转速度。
在该示例中，对象100附接在主轴201上以围绕第一旋转轴线R1旋转。第一旋转轴线R1延伸穿过对象100。在该示例中，第一旋转轴线R1逼近对象的对称轴线。术语“逼近”是指牙科修复部件通常复制不完全对称的天然牙齿结构的事实。此外，第一旋转轴线R1平行于构建维度(图1中的B)。
对象100被进一步准备(通过图2和图3所示的第二腔105b)以用于附接到主轴201上，以围绕相对于旋转轴线R1倾斜的第二旋转轴线R2旋转。在该示例中，介于第一轴线与第二轴线R1、R2之间的倾斜角为50度。适当地，其他倾斜角也是可能的。此外，第二旋转轴线R2也延伸穿过对象100。因此，对象100可随后围绕第一旋转轴线和第二旋转轴线R1、R2旋转。在状态(i)中对象100的旋转导致粘附到对象100的多余的液体或糊状材料与对象分离。另选地，在状态(ii)中对象100的旋转导致涂层与对象分离。已发现，因此可物理地清理对象100上的多余的可光硬化的主要材料以及涂层。虽然清理效果通常不会导致100％的多余材料和涂层从对象移除，但已发现大约介于80％和95％之间的多余材料可被移除并且超过95％的涂层可被移除。残余的多余材料可以是后硬化的，因此不影响对象的质量。涂层的残余部分可例如通过用水冲洗掉而被容易地移除。
清理效果由质量惯性力，具体地讲是作用于多余材料或涂层上的离心力引起。从理论上讲，定位在第一旋转轴线和/或第二旋转轴线R1或R2上的任何多余材料或涂层均不会受到这种离心力的影响。此外，施加在靠近第一旋转轴线和第二旋转轴线R1、R2中任一者定位的任何多余材料或涂层上的离心力小于施加在远离第一旋转轴线和/或第二旋转轴线R1、R2定位的多余材料或涂层上的离心力。然而，已发现，通过使对象围绕至少两条旋转轴线(例如，R1、R2)旋转，可最小化不同离心力对清理效果的任何影响。
第一腔和第二腔105b、105c优选地相对于对象100定位和取向，使得对象围绕第一腔和第二腔105b、105c中每一者的各自的第一旋转轴线和第二旋转轴线R1、R2的旋转被平衡。优选地，第一旋转轴线和第二旋转轴线R1、R2分别形成第一腔和第二腔105b、105c的中心轴线。用于平衡旋转的第一腔和第二腔105b、105c的位置和取向可在对象设计期间通过计算机辅助来确定。此外，固定部分可设置有附加结构和/或设置有用于平衡对象旋转的空隙。
一方面，根据多余材料或涂层的物理特性(具体地讲流变行为)来选择旋转速度。另一方面，根据对象的尺寸来选择旋转速度。在该示例中，对象100具有围绕第一旋转轴线R1的约10mm的最大直径。大约6500转/分钟的旋转速度(在空气中旋转)对于多余材料产生了良好的清理效果，而不会由于对象的任何不平衡质量而产生的力而对对象造成机械损坏。应当指出的是，可以以如下方式来构建对象，即，由于工件104的形状而固有地存在的不平衡质量由固定部分105的形状所提供的平衡装置来补偿。可施加相同的速度以用于清理对象100上的涂层。
在该示例中，相对于距离(或半径)为5mm(对象的10mm直径除以2)处的任何点或区域的用于清理对象100上的多余材料的G力为236G。在对象的与旋转轴线的距离或半径为2.5mm的区域处仍具有出色的清理效果，在这些区域中，G力仍大于100G。
对象100在收集容器210内旋转。这是为了收集从对象中甩出的任何多余材料或涂层(并为了避免多余材料或涂层污染周围区域)。该示例中的收集容器210包含空气(是空的)。在另一个示例中，可在收集容器中提供溶剂以用于从对象移除任何多余材料或涂层。然而，这种清理通常可能不是由质量惯性力引起的，并因此可作为本发明的方法步骤的补充而执行。
应当指出的是，可另外选择第一旋转轴线和第二旋转轴线R1、R2的位置和取向。
图5示出了示例性替代离心机300。如所示示例的离心机或类似的离心机可在市场上获得，例如用于化学或生化实验室。离心机300具有转子301，该转子具有四个保持器302，每个保持器用于容纳用于旋动(或离心)的一个或多个样品。转子301能够通过马达功率以可调节的速度围绕旋转轴线R旋转。
在该示例中，在每个保持器302中放置了托盘组件310(其不是现有技术的一部分)，如图6和图7中更详细地描述的。
图6和图7示出了其中接纳托盘组件310的保持器302。保持器302具有顶端319和底端318。此外，每个保持器302在其顶端与底端之间具有沿保持器302的维度的纵向轴线A。保持器302可旋转地悬挂在转子(图5中的301)处(在该视图中未示出)。保持器302悬挂在邻近保持器302的顶端的转子处，以沿旋转轴线(图5中的R)的径向旋转。因此，在离心机300的操作中，由于离心机转子的旋转所引起的离心力，保持器302倾斜，其底端318径向向外。该倾斜可被想象成类似于旋转飞椅中的椅子的径向移动。如果转子的旋转速度为零，则保持器302以其纵向轴线A垂直而取向(基本上与重力一致)。转子的旋转速度越高，保持器302就越倾斜，其中纵向轴线A逼近旋转轴线的径向方向。该示例中的保持器302是杯形的，并且在顶端319处形成开口312(参见图7)。此外，保持器302在底端318上闭合。因此，从离心的对象中逸出的任何物质均可捕获在保持器内，并且可防止离心机受到污染。然而，技术人员将理解，保持器可具有不同的形状，这取决于所使用的离心机的类型。
