CN116348273A - 用于通过立体光刻3d打印来制造对象的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种通过立体光刻3D打印来制造对象的方法，其中，对象逐层地构建于构建平台(2)上以获得结构化层堆，其中，通过根据期望的图案而使感光树脂(4)固化来获得每个结构化层，其中，将不同于感光树脂的可移除材料膜布置于两个相邻层之间，其中，在后处理步骤中，所述可移除材料膜经受物理过程和/或化学过程，该物理过程和/或化学过程引起第一可移除材料膜分裂或丧失其稳定性，并且从对象移除可移除材料。

Description

用于通过立体光刻3D打印来制造对象的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种通过立体光刻3D打印来制造对象的方法，其中，对象逐层地构建于构建平台上以获得结构化层堆，其中，每个结构化层通过以下的步骤来获得：
-提供非结构化感光树脂层，以及
-根据期望的图案而选择性地将光投影到非结构化层上，由此使感光树脂固化以获得根据该图案而结构化的结构化层。
背景技术
另外，本发明涉及一种用于通过立体光刻3D打印来制造对象的装置，该装置包括：
构建平台，
材料载体，
用于将非结构化感光树脂层施加到构建平台上或施加于部分地构建的对象上的器件，
光引擎，其设计成用于使光图案化(patterning)到非结构化感光树脂层上，所述光引擎适于使感光树脂固化以获得根据该图案而结构化的结构化层。
如本文中所使用的，“光”可以包括能够诱导感光树脂的聚合的任何电磁辐射。用语“光”不需要局限于可见光，例如能够被人眼感知的光谱的部分。辐射可以具有10nm至10000nm，优选地100至500nm的范围内的波长。
用语“感光树脂”可以指通过固化过程来适形(conform)成硬化聚合材料的材料。感光树脂可以包括但不限于低聚物、光引发剂以及单体的混合物。感光树脂也可以被称为未固化光聚合物。
使感光树脂“固化”是如下的过程，其中，感光树脂由于被光辐照而聚合或交联。
如本文中所使用的，“光引擎”是能够根据预确定图案而生成动态光信息的装置。作为示例，LCD显示器、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于感光树脂的表面上。
与其它增材制造技术相比，可商购的立体光刻(SLA)打印机提供高的分辨率和表面质量。另外，利用如加热或薄膜涂层(参见例如EP 3284583 A1和EP 3418033 A1)那样的某些过程调整，能够打印高粘性材料(例如树脂)，其不能利用任何其它增材制造技术来处理。高粘性材料能够导致利用立体光刻来打印的部分的先进机械性质。
然而，当前的立体光刻过程一次仅能够处理一种材料。立体光刻的另一缺点是必需支承结构。对于自顶向下系统和自底向上系统两者，支承结构用来支承悬垂部分、底切部或未被主构建部分支承的其它节段。在立体光刻中，支承结构固有地由与构建材料相同的材料组成。因此，支承结构不能容易地通过清洗或熔融来移除，而是必须机械地移除，并且在许多情况下人工地移除，例如折断或切除，从而在该部分的表面上留下标记。除了表面的潜在损坏之外，这还涉及额外的时间和工作要求。尤其对于在打印过程之后需要脱粘和/或烧结的部分，例如陶瓷或金属填充的光聚合物，人工地移除支承结构是耗时以及劳动密集和工具密集的，并且增加在过程链期间损坏该部分的进一步的风险。
其它增材制造技术(诸如喷墨打印或熔合丝制作(FFF))能够一次处理多种材料。那些系统能够通常提供用于打印支承结构的支承材料，该支承材料固有地不同于构建材料。存在用以移除该支承材料的若干方式，其包括使支承材料熔融或使用溶剂来将它冲走。这允许移除支承材料，而不损坏所打印的部分的表面。然而，用于熔合丝制作的打印系统当前缺乏准确性、层粘性以及表面质量，其对于大多数工业应用是必要的。另一方面，喷墨打印技术具有关于感光树脂的粘度参数的显著限制，起因于可用打印头的流体限制，粘度参数通常限于大约20mPa·s。这对可实现的机械性质具有显著影响，因为低粘性单体一般以短聚合物链为特征并且形成密集聚合物网络，因而导致脆弱聚合物部分。
为了克服打印过程的某些限制，可组合不同的打印策略。存在用以出于着色目的而使热塑性塑料(FFF)与来自喷墨打印头(例如US 10486364B2)以及SLA系统和喷墨打印头(例如US 10486364B2、US 10449715B2、US 2015/131074 A1)的光聚合物组合的途径。用于SLA的多材料途径通常意味着多个桶，每个桶具有不同树脂(例如US 2017/100899A1)。然而，那些途径通常遭受不同材料之间的交叉污染问题。
