CN115104066A - 用于基于光刻增材制造三维（3d）结构的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在基板上基于光刻增材制造三维结构的设备，包括用于承载具有弯曲表面的基板的载体元件；设计用于在所述光引擎的曝光场中光的动态图案化的光引擎；材料运输单元，包括用于跨曝光场运输材料层的第一驱动部件；第二驱动部件，用于引起具有弯曲表面的基板的旋转移动，以便在接触区中建立弯曲表面在材料层上的滚动接触，所述接触区布置在曝光场中；以及第一控制部件，被配置为控制所述第一和/或第二驱动部件，使得弯曲表面在材料层上的所述滚动接触基本上是无滑动的。

Description

用于基于光刻增材制造三维（3D）结构的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于在基板上基于光刻增材制造三维（3D）结构的系统和方法。

背景技术

许多聚合物增材制造（AM）过程应对将高表面质量以及小特征分辨率与良好的热机械材料性质相组合的挑战。立体光刻（SLA）是制造具有其中期望高准确度特征的物品的有前途的候选。一些SLA过程使用大的光聚合物树脂桶（vat），其中在打印过程期间，构建平台和已经打印在构建平台上的结构层被浸没。在这些系统中，新的层在液体树脂的表面处添加到彼此的顶部。通常使用不同的光源以便诱发液体光聚合物树脂层的光聚合。作为示例，数字光处理（DLP）、其它有源掩模投影系统和/或基于激光扫描仪的系统可以用于选择性地将光信息投影到光聚合物树脂的表面上。这些（一个或多个）打印概念有利地允许使用大的树脂桶，并且经常导致大的构建区域。

然而，由于多种因素，包括所使用的树脂配方的粘度和/或表面张力现象，在浸没结构和液体树脂浴的自由表面之间生成树脂薄层的准确度（例如，关于液体层厚度）受到限制。另外，当使用大的构建区域时，特征准确度通常受到限制--即使使用激光/扫描仪系统。扫描仪透镜构造的光学限制、传统使用的脉冲激光源的定时限制以及扫描场的大偏离角度导致整个打印过程的准确度限制以及构建区域的中心和边缘之间的准确度偏移。另一个非常重要的问题是，在打印作业可以开始之前（例如，桶填充过程），需要大量的光聚合物材料。由于光聚合物树脂可能变得化学不稳定，因此树脂存储和降解以及清洗大的树脂桶可能成为一个经济问题，并且随着时间的推移限制了过程稳定性。

上述概念尤其设计用于在平坦表面上打印，或者至少将打印部分放置在平坦构建平面或构建平台上方的最佳取向上。因此，当增材制造或添加材料放置将发生在圆形物体或弯曲表面的顶部时，这些过程在其性能上尤其受到限制，因为这些物体将需要完全浸没在树脂浴中，并且因此很快达到树脂浴大小和体积形式的物理过程边界。

一些立体光刻方法使用基于桶的概念，其中液体树脂被填充到透明材料桶中。根据这些方法，液体树脂层（例如通过材料桶的底部）被来自下方的选择性光信息照射，使得打印的组件被倒置生成，粘附到所谓的构建平台。这些系统呈现一些优点，诸如通过将构建平台降低到树脂桶中来机械调整树脂层高度的可能性。通过这样做，具有期望厚度的树脂层（例如树脂薄层）和/或具有期望分辨率特征的产品已经成为可能。然而，许多这样的系统受限于它们的最大打印区域。当构建平台被降低到树脂浴中，生成期望的层厚度时，残留的树脂必须被压出变窄的间隙。由于该过程的特征在于二维的板对板印刷（press）现象，因此间隙中的压力经常相对于打印区域（例如，按平方）上升。另外，在许多实例中，这样的层可能必须在光聚合之后从材料桶的底部分离。取决于打印区域的大小，该过程可能再次生成强大的力。该概念本身可能受限于打印组件的物理尺寸。

根据美国专利公开号US 2017/0066185 A1，使用载体膜将液体树脂层运输到处理区中，其中载体膜对于用于聚合树脂层的辐射是透明的。随着由载体膜承载的液体材料层逐渐与构建平台接触，用于照射树脂层的辐射源沿着构建平台的长度移动。因此，接触区与辐射源的曝光区一起沿着构建平台的长度移动，使得可以借助于相对较小的可移动打印头来打印大区域。由于打印头相对于构建平台移动，US 2017/0066185 A1中公开的系统涉及沿着打印头的位移路径的定位误差的风险，从而导致相应的结构化误差，以及叠加层之间的不对准的风险。另外，这样的动态系统使曝光时间的控制复杂化，以便提供足够的曝光以用于获得光聚合物树脂材料的固化。

当附加地考虑各种光聚合物提出的特定要求时，这可能是真的。当打印具有改进的热机械性质的光聚合物时，另外的挑战与这样的树脂的相对低的反应性有关。大多数SLA树脂配方包含大部分双官能或多官能单体或低聚物。高含量的反应性基团（例如丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团中的双键）可能导致制剂的早期凝胶点。这意味着即使在相对低的双键转化速率（有时15-30%）下，液体树脂也会凝胶并变得足够坚固而强壮，使得可以重新涂覆新的层，而不会破坏前一层的结构完整性（例如，不会损坏和/或使前一层变形）。在这样的情况下，仅需要非常短的光脉冲（例如，通过在表面上扫描激光束）来提供曝光，直到材料固化超过指定量（例如，曝光足够量的固化）。剩余的未固化双键可以通过后固化步骤转化，最终导致高度交联的聚合物。这样高度交联的聚合物可以表现出高的玻璃化转变温度（Tg），但是由于共价网络而遭受低韧性，并且因此对于工业和/或大规模生产应用仅具有有限的用途。

相比之下，具有较低量多官能单体的树脂产生交联较少的聚合物网络，提高了聚合物的韧性，但是玻璃化转变温度降低至较低温度。为了获得高韧性以及高玻璃化转变温度，可以使用具有低量多官能单体与具有强次级键（例如氢键、范德华键）和大分子量相组合的单体或低聚物的光聚合物配方。强次级键增加了最终聚合物网络的玻璃化转变温度和刚度，并且具有高分子量（长链）的低聚物增加了断裂伸长率，从而进一步增加了材料的韧性。因此，这样的光聚合物网络提供了类似的热机械性质，如当前通过注射成型处理并用于各种工程应用的热塑性材料。

处理这样具有强次级键的低交联光聚合物网络的挑战是双重的：低含量的反应基团可能导致凝胶点延迟，并且强次级键与高分子量低聚物的组合显著增加了制剂的粘度，从而导致制剂不能用基于光刻的AM的现有技术系统处理。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于基于光刻增材制造三维（3D）结构的改进的设备和方法，其适用于处理具有强次级键的低交联光聚合物网络。特别地，本文中描述的（一个或多个）设备和/或方法将使得能够在旋转体和弯曲表面上精确制造3D结构，其打印区域/表面可以是光引擎的曝光场的倍数。另外，本文中描述的（一个或多个）设备和/或方法将允许精确控制（一个或多个）曝光时间，以便提供足够的曝光用于获得光聚合物树脂材料的固化。例如，曝光时间应提供曝光，直到材料固化超过指定量（例如，曝光足够量的固化）。这可以是使材料变成固态的曝光、使材料完全和/或部分固化超过阈值的曝光等。

