CN113412186B - 用于使用惰性气体防止在3d打印系统中光引发聚合反应的氧阻聚的系统和方法 - Google Patents

用于使用惰性气体防止在3d打印系统中光引发聚合反应的氧阻聚的系统和方法 Download PDF

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Abstract

通过使用惰性气体流从反应表面清除氧气来防止光引发聚合反应的氧阻聚的系统和方法。在一些实施方案中，使用气体扩散系统清除氧气，所述气体扩散系统通过扩散器将惰性气体引入UV光源与工件的可UV固化层之间的工作空间中。所述扩散器可由透明或扩散材料制成以允许UV光穿过它，并包括一系列微孔，用于所述气体穿过朝向所述工件。可加热所述惰性气体流以维持期望且均匀的反应温度。

Description

用于使用惰性气体防止在3D打印系统中光引发聚合反应的氧阻聚的系统和方法
相关申请
本申请要求2018年12月11日提交的美国临时申请号62/777,902的优先权。
技术领域
本发明涉及一种系统，所述系统通过使用惰性气体流从反应表面清除氧气来防止3D打印系统使用的光引发聚合反应的氧阻聚。
背景技术
许多增材制造或所谓的三维(“3D”)打印、应用使用可紫外线(“UV”)光固化的聚合物。UV固化过程由三个阶段组成：光引发、增长(propagation)和终止。在光引发期间，光引发剂在暴露于UV辐射时产生自由基。这些自由基与附近的单体反应并将它们转化为自由基。接下来，在增长阶段，自由基单体与其他单体键合并将那些单体转变为自由基。以此方式单体形成聚合物链。这个过程继续直到达到终止为止。终止可以多种方式发生，包括如果两条链彼此键合，自由基转移到单体，或者如果该链与来自环境中的分子发生反应，而不是与单体发生反应。
氧气与光致聚合物之间存在抑制固化的两种相互作用：淬灭和清除。在光引发剂已经通过暴露于UV辐射而激发之后，它产生自由基。分子氧容易与此自由基反应，从而防止其在链增长过程中与单体反应。这是淬灭反应。这种反应还产生氧自由基。在清除反应中，此氧自由基与是正在增长的聚合物链的一部分的自由基反应。这种反应产生反应性较低的自由基，这导致聚合过程提前终止。这两个过程可写成：
淬灭反应：PI*+O2 *→PI+O2 *
清除反应：R·+O2 *→R-O-O·
由于这些现象，如果光致聚合物在3D打印过程中的固化期间暴露于氧气，则它可能在暴露于空气的表面上产生未固化的聚合物残余物。
发明内容
在本发明的一个实施方案中，UV固化系统包括气体扩散系统，所述气体扩散系统用于将惰性气体引入UV光源与工件的可UV固化层之间的工作空间中。透明盖将UV光源与工作空间分隔开，并且惰性气体(例如，Ar、CO2、He、Ne等)从进气口流入并通过扩散器朝向工件流出。气体压力均匀器用于确保整个系统中的恒定压力。
扩散器由透明或扩散材料制成，以允许来自UV光源的UV光穿过它。扩散器包括一系列微孔，用于使惰性气体穿过流向工件。孔的小直径允许其密堆积排列(closed-packedarray)，使得气体均匀地分布在整个工作空间(即，整个固化区域)中。孔的小直径还意指扩散器的表面的较大区域没有孔从而使其光学性质更加均匀。这确保相对均匀的光分布。孔覆盖有“桥”，“桥”材料是制成扩散器的UV透明材料。这确保所有穿过扩散器的光穿过透明材料的至少一定厚度，从而进一步改进光分布。
在已经将可UV固化材料沉积在工件的表面上并将工件引入UV固化系统的工作空间中之后，将惰性气体泵送穿过(pump through)扩散器。气体的此流动从工作空间的相邻于扩散器的区域清除氧气。此区域的厚度与气体压力有关，因为它被迫穿过扩散器。在将工件维持在工作空间的已经从其中清除氧气的区域中之后，然后UV固化系统通过暴露于来自UV光源的光而固化可UV固化材料层。
