CN114643710A - 通过立体平版印刷增材构建成型体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助立体平版印刷逐层固化具有粘性的可光聚合的构建材料构建成型体的方法，其中：a)将构建材料分配至桶底部，b)桶相对于刮刀移动，刮刀悬置在桶底上方以使分配的构建材料在刮刀下方移动而形成平滑层，平滑层具有由刮刀相对于桶底定位而预设的均匀层厚，c)平滑层被带至曝光单元和构建平台之间的区域，d)构建平台相对于桶底可控下降，在移位构建材料时将该间隙内的剩余层形成预定层厚，e)该层被固化，f)构建平台被升高，构建材料被分配至桶底，重复步骤b)至f)直至通过彼此层叠固化的多个层构建出成型体，刮刀相对于桶底的位置被如此调节，即所得的预设均匀层厚大于通过降低构建平台设定的预定层厚，但没有大于50％地超出预定层厚。

Description

通过立体平版印刷增材构建成型体的方法

技术领域

本发明涉及一种增材构建成型体的方法，其借助于立体平版印刷通过逐层固化具有粘性的、可光聚合的构建材料。

背景技术

构建材料可以是有机基质的陶瓷浆料，即填充有陶瓷颗粒的可流动、可光聚合的材料，其中粘度随陶瓷颗粒数量的增加而增加，或者可以由高粘度、光固化复合材料或光聚合物构成。当使用陶瓷浆料作为构建材料时，会生成生坯作为成型体，然后通过去脂和烧结将生坯进一步加工成陶瓷体。本发明特别适用于牙齿修复体的生产领域。

为了获得牙齿修复体的美学满意的结果，通常期望与位置相关地采用各种构建材料和/或与位置相关地采用各种颜色。利用传统的立体平版印刷法从陶瓷浆料逐层构造生坯，已知在将当前层固化后将正在构建过程中的坯体从构建区域中移出，并且使用喷墨打印方法将包括颜料的光聚合物选择性地施加到最后固化层上。这样的过程例如从WO2013/182547A1已知，其中采用鼓形承载件，绕着该鼓形承载件的外周彼此间隔90°距离地布置四个构建平台。加工站同样以90°间距绕着该鼓形承载件分布。位于加工站之间的是具有透明底部的、下方布置有曝光单元的桶、用于将填充有颜料的光聚合物打印至最后固化层的喷墨打印机以及用于固化空间上选择压印的填充有颜料的光聚合物的另一个曝光单元。鼓形承载件可旋转地安装，以使相应的其中一个构建平台位于其中一个加工站的区域内并且在其中进行加工。在完成工作步骤之后，在相应的加工站处鼓形承载件旋转90°，从而在构建平台上的相应部分上，可在下一个加工站内执行下一个工作步骤。虽然在此过程中，工作步骤可在几个构建平台上的部件上并行执行，但是该过程非常浪费时间，其中许多时间耗费在构建平台在加工站之间的机械移动过程中。

替代地，多种不同材料可用来形成层，这些不同材料可存放在不同桶中。接下来，构建平台后续下降到不同桶中，以在不同桶中通过不同构建材料连续固化待固化的层的多个子区域。这样的过程在DE102007010624B4中进行描述。为了避免交叉污染(将一定量的构建材料转移到具有不同构建材料的桶中)，在构建平台已经被抬升并且将部件悬置其上之后、在部件在下一个桶中被下降入另一个构建材料中之前，有必要清洁部件。由此，每次更换构建材料均需执行清洁过程，这也使得此方法耗时。另外，不同桶之间的更换所需的运输也是耗时的。

DE102011117005B4涉及一种基于增材制造方法的陶瓷牙科修复体的制造方法，在该制造方法中，依次沉积单个浆料层并逐层固化。在沉积浆料层之后，通过刮刀减小该层的层厚，也产生平滑层，此后执行墨液的空间选择沉积。除了着色剂外，该油墨还包含引发剂，该引发剂引发化学反应，引起浆料层的固化，从而使着色和固化同时发生。

US5,975,323B2总体涉及增材3D打印方法，其中还提到了其中桶中的液体通过激光或其它能量源以空间选择性地固化的增材方法。所描述的方法特别强调，多个层在彼此层叠地选择性地形成，其中由在彼此层叠的层形成的体积由彼此相邻的多个列组成，每个列包括多个体素元素或位于彼此之上的体素(立体像素)，其中在每一列中以选择性的方式创建每个体素元素的着色/透明度。没有描述关于单个体素元素的单独着色和每个体素元素的单独颜色应用的具体细节。

EP2337667B1公开了根据权利要求1的前序部分的方法。在此方法中，具有粘性的、可光聚合的构建材料被分配到平坦的、透明的桶底上。刮刀被可调节位置地悬置在桶底上方。桶沿着平行于桶底平面的方向相对于所述刮刀被移动，从而分配的构建材料被推动以移动到刮刀下方并且经过刮刀，由此形成具有由刮刀相对于桶底的位置预设的均匀层厚的平滑层。这可例如通过绕着垂直于桶底的旋转轴线旋转桶以使桶底移动到非旋转刮刀的下方来完成。分配的构建材料积聚在刮刀的上游并且仅一些积聚的构建材料经过刮刀下方的间隙，从而此通过的构建材料形成具有预设的、均匀的层厚的平滑层。该平滑层通过桶的相对运动被移动到位于桶底下方的曝光单元和以高度可调的方式悬置在桶上方的构建平台之间的区域。之后，在从平滑层处移位构建材料的同时，构建平台以精确控制的方式相对于桶底降下，以使位于构建平台和桶底之间的间隙内的剩余层被设定为由构建平台的下表面(或者最后固化层的下表面)与桶底的距离决定的预设层厚。通过此方式，可以高精度地设定预设层厚。之后，具有预设层厚的层通过曝光单元的受控操作以空间选择的方式曝光来固化，以实现在待固化的当前层的期望轮廓内的曝光。最终，构建平台被升高，构建材料分配至桶底，重复上文描述的步骤直至已经通过在彼此之上选择性固化的多个层形成成型体。