本发明的另外目的是提供一种用于光聚合物物质（未填充和填充的光聚合物树脂）的稳定和连续的增材制造过程，该过程同时提供高打印准确度、关于光聚合物树脂的化学组成的大的过程灵活性、高生产稳定性、高自主性以及在不显著改变打印参数的情况下物理上可扩展的总体过程概念。目标光聚合物应该提供优异的热机械性质，从而支持能够处理具有低反应性、低交联密度、延迟凝胶点和高粘度的树脂的打印过程。

为了解决这些和其它目的，本发明提供了一种用于在基板上基于光刻增材制造三维结构的设备，该设备包括：

- 用于承载具有弯曲表面的基板的承载元件，

- 设计用于在所述光引擎的曝光场中光的动态图案化（pattern）的光引擎，

- 材料运输单元，包括用于跨曝光场运输材料层的第一驱动部件，

- 第二驱动部件，用于引起具有弯曲表面的基板的旋转移动，以便在接触区中建立弯曲表面在材料层上的滚动接触，所述接触区布置在曝光场中，

- 第一控制部件，被配置为控制所述第一和/或第二驱动部件，使得弯曲表面在材料层上的所述滚动接触基本上是无滑动的。

该设备允许在基板的弯曲表面上3D打印一层或多个叠加层。特别地，弯曲表面是具有单轴曲率的表面。优选地，弯曲表面是圆柱形表面。在本发明用于打印多个叠加的弯曲材料层的情况下，术语"弯曲表面"可以指基板的原始弯曲表面或者已经打印在基板的原始表面上的前一层的弯曲表面。

本发明允许在弯曲表面上3D打印层，其中打印层遵循弯曲表面的曲率，使得可以产生弯曲层。

包括光引擎和材料运输单元的单元可以被称为打印头。

本发明的设备的特征在于光引擎和弯曲表面的相对移动，使得可以在大的弯曲表面上打印结构，诸如具有圆周延伸的弯曲表面，该圆周延伸是光引擎的曝光场的倍数，特别地至少是光引擎的曝光场的三倍。根据本公开，两个设备的"相对移动"可以意味着两个设备中的任一个或两个相对于另一个移动。例如，光引擎和弯曲表面的"相对移动"可以意味着光引擎和弯曲表面相对于彼此移动。例如，如果光引擎是静止的，则弯曲表面被驱动以相对于构建平面围绕旋转轴旋转。弯曲表面旋转移动的旋转轴与弯曲表面的单轴曲率轴同轴或平行延伸。

如本文中所描述的，"光"可以包括能够诱发光聚合物树脂聚合的任何电磁辐射。术语"光"不需要限于可见光，例如，人眼可以感知的光谱部分。

光引擎可以被设计成在光引擎的曝光场中图案化光，以根据该图案选择性地固化光聚合物树脂。特定地，这可能涉及光引擎的曝光场中的光的动态图案化。光的图案化可以通过数字光处理器（DLP）或其它有源掩模投影系统以及基于激光扫描仪的系统来完成，以选择性地将光信息投影到光聚合物树脂的表面上。动态光引擎能够生成动态光信息，诸如动态投影图像、激光扫描或其它零维、一维或二维动态光信息。

优选地，本发明提供了图案数据馈送部件，用于以可调整的馈送速率向光引擎馈送图案分段数据序列。

如本文中使用的"图案数据"可以包括提供给光源（例如，光引擎）的数据，该数据使光引擎根据指定图案选择性地固化构建平面上的材料。

因为光引擎的曝光场仅在弯曲表面的一部分上延伸，其中材料层的固化仅在弯曲表面在材料层上滚动接触的接触区中施行，所以光引擎提供有整个图案的分段序列。由光引擎从图案数据馈送部件接收的各个图案分段被无延迟地投影，以便保证对要打印的图案的精确控制。通过控制图案分段被馈送到光引擎的馈送速率，控制光图案分段序列被发射到材料层上的速率。

将图案分段数据序列馈送到光引擎包括将控制数据或图案数据馈送到光引擎，该控制或图案数据适于使光引擎发射由所述控制或图案数据表示的相应光图案。

优选地，在弯曲表面在材料层上滚动接触期间，使光引擎将光图案分段序列发射到材料上。以这种方式，实现了连续过程，其中通过使接触区在弯曲表面上以圆周方向前进，弯曲表面相对于光引擎连续移动，同时图案分段序列以特定速率投影。

在这样的连续过程中，经常期望光引擎对光的动态图案化与弯曲表面的旋转移动同步。这样的同步将导致每个图案分段相对于弯曲表面在时间和位置方面准确放置，并且导致材料层以对准的方式精确地构建在彼此的顶部。优选地，所述同步是通过提供用于感测弯曲表面相对于光引擎的旋转位置和/或圆周速度的旋转编码器来实现的，其中提供第二控制部件用于基于编码器感测的旋转位置或圆周速度来调整图案数据馈送部件的馈送速率。以这种方式，动态光信息被投射到光聚合物树脂上，使得该光信息的动态速度（即投射图案分段序列的速率，例如图案的"滚动速度"）尽可能好地与弯曲表面相对于光引擎的旋转移动的物理速度相匹配。

为了在整个位移路径上施行适当的同步，编码器被配置用于在弯曲表面的整个旋转路径上感测弯曲表面相对于光引擎的旋转位置和/或圆周速度。另外，旋转编码器优选地被配置用于以连续的方式或以限定的间隔感测旋转位置和/或圆周速度。因此，第二控制部件优选地被配置用于连续地或以所述限定的间隔来调整馈送速率。

为了确保高精确度，编码器能够以准确的方式检测光引擎和弯曲表面之间的实际相对位置或速度，优选地具有0.1纳米（nm）和1.000微米（μm）之间的准确度。在各种实施例中，准确度可以在1nm和10μm之间，并且编码器可以同时能够测量并以高重复率将该位置或速度信息馈送给第二控制部件。优选地，编码器被配置用于以10Hz和100MHz之间的频率检测相对位置或速度。在优选实施例中，这样的编码器包括有源编码器单元（逻辑单元），其可以解释离散的定位信号，并且优选地安装或耦合到光引擎，以及物理测量带或编码器带，其以物理方式（例如，光学标记、电磁标记、磁性标记等）表征位置信号信息，并且优选地安装在承载具有弯曲表面的基板的旋转载体元件上。编码器优选地以非接触方式（诸如光学地、电磁地或磁性地）感测旋转位置和/或圆周速度数据。

为了提供实时位置或速度数据，编码器被配置为以50μs的最大等待时间、优选30μs的最大等待时间，将其位置和/或速度数据馈送给第二控制部件。

可以控制第二驱动部件，以确保光引擎和弯曲表面之间的相对速度尽可能恒定，从而提供稳定和均匀的打印条件。对增材制造过程进行物理缩放的能力受益于速度一致性的这一要求。向移动部分添加质量有助于促进控制算法和驱动引擎选择以实现恒定速度。然而，实现恒定速度不必是准确增材制造的先决条件，因为图案数据馈送部件的馈送速率可以根据弯曲表面圆周速度的改变进行调整。因此，在光引擎和弯曲表面之间的相对移动的加速和减速阶段期间，也完全实现了相对于弯曲表面的足够的动态光准确度。

根据本发明的优选实施例，光引擎被设计用于以可调整的光脉冲速率间歇地向所述曝光场发射光，其中光引擎优选地被配置为使光脉冲速率与图案数据馈送部件的馈送速率同步。通过间歇地打开和关闭光引擎以便生成光脉冲，材料层仅在可用时隙（即由图案数据馈送部件的馈送速率定义的时隙）分段上被照射。特别地，光脉冲与图案数据馈送部件的馈送速率同步，使得每次光引擎切换（例如，"滚动"）到新的图案分段时生成光脉冲。由于在第二驱动部件使弯曲表面相对于光引擎旋转的同时发射光脉冲，因此发射到材料层上的图案化光的位置在该时隙期间改变，这具有模糊效果。通过仅在可用时隙分段上发射光，这样的影响可以被最小化。