本发明的另一个实施方案提供通过以下方式防止光引发聚合反应的氧阻聚：周期性地将来自UV光源的UV光发射到UV固化空间中，在所述UV固化空间中设置有具有一层可UV固化材料的工件，以当所述UV光源将光发射到所述可UV固化材料层上时促进在所述UV固化空间内所述可UV固化材料的UV固化，并且从所述UV固化空间清除氧气。从所述UV固化空间清除氧气包括：通过气体扩散系统将惰性气体引入在UV光源与所述工件的所述UV材料层之间的工作空间中。例如，惰性气体可通过所述气体扩散系统的一个或多个进气口引入并穿过将所述UV光源与所述工作空间分隔开的透明扩散器中的多个微孔流向所述工作空间。来自所述UV光源的所述UV光可穿过布置在所述扩散器的所述微孔之上的UV透明材料的桥流向所述工件的所述UV材料层。因此，惰性气体和UV光通过微孔各自近似均匀地分布在整个工作空间中。
在本发明的一些实施方案中，惰性气体流用于在固化期间均匀地加热可UV固化材料或者用于通过控制惰性气体温度来控制UV固化空间的温度。
下面参考附图描述本发明的这些和另外的实施方案，在附图中以举例而非限制的方式示出本发明。
附图说明
图1a至图1c示出常规3D打印过程中的要点，其中待打印物体(图1a)已经在其上沉积一层可UV固化材料(图1b)，其随后通过暴露于UV光(图1c)而固化。
图2示出根据本发明的一个实施方案进行配置的UV固化系统，其中惰性气体流被布置来防止在UV固化期间聚合过程的氧阻聚。
图3a和图3b示出图2所示的UV固化系统的操作方面。
图4a和4b示出用于如图2所示的UV固化系统的UV光源和气体扩散器布置的实例。
图5a和5b示出用于图4a和4b所示的UV固化系统的气体扩散器布置的方面。
图6a和6b示出图2所示的UV固化系统的操作方面，特别是打印、惰性气体流和UV固化过程(图6a)的顺序以及无氧层的扩展(图6b)。
具体实施方式
在详细描述本发明之前，呈现概述是有帮助的。参考图1a、图1b和图1c所示的图像的顺序，在其中物体10正在进行制造的许多3D打印过程中，材料打印系统12用于将可UV固化材料14沉积在表面16上。然后用UV光源18固化此沉积的材料，以产生新的一层期望部分10'。这个过程继续直到完成正在进行制造的部分为止。
本发明的实施方案提供用于防止在环境条件下光引发聚合反应的氧阻聚的系统和方法。现在参考图2，在本发明的一个实施方案中，UV固化系统20配备有气体扩散系统22。透明盖24设置在UV光源26与气体扩散系统22之间。气体从进气口28流入，并通过在系统底部处的扩散器30流出。气体压力均匀器32用于确保整个系统中的恒定压力。
扩散器30由透明或扩散材料制成，以允许UV光穿过它到工件34上，并且特别地到设置于其上的可UV固化材料层36上。扩散器30由一系列微孔38组成。微孔的小直径允许其密堆积排列，使得气体均匀地分布在整个固化区域40中。微孔38的小直径还意指扩散器30的表面的较大区域没有孔，从而使其光学性质更加均匀。这确保更均匀的光分布。当然，可采用其他微孔布置和大小，以便优化整个固化区域中的气体分布和光分布。微孔38覆盖有“桥”42，“桥”42的材料是制成扩散器的材料。这确保所有穿过扩散器的光必须穿过透明材料的某个区域。这进一步改进光分布。
现在参考图3a，在可UV固化材料36已经沉积在打印表面上之后，气体通过进气口28被泵送穿过扩散器30。气体的这种流动从相邻于扩散器30的区域44中清除氧气。这个区域的厚度与气体压力有关，因为它被迫穿过扩散器。其后，如图3(b)所示，如有必要，将制造中的装置提升到使得设置于其上的可UV固化材料层36设置在无氧区域44内，并激活UV固化系统20的UV源26，从而固化在暴露于UV光48的区域中的正在进行制造的部分的可UV固化材料层36的至少一部分36’。在一些情况下，将不需要移动制造中的装置，因为在将气体泵送穿过扩散器30时，可UV固化材料层36将已经在无氧区域44内。在本发明的实施方案中，泵送穿过扩散器30的气体优选地为惰性气体(例如，Ar、CO2、He、Ne等)，只要它不与可UV固化层36中的光致聚合物相互作用以便抑制其固化。