发明内容
本发明的目标是改进基于立体光刻的打印方法和装置，以允许放置能够在后处理步骤中容易地且可控地移除而不损坏所打印的对象的表面的支承结构。
为了解决该目标和其它目标，本发明在其第一方面提供一种通过立体光刻3D打印来制造对象的方法，其中，对象逐层地构建于构建平台上以获得结构化层堆，其中，每个结构化层通过以下的步骤来获得：
-提供非结构化感光树脂层，以及
-根据期望的图案而选择性地将光投影到非结构化层上，由此使感光树脂固化以获得根据该图案而结构化的结构化层，
其中，结构化层堆包括第一对相邻结构化层，
其中，不同于感光树脂的第一可移除材料膜通过从喷射器喷射可移除材料的滴落物(drop)来放置到所述第一对相邻结构化层的第一结构化层上，此后，所述第一对相邻结构化层的第二结构化层构建于第一可移除材料膜上，由此将第一可移除材料膜布置在所述第一对相邻结构化层的第一结构化层与第二结构化层之间，并且
其中，在后处理步骤中，第一可移除材料膜经受物理过程和/或化学过程，该物理过程和/或化学过程引起第一可移除材料膜分裂或丧失其稳定性，并且从对象移除可移除材料。
本发明使用允许处理机械地有利的光聚合物的基于立体光刻的打印过程，并且基于在打印过程期间选择性地添加附加物质的观念，附加物质是可移除材料。特别地，本发明基于如下的观念：将可移除材料膜布置在结构化经固化感光树脂层之间，并且由此在3D打印的对象的不同部分之间提供临时界面，该临时界面能够在后处理步骤中容易地分裂并移除。这样的可移除界面能够用于使3D打印的对象分离成两个或更多个部分，或从对象移除支承结构，而不会负面地影响其表面。
由于可移除材料并非与感光树脂相同的材料，因而用以移除可移除材料的后处理步骤能够被设计为仅可移除材料对其作出反应的过程，由此使经固化感光树脂不受影响。特别地，后处理步骤被设计成使可移除材料膜经受引起第一可移除材料膜分裂或丧失其稳定性的物理过程和/或化学过程。
根据优选实施例，物理过程和/或化学过程选自由熔融、蒸发、升华、膨胀以及在溶剂中溶解组成的群组。由此，后处理步骤利用经固化感光树脂和可移除材料的不同的物理性质和/或化学性质，并且应用仅在可移除材料中，而不在经固化感光树脂中产生分裂反应(诸如熔融、蒸发、升华、膨胀以及在溶剂中溶解)的物理过程和/或化学过程。
如引言中所提到的，在立体光刻过程中使用多种材料一般要求使用多个材料贮存器，诸如桶，针对每种材料而存在一个材料贮存器，其中，构建平台或至少部分地构建在其上的对象交替地浸没到所述贮存器中。然而，这导致不同材料之间的交叉污染，因为当对象浸没到第二材料中时，在已产生的第一材料的结构化层将转移到第二材料中之后，未固化的量的第一材料仍然粘附到对象，并且反之亦然。
为了避免两种不同材料之间的交叉污染，可移除材料通过喷射可移除材料的滴落物的喷射器来施加到由感光树脂制成的结构化层上。特别地，滴落物选择性地放置于结构化层的一个或多个位置处，其中，需要可移除界面来实现期望的功能。优选地，喷射器被设计为喷墨打印头或被设计为喷嘴或微滴分配器。
由可移除材料制成的界面可以用来使经固化感光树脂的所选择的部分与3D打印的对象分离。如果要移除的所选择的部分在上侧和下侧两者上被结构化层界定，则可移除界面将在两侧上是有利的。因此，本发明的优选实施例提供如下：结构化层堆包括第二对相邻结构化层，
其中，不同于感光树脂的第二可移除材料膜通过从喷射器喷射可移除材料的滴落物来放置到所述第二对相邻结构化层的第一结构化层上，此后，所述第二对相邻结构化层的第二结构化层构建于第二可移除材料膜上，由此将第二可移除材料膜布置在所述第二对相邻结构化层的第一结构化层与第二结构化层之间，并且
其中，在后处理步骤中，所述第二可移除材料膜经受物理过程和/或化学过程，该物理过程和/或化学过程引起第二可移除材料膜分裂或丧失其稳定性，并且从对象移除可移除材料。
本发明的重要应用是移除在制造对象期间打印以便支承对象的悬垂部分或底切部的支承结构。该移除通过在其上侧和其下侧上利用可移除材料膜来界定支承结构来实现。因此，本发明的过程的优选实施例提供如下：由感光树脂组成的支承结构在第一可移除材料膜与第二可移除材料膜之间产生，其中，在后处理步骤中，从对象移除所述支承结构。
作为备选方案或除了在其上侧和下侧两者(每一侧设有可移除材料膜)上由结构化层界定的支承结构之外，支承结构还可以布置于对象的结构化层与构建平台之间。在此，本发明的过程的优选实施例提供如下：由感光树脂组成的支承结构在第一可移除材料膜与构建平台之间产生，其中，在后处理步骤中，从对象移除所述支承结构。
