WO2018143904A1

WO2018143904A1 - Способ изготовления из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, трехмерного изделия, содержащего функциональный элемент, и устройство для его осуществления

Info

Publication number: WO2018143904A1
Application number: PCT/UA2017/000009
Authority: WO
Inventors: Олег Юрьевич ХАЛИП
Original assignee: Олег Юрьевич ХАЛИП
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Группа изобретений относится к области построения трехмерных изделий путем отверждения жидкого фотополимера с помощью актиничного излучения. Способ изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера включает осуществление проекции элементарного сечения. Затем следует непрерывная экспозиция последовательности элементарных сечений актиничным излучением. После этого выполняют перемещение формируемого изделия, закрепленного на носителе, вдоль оси построения. Кроме того, осуществляют образование путем соответствующего формирования проекций сечения в объеме формируемого изделия функционального элемента в виде, по крайней мере, одного канала и/или полости, куда через носитель подают функциональную среду. В качестве среды используют, по крайней мере, одну функциональную жидкость и/или функциональную газовую среду. При этом в сформированном в объеме трехмерного изделия канале и/или полости создают границу раздела между жидким фотополимером и функциональной средой. Устройство, осуществляющее способ изготовления трехмерного изделия, содержит один источник актиничного излучения с пространственной модуляцией, узел регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером и функциональной средой.

Description

Способ изготовления из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, трехмерного изделия, содержащего функциональный элемент, и устройство для его осуществления

Область техники

Изобретение относится к области построения трехмерных изделий путем отверждения жидкого фотополимера с помощью актиничного излучения.

Предшествующий уровень техники

Известен способ формирования трехмерного изделия из жидкого фотополимера (см. п. США 7438846, з. J4° 20070063389 от 22.03.2007 г., опубл. 21.10.2008 г., МПК В28В 7/36, В29С 33/68, В29С 35/04), отверждаемого актиничным излучением, включающий осуществление проекции элементарного сечения, экспозицию последовательности элементарных сечений актиничным излучением, перемещение формируемого изделия вдоль оси построения. При этом зона формирования со стороны проецирования ограничена окном - оптическим интерфейсом, а в качестве материала, граничащего с фотополимером, применена эластичная пленка.

В процессе экспозиции актиничным излучением отверждаемый фотополимер может приклеиваться к материалу оптического интерфейса из-за образования химических связей и/или прилипать к поверхности оптического интерфейса, поскольку сформированная поверхность прижимается к плоскости оптического интерфейса атмосферным давлением. Это препятствуют плавному поступлению жидкого фотополимера в зону экспозиции сечения изделия и не позволяет непрерывно осуществлять процесс формирования изделия. Поэтому при изготовлении изделия проводят экспозицию одного слоя сечения, затем прерывают экспозицию, перемещают формируемое изделие по вертикальной оси на толщину слоя. В процессе перемещения происходит отрыв эластичной пленки от поверхности изготавливаемого изделия либо благодаря упругим свойствам пленки, либо с помощью механизма натяжения. В процессе перемещения формируемого изделия жидкий фотополимер подают в промежуток между изделием и поверхностью оптического интерфейса, затем вновь включают экспозицию сечения. Описанный цикл повторяют при формировании каждого слоя сечения.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает возможность непрерывного формирования функциональных элементов в объеме изготавливаемого изделия, в частности, элементов внутренней структуры изделия, отличающихся от основного материала изделия по составу и свойствам.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому техническому решению является способ изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением (см. патент Канады Ш 2898106А1, публикация WO2014126834 (A3), заявка Ш WO2014US15497 от 10.02.2014г., опубл. 13.11.2014г., МПК G03F 7/00), включающий осуществление проекции элементарного сечения, непрерывную экспозицию последовательности элементарных сечений актиничным излучением, перемещение формируемого изделия, закрепленного на носителе, вдоль оси построения, образование путем соответствующего формирования проекций сечения в объеме формируемого изделия, по крайней мере, одного канала и/или полости, куда через носитель подают функциональную среду.

В известном способе подвижность граничной зоны жидкого фотополимера обеспечивают ингибированием граничной зоны. При этом некоторый слой фотополимера вблизи поверхности оптического интерфейса остается неотвержденным и подвижным, что позволяет избежать как приклеивания с образованием химических связей, так и прилипания формируемого изделия по типу присоски и обеспечивает приток свежих порций фотополимера в зону экспозиции при перемещении изделия.

В известном способе в качестве функциональной среды используют жидкий фотополимер, из которого и изготавливают изделие.

