CN111902258A - 具有哑光饰面的增材制造的产品 - Google Patents

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Abstract

本文提供的是通过立体光刻制备具有哑光饰面的物体的方法。该方法可以包括：(a)通过用具有第一峰值波长的第一光使双重固化树脂聚合来经立体光刻生产中间物体，该物体具有保留在其表面上的过量的未聚合的树脂；(b)从所述物体分离一部分所述过量的未聚合的树脂，同时在该物体的表面上留下未聚合的树脂的薄膜；(c)通过将所述薄膜暴露于第二峰值波长的第二光来部分固化所述薄膜；以及然后(d)通过加热、微波照射、或加热和微波照射二者进一步固化所述中间物体，以生产具有哑光饰面的物体。

Description

具有哑光饰面的增材制造的产品
发明领域
本发明涉及对由增材制造所生产的物体进行表面精整的方法。
发明背景
有时称作“立体光刻(stereolithography)”的一组增材制造技术通过可光聚合树脂的序列聚合来产生三维物体。此类技术可以是“自底向上”技术，其中通过光传输窗口将光投射到生长着的物体底部上的树脂中，或者是“自顶向下”技术，其中将光投射到生长着的物体顶部上的树脂上，该物体随后向下浸入到树脂池中。
最近称为连续液体界面制造(CLIP)的更快速的立体光刻技术的引入结合用于增材制造的“双重固化”树脂的引入已经将立体光刻的有用性从原型制作扩展到制造(参见例如DeSimone等人的美国专利第9,211,678号、第9,205,601号和第9,216,546号；以及还有J.Tumbleston、D. Shirvanyants、N. Ermoshkin等人，Continuous liquid interfaceproduction of 3D Objects，Science 347，1349-1352 (2015)；还参见Rolland等人，美国专利第9,676,963号、第9,453,142号和第9,598,606号)。
由双重固化树脂生产物体所遇到的问题在于在第二次固化之前洗涤物体以去除过量的树脂可改变物体的化学性质。虽然这可以通过用诸如擦拭或旋转之类的技术清除过量的树脂来避免，但是这些可在物体上留下膜，当随后固化时，该膜赋予物体有光泽的饰面(surface finish)。对于许多产品，消费者意识到有光泽的饰面(finish)较差，或者对于一些应用(例如物体接触使用者的皮肤或衣服的情况)，有光泽的饰面可具有不合意的性能特性。因此，对赋予此类物体哑光饰面的技术存在着需求。
发明概述
根据一些实施方案，本文提供的是通过立体光刻制备具有哑光饰面的物体的方法，其包括以下步骤：
(a)通过用具有第一峰值波长的第一光使双重固化树脂聚合来经立体光刻(stereolithographically)生产中间物体，该物体具有保留在其表面上的过量的未聚合的树脂；
(b)从所述物体分离一部分所述过量的未聚合的树脂，同时在该物体的表面上留下未聚合的树脂的薄膜；
(c)通过将所述薄膜暴露于第二峰值波长的第二光来部分固化所述薄膜；以及然后
(d)通过加热、微波照射、或加热和微波照射二者进一步固化所述中间物体，以生产具有哑光饰面的物体。
在一些实施方案中，第二峰值波长比所述第一峰值波长短(例如其中所述第一峰值波长比所述第二峰值波长至少长60或100纳米)。
在一些实施方案中，第一峰值波长介于360纳米和400纳米之间(并且例如所述第一光具有不超过20或40纳米的半高全宽)。
在一些实施方案中，第二峰值波长介于100或150纳米和200或250纳米之间(并且例如所述第二光具有不超过20或40纳米的半高全宽)。
在一些实施方案中，通过旋转、用压缩气体吹风、重力排液(gravity draining)、或其组合来进行分离步骤。
在一些实施方案中，物体包含网格(lattice)。在一些实施方案中，物体包含垫子(例如鞋底夹层)。
在一些实施方案中，物体包含身体接触表面(例如座垫、扶手、热垫(heat rest)、把手、方向盘、或其组件)。在一些实施方案中，物体包含皮肤接触表面(例如头盔衬里)。
在一些实施方案中，物体包含：
(a)聚氨酯、聚脲、或其共聚物；
(b)环氧树脂；
(c)硅酮；或
(d)氰酸酯。
在一些实施方案中，物体是不透明的。在一些实施方案中，树脂包含至少一种颜料(例如白色、黑色、青色、品红色、黄色、或其组合)。
在一些实施方案中，通过自底向上立体光刻或自顶向下立体光刻来进行生产步骤。
在一些实施方案中，步骤(b)、(c)和(d)的物体未经洗涤。在一些实施方案中，在所述部分固化步骤(c)期间，所述树脂的保留部分未经溶剂稀释(例如在步骤(b)期间未经溶剂稀释)。
在一些实施方案中，部分固化步骤(c)进一步包括在将所述中间物体暴露于所述第二波长的光之前，将所述物体暴露于长于所述第二波长的第三波长的光，以在所述进一步固化步骤(d)之前部分降低所述饰面的消光。
在一些实施方案中，部分固化步骤(c)进一步包括在将所述中间物体暴露于所述第二波长的光之前和/或之后，将所述物体暴露于长于所述第二波长的第四波长的光，以在所述进一步固化步骤(d)之前稳定所述哑光饰面。