为了促进支承结构与构建平台的分离，在将第一结构化感光树脂层构建于构建平台上之前，第三可移除材料膜可以通过从喷射器喷射可移除材料的滴落物来放置到构建平台上。以此方式，由可移除材料制成的附加界面在构建平台与支承结构之间产生。
支承结构能够填充悬垂部分或底切部下方的整个空间。然而，为了使构建支承结构所需要的感光树脂的量最小化，支承结构可以包括多个支承元件，诸如多个柱。
如通常在立体光刻3D打印过程中实践的，支承结构与实际对象同时地构建，使得优选实施例提供如下：支承结构由多个经固化感光树脂层构建。为此，该图案的区段可以各自用于逐层地构建支承结构。
根据特别地优选的实施例，可移除材料膜各自布置于所述经固化感光树脂层与支承结构之间。以此方式，支承结构由交替的由经固化感光树脂制成的区段和由可移除材料制成的区段组成。换而言之，支承结构被至少一个可移除材料膜分成至少两个区段。在后处理步骤期间，当可移除材料分裂或丧失其稳定性时，支承结构分离或塌缩成至少两个区段，即，能够更容易地移除的较小部分。这允许从对象的难以接近的区域或从对象的腔移除支承结构。另外，该方法允许使支承结构的移除集成于自动化的后处理和清洁步骤中，因为该移除能够高度地独立于所打印的部分的几何结构。
另外，这赋予如下的能力：在单个打印工作的部分组件中，或甚至在不能在打印之后拆卸的组件群组中，在部分、子部分或组件群组之间产生可移动接头、齿轮或其它类型的轴承或移动解决方案。
至于可移除材料的性质，可以使用如下的任何材料：能够由喷射器以滴落物施加并且在至少一种物理性质和/或化学性质(诸如熔点、可溶性、沸点等)上不同于经固化感光树脂。
优选地，可移除材料是如下的材料：可聚合，并且在其聚合和预聚合状态下，能够在溶剂中溶解或膨胀。因此，这样的材料可以由至少可聚合基团(诸如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、乙烯醚或乙烯酯、马来酰亚胺、环醚、异氰酸盐、胺)或其它可聚合不饱和或饱和基团组成，并且可以可选地进一步包括至少一个亲水或亲油基团。聚合材料可以可在诸如水或酒精或油或其它有机溶剂之类的溶剂中溶解或膨胀。这样的材料例如包括羟基基团、羰基基团和羧基基团以及具有其它负电性杂原子的衍生物、胺、离子液体和盐，例如羟基甲基丙烯酸乙酯(HEMA)、2-(2-乙氧基乙氧基)乙基丙烯酸酯(EOEOEA)、丙烯酰吗啉(ACMO)、聚乙二醇衍生物、聚醚、羟基乙烯或月桂基丙烯酸酯。
根据备选优选实施例，可移除材料在打印过程之后被凝固并且可熔融，并且因此是具有低于经固化感光树脂的分解温度的熔点(诸如<200℃的熔点)的材料，诸如长链醇或蜡。
为了改进可移除材料在经固化感光树脂上的粘附，在将可移除材料的滴落物从喷射器喷射到结构化层上之前，结构化层可以借助于表面调节(例如，等离子体处置或电晕处置)来预处置。
由于可移除材料以液体形式施加到经固化感光树脂层上，因而优选实施例提供如下：在结构化层构建于可移除材料膜上之前，可移除材料膜被凝固。优选地，在结构化层构建于可移除材料膜上之前，可移除材料膜经受干燥步骤、凝固步骤或光固化步骤。备选地，可移除材料膜通过化学反应过程来经受硬化或固化，该化学反应过程通过如环境大气或特殊过程气体或过程大气那样的周围气体或通过与可以由附加喷射器装置喷射的第二可移除材料化合物接触来触发。在另一途径中，可移除材料膜在经固化感光树脂层的表面的顶部上保持液态，并且可以随后至少部分地通过形成下一层经固化感光树脂的电磁辐射图案来固化。在备选途径中，可移除材料膜继续在经固化感光树脂层的表面的顶部上并且甚至在多个经固化感光树脂层之间保持液态。然而，在这样的构型中，可移除材料膜的粘度可以在整个打印过程期间变化或保持相同，并且可能在其粘度方面受到其物理(例如，过程温度)过程环境或化学(例如，周围的气体大气)过程环境影响。
另外，结构化层可以被结构化成具有腔，可移除材料的滴落物从喷射器喷射到该腔中。这改进可移除材料在期望的位置处的定位。
根据本发明的另外的方面，提供了一种用于通过立体光刻3D打印来制造对象的装置，其包括：
构建平台，
材料载体，
用于将非结构化感光树脂层施加到构建平台上或施加于部分地构建的对象上的器件，
光引擎，其设计成用于使光图案化到非结构化感光树脂层上，所述光引擎适于使感光树脂固化以获得根据该图案而结构化的结构化层，
喷射器，其用于将可移除材料的滴落物喷射到结构化层上以获得可移除材料膜，
驱动器件，其用以改变构建平台、光引擎以及喷射器的相对位置，
控制单元，其适于控制驱动器件，使得在第一相对位置中，构建平台和至少部分地构建于其上的对象被分配到光引擎以构建结构化层，并且在第二相对位置中，构建平台和至少部分地构建于其上的对象被分配到喷射器以将可移除材料膜施加到结构化层上，