发明内容

本发明的目的是提供上文描述类型的方法，该方法可以以这样的方式执行，使得其对于高粘度的构建材料能够以快速且精确地进行。还期望如果成型体的连续固化层能够以空间选择方式被着色。

该目的通过包括权利要求1的特征的方法来实现。优选的实施例在从属权利要求中提出。

相应地，一种借助于立体平版印刷逐层固化具有粘性的、可光聚合的构建材料的构建成型体的方法，其中：

a)将构建材料分配至桶的平坦的、透明的底部，

b)所述桶在平行于桶底的平面的方向上相对于刮刀移动，所述刮刀以位置可调节地悬置在所述桶底的上方，以使分配的构建材料在所述刮刀的下方移动以由此形成平滑层，所述平滑层具有由所述刮刀相对于所述桶底的位置预设的均匀层厚，

c)所述平滑层通过所述桶的相对运动带至位于所述桶底的下方的曝光单元和高度可调地悬置在所述桶的上方的构建平台之间的区域，

d)所述构建平台相对于所述桶底以受控方式下降，从而在移位构建材料时，所述间隙内的剩余层形成为预定的层厚，

e)通过所述曝光单元在当前层所需的轮廓内的受控操作，所述层以空间选择方式被固化。

f)之后，所述构建平台被抬高，构建材料被分配至所述桶底，重复步骤b)至f)，直至通过彼此层叠固化的多个层构建出成型体，

根据本发明，所述刮刀相对于所述桶底的位置被如此调节，即所得的预设均匀层厚大于通过降低所述构建平台设定的预定的层厚，但超出该预定层厚的程度不大于50％。换句话说，布置在桶底上方的构建材料通过关于位置可调节地悬置在桶底上方的刮刀的相对运动已经被形成为具有预设的、均匀的层厚的层，该层厚大于但是已经接近(最多大50％)将通过降低构建平台设定的预定层厚。

有利的是由刮刀关于桶底的位置确定的层厚一定程度地超出由构建平台设定的预定的层厚，因为通过此方式确保了在任何情况下，在将被限定的层的区域中的各处均具有足够的构建材料，从而每一处预定的层厚均仍可通过降低构建平台来设定，即使刮刀在预设层厚的定义上出现了误差或公差(特别是预设层厚的局部不足)。换句话说，各处均呈现足够的构建材料，从而构建平台在整个区域上的较低表面(或者最后固化层的较低表面)在距桶底的间隙被设定为预定的层厚时接触构建材料。对于许多构建材料而言，尤其是那些具有低或中粘度值的构建材料，预设的、均匀的层厚可没有问题地在层的整个区域上实现。对于具有更高粘度值的构建材料而言，在整个层的区域上存在实际层厚的一定变化，以使与层的区域内的位置相关的实际层厚值实际上为层厚值的分布，该分布非常窄并且在平均层厚的最大值的一半处具有非常小的全宽度。在此情况下，“预设的、均匀的层厚”被看作厚度分布的平均层厚；同样在此情况下，名称“均匀层厚”合理且具有技术意义，因为厚度分布的标准偏差在任何情况下均小于平均层厚。在此情况下，优选预设的、均匀的(平均的)层厚被设定为略大于将通过降低构建平台设定的预定的层厚，例如大三个标准的分布偏差，从而实际上在层区域上的所有位置处，构建平台在其下降至待设定的预定的层厚时与构建材料接触。替代地，预设层厚也可接近预定的层厚，在整个区域中层厚的可能变化的补偿可通过当构建平台下降时沿横向移位构建材料完成。

由于构建材料是由刮刀形成具有非常小、预设层厚(最多超过预定厚度的50％)的层，确保了由刮刀形成的预设的、均匀的层厚已经接近由构建平台设定的预定的层厚，因此当构建平台朝向桶底下降时，仅少量的构建材料必需从间隙处移除。在这方面，必需考虑到当采用具有高粘度的构建材料时，需要较大力以降低构建平台并且从剩余间隙处移位构建材料，高粘度构建材料必需从剩余间隙处移位。如果能够施加的最大力受到桶材料的限制(例如以避免桶底的损坏或其它失效)，构建平台必需被缓慢降低以限制该力。出于此原因，构建平台的为了设定预定的层厚的下降对于高粘度构建材料而言要花费较长时间。相反，待移位的构建材料的最大量的减少降低了所需花费的时间。由于刮刀将分配的构建材料形成为具有均匀的、预设的层厚(最多为由构建平台设定的预定的层厚的150％)的层，待移位的构建材料的最大量受到严格限制，由此允许通过降低构建平台快速设定层并且由此允许更短的循环时间。