还提供的是，由任何前述权利要求所述的方法生产的物体。
N. Vaidya和O. Solgaard，3D printed optics with nanometer scale surface roughness, Microsystems & Nanoengineering 4:18 (2018)描述了用于对由立体光刻所生产的物体进行表面精整的方法，其中将物体洗涤、在真空中脱气、用可UV固化凝胶刷涂、再次放置于真空中、需要时进行旋转或通过重力排液、以及然后进行UV固化，以对物体进行表面精整。与本发明相反，Vaidya和Solgaard方法的产品是光滑的，并且意欲用于光学应用，这与赋予由本发明方法所生产的物体的哑光饰面相反。
R. Schubert等人，VUV-induced micro-folding of acrylate-based coatings 2. Characterization of surface properties, Surface & Coatings Technology 203,3734-3740 (2009)描述了通过真空UV处理来生产“物理消光的”涂层，但是未建议将此类材料应用于增材制造的产品，并且未建议可以有利地采用由其生产三维物体的相同树脂来实现哑光饰面。
本发明的前述以及其它的目的和方面在下面阐述的说明书中被更详细地解释。本文引用的所有美国专利参考文献的公开内容均通过引用并入本文。
说明性实施方案详述
现在参考本发明的实施方案在下文中更充分地描述本发明。然而，本发明可按许多不同的形式来体现，并且不应被解释为局限于本文阐述的实施方案；而是提供这些实施方案，以使本公开内容将是彻底和完整的，并将充分传达本发明的范围至本领域技术人员。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并且不意欲限制本发明。除非上下文清楚地另外指明，否则如本文所使用的单数形式“一个/种”(“a”、“an”)和“该/所述”(“the”)意欲也包括复数形式。将进一步理解，术语“包括”(“comprised of”、“comprises”或“comprising”)在本说明书中使用时规定了所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、组分和/或组、或其组合的存在，但不排除一个或更多个其它的特征、整数、步骤、操作、元件、组分和/或组、或其组合的存在或加入。
如本文所使用的术语“和/或”包括一个或更多个相关列举项的任何和所有可能的组合，以及在以替代方式(“或”)解释时缺少组合。
除非另有定义，否则本文所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有由本发明所属领域的一名普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解，术语(例如在常用词典中定义的那些)应被解释为具有与它们在说明书和权利要求书的上下文中的含义相一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来解释，除非本文明确地如此定义。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，虽然在本文中可使用术语第一、第二等来描述各种元件、组分、区域、层和/或部分，但是这些元件、组分、区域、层和/或部分不应受到这些术语的限制。相反，这些术语仅用于将一个元件、组分、区域、层和/或部分与另一个元件、组分、区域、层和/或部分进行区分。因此，本文所讨论的第一元件、组分、区域、层或部分可以被称为第二元件、组分、区域、层或部分，而不背离本发明的教导。
Figure 617592DEST_PATH_IMAGE001
树脂和增材制造步骤
双重固化树脂优选用于进行本发明。此类树脂是已知的，并描述于例如Rolland等人的美国专利第9,676,963号、第9,453,142号和第9,598,606号中。合适的双重固化树脂的特别实例包括，但不限于Carbon Inc.医用聚氨酯、弹性聚氨酯、刚性聚氨酯、柔性聚氨酯、氰酸酯、环氧树脂和硅酮双重固化树脂，所有这些都可从Carbon, Inc., 1089 Mills Way，Redwood City，California 94063 USA获得。
通过增材制造由此类树脂生产中间物体或“半成品(green)”中间体的技术是已知的。合适的技术包括通常称为立体光刻的自底向上和自顶向下的增材制造。此类方法是已知的，并描述于例如Hull的美国专利第5,236,637号；Lawton的美国专利第5,391,072号和第5,529,473号；John的美国专利第7,438,846号；Shkolnik的美国专利第7,892,474号；El-Siblani的美国专利第8,110,135号；Joyce的美国专利申请公开第2013/0292862号；以及Chen等人的美国专利申请公开第2013/0295212号中。通过引用将这些专利和申请的公开内容以其整体并入本文。