其中，控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在第一位置与第二位置之间改变，使得第一可移除材料膜放置到第一对相邻结构化层的第一结构化层上，此后，所述第一对相邻结构化层的第二结构化层构建于第一可移除材料膜上，由此将第一可移除材料膜布置于所述第一对相邻结构化层的第一结构化层与第二结构化层之间。
优选地，控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在第一位置与第二位置之间改变，使得第二可移除材料膜放置到第二对相邻结构化层的第一结构化层上，此后，所述第二对相邻结构化层的第二结构化层构建于第二可移除材料膜上，由此将第二可移除材料膜布置于所述第二对相邻结构化层的第一结构化层与第二结构化层之间。
优选地，控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在第一位置与第二位置之间改变，使得由至少一个结构化感光树脂层组成的支承结构在第一可移除材料膜与第二可移除材料膜之间产生。
优选地，控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在第一位置与第二位置之间改变，使得由至少一个结构化感光树脂层组成的支承结构在第一可移除材料膜与构建平台之间产生。
优选地，控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在第一位置与第二位置之间改变，使得在将第一结构化感光树脂层构建于构建平台上之前，第三可移除材料膜放置到构建平台上。
优选地，控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在第一位置与第二位置之间改变，使得支承结构由多个结构化感光树脂层组成。
优选地，控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在第一位置与第二位置之间改变，使得可移除材料膜各自布置在支承结构的所述多个结构化层之间。
附图说明
接下来，将通过参考本发明的具体优选实施例来更详细地描述本发明。
图1示出用于自底向上立体光刻过程的材料放置策略的示例。
图2示出用于自顶向下立体光刻过程的材料放置策略的示例。
图3a示出用于利用可移动SLA打印头的立体光刻打印过程的材料放置策略的侧视图。
图3b示出用于利用可移动SLA打印头的立体光刻打印过程的材料放置策略的顶视图。
图4图示具有悬垂结构的所打印的部分。
图5a图示具有腔内部的支承结构的所打印的部分。
图5b更详细地示出图5a的接触区。
图6示出具有可移动节段的示例性部分。
图7图示支承结构内部的示例性材料放置。
图8图示部分与支承结构之间的界面区域中的示例性支承结构几何结构。
图9示出打印过程的流程图。
具体实施方式
本发明是一种通过利用选择性地放置的可移除材料的另外的相使填充或未填充的感光树脂选择性暴露于光来增材制造部分以促进支承结构移除的方法。立体光刻打印系统允许在预限定的过程温度下对各种粘度(优选地，0.1Pa.s与20Pa.s之间的动态粘度)的感光树脂进行处理和选择性固化，其中，存在填料或不存在填料，用于所打印的部分本身的材料以及用于必要的支承结构的材料相同。为了克服通常可用的打印机限于仅一种材料的缺点，通过使滴落物生成装置(例如，喷墨打印头、喷嘴或移液管)集成到打印过程中来实现多材料立体光刻打印，所述滴落物生成装置能够选择性地放置至少一种附加材料，包括多种附加材料。将可移除材料作为第二相或附加相引入到所打印的对象中的本发明能够应用于立体光刻打印过程的所有类型。图1和图2示出实施了喷射器以添加这样的第二或附加材料相的两个不同的立体光刻打印过程的示意性图示。除了用于喷射滴落物的喷射器之外，在预固化的层上移动的单元还能够包括光源，例如LED或UV灯，以使选择性地放置的微滴、滴落物阵列或表面润湿微滴层固化或固定。另外，它可以包含热源以使所放置的材料干燥和/或使基底干燥和/或实行受控制的蒸发或不受控制的蒸发。可能有必要利用例如用以使该表面干燥/清洁的擦拭器刀片或限定的温度的空气流或气流来处理(或称为准备，即prepare)基底(预固化的层)。能够进一步为有益的是，使用层表面的表面调节处置，例如等离子体处置或电晕处置，以允许限定的微滴放置(例如，限定或影响微滴材料在所打印的层基底上的润湿和结合行为)。