В известном способе в область построения, т. е. в зазор между твердой частью изделия и поверхностью оптического интерфейса, дополнительно подают, как минимум, один жидкий фотополимер через канал в носителе и /или канал, сформированный в изготавливаемом изделии, и/или через изготавливаемый одновременно с изделием канал в трубопроводе. Дополнительную подачу жидкого фотополимера производят для интенсификации его притока и увеличения скорости перемещения изделия вдоль оси построения, и/или для замены жидкого фотополимера в процессе изготовления изделия.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает возможность формирования функциональных элементов в объеме изготавливаемого изделия, в частности, элементов внутренней структуры изделия, отличающихся от основного материала изделия по составу и свойствам. Объясняется это тем, что в известном способе формирования изделий функциональную среду - жидкий фотополимер, подают через носитель и/или канал, сформированный в изготавливаемом изделии. При этом он попадает непосредственно в область построения и является исходным материалом для изготовления изделия, а в случае замены жидкого фотополимера в процессе изготовления изделия новые сечения изделия целиком формируются из нового жидкого фотополимера.

Известный способ имеет ограниченные функциональные возможности, так как не обеспечивает возможность скоростного непрерывного формирования изделий, содержащих в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся составом и свойствами от состава и свойств основного материала изделия. Он также не позволяет применять для изготовления изделия любой жидкий фотополимер, вне зависимости от типа полимеризации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому техническому решению является устройство для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением (см. патент Канады JY° 2898106А1, публикация WO2014126834 (A3), заявка JSfe WO2014US15497 от 10.02.2014г., опубл. 13.11.2014г., МПК G03F 7/00), содержащее, по крайней мере, один источник актиничного излучения с пространственной модуляцией, емкость для размещения жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, снабженную окном - оптическим интерфейсом, выполненным в виде, как минимум, одного оптически прозрачного элемента, предназначенного для контакта с фотополимером, механизм перемещения изделия вдоль оси построения, носитель для закрепления изделия, связанный с механизмом перемещения изделия вдоль оси построения, а носитель содержит, как минимум, один канал для подачи функциональной среды - жидкого фотополимера.

В известном устройстве элемент оптического интерфейса, имеющий контакт с фотополимером, может быть выполнен в виде полупроницаемой мембраны. Устройство может содержать внешний источник или резервуар, конструктивно связанный с узлом оптического интерфейса и предназначенный для подачи ингибитора.

Известное устройство также может содержать источник давления функциональной среды - жидкого фотополимера, который дополнительно подают через носитель, содержащий, как минимум, один канал для подачи функциональной среды - жидкого фотополимера непосредственно в область построения. Недостатком известного устройства является то, что оно имеет ограниченные функциональные возможности, так как не позволяет непрерывно изготавливать изделия, содержащие в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся составом и свойствами от состава и свойств основного материала изделия. Оно также не позволяет применять для изготовления изделия любой жидкий фотополимер, вне зависимости от типа полимеризации.

Объясняется это тем, что в конструкции известного устройства предусмотрены элементы, обеспечивающие подачу жидкого фотополимера через носитель и канал, формируемый в изготавливаемом изделии, непосредственно в область построения, и предназначенный для подачи исходного материала. В известном устройстве в случае замены жидкого фотополимера в процессе изготовления изделия новые сечения изделия целиком формируются из нового жидкого фотополимера. Конструкция известного устройства не обеспечивает возможность формирования отдельных элементов внутренней структуры изделия, состав которых отличается от состава основного материала изделия, а также имеют отличающиеся свойства.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, в котором путем проведения новых операций и новых условий их выполнения обеспечивают скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивают возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности способа. Также в основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, в котором путем введения новых элементов, нового выполнения элементов и использования новых материалов обеспечивают скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивают возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности устройства.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, включающем осуществление проекции элементарного сечения, непрерывную экспозицию последовательности элементарных сечений актиничным излучением, перемещение формируемого изделия, закрепленного на носителе, вдоль оси построения, образование путем соответствующего формирования проекций сечения в объеме формируемого изделия, по крайней мере, одного канала и/или полости, куда через носитель подают функциональную среду, новым является то, что в объеме трехмерного изделия формируют функциональный элемент в виде, по крайней мере, одного канала и/или полости в форме этого функционального элемента, куда через носитель подают функциональную среду, при этом в сформированном в объеме трехмерного изделия канале и/или полости создают границу раздела между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой, подаваемой в канал и/или полость, а в качестве функциональной среды используют, по крайней мере, одну функциональную жидкость и/или функциональную газовую среду. Новым является также то, что после изготовления изделия функциональную жидкость, заполняющую канал и/или полость, отверждают.