在通过构建平台设定预定的层厚时待移位的构建材料最小量具有另外的优势，即在层固化之后，相较于其中更大量的构建材料已经被移位以设定预定的层厚的情况，需要用于抬升构建平台的较小的分开力。在抬升构建平台时，所需的分开力必需克服负压，因为在抬升构建平台时在正构建的部件的下表面与桶底之间创建的体积必需被流入空气所填充。在大量移位构建材料的情况下，该移位的材料绕着构建平台和正构建的部件形成障碍物，该障碍物阻挡了环境气体流入当构建平台被抬升时位于桶底上方的增长体积内。通过最小化移位的构建材料的量，进入桶底上方增长体积内的空气流入有所提高，由此用于抬升构建材料的分开力被减小。

如果为了设定预定的层厚减低构建平台引起了移位大量构建材料，那么这也对通过立体平版印刷构建的部件的尺寸的精确度、尤其是在z方向上的精确度(垂直于桶底平面的方向)造成不利影响。在“底朝上”加工中，如本发明的例子，待固化的层夹持在构建平台(或者是正构建的部件的下表面，如果一个或多个层已经被固化)和桶底表面之间。此间隙的高度决定了待固化的层的预定的层厚。在此区域中，最大固化深度是由间隙高度(预定的层厚)决定，即使光在选定曝光参数(强度和曝光时间)以及取决于构建材料的情况下的穿透深度将引起更深的固化深度。如果当前待固化的层在横向上突出超过之前固化的最后一层，那么在设定当前待固化层的层厚的过程中移除的构建材料也到达其中当前待固化的层突出超过最后固化层的那些部分，这会在当前待固化层的横向突出部分中形成两处材料堆叠以及两处高层厚。由于曝光的实际固化深度总是大于预定的层厚，在这些部分中材料出现的固化超过在最后固化层的深度区域中沿z向的预定的层厚，这可能会导致沿z向具有几个层厚的数量级的精度下降(尺寸过大)。移除的构建材料的最小值或者换句话说由刮刀将预设层厚最佳地近似为要由构建平台设置的预定的层厚，由此同样会导致待构建部件的提升的精度。当然，有利的是将移位的构建材料的量保持为尽可能低，通过使得预定的层厚如由刮刀的位置决定接近将由构建平台设置的预先设定的层厚。

在构建过程结束时，在构建部件上总是存在一些未移除的、过量的并且未固化的构建材料。由此，需要清洁步骤，尤其是在部件将承受热后处理步骤比如去脂和烧结时。在增材制造过程中，清洁过程是重要的。对于形状复杂的部件，只有在相当大的努力下才能使用微小的间隙或空腔来清洁液体。此外，在某些情况下，具有良好去除单体混合物能力的溶剂可能会损坏部件的表面，并且在悬浮液(浆液)的情况下，颗粒状填料可能会残留在表面。通过保持构建过程中移位的构建材料的量尽可能小，最终附着在部件上的过量构建材料的量也可以保持尽可能低，这减轻了清洁程序的复杂性。如果部件是用不同的材料构建并且部件在构建过程中在不同构建材料的桶之间更换，那么这些方面就变得尤为重要，因为在这种情况下，在正在构建的部件被传送至具有另一种构建材料的下一桶之前在每次材料更换时原则上必需执行此清洁。在设置层厚时将移位的构建材料的量大大减少的情况下，如果可以接受部件上的粘附构建材料的少量残留物造成轻微污染，然后与下一个桶中的另一种构建材料接触，则可以省去材料更换时的清洁工作。

优选地，所述刮刀关于所述桶底的位置被调节为使得所得的预设的、均匀的层厚位于将通过降低构建平台设定的预定的层厚的110％至130％的范围内。

在优选实施例中，桶和刮刀的关于彼此的相对运动是这样的实线的，即通过在保持刮刀静止悬置时使桶绕居中且垂直于桶底的旋转轴线旋转，或者通过使刮刀所述轴线关于保持不同的桶旋转。在静止刮刀和可旋转桶的情况下，桶底可呈圆盘形，其具有延伸穿过盘中心的旋转轴线。静止刀片具有指向关于旋转轴线的径向的方向分量并且自径向上最靠近旋转轴线的点朝外沿径向延伸。

在优选实施例中，刮刀在桶底上方的位置是由与刮刀的下边缘重合的直线限定。该直线在刮刀的下边缘的径向上最靠近旋转轴线的点处具有与桶底的最小距离。直线的位置进一步由倾斜角度限定，倾斜角度在直线和与直线相交的平行于桶底的平面之间限定，该倾斜角度大于0°但小于15°。大于0°的倾斜角度会使得下边缘与桶底的竖向(垂直于桶底)距离从在径向上最靠近旋转轴线的位置处的最小距离增加并且随着距旋转轴线增加的径向距离而增加。

刮刀可包括平面状刮刀，其限定了沿着关于桶底的倾斜角度取向的平面，该倾斜角度位于0°至90°之间。优选平面状刮刀关于桶底倾斜，其中倾斜角度优选位于30°至75°的范围内并且相对于桶底和刮刀之间的移动方向被如此限定，使得刮刀的下边缘在相对运动的方向尾随于刮刀的上边缘后方。

替代于桶和刮刀的相对旋转运动，桶和刮刀的相对运动还可通过线性移位桶或线性移位刮刀来实现。在此实施例中，优选刮刀在桶底上方的位置由与刮刀的下边缘重合的直线限定，该直线以恒定距离地并且平行于所述桶底延伸。