图1是多材料自底向上立体光刻打印过程100的示意性图示和示例。打印机100由构建平台2组成，构建平台2可根据箭头7而在位置101、位置102以及位置103之间旋转。在位置101中，透明桶5用感光树脂4填充。该材料的高度能够处于到多毫米的打印层厚度的范围内。可以安装涂覆机8，以用新的感光材料4涂覆桶。构建平台2降低到感光材料中，直到达到构建平台2(或部分地构建于其上的部分1)与桶5之间的期望的层高度的距离为止。固化系统6通过透明桶5使感光材料4固化。这能够是例如使用单个或多个LED作为光源的动态掩模系统、激光扫描系统或LCD或其它主动地或被动地曝光的显示器。在固化之后，提升构建平台2，并且可以再次涂覆桶5。通过重复进行这些步骤，打印三维部分1。对于诸如悬垂件或腔之类的某些结构，支承结构3是必要的。支承结构可以被分成不同区段，包括从感光树脂打印的区段31、从可移除材料(诸如可溶解材料、可膨胀材料、可熔融材料、可汽化材料和/或可升华材料)打印的区段32以及在部分1与支承结构3之间的界面区段33(参见图5b)。为了打印区段32和区段33，马达7能够使所打印的部分1旋转到期望的位置。在示例性的位置102或位置103中，滴落物生成装置9(例如，喷墨打印头或移液管)或可加热喷嘴在部分1的表面上移动并且将可移除材料放置于所选择的区域处。与可移除材料中的光引发剂匹配的UV或可见光源10能够使该材料固化以使其固定。备选地，热源11(例如，红外灯或卤素灯)能够使可移除材料干燥或使可移除材料的成分(例如，溶剂)蒸发。若有必要，则刮刀12或限定的温度的空气流或气流能够在部分1的表面上移动，以将多余的可移除材料擦掉/吹掉并且处理要在上面注射的基底。为了在放置可移除材料之前改进部分1的经固化感光树脂的表面的润湿性和粘附，能够安装表面处置装置13，例如电晕处置设备或等离子体处置设备。在放置可移除材料之后，使构建平台2旋转回到位置101中，在位置101处，使部分1的下一层固化，所述层还形成(一个或多个)支承结构的区段31。
图2图示多材料自顶向下打印过程200。构建平台2浸入到用感光树脂4填充的罐5中。在位置201中，固化系统6从上方使感光材料4固化。这能够是例如使用LED作为光源的动态掩模系统、激光扫描系统或LCD或其它主动地或被动地曝光的显示器。在固化之后，构建平台2浸没到液体树脂中，并且涂覆机或刀片8可以利用下一层未固化树脂来覆盖所打印的部分。通过重复进行这些步骤，打印三维部分1。对于诸如悬垂件或腔之类的某些结构，支承结构3是必要的。支承结构可以被分成不同区段，其包括从感光树脂31打印的区段31、从可移除材料(诸如可溶解材料、可膨胀材料或可熔融材料)打印的区段32以及在部分1与支承结构3之间的界面区段33。为了打印区段32和区段33，在使层31固化之后，滴落物生成装置9(例如，喷墨打印头或移液管)或可加热喷嘴在部分1的表面上移动到位置202并且将可移除材料放置于所选择的区域处。与可移除材料中的光引发剂匹配的UV或可见光源10能够使该材料固化以使其固定。热源11(例如，红外灯或卤素灯)能够使可移除材料干燥。在放置可移除材料之前，擦拭器或刀片12或限定的温度的空气流或气流可以移除未固化树脂的残留物。为了改进表面质量，表面处置装置13(例如，电晕处置设备或等离子体处置设备)能够在部分1的表面上移动。
图3a图示利用可移动打印头15的示例性立体光刻过程的侧视图。部分1打印到可沿z方向竖直地移动的构建平台2上。感光材料31由能够沿x方向水平地移动的打印头15施加并固化。打印头15包括循环箔或滚动箔，该循环箔或滚动箔充当用于将液体感光树脂转移到构建平台2上的转移介质。固化装置16(例如，激光扫描仪、动态掩模系统或LED模块)选择性地使从打印头15内部通过箔转移的树脂固化。在打印头15后面，滴落物喷射装置9(例如，喷墨打印头或移液管)或(可加热)喷嘴能够在构建平台1上移动并且选择性地放置可溶解、可膨胀、可熔融、可升华或可蒸发的可移除材料。与可移除材料中的可选的光引发剂匹配的UV或可见光源10可以使可移除材料固化以使其固定。热源11(例如，红外灯或卤素灯)可以使可移除材料干燥。部分1的表面可以经由擦拭器或刀片12或限定的温度的空气流或气流和/或表面处置装置13(例如，电晕处置设备或等离子体处置设备)来处理。滴落物生成装置9和固化装置10以及热处置装置11附接到打印头15或能够单独地移动。
图3b图示具有用于多程打印的(一个或多个)可移动打印头15的示例性立体光刻过程的顶视图。滴落物生成装置9装配于打印头15上，或能够单独地移动并且能够附加地沿y方向移动，以扫描构建平台2上的较大构建区域。固化装置10和热处置装置11相应地定位于滴落物生成装置9前面和后面。为了在放置可移除材料之前处理所打印的部分1的表面，可以使用擦拭器或刀片或限定的温度的空气流或气流，并且可以利用相应地定位于滴落物生成装置前面和后面的表面处置装置13(例如，电晕处置设备或等离子体处置设备)来处置该表面。