Новым является также то, что функциональная жидкость и/или функциональная газовая среда, подаваемая в канал и/или полость, содержит включения металлического или неметаллического соединения, которое осаждают в виде слоя на поверхности канала и/или полости физическим осаждением или химической реакцией.

Новым является также то, что в качестве функциональной жидкости, подаваемой в канал и/или полость, используют раствор, суспензию, полимерную композицию, металл или металлический сплав, композицию органических веществ, биологический материал и/или их комбинацию.

Новым является также то, что функциональная жидкость, подаваемая в канал и/или полость, является носителем растворенного в ней газа.

Новым является также то, что в канал и/или полость последовательно подают, по крайней мере, две функциональные среды различного состава.

Новым является также то, что функциональную жидкость и/или функциональную газовую среду, подаваемые в канал и/или полость, удаляют и/или заменяют в процессе изготовления изделия.

Новым является также то, что при изготовлении изделия изменяют агрегатное состояние функциональной среды путем термической обработки и/или проведения химической и/или электрохимической реакции.

Новым является также то, что функциональная газовая среда содержит газ, пар, взвесь воды, пар и/или взвесь органических и/или неорганических соединений, твердые микроразмерные и/или наноразмерные частицы различного состава, и/или их комбинацию. Новым является также то, что при осуществлении экспозиции последовательности элементарных сечений изготавливаемого изделия актиничным излучением подвижность граничной зоны фотополимера обеспечивают преобразованием волнового фронта актиничного излучения таким образом, что удельная мощность излучения на экспонируемых участках имеет градиент вдоль оси построения, причем в подвижной граничной зоне фотополимер экспонируется частично.

Новым является также то, что при изготовлении изделия подвергают термической обработке жидкий фотополимер, и/или функциональную среду, и/или формируемое изделие.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, содержащем, по крайней мере, один источник актиничного излучения с пространственной модуляцией, емкость для размещения жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, снабженную окном - оптическим интерфейсом, выполненным в виде, как минимум, одного оптически прозрачного элемента, предназначенного для контакта с фотополимером, механизм перемещения изделия вдоль оси построения, носитель для закрепления изделия, связанный с механизмом перемещения изделия вдоль оси построения, носитель содержит, как минимум, один канал для подачи функциональной среды, новым является то, что устройство дополнительно содержит узел регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой.

Новым является также то, что узел регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой выполнен на основе принципа действия сифона. Новым является также то, что устройство дополнительно содержит источник давления функциональной среды и соединенный с ним узел контроля и управления давлением функциональной среды.

Новым является также то, что устройство дополнительно содержит, как минимум, один преобразователь волнового фронта актиничного излучения, формирующего проекцию изделия.

Новым является также то, что устройство дополнительно содержит узел термической обработки функциональной среды и/или изготавливаемого изделия, и/или жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков способа и достигаемым техническим результатом состоит в следующем.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением,:

- в объеме трехмерного изделия формируют функциональный элемент в виде, по крайней мере, одного канала и/или полости в форме этого функционального элемента,

- куда через носитель подают функциональную среду,

- при этом в сформированном в объеме трехмерного изделия канале и/или полости создают границу раздела между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой, подаваемой в канал и/или полость,

- а в качестве функциональной среды используют, по крайней мере, одну функциональную жидкость и/или функциональную газовую среду,

в совокупности с известными признаками способа обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивает возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности способа.

Объясняется это следующим.

Заполнение канала и/или полости, формируемых в изготавливаемом изделии, функциональной средой осуществляется путем вытеснения функциональной средой неэкспонированного жидкого фотополимера. При этом критически важным является то, что в области построения, то есть, как минимум, на расстоянии, соответствующем глубине проникновения актиничного излучения в жидкий фотополимер, должен присутствовать только жидкий фотополимер. В то же время из образованного канала и/или полости, особенно, в случае, если сечение канала и/или полости невелико, важно непрерывно удалять жидкий фотополимер и замещать его функциональной средой. Таким образом, образование и контроль расположения границы раздела между функциональной средой и жидким фотополимером определяет возможность осуществления процесса формирования элементов внутренней структуры изделия из материалов и сред, отличающихся по составу и свойствам от материала, образуемого жидким фотополимером, используемым для изготовления части объема изделия методом отверждения актиничным излучением.