关于界面张力来调整构建材料和桶底表面可为有用的，以确保整个桶底均被构建材料润湿而没有空隙，由此构建材料与整个桶底接触。这可通过采用比如为消泡剂或表面活性剂的添加剂设定构建材料的表面张力和/或通过例如通过硅烷化来改进桶底的表面来实现。

在一个优选的实施例中，在降低构建平台之前和在与位置相关的曝光之前的中间步骤中，通过与位置相关地施加选用的着色剂来对平滑的薄层表面进行着色。

优选地，用于调节部件的颜色和半透明度的着色剂以适用于当前使用的构建材料的方式进行选择：

a)在构建材料为光聚合物的情况下：为包括染料分子的溶液和/或包括颜料的悬浮液，

b)在构建材料为包括玻璃陶瓷的浆料的情况下：为分散在有机介质中的尤其是氧化物、氧化锡或氧化锆的彩色颜料，

c)在构建材料为ZrO₂浆料的情况下：为硝酸盐溶液(水溶液或基于另一种溶剂)或溶解在乙醇中的乙酰丙酮化物。

在优选实施例中，所述着色剂被溶解和/或散布在墨水中并且通过喷墨打印机被施加至所述平滑层。

在优选实施例中，所述着色剂被光固化或热固化，并且在空间选择地施加至平滑层后由电磁辐射固定，其中用于固定的电磁辐射在构建材料的光引发剂的吸收光谱之外。

在优选实施例中，刮刀采用由聚四氟乙烯制成的刮刀，对于桶的周向侧壁，采用由聚四氟乙烯制成的侧壁。

优选采用玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的面板作为桶底，乙烯-四氟乙烯共聚合物膜在其朝向所述桶底的表面上被结合至所述桶底。

附图说明

现在将参考附图中的实施例描述本发明，其中：

图1示出了用于执行根据本发明的方法的设备的部件的示意立体图；

图2为按照在执行根据本发明的方法的过程中的四个后续步骤的顺序示出了执行根据本发明的方法的设备的示意俯视图；

图3为按照在执行根据本发明的方法的过程中的四个后续步骤的顺序示出了对应俯视图；

图4示出了用于执行根据本发明的方法的设备的桶底和刮刀的横截面的细节视图；

图5是从桶底和刮刀的图4的平面A-A观察的部分横截面平面图，右侧的为这些部件的俯视平面视图；

图6示出了用于影响刮刀和桶之间的相对运动的替代实施例的如图5的对应视图；

图7示出了顶部带有平滑构建材料层的一部分桶底的横截面图；

图8示出了对应于图7的横截面，其中桶底的部分已经被移入喷墨打印机下方的位置；

图9示出了对应于图7的横截面图，其中桶底的部分已经离开喷墨打印机的区域并且处于朝向构建区域移动的状态，在桶的上方布置有构建平台，在桶底的下方布置有曝光单元；

图10是对应于图7的横截面图，其中桶底的部分在此处已经被移至构建平台下方的构建区；

图11是在下降构建平台之后且在将构建材料的限定层曝光于所施加的着色剂的过程中对应于图10的横截面图；

图12是在完成暴露并且抬高构建平台之后对应于图10和11的横截面图。

具体实施方式

图1示出了用于执行根据本发明的方法的设备的必要部件的高度简化的示意立体图。该设备包括可旋转桶2，出于简化原因该可旋转桶被示出为呈圆盘形、没有实际上包围圆盘的侧壁的桶底3。该桶底3至少在其中曝光单元6外露于构建区的区域内是透明的。与曝光单元6相对，竖向可移动的构建平台8布置在桶底2的上方。正在构造的部件10悬置在构建平台10上。

刮刀4位置可调节地悬置在桶底3的上方。桶2能够绕着竖向延伸的旋转轴线旋转，该旋转轴线自水平桶底3的圆盘的中心延伸。提供旋转驱动器(未示出)，其在控制单元(未示出)的控制下使桶2旋转并且在由控制单元决定的位置处停止该桶。在与由箭头示出的桶2的旋转方向相反的方向上，在刮刀4的上游布置有粘性构建材料的分配装置(图1中未示出)，该分配装置分配具有粘性的构建材料。这可例如为墨盒，驱动活塞可从此处将构建材料递送通过输出喷嘴。由于桶2的旋转，构建材料在刮刀4的前方积聚。由于桶2的旋转，分配出的构建材料的一部分移到刮刀4的下方并且经过刮刀，由此形成带有由刮刀4相对于桶底3的位置决定的、预设且均匀的层厚的平滑层20。

沿周向相对于刮刀4移位约90°，喷墨打印机12可移动地支撑在桶2的上方。在停止桶2的旋转之后，使用喷墨打印机12以空间选择的方式将着色剂施加到平滑层20的特定区域，以使接下来要固化的层获得期望的、与位置相关的颜色。

在通过喷墨打印机12完成打印过程之后，桶2进一步旋转90°，从而平滑层20的已经通过喷墨打印机施加着色剂的区域移动到曝光单元6和构建平台8之间。接下来，构建平台8在控制单元的控制下相对于桶底3的表面下降至此程度，即构建平台的下表面(在第一层将被固化至构建平台的情况下)或者正构建的部件10的最后一层固化层与桶底的距离等于预设层厚，从而构建材料从间隙处被移位并且创建了具有预定的层厚的剩余层。根据本发明，刮刀4在桶底3上方的位置被如此设定，即平滑层20已经接近并且适当地仅略微超过预定的层厚。为此目的，刮刀相对于桶底的位置调节为使得在经过刮刀之后该所得预设的、均匀的层厚位于将由下降构建平台设定的预定的层厚的100％至150％的范围内。如上文已经解释，如果通过降低构建平台而在设定层厚度期间要移位的构建材料的量小，理想地可忽略不计，则有多项优点。