图4示出附接到构建平台2的具有悬垂区段的所打印的部分300，所述悬垂区段需要要经由立体光刻来打印的支承结构3。支承结构3从与部分1相同的感光树脂材料打印。在支承结构3与部分1之间的界面区段33中和/或在构建平台2与支承结构3之间的界面区段34中，放置可移除材料并且使其凝固，该可移除材料可以是可溶解、可膨胀、可熔融、可蒸发和/或可升华的。在打印过程之后，该部分经历后处理。为了将支承结构3从所打印的部分1移除和/或将部分1从构建平台2移除，部分1和/或整个构建平台2能够被加热或冷却和/或浸没到合适的溶剂中。这允许使区段33和/或区段34中的可移除材料不稳定，由此将支承结构3从部分1移除，而不损坏所打印的部分1的表面。而且，它防止构建平台2刮擦，否则由于人工地移除部分1而生成刮擦。另外，移除支承结构3或从构建平台2拆卸能够集成到自动后处理(例如，UV或热后固化)或清洁步骤中。这能够节省大量的时间努力和人工劳动。
图5a图示具有部分地不可接近的腔的部分400，所述腔需要要经由立体光刻来打印的支承结构3。支承结构3由经固化感光材料层/区段31和可移除材料(诸如可溶解材料、可膨胀材料、可熔融材料、可蒸发材料和/或可升华材料)层/区段32组成，并且如在图5b中看到的，经由界面区段33附接到部分1，图5b更详细地示出区段X。需要要被打印的支承结构3的不可接近的腔或悬垂件能够利用交替的经固化感光材料层/区段31和可移除材料层/区段32的支承结构3来支承。在打印过程之后在后处理步骤期间，使区段32中的可移除材料溶解、膨胀、熔融、蒸发或升华。以此方式，能够将支承结构3分成小的部分，然后能够将所述小的部分从腔或从难以接近或机械地不可接近的区域洗掉或吹出。
图6图示具有旨在为可移动的嵌入物(例如，轴)的部分500。可移动部分502装配于所打印的部分501内部，通过可移除材料区段503来与部分501分离。当区段503中的可移除材料被移除(诸如被溶解、膨胀、熔融、蒸发或升华)时，在打印过程之后，在后处理步骤期间，区段503能够从所打印的部分500移除。
图7图示在支承结构3内放置可移除材料的不同示例。部分1从感光树脂打印并且附接到支承结构3。在逐层地构造部分1期间，支承结构3的基部区段31可以由与部分1相同的感光树脂材料构造。利用滴落物生成装置，可移除材料的滴落物被引入到支承结构3中，以在支承结构3内产生区段32。取决于支承结构3的尺寸、其材料性质、感光树脂与可移除材料的相容性、表面张力等，界面区段33的不同的几何结构可能是必要的。通过可移除材料的熔融、溶解、膨胀、蒸发或升华，支承结构3能够从部分1移除。示例601示出支承结构3的基部区段31中的腔17，以将更大量的可移除材料放置于界面区段33中并且利用可移除材料的流变性质。在示例602中，几个交替的感光树脂材料层(区段31)和可移除材料层(区段32)位于界面区域中，例如以增加界面区域中的可移除材料的量。在示例603中，多个感光树脂材料层(区段31)通过可移除材料层(区段32)来分离。那些支承结构3能够通过使区段32中的可移除材料溶解、膨胀、熔融、蒸发或升华来减小成小件。
图8示出构建部分1与支承结构3之间的界面区域中的几何结构的另外的示例。支承结构3的基部区段31由与构建部分1相同的感光树脂材料组成。由可移除材料制成的区段32和/或区段33通过滴落物生成装置(例如，喷墨打印头或喷嘴)来选择性地放置到(一个或多个)区段31上或放置于(一个或多个)区段31之间。可移除材料可以在施加之后通过光源来固化或通过气流或环境大气来干燥。备选地，可移除材料可以继续保持处于其原始液体形式或略微改性的液体形式或凝固。图8图示由可移除材料制成的区段32和/或区段33的各种设计。
a.支承结构3以平坦表面结束。可移除材料放置于该表面上。
b.支承结构3具有圆形腔17和/或扁平腔17，以将更大量的可移除材料放置于界面区段33中。
c.支承结构3具有成角度腔17和/或深腔17，以将更大量的可移除材料放置于界面区段33中。
d.除了界面区域之外，(一个或多个)区段32还放置于支承结构的若干层(区段31)之间。
e.图示(b)的详细视图。
f.支承结构3具有渐缩腔17，以将更大量的可移除材料放置于界面区段33中。以此方式，感光树脂的量相对于界面区域中的可移除材料的量减小。
g.可移除材料的选择性地放置的滴落物未被连接。
h.支承结构3的区段31通过由可移除材料制成的区段32来分离。
i.支承结构3的区段31通过由可移除材料制成的区段32来分离，其中，区段32通过可移除材料来沿构建方向互连。