托盘组件310被接纳在保持器302的开口312之内或之上。在该示例中，托盘组件310包括托盘313和收集容器315。收集容器315是杯形的并且形成承窝317，托盘313接纳在该承窝中。因此，从接纳于托盘313中的对象离心分离的多余的可光硬化的主要材料或涂层被捕获在收集容器315内。这允许用待离心的新托盘替换整个托盘组件310(包括任何离心的对象和移除的可光硬化的主要材料或涂层)。因此，保持器可保持清洁，使得能够通过托盘组件的可替换性和不存在用于清洁保持器的维护中断来实现大量生产。
应当指出的是，虽然不是优选的，但在另一个示例中，类似的托盘可直接接纳在保持器302中。
托盘313具有多个接收器314。该示例中的每个接收器314形成通孔。接收器314的形状和尺寸被设定成使得所构建的对象100可被接纳并保持在其中，如图8所示。
在该示例中，托盘313中的通孔具有台阶状构型，其中台阶320提供了保持部，该保持部保持对象100并防止对象100穿过通孔。台阶320由接收器314的通孔的第一部分314a与第二部分314b之间的过渡形成。第一部分314a的横截面比第二部分314b的横截面宽。在该示例中，第一部分314a和第二部分314b为圆柱形的，并且第一部分314a的第一横截面的直径大于第二部分314b的第二横截面的直径。对象100对应于图2和图3中所提及的对象，并且因此包括经由支撑结构103连接至固定部分105的工件104。将对象100与工件104一起朝下(朝向重心)放置到接收器314中。固定部分105的尺寸大于工件104的尺寸，并且维度被设定成适配在第一部分314a中。因此，固定部分105被定位在接收器的第一部分314a中，并且对象100的其余部分突出在(或穿过)接收器的第二部分314b中。
在一个示例(未示出)中，一个固定部分可承载多个(最终不同)工件。在该示例中，托盘可具有一个或多个更大的接收器(与用于接纳仅带有一个工件的对象的接收器相比)。
在图9中，示出了在离心过程中保持器和托盘313的移动M。由于离心机转子的旋转，托盘313因离心力而倾斜。取决于转子的旋转速度和包括托盘的保持器的重量，托盘的倾斜由于离心力和重力的合力F而建立。已发现，能够通过调节工件的倾斜度来促进从形成底切(如图中所示的底切106)的工件移除多余材料或涂层，并且可通过离心机的旋转速度来调节工件的倾斜度。此外，由于包括托盘和对象的保持器的重量可能在设计对象时就已确定，因此已发现可在离心之前(例如在对象的设计期间)预先确定所需的旋转速度(也考虑工件的底切)。
就这一点而言，应当指出的是，相对于作用在离心机中的对象上的合力，对象中的任何腔均可取决于腔的取向形成底切。因此，可以以不同的速度对对象进行相继地离心，以从不同底切移除多余材料或涂层。因此，装载有特定对象的托盘可设置有数据载体，例如印刷标签或RFID标签，其中存储有关于一个或多个旋转速度的数据。离心机可具有用于数据载体的读取装置，用于根据从数据载体读取的数据自动运行离心程序。

Claims (9)

1.一种通过增材制造来制作物理对象的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供可光硬化的主要材料，其中所述可光硬化的主要材料是液体或糊状的；
(b)通过用光照射所述可光硬化的主要材料的部分来相继地硬化所述部分，从而构建所述对象；
(c)用可流动涂层涂覆所述对象的至少一部分；以及
(d)用光照射经涂覆的对象，从而使任何可光硬化的主要材料进行后硬化。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：通过使所述对象移动从而在所述涂层中产生质量惯性力来清理所述对象上的所述涂层。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括步骤：通过使所述对象移动从而在多余材料中产生质量惯性力来清理所述对象上的多余材料，其中清理所述对象上的多余材料的步骤在用涂层涂覆所述对象的所述至少一部分的步骤之前执行，并且其中所述多余材料由所述可光硬化的主要材料和可光硬化的次要材料中的至少一者形成。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中在分别清理所述对象上的所述涂层或多余材料的步骤中，所述对象的移动是所述对象的旋转。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述旋转围绕至少第一旋转轴线和第二旋转轴线执行，其中所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线具有不同的取向。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述对象包括工件，所述工件用于从所述对象提供牙科修复物。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述对象还包括固定部分，所述固定部分不形成所述牙科修复物的一部分，其中所述固定部分被构造用于将所述对象保持在后处理装置中以用于清理所述对象。
8.一种用于制作物理对象的系统，所述系统被构造用于执行前述权利要求中任一项所述的方法。
9.一种由至少光硬化材料制成的对象，所述对象包括由组合物制成的可流动涂层，所述组合物包含介于50重量％和99重量％之间的甘油以及介于1重量％和49重量％之间的热解法二氧化硅。
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