同时，可能期望各种光聚合物和/或高级光聚合物树脂接收阈值量的辐射能量（例如，超过最小辐射能量），以便诱发聚合。这可以适用的光聚合物配方的非限制性示例包括WO 2019/213585 A1、WO 2019/213588 A1和EP 3319543 A1中描述的那些。这些申请的内容通过引用并入于此，如同在本文中完全阐述一样。

根据优选实施例，光引擎被配置为调整光脉冲的脉冲占空因数。脉冲占空因数是脉冲持续时间与脉冲周期的比率。例如，对于需要较高量辐射能量的光聚合物材料，可以选择较高的脉冲占空因数，而对于需要较低量辐射能量的光聚合物材料，可以选择较低的脉冲占空因数。

如果脉冲占空因数被设置为0.1和0.8（优选地为0.2和0.7）之间的值，则可以实现这些竞争考虑之间的良好折衷。

结合图案数据馈送部件，优选实施例提供图案数据馈送部件包括数据存储装置，该数据存储装置存储代表要在弯曲表面上构建的材料层的图案的图案数据，所述图案数据与在由第二驱动部件引起的旋转的圆周方向上测量的所述图案的长度尺寸相关联，其中所述图案数据包括代表沿着所述图案的长度的所述图案的多个图案分段的图案分段数据。

优选地，图案数据被构造为包括多行像素的矩形像素网格，其中每个图案分段包括至少一行像素。

如果材料层沿着相对于基板的弯曲表面相切的路径跨曝光场运输，则材料层和弯曲表面之间的接触区是平行于弯曲表面旋转移动的旋转轴延伸的线。

为了固化这样的线性接触区中的聚合物树脂层，每个图案分段包括例如一行像素，每行像素以对应于图案数据馈送部件的馈送速率的频率一个接一个地投影到材料层上。然而，由于在该过程中可能需要解决各种可光聚合物质的特定聚合或固化阈值，因此可以使用多行曝光图案。

如果每个图案分段包括若干行像素，则本发明的优选实施例提供的是，馈送到光引擎的所述图案分段数据序列表示彼此偏移一行像素的图案分段。因此，在图案分段的序列中顺序布置的图案分段彼此重叠，并且从一个图案分段到下一个图案分段的转变是通过在曝光场的前端添加一行新像素并在曝光场的后端移除一行像素来施行的，因为弯曲表面已经相对于光引擎移动了对应于一行像素尺寸的圆周距离。以这种方式，光引擎以对应于弯曲表面相对于光的圆周速度的速度滚动通过图案。

如前所述，提供材料运输单元用于跨曝光场运输材料层。根据优选实施例，材料运输单元包括柔性载体膜，其对于由光引擎发射的光至少是部分透明的，并且其中涂覆部件（例如，涂覆刀片）被布置用于用材料层涂覆柔性载体膜的前侧，当载体膜跨曝光场移动时，载体膜的前侧面向基板的弯曲表面。在被跨曝光场移动的其分段中的载体膜优选地在相对于弯曲表面的切线方向上延伸。载体膜优选被设计为环形载体膜、连续载体膜、使用带或其它驱动机构旋转的载体膜，其在曝光场的上游位置被涂覆。优选地，可以在曝光场的下游提供去涂覆系统，这允许在施加新的层之前，从载体膜移除光聚合物材料的最终残留物。优选地，去涂覆系统包括刮刀，该刮刀被压靠在支撑板上，其中移动的载体膜在刮刀和支撑板之间。在一些实施例中，这样的系统收集刮下的材料并将其递送回存储区域或存储罐。

在一些实施例中，如果载体膜不是环形膜，则其长度适于弯曲表面的圆周长度，或者载体膜显著长于弯曲表面的圆周长度。

材料运输单元可以包括载体膜张紧机构（例如，向载体膜添加、移除、修改等张力的机构），这能够提供膜的适当张紧。为了获得良好的树脂涂覆和曝光结果，载体膜的足够张力是有利的。在优选实施例中，所述张紧机构直接安装到引导载体膜的辊。

另外，可以提供一个或多个辊（例如辊阵列）用于在所述过程中在载体膜的工作期间引导载体膜。优选地，这样的辊仅布置在载体膜的一侧，例如在环形载体膜的内侧，以避免与材料层直接接触。然而，本发明还涵盖这样的实施例，其中，如果在该设备的替代实施例中必要，则辊安装在载体膜的涂覆侧上。在这种情况下，辊表面可以适用于接触材料层，例如通过选择特定的辊表面或纹理。可选地，这样的辊可以以受控的方式单独加热。

根据本发明，提供第一控制部件来控制所述第一和/或第二驱动部件，使得弯曲表面在材料层上的所述滚动接触基本上是无滑动的。

用于运输材料层的第一驱动部件优选包括驱动引擎，例如由所述第一控制部件控制，用于以受控方式移动载体膜，以便使载体膜速度与由第二驱动部件诱发的弯曲表面的圆周速度同步。这样的同步导致在弯曲表面在材料层上滚动接触期间，在材料层和弯曲表面的接触区中不存在相对移动。

在一些实施例中，第一驱动部件可以耦合和/或直接安装到载体膜系统的一个辊。例如，多于一个的辊连接到驱动引擎，其中例如一个驱动辊可以在涂覆区附近，而另一个驱动辊可以是引导辊。

优选地，提供用于引导载体膜的引导机构，诸如可操纵的引导辊系统，其能够在漂移问题方面操纵载体膜。优选地，这样的辊直接连接到载体薄膜电机驱动器。可选地，这样的机构可以以受控的方式加热。

优选地，导板被布置在光引擎和载体膜之间的曝光场中，以限定载体膜和弯曲表面之间的间隙，并且其中导板对于光引擎发射的光至少部分透明。导板被布置成使得当载体膜跨曝光场移动时，载体膜与导板成接触关系，从而引导载体膜。因此，导板接触柔性载体膜的背侧，当跨曝光场移动时，载体膜的背侧背离基板的弯曲表面。导板可以在其面向基板弯曲表面的一侧包括平面或稍微圆形的表面，使得在导板的平面或圆形表面和基板弯曲表面之间形成间隙。间隙的宽度限定了在曝光场中曝光于光引擎辐射的材料层厚度。如果导板是平面的，则导板优选地在相对于弯曲表面的切平面中延伸。

可选地，如果期望的话，为了调整间隙的宽度，导板在垂直于接触区中的弯曲表面的方向上是可调整的。

考虑到高级光聚合物树脂的高粘度，本发明的设备可以优选包括用于控制材料层温度的加热部件。特别地，材料层的温度可以在曝光场中被控制，因为光敏聚合物的化学反应性直接受到它们温度的影响。控制曝光场的温度可以通过加热在曝光场中引导载体膜的导板来实现。因此，优选实施例提供的是，提供第一加热部件用于加热导板。特别地，加热部件被布置用于加热曝光场中的导板。

因为导板对于用于树脂固化的波长或波长范围是光学透明的，所以间接加热部件是优选的。优选的加热部件包括热空气加热，诸如被配置为加热周围空气或处理气体的加热部件，被配置为加热被泵送通过导板或在其一侧包围导板的透明液体的加热部件，以及包括用于在邻近曝光场的区域中传导加热导板的加热元件的加热部件。根据优选实施例，加热部件包括红外加热元件（诸如红外辐射器），以从背离基板弯曲表面的一侧加热导板。以这种方式，红外辐射在击中光敏材料之前首先击中导板。在这方面，优选实施例提供的是，导板由一种材料制成，该材料对于红外辐射是不透明的或仅部分透明的，并且对于用于固化光聚合物树脂的辐射波长是透明的或至少部分透明的。