图9示出打印过程的流程图。首先，必须生成CAD文件并且将其切片(或称为切割，即slice)成限定的层厚度。如果混合支承结构是有利的，则可以存在两种选择。选择1是生成支承结构的第二CAD文件，第二CAD文件将被相应地切片并且利用第二材料来打印。选择2是限定已经存在的层堆的某些层，所述层将被第二打印系统第二次使用。层信息需要以适合于立体光刻部分和滴落物生成装置的文件格式(例如，分别为BMP和PNG)提供。如果基层是优选的，则图像信息必须以合适的文件格式提供。在使立体光刻层固化之后，可能需要处理该表面，以便在上面注射。这包括擦拭、干燥或某些表面活化过程，诸如等离子体处置或电晕处置。在由一个或多个滴落物生成装置(例如，喷墨打印头或(可加热)喷嘴)选择性地放置滴落物之后，可能需要使微滴固化或固定。出于此目的，合适波长的光源或热源(例如，IR灯)或生成气流的装置可以安装于注射装置后面。然后，放置下一层液体感光材料并使其固化(立体光刻)。

Claims (22)

1.一种通过立体光刻3D打印来制造对象的方法，其中，所述对象逐层地构建于构建平台上以获得结构化层堆，其中，每个结构化层通过以下的步骤来获得：
-提供非结构化感光树脂层，以及
-根据期望的图案而选择性地将光投影到所述非结构化层上，由此使所述感光树脂固化以获得根据所述图案而结构化的所述结构化层，
其中，所述结构化层堆包括第一对相邻结构化层，
其中，不同于所述感光树脂的至少第一可移除材料膜通过从喷射器喷射所述可移除材料的滴落物来放置到所述第一对相邻结构化层的第一结构化层上，此后，所述第一对相邻结构化层的第二结构化层构建于所述第一可移除材料膜上，由此将所述第一可移除材料膜布置在所述第一对相邻结构化层的所述第一结构化层与所述第二结构化层之间，并且
其中，在后处理步骤中，所述第一可移除材料膜经受物理过程和/或化学过程，所述物理过程和/或化学过程引起所述第一可移除材料膜分裂或丧失其稳定性，并且从所述对象移除所述可移除材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物理过程和/或化学过程选自由熔融、蒸发、升华、膨胀以及在溶剂中溶解组成的群组。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述结构化层堆包括第二对相邻结构化层，
其中，不同于所述感光树脂的第二可移除材料膜通过从喷射器喷射所述可移除材料的滴落物来放置到所述第二对相邻结构化层的第一结构化层上，此后，所述第二对相邻结构化层的第二结构化层构建于所述第二可移除材料膜上，由此将所述第二可移除材料膜布置在所述第二对相邻结构化层的所述第一结构化层与所述第二结构化层之间，并且
其中，在所述后处理步骤中，所述第二可移除材料膜经受物理过程和/或化学过程，所述物理过程和/或化学过程引起所述第二可移除材料膜分裂或丧失其稳定性，并且从所述对象移除所述可移除材料。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，由所述感光树脂组成的支承结构在所述第一可移除材料膜与所述第二可移除材料膜之间产生，其中，在所述后处理步骤中，从所述对象移除所述支承结构。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，由所述感光树脂组成的支承结构在所述第一可移除材料膜与所述构建平台之间产生，其中，在所述后处理步骤中，从所述对象移除所述支承结构。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在将第一结构化感光树脂层构建于所述构建平台上之前，第三可移除材料膜通过从喷射器喷射所述可移除材料的滴落物来放置到所述构建平台上。
7.根据权利要求4、5或6所述的方法，其中，所述支承结构包括多个柱。
8.根据权利要求4至7中的任一项所述的方法，其中，所述支承结构由多个经固化感光树脂层构建。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，可移除材料膜各自布置于所述经固化感光树脂层之间。
10.根据权利要求4至9中的任一项所述的方法，其中，所述图案的区段各自用于逐层地构建所述支承结构。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，其中，所述后处理步骤在所述对象的所述逐层构造结束之后实施。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中，所述可移除材料：