在一些实施方案中，通过有时被称为连续液体界面制造(CLIP)的方法族之一来进行增材制造步骤。CLIP是已知的，并描述于例如美国专利第9,211,678号、第9,205,601号、第9,216,546号等等；J. Tumbleston等人，Continuous liquid interface production of3D Objects, Science 347, 1349-1352 (2015)；以及R. Janusziewcz等人，Layerlessfabrication with continuous liquid interface production, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113, 11703-11708 (2016)中。用于进行CLIP的特别的实施方案的方法和装置的其它实例包括，但不限于：Batchelder等人，美国专利申请公开第US 2017/0129169号(2017年5月11日)；Sun和Lichkus，美国专利申请公开第US 2016/0288376号(2016年10月6日)；Willis等人，美国专利申请公开第US 2015/0360419号(2015年12月17日)；Lin等人，美国专利申请公开第US 2015/0331402号(2015年11月19日)；D. Castanon，美国专利申请公开第US 2017/0129167号(2017年5月11日)；L. Robeson等人，PCT专利公开第WO 2015/164234号(也参见美国专利第10,259,171号和第10,434,706号)；C. Mirkin等人，PCT专利公开第WO2017/210298号(也参见美国专利申请US 2019/0160733)；B. Feller，美国专利申请公开第US 2018/0243976号(2018年8月30日公开)；M. Panzer和J. Tumbleston，美国专利申请公开第US 2018/0126630号(2018年5月10日公开)；以及K. Willis和B. Adzima，美国专利申请公开第US 2018/0290374号(2018年10月11日)。
Figure 397329DEST_PATH_IMAGE002
残余树脂分离和曝光
在通过增材制造形成物体之后，部分地去除保留在该物体的表面上的树脂。可以通过任何合适的技术来进行这种去除，所述技术包括简单地重力排液，但优选旋转部件(part)以足以离心分离一些树脂，并且还优选手动地或通过使物体在气刀下方经过而用压缩气体(例如空气、氮气等)吹去树脂。
在部分分离树脂之后，通过暴露于适当强度和持续时间的光(例如紫外光)来使剩余树脂在表面上进一步聚合。可以通过任何合适的技术(例如通过将一批物体放置在光箱中、使物体通过光隧道等)来进行此类曝光。
在一些实施方案中，光的UV波长比用于增材制造步骤的UV波长短。例如，增材制造可使用350或360纳米(nm)至400 nm，例如350 nm、360 nm、370 nm、380 nm、385 nm、390 nm等的第一峰值波长，并且第二曝光可以在100或150 nm至200或250 nm，例如172 nm的第二峰值波长处。用于递送第二波长的合适的照明设备包括，但不限于美国专利第6,867,548号、第7,482,750号和第8,900,027号中描述的那些，通过引用将所述专利的公开内容并入本文。合适的照明设备包括，但不限于可从Eden Park Illumination，904 N. CountryFair Dr.，Champaign，IL 61821 USA获得的那些(有时称作准分子灯)。按照已知技术，此类设备可以并入分批式光箱或隧道式输送机(或连续)光箱中，每个光箱具有任选的独特标识符读取器(例如NFC或RFID标签读取器)，以读取与被处理的物体相关联的独特标识符，以便记录由此类物体所接收的具体处理。取决于所采用的树脂、所需的特别效果和被处理的特别物体，所述箱可以任选地经氮气吹扫，并且可以任选地包括升温特征。
在一些实施方案中，第一峰值波长和/或第二峰值波长具有不超过20或40 nm的半高全宽。
如上文和下文所提到的，在该步骤期间可以采用多种不同的曝光，以调整和/或稳定哑光饰面。例如，在将中间物体暴露于第二波长的光之前，可以将该物体暴露于长于第二波长的第三波长的光，以在热固化之前部分地降低所述饰面的消光。在将中间物体暴露于第二波长的光之前和/或之后，还可以将该物体暴露于长于第二波长的第四波长的光，以在热固化之前稳定所述哑光饰面。
Figure 854855DEST_PATH_IMAGE003
进一步固化
一旦已经将中间物体暴露于光，则随后使物体进一步固化(例如通过加热)。加热可以是主动加热(例如在炉(例如电炉、煤气炉、太阳能炉或微波炉、或其组合)中烘烤)、或被动加热(例如在环境温度(室温)下)。主动加热将通常比被动加热更快速，并且通常是优选的，但是在一些实施方案中也可以采用被动加热，例如简单地将中间体保持在环境温度下持续足以实现进一步固化的时间。