另一个被考虑用于温度控制的处理区是涂覆区，在该涂覆区载体膜被光聚合物树脂涂覆。为了降低光聚合物树脂的粘度，将涂覆区加热到特定温度可能是有利的，其中树脂的粘度由其温度确定。为了用光聚合物树脂的薄层涂覆载体膜，涂覆部件包括rakel机构，诸如布置在载体膜前侧的刮刀，载体膜在涂覆区由支撑板支撑，支撑板布置在载体膜的背侧，与rakel机构相对。优选地，提供加热元件用于加热rakel机构，诸如刮刀。另外，优选地，还可以提供加热元件用于加热支撑板。当被加热时，支撑板将热量传送到载体膜，载体膜继而加热在涂覆区涂覆到载体膜上的光聚合物树脂。

此外，预加热和后加热区可以围绕曝光场实现，以支持树脂加热，并因此在树脂被载体膜移动到曝光场之前降低树脂粘度。后加热区可以有助于调整平滑的温度梯度，并添加附加的过程稳定性。在这方面，本发明的优选实施例提供的是，第二加热部件被布置在涂覆部件和曝光场之间用于加热材料层。

优选地，提供附加的加热部件来控制弯曲表面的温度，因为如果将树脂施加到冷的弯曲表面，则树脂温度将会显著下降。由于这样（一个或多个）层与基板表面直接接触，因此这对于打印到基板弯曲表面上的第一层来说是很重要的。在打印过程的后期，加热弯曲表面也是优选的，因为如果弯曲表面温度或整个基板的温度控制不当，则弯曲表面的热膨胀现象将会随着时间的推移对打印准确度产生负面影响。弯曲表面的加热可以通过使用加热垫或其它加热元件来加热表面打印应该发生在其上的基板的载体元件，或者借助于通过将加热元件和温度传感器放置在这样的基板的顶部或内部来加热基板本身来实现。

在这方面，根据本发明的优选实施例，在打印操作期间，基板可以被更换，并且通常由基板载体机构承载。例如，基板可以可更换地布置在载体元件上或连接到载体元件。这允许在打印过程已经结束之后容易地移除基板，并为下一个打印过程安装新的基板。优选地，移除和安装基板的过程可以自动进行，诸如通过被配置为将基板和载体元件彼此耦合的耦合单元和/或将基板固定到载体元件上的部件，该部件可以由电信号激活和释放。在可选实施例中，通过真空设备或电磁设备将基板可更换地固定到载体元件。特别地，在载体元件的表面处提供至少一个通道，该通道连接到真空源，该真空源能够在载体元件和可更换基板之间生成负压。在这样的实施例中，可更换的基板可以是但不限于金属片的鼓（drumof sheet metal）或玻璃瓶。此外，这样的载体元件还可以包括自动基板更换部件，这有利于自主打印过程。

在优选实施例中，载体元件由金属构造组成，该金属构造具有安装在其上或其内部的加热元件（例如通过接触加热来加热基板）。

根据本发明的优选实施例，基板的弯曲表面和材料运输单元（在优选实施例中还包括打印头）被配置用于在垂直于弯曲表面的方向上相对移动。出于该目的，优选提供第三驱动部件，用于使运输单元和弯曲表面沿着垂直于弯曲表面延伸的位移路径相对移动。通过这种高度调整，可以调整载体膜的弯曲表面和树脂侧之间的间隙宽度，以便限定材料层的层厚度。

另外，弯曲表面和运输单元的相对可动性允许调整系统，以在第一层已经打印到基板的弯曲表面上之后，一层接一层地打印附加层。对于每个附加层，弯曲表面和载体膜之间的距离逐步增加对应于层厚度的尺寸。替代地，在弯曲表面的旋转移动期间，连续且恒定地增加基板的初始弯曲表面和载体膜之间的距离。在优选实施例中并且在最初具有圆柱形表面的基板上打印的情况下，所述间隙的增加将被控制为对应于所述圆柱形表面完整旋转期间一个打印层的厚度。在这种特定情况下，光引擎和圆柱形表面之间的相对移动将在数学上描述围绕圆柱形基板的螺旋路径。

因此，弯曲表面和打印头可以在至少两个自由度上相对于彼此可移动，围绕与弯曲表面的单轴曲率轴平行或同轴延伸的旋转轴，并沿着垂直于弯曲表面延伸的位移路径。在这方面，优选实施例提供了打印头（包括光引擎和材料运输单元）在垂直于弯曲表面延伸的方向上可移动，而基板在所述方向上固定，并且基板可旋转移动以在弯曲表面和材料层之间建立滚动接触，而打印头可旋转固定。替代实施例提供的是，打印头在其位置上固定，并且基板在平行和/或垂直于弯曲表面延伸的至少一个方向上可移动，以及同时基板可旋转移动以在弯曲表面和材料层之间建立滚动接触。在所述最后一种配置中，基板可以在一个、两个、三个、四个、五个或更多个自由度上可移动，以使得能够在弯曲表面上进行逐层打印。

本发明的设备可以示出将打印过程与其它制造系统相组合、特别是与非光刻增材制造系统和/或非增材制造系统相组合的显著潜力。这可能是由于在部分或现有部分的延伸的光刻增材制造期间，这样的部分或延伸的内部的每个体积点对于其它机械、化学或物理制造步骤来说是容易可寻址的。根据优选实施例，至少一个次级助材料结构化和/或材料放置和/或材料减去单元邻近打印头布置，所述材料结构化和/或材料放置和/或材料减去单元优选被引导以用于沿着位移路径相对于弯曲表面移动，该位移路径在由第二驱动部件引起的旋转的圆周方向上和/或垂直于该圆周方向延伸。

材料结构化和/或材料放置和/或材料减去单元的示例包括但不限于喷墨打印单元、熔合沉积建模单元、纤维放置或纤维涂覆单元、钻孔和镗孔单元、焊接单元、染料涂覆单元、管芯键合单元、冷等离子和热等离子处理单元，诸如等离子涂覆单元、引线键合单元、喷涂或微滴单元、铸造单元，诸如能够用相同或另一种材料填充打印外壳的外壳填充机构、切割单元和多用途拾取和放置单元，诸如机器人臂或其它物理物体操纵器。这样的过程增强单元可以在物理上连接到打印头并因此使用相同或附加的定位控制系统（诸如旋转编码器）方面与实际的光刻打印过程相互作用，或者它们可以借助于与打印头或弯曲表面相同或不同的物理引导系统沿着或围绕弯曲表面单独移动或放置。上面提到的一些制造和操纵系统也可以安装在机器人臂或其它物体操纵系统上，所述机器人臂或其它物体操纵系统可以使用机械接头和/或固定或移动的安装点或接头在横向方向上或以三维方式或以组合方式移动。

根据另一方面，本发明涉及一种三维（3D）打印机系统。3D打印机系统可以包括用于基板的载体元件，其中基板包括弯曲的构建平面、构建表面或构建区域。3D打印机系统的材料运输单元可以包括载体膜。如本文中所描述的，载体膜可以具有接收和/或移动光聚合物树脂的一个或多个表面。如本文中所述，载体膜可以包括连续/环形载体系统。3D打印系统可以包括喷嘴或其它设备，以将光聚合物树脂喷射到载体膜上。喷嘴/其它设备可以产生一个或多个光聚合物树脂材料层。在一些实施例中，喷嘴/其它设备被配置为喷射足够的树脂，以在载体膜上产生光聚合物树脂的单一材料层。