-由至少可聚合基团以及可选地至少一个亲水或亲油基团组成，所述可光聚合基团优选地选自丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、乙烯醚、乙烯酯、马来酰亚胺、环醚、异氰酸盐、胺或其它可聚合不饱和或饱和基团，其中，处于其聚合或预聚合状态的所述可移除材料优选地可在溶剂中溶解和/或膨胀，并且优选地包含羟基基团、羰基基团和羧基基团以及具有其它负电性杂原子的衍生物、胺、离子液体和盐，例如羟基甲基丙烯酸乙酯(HEMA)、2-(2-乙氧基乙氧基)乙基丙烯酸酯(EOEOEA)、丙烯酰吗啉(ACMO)、聚乙二醇衍生物、聚醚、羟基乙烯或月桂基丙烯酸酯；或者
-是具有低于所述经固化感光树脂的分解温度的熔点的材料，诸如例如长链醇或蜡。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中，在将所述可移除材料的滴落物从喷射器喷射到所述结构化层上之前，所述结构化层借助于诸如等离子体处置或电晕处置之类的表面调节过程来预处置。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，其中，在结构化层构建于所述可移除材料膜上之前，所述可移除材料膜经受干燥步骤、凝固步骤或光固化步骤。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的方法，其中，所述结构化层被结构化成具有腔，所述可移除材料的所述滴落物从所述喷射器喷射到所述腔中。
16.一种用于通过立体光刻3D打印来制造对象的装置，包括：
构建平台，
材料载体，
用于将非结构化感光树脂层施加到所述构建平台上或施加于所述部分地构建的对象上的器件，
光引擎，其设计成用于使光图案化到所述非结构化感光树脂层上，所述光引擎适于使所述感光树脂固化以获得根据所述图案而结构化的所述结构化层，
喷射器，其用于将可移除材料的滴落物喷射到所述结构化层上以获得可移除材料膜，
驱动器件，其用以改变所述构建平台、所述光引擎以及所述喷射器的相对位置，
控制单元，其适于控制所述驱动器件，使得在第一相对位置中，所述构建平台和至少部分地构建于其上的所述对象被分配到所述光引擎以构建所述结构化层，并且在第二相对位置中，所述构建平台和至少部分地构建于其上的所述对象被分配到所述喷射器以将可移除材料膜施加到所述结构化层上，
其中，所述控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在所述第一位置与所述第二位置之间改变，使得第一可移除材料膜放置到第一对相邻结构化层的第一结构化层上，此后，所述第一对相邻结构化层的第二结构化层构建于所述第一可移除材料膜上，由此将所述第一可移除材料膜布置于所述第一对相邻结构化层的所述第一结构化层与所述第二结构化层之间。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在所述第一位置与所述第二位置之间改变，使得第二可移除材料膜放置到第二对相邻结构化层的第一结构化层上，此后，所述第二对相邻结构化层的第二结构化层构建于所述第二可移除材料膜上，由此将所述第二可移除材料膜布置在所述第二对相邻结构化层的所述第一结构化层与所述第二结构化层之间。
18.根据权利要求16或17所述的装置，其中，所述控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在所述第一位置与所述第二位置之间改变，使得由至少一个感光树脂结构化层组成的支承结构在所述第一可移除材料膜与所述第二可移除材料膜之间产生。
19.根据权利要求16、17或18所述的装置，其中，所述控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在所述第一位置与所述第二位置之间改变，使得由至少一个所述感光树脂结构化层组成的支承结构在所述第一可移除材料膜与所述构建平台之间产生。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在所述第一位置与所述第二位置之间改变，使得在将第一结构化感光树脂层构建于所述构建平台上之前，第三可移除材料膜放置到所述构建平台上。
21.根据权利要求18至20中的任一项所述的装置，其中，所述控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在所述第一位置与所述第二位置之间改变，使得所述支承结构由多个所述感光树脂结构化层组成。
22.根据权利要求16所述的装置，其中，所述控制单元被配置并编程为根据预确定序列而在所述第一位置与所述第二位置之间改变，使得可移除材料膜各自布置于所述支承结构的所述多个结构化层之间。
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