在以下非限制性实施例中进一步描述本发明。
实施例1
按照已知技术，在Carbon Inc. M2增材制造装置上，由Carbon Inc.弹性聚氨酯树脂(二者均可从Carbon Inc., Redwood City USA获得)生产包含开放网格结构的物体(例如鞋类的鞋底夹层)作为半成品中间体。在增材制造步骤之后，通过旋转物体来从该物体的表面离心分离过量的树脂，在物体的表面上留下薄的树脂涂层。离心分离之后，将半成品中间物体在光箱中暴露于172纳米波长的紫外光。任选地，然后可以将半成品物体保持在氮气吹扫的箱中，并任选进行升温，以在其中树脂中的残余胺可以与空气中的二氧化碳反应的一些实施方案中减少“表皮”形成。然后按照标准技术烘烤该半成品中间物体，以生产具有哑光饰面的成品物体。
实施例2
本实施例按与以上实施例1类似的方式进行，所不同的是在离心分离之后但在暴露于172纳米的光之前，将物体在光箱中暴露于365或385纳米波长的光，持续足以通过降低哑光饰面的质构(texture)程度来“调整”哑光饰面的时间。
实施例3
本实施例按与以上实施例1或2类似的方式进行，所不同的是在暴露于172纳米的光之后但在烘烤之前，将物体在光箱中暴露于365或385纳米波长的光，持续足以稳定哑光饰面以致其较不易受到烘烤步骤之前的处理的损害的时间。
前文是本发明的说明，并且不被解释为对本发明的限制。本发明通过随附权利要求书限定，权利要求书的等效方案包括在其中。

Claims (21)

1.一种通过立体光刻制备具有哑光饰面的物体的方法，其包括以下步骤：
(a)通过用具有第一峰值波长的第一光使双重固化树脂聚合来经立体光刻生产中间物体，所述物体具有保留在其表面上的过量的未聚合的树脂；
(b)从所述物体分离一部分所述过量的未聚合的树脂，同时在所述物体的表面上留下未聚合的树脂的薄膜；
(c)通过将所述薄膜暴露于第二峰值波长的第二光来部分固化所述薄膜；以及然后
(d)通过加热、微波照射、或加热和微波照射二者进一步固化所述中间物体，以生产具有哑光饰面的物体。
2.权利要求1所述的方法，其中所述第二峰值波长比所述第一峰值波长短。
3.权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述第一峰值波长比所述第二峰值波长至少长60或100纳米。
4.任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一峰值波长介于360纳米和400纳米之间。
5.任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一光具有不超过20或40纳米的半高全宽。
6.任一前述权利要求所述的方法，其中所述第二峰值波长介于100或150纳米和200或250纳米之间。
7.任一前述权利要求所述的方法，其中所述第二光具有不超过20或40纳米的半高全宽。
8.任一前述权利要求所述的方法，其中通过旋转、用压缩气体吹风、重力排液、或其组合来进行所述分离步骤。
9.任一前述权利要求所述的方法，其中所述物体包含网格。
10.任一前述权利要求所述的方法，其中所述物体包含垫子(例如鞋底夹层)。
11.任一前述权利要求所述的方法，其中所述物体包含身体接触表面(例如座垫、扶手、热垫、把手、方向盘、或其组件)。
12.任一前述权利要求所述的方法，其中所述物体包含皮肤接触表面(例如头盔衬里)。
13.任一前述权利要求所述的方法，其中所述物体包含：
(a)聚氨酯、聚脲、或其共聚物；
(b)环氧树脂；
(c)硅酮；或
(d)氰酸酯。
14.任一前述权利要求所述的方法，其中所述物体是不透明的。
15.任一前述权利要求所述的方法，其中所述树脂包含至少一种颜料(例如白色、黑色、青色、品红色、黄色、或其组合)。
16.任一前述权利要求所述的方法，其中通过自底向上立体光刻或自顶向下立体光刻来进行所述生产步骤。
17.任一前述权利要求所述的方法，其中步骤(b)、(c)和(d)的所述物体未经洗涤。
18.任一前述权利要求所述的方法，其中在所述部分固化步骤(c)期间，所述树脂的所述保留部分未经溶剂稀释(例如在步骤(b)期间未经溶剂稀释)。
19.任一前述权利要求所述的方法，其中所述部分固化步骤(c)进一步包括在将所述中间物体暴露于所述第二波长的光之前，将所述物体暴露于长于所述第二波长的第三波长的光，以在所述进一步固化步骤(d)之前部分降低所述饰面的消光。
20.任一前述权利要求所述的方法，其中所述部分固化步骤(c)进一步包括在将所述中间物体暴露于所述第二波长的光之前和/或之后，将所述物体暴露于长于所述第二波长的第四波长的光，以在所述进一步固化步骤(d)之前稳定所述哑光饰面。
21.一种由任一前述权利要求所述的方法生产的物体。
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