На создание и поддержание границы раздела между функциональной средой и жидким фотополимером влияют режим формирования изделия, площадь сечения канала и/или полости, соотношение между плотностями функциональной среды и жидкого фотополимера, вязкость функциональной среды, вязкость жидкого фотополимера, соотношение вязкостей жидкого фотополимера и функциональной среды, способность жидкой функциональной среды смешиваться с фотополимером, взаимная растворимость функциональной среды и жидкого или отвержденного фотополимера. В частности, шаговый режим или непрерывный режим с подвижной областью формирования изделия по-разному влияют на величину давления в формируемых каналах и полостях, что является определяющим для управления положением граничной зоны. Текущая площадь сечения канала и/или полости определяет, является ли канал капиллярным. Для капиллярного канала необходимо учитывать поверхностное натяжение и кривизну свободной поверхности, разделяющей фазы в граничной зоне.

Для регулирования положения граничной зоны оптимальной является функциональная среда, имеющая плотность, равную либо ниже плотности жидкого фотополимера.

От вязкости функциональной среды зависит гидравлическое сопротивление при протекании функциональной жидкости по трубопроводам системы подачи и по каналам в изделии. Вязкость жидкого фотополимера влияет на гидравлическое сопротивление при проникновении жидкого фотополимера в область построения.

От соотношения вязкостей жидкого фотополимера и функциональной среды зависит перепад давлений в каналах и полостях, возникающий в результате перемещения изделия вдоль оси построения, который приводит к изменению объемного расхода функциональной жидкости.

Температура влияет на вязкость, коэффициент поверхностного натяжения и агрегатное состояние функциональной среды и жидкого фотополимера и, соответственно, на характер их движения.

Способность функциональной среды смешиваться с жидким фотополимером влияет на качество поверхностей каналов и полостей, на капиллярный эффект, и может оказаться критически важной при последовательной подаче разных функциональных сред в один и тот же канал. Взаимная растворимость функциональной среды и жидкого фотополимера влияет на скорость подачи функциональной среды.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера после завершения процесса изготовления изделия с применением актиничного излучения функциональная жидкость, заполняющая канал и/или полость, отверждается до состояния твердого вещества или геля, в совокупности с известными признаками способа обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивает возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности способа.

Объясняется это следующим. Изготовление методом трехмерной печати изделий со сложной внутренней структурой может потребовать формирования в объеме изделия элементов внутренней структуры, отличающихся по составу и свойствам. Например, это могут быть жесткие упрочняющие элементы, определенное расположение которых придает изделию анизотропные механические свойства, это могут быть пружинные элементы в случае использования эластичного материала, это могут быть элементы, выполненные из электропроводного материала, из которых можно формировать проводники, элементы индуктивности и/или резистивные элементы. В случае использования, например, гелей, содержащих наноуглерод, это могут быть элементы гальванических источников питания, ионисторов либо аккумуляторов. В случае изготовления медицинских имплантатов это могут быть биологически активные материалы, и многое другое, что подробно будет описано ниже. В случае, когда необходимо получение изделия в твердом или гелеобразном состоянии, все перечисленные и другие элементы могут быть сформированы за один технологический цикл и переведены из жидкого состояния под действием последующей тепловой и/или радиационной, и/или микроволновой обработки, и/или методом отложенной полимеризации (в зависимости от выбранного типа композиции) в необходимое состояние - твердое, с необходимой степенью жесткости, либо гелеобразное.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера функциональная жидкость и/или функциональная газовая среда, подаваемая в канал и/или полость, содержит включения металлического или неметаллического соединения, которое осаждают в виде слоя на поверхности канала и/или полости физическим осаждением или химической реакцией, в совокупности с известными признаками способа обеспечивает расширение функциональных возможностей способа, так как обеспечивает возможность скоростного непрерывного формирования изделия с одновременным формированием в его объеме функциональных элементов с различными свойствами при применении любых жидких фотополимеров, вне зависимости от типа полимеризации.

Объясняется это следующим. Для формирования в объеме трехмерного изделия, изготавливаемого методом экспозиции жидких фотополимеров актиничным излучением, функциональных элементов внутренней структуры изделия со специальными свойствами может потребоваться, например, наличие окрашенных, электропроводящих, теплопроводящих, отражающих и других функциональных покрытий на стенках каналов и/или полостей, образующих внутреннюю структуру. Нанесение таких покрытий может быть осуществлено при использовании в качестве функциональной жидкости для электропроводящих неметаллических покрытий - суспензии углеродных нанотрубок, для электропроводящих металлических покрытий - суспензии наночастиц серебра, для нанесения слоя люминофора - суспензии активированного оксида цинка, для окраски - суспензии или раствора необходимого красителя, для нанесения металлических покрытий возможно использование реакций медного или серебряного зеркала, возможно формирование многослойных покрытий путем последовательного замещения различных функциональных жидкостей. Экспериментально были изготовлены изделия со сложной внутренней структурой, содержащие элементы, выполняющие дополнительные функции.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера в качестве функциональной жидкости, подаваемой в канал и/или полость, используют: растворы, суспензии, полимерные композиции, металлы либо металлические сплавы, композиции органических веществ, биологические материалы, комбинации всего перечисленного, в совокупности с известными признаками способа обеспечивает расширение функциональных возможностей способа, так как обеспечивает возможность скоростного непрерывного формирования изделия с одновременным формированием в его объеме функциональных элементов с различными свойствами при применении любых жидких фотополимеров, вне зависимости от типа полимеризации.