3D打印系统可以包括将光聚合物树脂材料层保持在指定厚度的设备。作为示例，3D打印系统可以包括涂覆刀片，该涂覆刀片被配置为将已经从喷嘴喷射到载体膜上的材料层保持在指定厚度。涂覆刀片可以在正交于载体膜的方向上可调整，使得可以调整沉积在载体膜上的材料层的厚度。在一些实施例中，3D打印系统包括在载体膜上的涂覆区中混合光聚合物树脂材料层的设备。这样的设备的示例包括刮刀、混合器等。

3D打印系统可以包括材料管理单元，该材料管理单元被配置为对一个或多个材料层施行结构化、放置、减少或其某种组合。材料管理单元可以包括例如机器人臂、被配置为感测一个或多个材料层的传感器等。

3D打印系统可以包括光引擎，该光引擎被配置为提供光来固化光聚合物树脂。光引擎可以包括光源，并且可以包括/耦合到为光源供电的功率源。与光引擎相关联的曝光场可以允许光引擎将来自光引擎的光曝光到构建平面的至少一部分（可能是全部）。在一些实施例中，曝光场与对来自光源的光大体上透明的窗口或其它区域相关联。一个或多个传感器可以感测属性，诸如光引擎相对于构建平面的位置、速度、加速度、角运动等。传感器可以包括线性或旋转编码器、校准器和/或感测光引擎相对于构建表面的属性的其它设备。在一些实施例中，传感器对光引擎进行光学测量。

在一些实施例中，3D打印系统包括图案数据馈送器，该图案数据馈送器被配置为以馈送速率将图案分段数据馈送到光引擎，以便以馈送速率（例如，可调整的馈送速率）根据图案分段数据固化材料层的部分。当光引擎和构建表面中的一个或多个沿着位移路径或围绕位移轴相对于彼此移动时，光引擎可以被配置为以馈送速率（例如，可调整的馈送速率）发射图案分段序列。如本文中所讨论的，图案数据馈送器可以从一个或多个控制单元接收指令。

3D打印系统可以包括一个或多个驱动机构，所述驱动机构被配置为相对于彼此移动3D打印系统的组件。如本文中使用的"驱动机构"可以包括被配置为移动物品的设备，并且可以包括致动器、换能器、电子组件等。3D打印系统的（一个或多个）驱动机构可以被配置为朝向3D打印系统的构建表面、曝光场和/或其它区域运输材料层。在一些实施例中，（一个或多个）驱动机构包括使材料运输单元、光引擎和/或构建表面相对于彼此移动的第一驱动机构。第一驱动机构可以被配置为朝向光引擎的曝光场和/或构建表面的部分运输一个或多个材料层（例如，已经由从喷嘴喷射的光聚合物树脂形成的材料层）。在一些实施例中，第一驱动机构可以被配置为朝向曝光场和/或构建表面旋转载体膜上的输送器或其它结构。第一驱动机构可以包括辊，诸如张力辊、可调整辊和/或被配置为管理载体膜中张力的其它设备。

3D打印系统的（一个或多个）驱动机构可以被配置为相对于彼此移动光引擎和/或构建表面。在一些实现中，（一个或多个）驱动机构包括第二驱动机构，该第二驱动机构被配置为移动光引擎和/或构建表面，使得光引擎相对于构建表面移动。这样的相对移动可以（但不必需）沿着由构建表面限定的构建平面完成，在一些实施例中，所述构建表面可以以弯曲或圆形表面的形式，或者可以是围绕旋转轴的表面。

3D打印系统可以包括一个或多个控制单元。任何控制单元可以包括存储器和一个或多个处理器、易失性和/或非易失性存储器、数据输入和/或输出等。任何控制单元都可以接收来自（一个或多个）传感器的传感器数据，所述传感器感测诸如光引擎之类的其它组件的属性。一个或多个处理器可以执行存储在存储器和/或存储装置上的计算机程序指令。在一些实现中，（一个或多个）控制单元包括第一控制单元，该第一控制单元被配置为指令（一个或多个）驱动机构优化（例如，减少、最小化等）材料运输单元和光引擎相对于构建表面的移动。所述指令可以包括对第一驱动机构的指令，以改变材料运输单元的载体膜的位置和/或速度。这可能包括减慢或加快材料运输单元的速度。来自第一控制单元的指令还可以包括对第二驱动机构的指令，以移动光引擎和/或构建表面，使得材料运输单元和光引擎彼此（例如，在时间和/或空间上）同步。（一个或多个）控制单元可以仅向材料运输单元、光引擎和构建表面中的一个或两个或更多个提供指令。一个或多个控制单元可以响应于传感器信号而调整图案数据馈送器的馈送速率。

3D打印系统可以包括加热系统，该加热系统被配置为在材料层位于与光引擎相关联的曝光场内的构建平面或构建表面的至少一部分上时加热材料层。加热系统可以被配置为降低光聚合物树脂的粘度，使得材料层可以在构建表面上被3D打印。曝光于光源可以允许材料层在3D打印过程期间至少部分固化。加热系统的示例包括无接触加热灯、红外灯等。

在一些实施例中，3D打印系统包括预加热板，该预加热板被配置为在材料层的至少一部分被例如加热系统加热之前将它们保持在指定温度。预加热板可以但不必需耦合到载体薄膜的一部分，诸如材料运输单元朝向构建表面移动的载体薄膜的一部分。3D打印系统可以包括后加热板，该后加热板被配置为在材料层已经被加热和/或打印之后将材料层保持在指定温度。

3D打印系统可以包括对来自光源的光的波长至少部分透明的导板。导板可以允许来自光源的光穿过它并穿过曝光场到达构建表面。在一些实施例中，导板将载体膜引导到相对于构建表面的指定位置。这样的布置可以在载体膜和构建表面之间产生指定宽度的间隙，以允许在导板和构建表面之间3D打印和/或固化材料层。在可选实施例中，这样的导板表征面向载体膜和构建表面的弯曲或圆形表面。

根据另一方面，本发明提供一种如权利要求16中所限定的方法，用于在基板上基于光刻增材制造三维结构，所述方法包括：

- 将光聚合物树脂喷射到材料运输单元的载体膜上，以在载体膜上产生至少一个光聚合物树脂材料层；

- 驱动材料运输单元，以将光聚合物树脂材料层跨曝光场运输，该曝光场被配置为朝向基板的弯曲表面曝光来自光引擎的光；

- 使弯曲表面旋转，以便在接触区中在材料层上建立弯曲表面的滚动接触，同时跨曝光场运输材料层，

- 在弯曲表面在材料层上的所述滚动接触期间，光引擎发光，由此选择性地固化接触区中的材料层。

从属权利要求中定义了该方法的优选实施例。

附图说明

在下文中，将参照本发明的特定优选实施例更详细地描述本发明。

图1a-1c图示了本发明的打印设备的第一示例性实施例，图2图示了用于图1的设备中的打印头，图3图示了本发明的打印设备的第二示例性实施例，以及图4图示了被构造为要被馈送到本发明的设备的像素网格的图案数据。图5图示了使用3D打印系统3D打印物体的示例方法的流程图。