在通过相对于桶底受控地降低构建平台来设定预定的层厚之后，在间隙中限定的印有着色剂的构建材料层通过曝光单元6经过桶底以空间选择的方式被曝光并且由此固化。之后，构建平台通过悬置其上的待构建的部件10被抬高，从而当前固化的层从桶底3处脱离并且被抬高。

喷墨打印机12和曝光单元6的操作由控制单元(未示出)控制，控制单元内存储有待构建成型体的三维形状数据，尤其还存储有将后续固化的各个层的轮廓形状数据和将固化的相应层的区域中的着色剂的分布。

图2以在例如在图1中示出的设备上俯视的示意平面图示出了方法步骤的顺序，其中该顺序示出了在执行根据本发明的过程中的一系列四个工作步骤。在于图2的最左边示出的第一步中，桶绕着垂直于桶底3的竖向旋转轴线逆时针旋转。同时构建材料例如填充有颗粒陶瓷材料的光聚合材料例如从位于刮刀4的上游墨盒沿旋转方向被分配至桶底，从而在刮刀4处延伸形成一定长条的材料18。由于桶底3的旋转，构建材料移动到刮刀4的下方并且经过刮刀，其中刮刀4位置可调节地悬置在桶底上方，从而通过刮刀的下边缘形成了平滑层20，该平滑层具有由刮刀4相对于桶底3的位置决定的预设的、均匀的层厚。平滑层20通过将桶旋转至喷墨打印机12下方区域而移动，其关于刮刀4沿逆时针方向转向90°。一旦平滑层20的区域(其之后将为用于固化另一个层的构建区域)已经到达喷墨打印机12下方的区域，使桶停转。在此阶段，构建材料的层以空间选择的方式被印制有着色剂。着色剂的施加结果在图2从左侧数的第二幅图中示意示出，其中印制的字母DLP旨在标示已经以空间选择方式印制的所施加的着色剂(当然在用于加工牙齿产品的方法中，通常不施加离散的颜色结构比如字母，而是施加连续变化的颜色)。喷墨打印机12的可移动悬置是由十字交叉的箭头标示，其中该喷墨打印机以由控制单元(未示出)控制的可控方式移动，以实现在构建区域中空间选择地施加颜色。

之后，桶被再一次沿逆时针旋转90°并且接下来再一次停止，其中这种状态在图2中从右侧数的第二图中示出。由于这种旋转，着色剂在先前步骤中已经被施加其上的区域(由DLP标示)到达与刮刀4相对的曝光单元6并且在那里在为了设定预定的层厚而降低构建平台之后通过曝光以空间选择的方式固化。这在图2中通过与刮刀4相对的网格表示，该网格表示曝光单元的图像元素(像素)。(构建平台在图2的示图中省略，从而构建平台下方的构建区域保持可见)。与曝光同步，位于6点钟位置的湿构建材料层的后续构建区域被印制有着色剂，其再一次被标示DLP。在旋转阶段，刮刀4继续形成具有预设的、均匀的层厚的平滑层20。再次注意，在图2的示图中出于说明原因已经省去了实际上布置在位于桶底上方的曝光单元上的构建平台，从而曝光单元的曝光区域是可见的。

在过渡到在图2的右边示出的状态时，桶底3进一步旋转90°，其中刮刀4继续连续形成具有预设的、均匀的层厚的平滑层20。在90°旋转并且停止桶底的旋转之后，喷墨打印机12再一次在下一个构建区域中施加着色剂，同时之前在图2中从右侧数的第二幅图中印制有着色剂的构建区域现位于在图2的最右边示图中位于3点钟位置的曝光单元的区域中并且在构建平台(未示出)下降之后曝光。在该例子中，假定对应于字母DLP的区域曝光并且固化。

在从右侧数的第二幅图中曝光的区域DLP已经被旋转至后续方法步骤中(在图2右侧示图中示出的12点钟位置)并且在那里被示出为带有字母序列DLP的区域，在该区域中桶底可见，因为在该区域固化之后，构建平台已经被再次升高，由此由于构建平台未在图2中示出，层20中固化层的剩余反向图像保留，即在升高构建平台以及呈字母序列DLP形状的刚固化的层之后，该区域在层20中保留为反向图像或空白。

图3示出了在执行根据本发明的方法的过程中对应于图2的方法阶段的顺序，其中用于执行该方法的设备在以下几点处与图2示出的设备有所不同。在图3中示出了未在图2中示出的构建材料分配装置30，其中这个构建材料分配装置包括具有不同构建材料的两个墨盒。该墨盒连接至共用混合装置，该共用混合装置制备构建材料的选定混合物并且分配该混合物。刮刀4在此例子中被构造为两个或者成对的刮刀，即其包括两个平行的刮刀，在该两个刀片之间形成了在底部开放的空腔。构建材料通过混合装置被直接递送至位于两个刮刀之间的空腔。刮刀的关于旋转方向位于下游的位置再一次被设定为使得形成平滑层20，该平滑层具有由刮刀4关于桶底的位置决定的预设的、均匀的层厚。