在一些实施方案中，可(例如，通过在进气口28之前和/或在气体扩散系统22内提供加热)控制进料气体的温度,以在邻近工件34的位置处(例如，设置在工件34的表面上的可UV固化材料层36将在其内发生固化的空间内)创建均均匀的反应温度。例如，可在将惰性气体引入气体扩散系统22中之前对其进行加热，以便在邻近可UV固化材料层36设置于其上的工件34的表面位置内维持期望和均匀的反应温度。
图4a和图4b示出气体扩散系统22的一个实例。在图4a中，前盖50保持在适当位置(in place)，而在图4(b)中，前盖50已被移除以示出气体扩散系统22的内部的方面。在这个实例中，气体扩散系统22是具有(例如由一个或多个发光二极管(LED)构成的)UV光源26安装在其中、箱的顶部内部的直角箱。气体扩散器30形成箱的底面。如上面所提及，气体扩散器由(在固化用于制造建造中部分的可光固化材料所必需的照明波长下)透明材料制成，以允许来自源26的UV光相对不衰减地穿过。
图5a和5b突出显示扩散器30的构造。如上面所指出，桥42(在例示的实例中，成形为跨扩散器30的上表面纵向伸展(run)的肋)设置在气体流孔38上方，使得当将扩散器和UV光源组装在气体扩散系统22中时，它们处于UV光源26与气体流孔之间的光路中。这确保跨整个固化区域，UV光将穿过透明材料的至少一定厚度。这确保更好的光均匀性，以及可UV固化层36中光致聚合物更均匀的固化。
返回图4b，气体(例如，通过泵送布置的动作)通过一个或多个进气口28进入扩散系统22，并通过扩散器30退出。气体压力均匀器(未示出在此视图中)用于确保整个系统中的恒定压力。
图6a和6b示出在打印和固化过程中采用的协作操作。下一层的打印(6a-10)开始于可UV固化材料层在制造中的物体的打印表面上的沉积。在此沉积即将结束时，如图6a中的气体压力曲线所示，气体通过进气口28被泵送52穿过扩散器30。气体压力增加到固化过程(6a-20)所需的水平，并从相邻于扩散器30的区域44中清除氧气。如图6a中无氧区域厚度曲线所示，这个区域的厚度(H)随时间而增长，并且与气体压力有关，因为它被迫穿过扩散器。当已经到达期望厚度H*时，将制造中的装置提升(如有必要)，使得设置在工件上的可UV固化材料层处于无氧区域44内，然后激活UV固化系统20的UV源26(6a-30)，如图6a中的UV源曲线所示。这致使固化设置于在暴露于UV光的区域中的工件上的可UV固化材料层的至少一部分。固化结束时(6a-40)，将工件重新定位以沉积下一层可UV固化材料，并降低气体压力。优选地，将气体压力维持在保持扩散系统22充满的足够的水平，以便减少下一个固化周期所需的时间。当已固化期望数量的层，那么这个过程结束。
实施方案：
实施方案1.一种用于防止在环境条件下光引发聚合反应的氧阻聚的系统，所述系统包括：紫外线(UV)光源；UV固化空间，所述UV固化空间用于接收具有一层可UV固化材料的工件；以及构件，所述构件用于从所述UV固化空间清除氧气以当所述UV光源将光发射到所述可UV固化材料层上时促进在所述UV固化空间内所述可UV固化材料的UV固化。
实施方案2.如实施方案1所述的系统，其中用于清除氧气的所述构件包括：气体扩散系统，所述气体扩散系统用于将惰性气体引入在所述UV光源与所述工件的所述UV材料层之间的工作空间中；以及透明盖，所述透明盖将所述UV光源与所述工作空间分隔开，其中所述气体扩散系统和所述透明盖相对于彼此布置，以便允许从所述气体扩散系统的一个或多个进气口流入的惰性气体通过扩散器朝向所述工作空间流出。