具体实施方式

在图1a中，具有弯曲或圆柱形表面的基板或物体1可更换地布置在载体元件2上。打印头由附图标记3标示，并且包括被设计为连续带（例如环形带）的柔性载体膜4。在涂覆区6中，载体膜4可以涂覆有光聚合物树脂层。载体膜4被第一驱动机构驱动以用于根据箭头5或9移动，以便跨光引擎的曝光场7连续地运输材料层（图2中所示出）。光引擎被设计用于曝光场7中的光的动态图案化，并且诱发光聚合物树脂层的聚合，该光聚合物树脂层被布置在载体膜4和基板1的弯曲表面之间的载体膜4上。

提供第二驱动机构，用于使打印头3相对于基板1的弯曲表面沿着位移路径8移动，该位移路径8垂直于弯曲表面的切线延伸，该切线在弯曲表面和载体膜4上的材料层之间的理论接触点中画出。在优选实施例中（图1中所示出），打印头3可以沿着垂直轴8移动。提供第一控制单元，用于将载体膜4的循环速度控制为与基板1的弯曲表面的圆周速度相同，导致在弯曲表面相对于打印头3的相对移动期间，在曝光场7中不存在材料层和弯曲表面的相对移动。换句话说，载体膜4以与基板1的弯曲表面沿着曝光区7移动的速度相同的速度将材料层馈送到曝光场7中。出于该目的，如果基板1根据箭头10围绕其轴循环，则载体膜4根据箭头5循环，以及如果基板1根据箭头11围绕其轴循环，则载体膜4根据箭头9循环。基板1围绕其轴的每次完整的旋转（根据箭头10或11）在基板1的表面上或者在该表面的顶部上打印的半成品工件上产生固化材料层，其中在每次旋转之后，打印头3在箭头8的方向上被提升，以便允许产生一层接另一层的固化层。然而，在另一种打印模式中，打印头3在基板1围绕其轴旋转期间以这样的方式连续升高，使得在基板1的一次旋转时段，在载体膜4和基板1的实际表面或打印在该表面顶部的半成品工件之间实现一个打印层的目标层厚度。然而，在一些实施例中，基板1可以在根据箭头5或9的一个方向上旋转一段时间，用于在基板1的表面上打印新的层或其部分，并且然后使用相应的反向旋转在先前层或该层的部分的顶部上打印附加层或其部分。在这样的配置中，打印头3可以暂时升高大于或小于一个完整的层厚度，以在基板1的实际表面上或在该表面的部分处或在这样表面顶部的半成品工件处实现各种层厚度和打印模式的组合。在这样的配置中，载体膜4相应于箭头5或9之一循环，以施行打印过程并将树脂充分运输到曝光场7中。

可以根据由馈送给光引擎的图案数据确定的定义图案来构造每一层。为了允许连续的过程，其中基板1的实际表面以连续的方式跨曝光场7旋转，例如，不中断基板1的弯曲表面在弯曲表面的整个圆周上跨曝光场7的旋转，提供了图案数据馈送器，用于将图案分段数据的数据序列馈送到光引擎，用于使光引擎在基板1相对于打印头3旋转期间发射图案分段序列。

为了实现打印过程的期望准确度，图案数据馈送器的馈送速率与基板1的弯曲表面的圆周速度同步。为此，旋转编码器单元或杆提供在基板1或其物体载体2的旋转轴上，该旋转轴相对于固定编码器单元12旋转，以便感测基板1相对于打印头3的曝光场7的限定位置（例如，曝光场7的中间）的位置和/或旋转速度。使用该传感器数据并知道基板1的实际直径（分别包括关于基板1的原始表面顶部已经打印的物体或半成品工件的层厚度的信息）允许计算要打印的弯曲表面的实际表面速度。基于由旋转编码器12获得的位置和/或（旋转）速度信号来控制图案数据馈送器的馈送速率。所述控制过程连续地或以高频率实行，以便在基板1的整个旋转内实现同步。

在典型的实施例中，打印头3以这样的方式位于基板1上方的中心，即曝光场7对称地位于基板1的旋转轴上方的中心（见图1b）。

在特殊的实施例中，打印头3以这样的方式位于基板1上方，使得限定打印层的实际厚度的载体膜4和基板1的实际表面之间的间隙在曝光场7的一端最接近，理想地在曝光图案的后端（见图1c）。在这种情况下，曝光场7中的曝光图案以二维的方式，并且基板1正仅根据箭头10旋转，以及打印头3的载体膜4正根据箭头5移动。可选地，基板1正根据箭头11旋转，以及打印头3的载体膜4正根据箭头9移动，而曝光场7中的曝光图案的后端现在位于曝光场7的另一侧，并且打印头3可以被适当地调整以在该地方在打印头3的载体膜4和基板1的实际表面之间形成最近的间隙。

该设备可以包括校准器13，该校准器13可以放置在曝光场7之下而不是基板1之下，以便使得能够对光引擎进行光学测量。这样的测量可以手动或自动方式实现。校准器13可以包括各种光学元件，诸如相机系统（例如，在可见光或UV范围内）、光电传感器（例如，用于信号定时或定位控制系统或用于光或辐射强度测量）。利用这样的系统，还可以研究聚焦平面测量和潜在的拼接现象，例如，当多个动态光引擎被组合以增加过程的构建区域的物理延伸或者使得曝光场中的更高量光能量能够增加过程吞吐量时的拼接区现象。

另外，残余树脂收集器40可以布置在基板1下方，以便收集多余的树脂。

加热元件15被布置在曝光场7之前和之后并且靠近基板1的弯曲表面，以便在弯曲表面的这些部分穿过曝光场7之前和之后加热弯曲表面的这些部分。

图2中更详细地示出了打印头3。打印头3包括被引导沿着封闭路径循环的环形载体膜4。载体膜4由多个辊引导，包括偏转辊16、张力辊17和可调整辊18。在涂覆区6中，提供了连接到树脂馈送软管20的喷嘴19。喷嘴19将光聚合物树脂喷射到载体膜4上。在一实施例中，当与环境相比时，树脂由于软管20和喷嘴19中的过压（例如，超过可接受阈值的压力）而被喷射，其中过压可以由机械或气动系统产生，以将粘性光聚合物树脂从存储罐朝向涂覆区6泵送。在一些实施例中，这样的涂覆机构（包括存储罐、软管20和喷嘴19）可以以受控的方式加热。

涂覆刀21用于在载体膜4上限定限定厚度的材料层。涂覆刀21在高度方向上是可调整的，以便调整期望的层厚度。另外，提供刮刀22来更新或混合涂覆区6中的材料。在各种实施例中，刮刀22可以以受控的方式加热。支撑板27布置在涂覆区6中的载体膜4的背侧。如果需要，支撑板27可以用作加热元件。

由附图标记23标示的可选去涂覆系统可以在过程清洁或材料更换过程期间出于各种目的而操作以去涂覆载体膜4（例如，从载体膜4移除材料）。去涂覆系统23可以包括刮刀，该刮刀压靠在支撑板26上，其中移动的载体膜4位于其间。

可以提供加热元件用于将材料层保持或加热在升高的温度下，所述加热元件包括预加热板24和后加热板25。取决于载体膜4的移动方向，所述加热板作为预加热板或后加热板的功能可以切换。作为示例，如果载体膜4以逆时针方向旋转，则元件24可以作为预加热板操作，而元件25可以作为后加热板操作；相反，如果载体膜4以顺时针运动旋转，则元件25可以操作预加热板，并且元件24可以操作后加热板。