在12点钟位置处安装有真空刮刀34，其同样形成为其间具有在底部敞口的空腔的两个或成对的刮刀。真空刮刀34的空腔保持处于负压下，以使在在3点钟位置的曝光步骤和升高构建平台之后留下的剩余构建材料被吸走。

参见图4和图5，描述了用于形成平滑层20的可调节刮刀的实施例，该层20具有由刮刀4相对于桶底的位置决定的预设的、均匀的层厚。在图5的右手侧的示图中，示出了桶底3的俯视示意平面图。刮刀4的纵向在此处从起点延伸至终点，该起点在径向朝外的方向上靠近圆形桶底3的旋转轴线，该终点靠近圆形桶底3的外周。在图4中示出了部分桶底3和部分刮刀4的横截面示图，其中该横截面的平面垂直于在图5中可见的刮刀4的径向纵向延伸。如在图4的示图中可见，刮刀4的刀片并非取向为垂直于桶底3，而是相对于桶底3倾斜，相对于桶底形成倾斜角度κ。该倾斜角度是一个锐角，优选在30°至75°的角度范围内，其中刮刀4以此倾斜角度κ倾斜，以使倾斜角度关于刮刀相对于桶底的运动方向如此布置，使得刮刀4的下边缘在刮刀4相对于桶底的运动方向上尾随于刮刀4的上边缘后方。参见图4，这意味着刮刀4与桶底3的相对运动方向指向右手侧，其中接下来刮刀4的下边缘在刮刀相对于桶底的运动过程中尾随于上边缘后方。在刮刀4相对于桶底3的运动方向上，在刮刀4的前方，分散在桶底上的构建材料被积聚。刮刀相对于桶底的位置被调节使得构建材料的穿过桶底和刮刀的下边缘之间间隙的部分形成平滑层20，其具有由刮刀关于桶底3的位置决定的预设的、均匀的层厚D_N。所描述的倾斜角度引起了漏斗效应，即构建材料在倾斜的刮刀的相对运动的作用下被迫向刮刀的下边缘与桶底之间的间隙。

对于本文描述的具有可旋转桶2和不可旋转刮刀4的设备的实施例而言，有利的是调节另一个角度，这现将结合图5进行描述。图5示出了从图4的平面A-A截取的平面视图，即观察方向为x方向并且指向刮刀4的一侧。刮刀4相对于桶底的位置是由重合于刮刀4的下边缘的直线轮廓限定的。重合于刮刀4的下边缘的直线基本上沿径向关于可旋转桶2延伸，但是并非平行于桶底3的表面，而是以倾斜角度α关于桶底的表面倾斜，该倾斜角度α大于0°但小于15°，从而刮刀4的下边缘与桶底3的距离从最小距离开始随着距旋转轴线的径向距离的增加而增加。调节该倾斜角度α对于旋转桶而言是必要的，因为随着距旋转轴线的增加的径向距离，需要增大构建材料的量，因为随着径向距离增加，将分配构建材料的面积增加。换句话说，刮刀的下边缘关于桶底的相对速度随着距旋转轴线的径向距离而线性增加，从而在更大的径向距离处相应地需要更多的构建材料，该构建材料接下来由于桶底相对于刮刀的相对更高的旋转速度而将被分布在更大的面积上。已经观察到，在刮刀的上游，材料在刮刀处沿着整个长度积聚，在刮刀的整个长度上构建材料在径向范围内分布。另外，已经发现在包括旋转桶的此实施例中，同样在距旋转轴线的更大轴向距离处，层厚是由刮刀的下边缘与桶底的距离决定的，但是取决于与旋转轴线的径向距离的间隙宽度不等于所得的层厚，该层厚在刮刀的径向外侧区域中小于间隙宽度。相反，材料性能比如构建材料的与表面张力相关联的粘弹性和桶底上的粘接性能会产生以下影响，即在具有较大径向距离的区域中，构建材料被进一步拉开并且进入比在刮刀的下边缘与桶底之间的间隙宽度所确定的更薄的层。这需要在更换在粘度、表面张力和粘结性能方面均不同的另一种构建材料的情况下，刮刀关于桶底的位置必需进行调整，以使在分配构建材料的整个区域中得到期望预设的和均匀的层厚。在这方面，发现当采用可调节悬置的刮刀时能相当快速地发现刮刀相对于桶底的最佳位置，该悬置允许采用致动驱动器连续地调节刮刀的下边缘的高度和倾斜角度，以改变刮刀的位置，这允许通过改变其位置快速调节刮刀的位置，直至形成期望层。

通过降低构建平台引起构建材料移位而设定的预定的层厚在典型的构建过程中位于20微米(μm)至100μm的范围内，该预定的层厚可例如为50μm。为了通过大于预定层厚但不超过50％地大于预定层厚的刮刀而生成预设的、均匀的层厚，有必要实现刮刀的可调节悬置，这允许调节刮刀4的下边缘关于桶底3的最小距离，并且以精确和可复制的方式结合图4和图5调节上文描述的两个角度，在操作过程中不带改变调节位置的风险。这可例如采用两个定位台来实现，该定位台被构造用于以高精度调节台位置并且形成刮刀的联接悬置。定位台彼此联接。其中一个定位台用于调节刮刀的下边缘关于桶底的最小距离，另一个通过角度计调节刮刀的下边缘关于桶底的倾斜角度α(见图4)。