实施方案3.如前述实施方案中任一项所述的系统，其中所述扩散器具有多个微孔，所述微孔具有布置在所述微孔之上的UV透明材料的桥，以便定位在所述微孔的相应入口与所述UV光源之间。
实施方案4.如前述实施方案中任一项所述的系统，其还包括气体压力均匀器，所述气体压力均匀器用于确保整个所述系统中的恒定压力。
实施方案5.如前述实施方案中任一项所述的系统，其中所述扩散器由所述UV透明材料制成，以允许来自所述UV光源的UV光穿过它。
实施方案6.如前述实施方案中任一项所述的系统，其中所述微孔是设定大小的并且相对于彼此间隔开，以便优化整个所述工作空间中的气体分布和UV光分布。
实施方案7.如前述实施方案中任一项所述的系统，其中所述微孔以阵列相对于彼此间隔开，使得所述气体近似均匀地分布在整个所述工作空间中，并且大小相等使得UV光近似均匀地分布在所述工作空间内。
实施方案8.如前述实施方案中任一项所述的系统，其中所述微孔以阵列相对于彼此间隔开，使得所述气体近似均匀地分布在整个所述工作空间中，并且UV光近似均匀地分布在所述工作空间内。
实施方案9.如前述实施方案中任一项所述的系统，其中控制所述惰性气体的温度以创建均匀的反应温度。
实施方案10.如前述实施方案中任一项所述的系统，其中加热所述惰性气体以维持期望且均匀的反应温度。
实施方案11.一种用于防止在环境条件下光引发聚合反应的氧阻聚的方法，所述方法包括：周期性地将来自UV光源的紫外线(UV)光发射到UV固化空间中，在所述UV固化空间中设置有具有一层可UV固化材料的工件，以当所述UV光源将光发射到所述可UV固化材料层上时促进在所述UV固化空间内所述可UV固化材料的UV固化，并且从所述UV固化空间清除氧气。
实施方案12.如实施方案11所述的方法，其中从所述UV固化空间清除氧气包括：通过气体扩散系统将惰性气体引入在UV光源与所述工件的所述UV材料层之间的工作空间中。
实施方案13.如实施方案11或12所述的方法，其中所述惰性气体通过所述气体扩散系统的一个或多个进气口引入并穿过将所述UV光源与所述工作空间分隔开的透明扩散器中的多个微孔朝向所述工作空间。
实施方案14.如实施方案11至13中任一项所述的方法，其中来自所述UV光源的所述UV光穿过布置在所述扩散器的所述微孔之上的UV透明材料的桥朝向所述工件的所述UV材料层。
实施方案15.如实施方案11至14中任一项所述的方法，其中所述惰性气体通过所述微孔近似均匀地分布在整个所述工作空间中。
实施方案16.如实施方案11至15中任一项所述的方法，其中所述UV光通过所述微孔近似均匀地分布在所述工作空间内。
实施方案17.如实施方案11至16中任一项所述的方法，其中控制所述惰性气体温度以创建均匀的反应温度。
实施方案18.如实施方案11至17中任一项所述的方法，其中加热所述惰性气体以维持期望且均匀的反应温度。
实施方案19.如实施方案11至18中任一项所述的方法，其中从所述UV固化空间清除氧气包括：在将所述可UV固化材料层沉积到所述工件上期间，通过扩散器将惰性气体引入所述工件位于其内的所述UV固化空间中，所述惰性气体被引入足以从相邻于所述扩散器的区域中清除氧气的压力。
实施方案20.如实施方案11或19之一所述的方法，其还包括：在固化所述可UV固化材料层之后，重新定位所述工件以沉积下一层可UV固化材料，并降低相邻于所述扩散器的所述区域中的惰性气体压力。
因此，已经描述通过使用惰性气体流从反应表面清除氧气来防止光引发聚合反应的氧阻聚的系统。

Claims (11)

1.一种三维(3D)打印系统所使用的用于防止在环境条件下光引发聚合反应的氧阻聚的系统，所述系统包括：