打印头3的光引擎28由附图标记28标示，并且将光发射到曝光场7中。在曝光场7中，布置了导板29，其对于由光引擎28发射的光的波长至少部分透明。导板布置在载体膜4的背侧上，并用于引导载体膜4，以便限定载体膜4相对于基板1的实际弯曲表面的精确位置，其中精确限定的间隙布置在载体膜4和跨基板1的实际弯曲表面的至少一个点或线之间。透明导板29由包括红外灯30的无接触加热系统加热。

在根据图3的补充实施例中，一个或多个材料管理单元（例如，材料结构化和/或材料放置和/或材料减去单元）邻近或靠近打印头3布置，所述材料结构化和/或材料放置和/或材料减去单元被引导用于沿着关于基板1 1的旋转轴在径向方向上延伸的位移路径相对于基板1的表面移动，以在打印操作期间针对基板1的变化直径调整它们的处理任务（process duty）。

在一些实施例中，材料管理单元可以包括喷涂系统31、喷墨系统32、焊接系统、等离子体涂覆系统或布线系统33以及多用途机器人臂34。这些单元中的每一个可以具有其自己的控制系统，该控制系统使用并解释基于旋转编码器12的位置和速度数据的数据，该旋转编码器12跟踪旋转基板1的位置和（旋转）速度。

图4示意性地图示了以像素36的虚拟网格35的形式的图案数据的结构化，像素36表示在打印过程期间要在特定层中打印的图案。图案沿着方向8的长度对应于要打印的组件的长度。该图案可以被分成多个图案分段，这些图案分段可以包括图案的一行或多行37。例如，第一图案分段由38标示，并包括五行37。第二图案分段由39标示，并且相对于第一图案分段38偏移一行37。这同样适用于每个偏移一行像素的另外图案分段。随着基板1的实际表面相对于曝光场7的连续移动，图案分段38、39等的序列被馈送到光引擎28，以便使图案适应基板1的实际表面的当前角位置。根据本发明，图案分段序列的馈送速率适于如基于旋转编码器12感测的数据计算的基板1的实际表面的圆周速度，以便保证精确的打印过程。

通过选择曝光场的合适宽度，例如光引擎的宽度（诸如激光扫描线的长度或LED或微型LED阵列的长度），或者通过并排使用多个光引擎，可以依据沿着基板旋转轴延伸的基板的最大长度来对打印过程进行物理缩放。由于打印头3沿着其位移路径8的移动长度可以容易地适应实际的过程要求，因此该过程可以依据基板的最大直径进一步缩放。因为由于控制图案数据馈送器的馈送速率的位置和/或速度测量系统，打印过程的准确度独立于基板1和曝光场7的实际表面的相对速度，所以该过程也可以在吞吐量或曝光速度方面进行缩放。尽管对最大打印速度有光化学限制，但是这些限制强烈依赖于材料，并且因此对于不同的光敏物质以及还有对于不同的打印条件，诸如打印温度和大气条件（例如过程气体），这些限制可能显著变化。

图5图示了使用3D打印系统3D打印物体的示例方法的流程图500。结合在图1-4的上下文中描述的示例结构来讨论流程图500。然而，注意，流程图500的操作可以由不同于图1-4中所示出的结构和/或设备来执行。流程图500的操作仅作为示例，并且注意，各种实现可以采用比图5中所示出的更多或更少数量的操作。

在操作52处，光聚合物树脂可以被喷射到材料运输单元的载体膜上，以在载体膜上产生一个或多个光聚合物树脂材料层。在一些实施例中，喷嘴19可以将光聚合物树脂喷射到载体膜4上的涂覆区6上。如本文中所述，这可能发生在邻近支撑板27的载体膜4的表面上和/或载体膜的其它方便的表面上。

在操作54处，一个或多个材料层的厚度可以保持在指定厚度。在一些实施例中，保持一个或多个材料层的厚度可以涉及移除那些材料层的至少一部分以使它们平整。参考图2，例如，涂覆刀21可以操作以将材料层保持在期望的厚度，例如，通过移除材料层和/或使材料层平整。

在操作56处，一个或多个材料层可以在载体膜上的涂覆区中混合。参考图2，例如，刮刀22可以操作以混合载体膜4的涂覆区6上的材料层。

在操作58处，材料运输单元可以被驱动以朝向曝光场运输一个或多个材料层，该曝光场被配置为朝向基板的弯曲表面的至少一部分曝光来自光源的光。再次参考图2，取决于实施例，载体膜4可以由第一驱动机构沿着箭头5或箭头9驱动，以朝向弯曲表面的接触区和/或朝向与光引擎28相关联的曝光场7运输沉积在涂覆区6上的一个或多个材料层。如本文中所述，也可以使用其它驱动机构来驱动材料层朝向曝光场和/或构建平面。

在操作60处，感测弯曲表面相对于光引擎的位置或速度。可以响应于弯曲表面的位置或速度的感测来提供传感器信号。参考图1和图2，旋转编码器12可以操作来感测弯曲表面相对于光引擎28的位置/（圆周）速度。如本文中所述，旋转编码器12可以向控制单元提供传感器信号，所述控制单元可以位于旋转编码器12内部和/或耦合到旋转编码器12。旋转编码器12可以被配置为感测光学标记、电磁标记和/或磁性标记。如本文中所述，控制单元可以响应于传感器信号而调整图案数据馈送器的馈送速率。

在操作62处，可以提供在一个或多个材料层正在接触曝光场内的弯曲表面时优化材料运输单元相对于弯曲表面的移动的指令。控制单元（可能在旋转编码器12外部或位于旋转编码器12内）可以被配置为提供指令以优化载体膜4、基板1或它们的一些组合的移动，从而优化它们相对于彼此的移动。在一些实施例中，这可以涉及使相对移动最小化和/或使它们的移动同步，使得载体膜4、光引擎28和/或实际弯曲的构建表面在位置和/或速度上同步。

在操作64处，可以响应于指令来优化材料运输单元、光引擎和/或弯曲的构建表面的移动。例如，可以优化（例如，最小化等）载体膜4和基板1的移动，使得载体膜4、光引擎28和/或弯曲的构建表面在位置和/或速度上同步。如本文中所述，张力辊17和/或可调整辊18可以响应于指令而操作，以修改载体膜的位置/速度。在一些实施例中，张力辊17和/或可调整辊18的运动与基板1的弯曲表面的圆周速度同步，以优化载体膜4相对于弯曲构建表面之间的移动。

在操作66处，可以将载体膜引导到相对于基板1的弯曲表面的指定位置，以在载体膜和弯曲表面之间产生具有指定宽度的间隙。例如，载体膜4可以被引导到相对于弯曲表面的指定位置，以在载体膜4和弯曲表面之间产生具有指定宽度的间隙。该间隙可以允许载体膜4和弯曲表面之间的3D打印和/或选择性固化（在本文中详细描述）。

在操作68处，一个或多个材料层可以保持在指定温度，例如通过在曝光场内加热。作为示例，如果载体膜4正在沿着箭头5移动，则预加热板24（或者替代地如果载体膜正在沿着箭头9移动，则元件25）可以在材料层被曝光场7内的（一个或多个）非接触加热系统30加热之前加热材料层。

在操作70处，当在曝光场7内的构建平面上时，至少一部分材料层可以被加热。在一些实施例中，无接触加热系统30可以在材料层位于曝光场7内的弯曲表面上时加热材料层。

在操作72处，图案分段数据可以以馈送速率被馈送到光引擎。在光引擎和基板1的弯曲表面沿着位移路径相对移动期间，可以以馈送速率发射图案分段序列。在一些实施例中，图案数据馈送器可以以馈送速率将图案分段数据馈送到光引擎28。如本文中所述，馈送速率可以由耦合到旋转编码器12或位于旋转编码器12内部的控制单元来控制。这可以沿着位移路径（例如，基于由旋转编码器12和/或位移路径8测量的基板1的旋转的计算）或其它路径发生。