图6示出实现刮刀4与桶底3的相对运动的替代实施例。在此例子中，采用了矩形桶底3，其在图6的右手侧以俯视(沿z方向观察)平面图示出。在此例子中，桶能够在图6的右手侧的示图中以箭头标示的x方向上线性移动。在图6的左手侧示出了从侧面观察(观察方向＝x方向)的刮刀和桶底的平面视图。在此例子中，刮刀4被悬置以使其下边缘平行于桶底3的表面延伸，刮刀4的下边缘与桶底3的距离是可调节的。在此例子中，刮刀的下边缘与桶底的距离各处都一样，因为刮刀的下边缘与桶底的相对速度各处一样。刮刀的下边缘与桶底的距离等于将由刮刀4形成的预设的、均匀的层厚。

如在图6的右手侧可见，分配的构建材料的长条18在桶的移动方向上形成在刮刀4的前方，尽管在移动方向上在刮刀4的后方已经形成了带有预设的、均匀的层厚的平滑层20。观察到对于许多类型的构建材料而言，在刮刀的后方实际生成的平滑层的层厚并不精确地等于刮刀的下边缘与桶底之间的间隙宽度，而是该层厚在许多情况下略小。在这方面，还发现通过例如借助于由控制单元控制的致动驱动器改变刮刀的下边缘的位置，可快速找到刮刀关于桶底的正确位置，刮刀的正确位置形成期望预设的、均匀的层厚。

在图7-12中示出了在执行本发明的方法的过程中方法步骤的顺序的另一种介绍。图7示出了在一部分桶底3上的示意平面图，在该桶底上刮刀4已经形成了具有预设的、均匀的层厚的平滑层20。该平滑层通过桶的旋转被移动到喷墨打印机12下方的区域，在该区域中桶的旋转被停止。此阶段在图8的平面视图中示出，其中说明了喷墨打印机12的运动和操作，该喷墨打印机以空间选择方式施加着色剂22。在喷墨打印机停止操作之后，桶被进一步旋转，其中图9示出了在此旋转阶段的桶的平面视图，其中示出了先前提供有着色剂的层20的区域。桶继续旋转，直至印制的层区域达到构建平台8和曝光单元之间的构建区域。此状态在图10中示出。在该方法步骤中，构建平台18通过由控制单元控制的驱动器下降，直至当前正在构建的部件10的最后固化层的下表面与桶底的表面之间的距离等于预定的层厚。该步骤在图11中完成，之后位于桶底3上方的当前限定层通过曝光单元的受控操作以空间选择方式固化。通过曝光以这种方式固化的层通过正在进行的聚合反应被牢固附接至先前最后固化的层，这会形成两层之间的牢固附接，并且最终形成彼此牢固连接的层的成型体。

在停止曝光步骤之后，构建平台8在图12中再次升起，以使悬置其上的带有在图11之前固化的最后一层的部件10被抬离桶底。如图12可见，在最后固化层的区域中，空区或孔仍然位于桶底上。当桶被旋转并且空区达到位于刮刀前方的构建材料的分配区中时，这些区域被再次填满。

在选择刮刀、桶底和桶的侧壁的材料时，以下因素必需考虑在内。对于刮刀和桶的侧壁而言，PTFE(聚四氟乙烯)是最适用的材料。由于其低表面能量，PTFE有利于与待加工的构建材料直接接触的所有部件。待加工的构建材料在此情况下不会粘附至刮刀或者桶的侧壁。一方面，当采用由其它塑料材料(比如聚碳酸酯或聚酰胺)制成的刮刀时，能够观察到涂层中的空区。

在刮刀与桶的侧壁直接接触的情况下，PTFE的优异的滑动性能开始生效，从而通常不会发生桶的旋转机构被阻挡的情况。PTFE对悬浮液中的溶剂、反应成分以及着色剂具有化学惰性。PTFE具有足够的刚度以及对研磨陶瓷悬浮液的足够耐磨性，从而在实践中不会观察到撕裂和磨损效应。

当为桶底选择材料时，必需考虑两个方面。首先，桶底必需具有足够的刚度。第二，表面必需非常平滑和平坦。第三，桶底表面必需被构建材料悬浮液润湿。出于此方面，构建材料的接触角度和粘度是重要的。这些要求有PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，厚度：3毫米mm)和位于其上的ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚合物，厚度：80μm)膜的组合被最佳满足。对于桶底而言，替代PMMA地还可考虑玻璃或类似材料。对于桶底的材料选择的另外的限制来自对曝光的透明度以及立体平版印刷构建过程中的拉拔力的额外要求。结合本发明使用的ETFE膜设置有自粘侧，其允许将ETFE膜无气泡且平面地结合至PMMA支撑台。以这种方式形成的高度平坦的桶底是通过刮刀形成具有高精度的薄构建材料层的其中一个前提条件。正如PTEE，ETFE也对与ETFE膜接触的化学物质呈惰性。与FEP(氟化乙烯丙烯)相比，结合与本发明结合适用的具有ETFE的构建材料配方，可获得较小的接触角度，并且由此获得更好的润湿性。

小的接触角度(看作表示润湿性)与构建材料层的层厚的薄度的良好设定关联。若润湿性不足够好，这会导致构建材料层的“消融”并且呈“岛形式”，因为构建材料层局部回缩或收缩。在涂层中形成孔，并且可能形成微滴。通过增加构建材料悬浮液的粘度，可极大程度地减小或消除这些影响。在实验中发现10Pa·s至50Pa·s之间的粘度适用于通常在50°至60°之间采用的构建材料的接触角。