紫外线(UV)光源；
UV固化空间，所述UV固化空间用于接收具有一层可UV固化材料的工件；
构件，所述构件用于从所述UV固化空间清除氧气以当所述UV光源将UV光发射到所述可UV固化材料层上时促进在所述UV固化空间内所述可UV固化材料的UV固化，其中用于清除氧气的所述构件包括气体扩散系统，所述气体扩散系统用于将惰性气体引入在所述UV光源与所述工件的所述可UV固化材料层之间的工作空间中；以及
UV透明盖，所述UV透明盖将所述UV光源与所述工作空间分隔开，
其中所述气体扩散系统和所述UV透明盖相对于彼此布置，以便允许从所述气体扩散系统的一个或多个进气口流入的惰性气体通过所述气体扩散系统的UV透明扩散器朝向所述工作空间流出，
其中所述UV透明扩散器具有多个微孔，并且
其中所述气体扩散系统的UV透明桥布置在所述微孔之上，以便定位在所述微孔的相应入口与所述UV透明盖之间。
2.如权利要求1所述的系统，其还包括气体压力均匀器，所述气体压力均匀器用于确保整个所述系统中的恒定压力。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述微孔是设定大小的并且相对于彼此间隔开，以便优化整个所述工作空间中的惰性气体分布和UV光分布。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述微孔以阵列相对于彼此间隔开，使得所述惰性气体近似均匀地分布在整个所述工作空间中，并且大小相等使得UV光近似均匀地分布在所述工作空间内。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述微孔以阵列相对于彼此间隔开，使得所述惰性气体近似均匀地分布在整个所述工作空间中，并且UV光近似均匀地分布在所述工作空间内。
6.如权利要求1所述的系统，其中控制所述惰性气体的温度以创建均匀的反应温度。
7.一种三维(3D)打印系统所使用的用于防止在环境条件下光引发聚合反应的氧阻聚的方法，所述方法包括：
周期性地将来自UV光源的紫外线(UV)光发射到UV固化空间中，在所述UV固化空间中设置有具有一层可UV固化光致聚合物的工件，以促进在所述UV固化空间内所述可UV固化光致聚合物的UV固化，以及
当所述UV光源将UV光发射到所述可UV固化光致聚合物层上时，从所述UV固化空间清除氧气，
其中从所述UV固化空间清除氧气包括：通过气体扩散系统将惰性气体引入在UV光源与所述工件的所述可UV固化光致聚合物层之间的工作空间中，
其中所述惰性气体通过所述气体扩散系统的一个或多个进气口引入并穿过将所述UV光源与所述工作空间分隔开的所述气体扩散系统的UV透明扩散器中的多个微孔朝向所述工作空间，并且
其中来自所述UV光源的所述UV光穿过布置在所述UV透明扩散器的所述微孔之上的所述气体扩散系统的UV透明桥朝向所述工件的所述可UV固化光致聚合物层。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述惰性气体通过所述微孔近似均匀地分布在整个所述工作空间中。
9.如权利要求7所述的方法，其中控制所述惰性气体温度以创建均匀的反应温度。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述惰性气体以足以从相邻于所述UV透明扩散器的区域中清除氧气的压力被引入。
11.如权利要求10所述的方法，其还包括：固化可UV固化材料层并且在固化所述可UV固化材料层之后，(i)重新定位所述工件以沉积下一层可UV固化光致聚合物，并(ii)降低相邻于所述UV透明扩散器的所述区域中的惰性气体压力。
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