在操作74处，来自光引擎的光可以向弯曲表面的构建平面的至少一部分曝光。在一些实施例中，光引擎28可以操作来朝向弯曲表面（例如，通过导板29）曝光光。有利的是，由于材料层的定位和/或加热，来自光引擎28的这样的光可以操作以3D打印材料，甚至是那些具有传统上难以3D打印的粘度的配方的材料。

在操作76处，在加热和/或固化之后，材料层的至少一部分可以保持在指定温度（可能，但不一定与光固化之前保持的指定温度相同）。如本文中所述，取决于方向，后加热板25或元件24可以施行该操作。

Claims (31)

1.用于在基板上基于光刻增材制造三维结构的设备，包括：

- 用于承载具有弯曲表面的基板的载体元件；

- 设计用于在所述光引擎的曝光场中光的动态图案化的光引擎；

- 材料运输单元，包括用于跨曝光场运输材料层的第一驱动部件；

- 第二驱动部件，用于引起具有弯曲表面的基板的旋转移动，以便在接触区中建立弯曲表面在材料层上的滚动接触，所述接触区布置在曝光场中；

- 第一控制部件，被配置为控制所述第一和/或第二驱动部件，使得弯曲表面在材料层上的所述滚动接触基本上是无滑动的。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括

- 图案数据馈送部件，用于以可调整的馈送速率向光引擎馈送图案分段数据序列，用于使光引擎在弯曲表面在材料层上的所述滚动接触期间以所述馈送速率发射图案分段序列；

- 编码器，用于感测弯曲表面相对于光引擎的旋转位置和/或圆周速度；和

- 第二控制部件，用于基于编码器感测到的旋转位置或圆周速度来调整图案数据馈送部件的馈送速率。

3.根据权利要求1或2的设备，其中所述光引擎被设计用于以可调整的光脉冲速率间歇地向所述曝光场发射光。

4.根据权利要求3的设备，其中所述光引擎被配置为使光脉冲速率与图案数据馈送部件的馈送速率同步。

5.根据权利要求3或4的设备，其中所述光引擎被配置为调整光脉冲的脉冲占空因数，其中所述脉冲占空因数优选地被设置为0.1至0.8。

6.根据权利要求1至5中任一项的设备，其中所述图案数据馈送部件包括数据存储装置，所述数据存储装置存储代表要构建在弯曲表面上的材料层的图案的图案数据，所述图案数据与在由第二驱动部件引起的旋转的圆周方向上测量的所述图案的长度尺寸相关联，其中所述图案数据包括代表沿着所述图案长度的所述图案的多个图案分段的图案分段数据。

7.根据权利要求6的设备，其中所述图案数据被构造为包括多行像素的矩形像素网格，其中每个图案分段包括至少一行像素。

8.根据权利要求7的设备，其中馈送到光引擎的所述图案分段数据序列表示彼此偏移一行像素的图案分段。

9.根据权利要求1至8中任一项的设备，其中所述材料运输单元包括柔性载体膜，所述柔性载体膜对于由光引擎发射的光至少部分透明，并且其中涂覆部件被布置用于用材料层涂覆柔性载体膜的前侧，所述载体膜的前侧当跨曝光场移动时面向基板的弯曲表面。

10.根据权利要求8或9的设备，其中在光引擎和载体膜之间的曝光场中布置导板，以在载体膜和弯曲表面之间限定间隙，并且其中所述导板对于由光引擎发出的光至少部分透明。

11.根据权利要求10的设备，其中所述导板在垂直于接触区中的弯曲表面的方向上可调整。

12.根据权利要求10或11的设备，其中提供第一加热部件用于加热导板。

13.根据权利要求8至12中任一项的设备，其中第二加热部件布置在涂覆部件和曝光场之间，用于加热材料层。

14.根据权利要求1至13中任一项的设备，其中提供第三驱动部件用于使运输单元和弯曲表面沿着垂直于弯曲表面延伸的位移路径相对移动。

15.根据权利要求1至14中任一项的设备，其中至少一个次级材料结构化和/或材料放置和/或材料减去单元邻近打印头布置，所述材料结构化和/或材料放置和/或材料减去单元优选被引导用于沿着位移路径相对于弯曲表面移动，所述位移路径在由第二驱动部件引起的旋转的圆周方向上延伸和/或垂直于圆周方向。

16.一种用于在基板上基于光刻增材制造三维结构的方法，所述方法包括：

- 将光聚合物树脂喷射到材料运输单元的载体膜上，以在载体膜上产生至少一个光聚合物树脂材料层；

- 驱动材料运输单元，以跨曝光场运输光聚合物树脂材料层，所述曝光场被配置为朝向基板的弯曲表面曝光来自光引擎的光；

- 使弯曲表面旋转，以便在接触区中在材料层上建立弯曲表面的滚动接触，同时跨曝光场运输材料层，

- 在弯曲表面在材料层上的所述滚动接触期间，光引擎发射光，由此选择性地固化接触区中的材料层。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述弯曲表面是圆柱形表面。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中所述弯曲表面的圆周速度和材料层跨曝光场的运输速度被彼此调整，使得弯曲表面在材料层上的所述滚动接触基本上是无滑动的。

19.根据权利要求16、17或18所述的方法，进一步包括：

- 将图案分段数据序列馈送给光引擎；

- 在弯曲表面在材料层上的所述滚动接触期间，光引擎以可调整的馈送速率发射图案分段序列，由此根据图案分段序列选择性地固化接触区中的材料层；

- 感测弯曲表面相对于光引擎的旋转位置或圆周速度，并响应于感测到旋转位置或圆周速度而提供传感器信号；

- 响应于传感器信号而调整馈送速率。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，进一步包括以可调整的光脉冲速率朝向接触区间歇曝光来自光引擎的光。

21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括使光脉冲速率与图案分段序列的馈送速率同步。

22.根据权利要求20或21所述的方法，进一步包括调整光脉冲的脉冲占空因数，其中所述脉冲占空因数优选设置为0.1至0.8。

23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法，其中驱动材料运输单元以朝向曝光场运输光聚合物树脂材料层包括朝向曝光场旋转载体膜。

24.根据权利要求16至23中任一项所述的方法，进一步包括在材料层的所述部分处于曝光场内的接触区中时加热材料层的一部分。

25.根据权利要求16至24中任一项所述的方法，进一步包括在朝向曝光场运输材料层的所述部分之前，优选利用预加热板将材料层的所述部分保持在指定温度。

26.根据权利要求16至25中任一项所述的方法，进一步包括在将材料层的所述部分远离曝光场运输之后，优选利用后加热板将材料层的所述部分保持在指定温度。

27.根据权利要求16至26中任一项所述的方法，进一步包括将载体膜引导到相对于弯曲表面的指定位置，以在载体膜和弯曲表面之间产生具有指定宽度的间隙。

28.根据权利要求16至27中任一项所述的方法，进一步包括将光聚合物树脂材料层保持在指定厚度。

29.根据权利要求16至28中任一项所述的方法，进一步包括在载体膜上的涂覆区中混合至少一个光聚合物树脂材料层。

30.根据权利要求16至29中任一项所述的方法，进一步包括对所述一个或多个材料层施行结构化、放置、减去或其某种组合。

31.根据权利要求16至30中任一项所述的方法，进一步包括当材料层的一部分处于曝光场内的接触区中时，利用一个或多个非接触加热灯和红外灯加热材料层的所述部分。

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