在根据本发明的方法中，可以在将构建平台降低到该层上并且该层被曝光单元曝光并固化之前，仍然湿的构建材料可以空间选择的方式被着色剂压印。着色剂必需根据构建材料的类型进行选择，其中优选以下分配。

对于未填充和填充的光聚合物，可以使用包括染料分子和/或包含颜料的悬浮液的构建材料溶液。

在使用玻璃陶瓷浆料作为构建材料作为着色剂的情况下，优选使用分散在有机介质中的、特别是氧化物、氧化锡或氧化锆的着色颜料。

在将ZrO₂浆料用作构建材料的情况下，最好使用硝酸盐溶液(水溶液或基于另一种溶剂)或溶解在乙醇中的乙酰丙酮化物。

Claims (13)

1.一种借助立体平版印刷逐层固化具有粘性的、可光聚合的构建材料构建成型体的方法，其中：

a)将构建材料分配到桶(2)的平坦的透明的底部，

b)所述桶(2)沿平行于桶底(3)的平面的方向相对于刮刀(4)移动，所述刮刀可调节定位地悬置在所述桶底(3)的上方，以使分配的构建材料在所述刮刀(4)下方移动以形成平滑层(20)，所述平滑层具有通过所述刮刀(4)相对于所述桶底(3)定位而预设的均匀层厚，

c)所述平滑层(20)通过所述桶(4)的相对运动被带至位于所述桶底(3)下方的曝光单元(6)与高度可调地悬置在所述桶上方的构建平台(8)之间的区域，

d)所述构建平台(8)相对于所述桶底以受控方式下降，从而在移位构建材料时将所述间隙内的剩余层形成预定的层厚，

e)通过所述曝光单元(6)在当前层所需的轮廓内的受控操作，所述层以空间选择方式被固化，

f)之后，所述构建平台(8)被升高，构建材料被分配至所述桶底，并且重复步骤b)至f)，直至通过彼此层叠固化的多个层构建出成型体，

其特征是，所述刮刀(4)相对于所述桶底(3)的位置被如此调节，即所得预设的均匀层厚大于通过降低所述构建平台(8)设定的预定层厚，但没有大于50％地超出预定层厚。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述刮刀(4)相对于所述桶底(3)位置被如此调节，即所得预设的均匀层厚在所述预定层厚的110％至130％的范围内。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，所述桶(2)和所述刮刀(4)的相对运动是通过相对于以静止方式悬置的刮刀(4)绕垂直于所述桶底(3)的中心轴线旋转所述桶(2)或者通过相对于静止的桶(2)绕所述轴线旋转所述刮刀(4)实现。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述刮刀(4)在所述桶底(3)上方的位置是由与所述刮刀的笔直下边缘重合的直线限定，其由所述刮刀的下边缘的最靠近旋转轴线的点距所述桶底(3)的最小距离限定，并由所述下边缘的直线和与直线相交的平行于所述桶底(3)的平面限定的倾斜角度(α)限定，该倾斜角度大于0°并且小于15°，从而所述下边缘距所述桶底(3)的距离从最小距离随着距旋转轴线的增加的径向距离而增加。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述刮刀(4)包括平面状刀片，所述刮刀以倾斜角度(κ)相对于所述桶底(3)倾斜，其中所述倾斜角度(κ)大于0°且小于90°，优选在30°至75°的范围内，并且所述倾斜角度关于桶底(3)相对于刮刀(4)的运动方向限定成，使得所述刮刀(4)的下边缘在所述刮刀(4)相对于所述桶底的相对运动方向上尾随于所述刮刀(4)的上边缘后方。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征是，该桶(2)和该刮刀(4)的相对运动是通过线性移位所述桶(2)或线性移位所述刮刀(4)实现。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述刮刀(4)在所述桶底上方的位置是由与所述刮刀(4)的下边缘重合的延伸直线限定出，所述直线以恒定距离地并且平行于所述桶底(3)延伸。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，在降低所述构建平台(8)之前并且在空间选择曝光之前的中间步骤中，所述平滑薄层的表面通过以空间选择方式施加选定的着色剂而被着色。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，用于设定颜色和半透明度的着色剂以适用于当前使用的构建材料的下述方式来选择：

a)在构建材料为光聚合物的情况下为包括染料分子的溶液和/或包括颜料的悬浮液，

b)在构建材料为包括玻璃陶瓷的浆料的情况下为分散在有机介质中的尤其是氧化物、氧化锡或氧化锆的彩色颜料，

c)在构建材料为ZrO₂浆料的情况下为硝酸盐溶液(水溶液或基于另一种溶剂)或溶解在乙醇中的乙酰丙酮化物。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征是，所述着色剂被溶解和/或散布在墨水中并以空间选择的方式通过喷墨打印机施加至所述平滑层。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征是，所述着色剂被光固化或热固化，并且在空间选择地施加至平滑层之后由电磁辐射固定，其中用于固定的电磁辐射在构建材料的光引发剂的吸收光谱之外。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，作为刮刀，采用由聚四氟乙烯制成的刮刀，并且采用由聚四氟乙烯制成的桶(2)的周向侧壁。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，采用由玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯制成的面板作为桶底，乙烯-四氟乙烯共聚合物膜以其面向所述桶底的表面被结合至所述桶底。

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