Объясняется это следующим. Применение в качестве функциональной жидкости, подаваемой в канал и/или полость изделия, изготавливаемого в соответствии с предлагаемым способом, раствора, суспензии, полимерной композиции, металла либо металлического сплава, композиции органических веществ, биологического материала, комбинации всего перечисленного, обеспечивает расширение функциональных возможностей способа. Применение растворов обеспечивает возможность доставки в каналы и/или полости формируемого изделия композиций для химической или электрохимической реакции, например, активации поверхности, реакции серебряного или медного зеркала, нанесения на стенки канала и/или полости электрохимического покрытия. Применение суспензий обеспечивает возможность доставки пигмента и/или люминофора для осаждения на стенках каналов и полостей, доставки углеродных нанотрубок для создания прозрачных проводящих покрытий. Применение полимерных композиций, например, термоотверждаемых композиций или композиций отложенного отверждения, обеспечивает возможность создания элементов жесткости или эластичных элементов в целях получения изделий анизотропной структуры. Применение металлов либо металлических сплавов обеспечивает возможность создания проводящих каналов, формирования датчиков, переключателей, контактов и подобных элементов. Применение композиций органических веществ обеспечивает возможность смазки подвижных элементов, формируемых внутри изделия, использование композиций, полимеризующихся при контакте с воздухом, для саморемонта изделий. Применение биологических материалов обеспечивает возможность заключения лекарственных препаратов в изделие, предназначенное для имплантации, использование культур клеток для заселения матриц искусственных органов, изготавливаемых, например, из биологически совместимого гидрогеля. Применение комбинации всего перечисленного обеспечивает возможность использования, например, биологически активных материалов в микрокапсулах, помещаемых в полости изделия, предназначенного для имплантации. Перечисленные примеры не являются исключающими. Другие аспекты применения способа подробнее будут рассмотрены ниже.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера жидкость, подаваемая в канал и/или полость, является носителем растворенного в ней газа, в совокупности с известными признаками способа обеспечивает расширение функциональных возможностей способа, так как обеспечивает возможность скоростного непрерывного формирования изделия с одновременным формированием в его объеме функциональных элементов с различными свойствами при применении любых жидких фотополимеров, вне зависимости от типа полимеризации, обеспечивает расширение функциональных возможностей способа.

Объясняется это следующим. В случае, когда для реализации технологического процесса требуется газ, например, кислород, для его подачи может быть использована жидкость, содержащая перфторуглерод, например, в случае, если используется культура живых клеток и кислород необходим для ее жизнедеятельности или в случае, когда кислород необходим для окисления или ингибирования реакции радикальной полимеризации.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера в один и тот же канал и/или полость последовательно подают несколько функциональных сред различного состава и назначения, в совокупности с известными признаками способа обеспечивает расширение функциональных возможностей способа, так как обеспечивает возможность скоростного непрерывного формирования изделия с одновременным формированием в его объеме функциональных элементов с различными свойствами при применении любых жидких фотополимеров, вне зависимости от типа полимеризации.

Объясняется это следующим. Последовательная подача функциональных сред в канал и/или полость, которые формируются в процессе производства изделия с применением заявляемого способа, позволяет реализовывать технологический процесс селективного нанесения покрытий на стенки каналов и полостей в случае, когда, например, подача функциональных жидкостей организована так, что порция жидкости, не содержащей реагентов для нанесения покрытия, вводится на одной из стадий процесса. Поочередная подача функциональных сред может обеспечить нанесение многослойных покрытий, активацию и/или промывку поверхности канала либо полости, порция несмешивающейся жидкости или газа может быть использована как средство раздела несовместимых функциональных сред при последовательной обработке каналов и/или полостей.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера функциональная среда - жидкость и/или газ, подаваемые в канал и/или полость, могут быть удалены и/или заменены в процессе обработки изделия, в совокупности с известными признаками способа обеспечивает расширение функциональных возможностей способа, так как обеспечивает возможность скоростного непрерывного формирования изделия с одновременным формированием в его объеме функциональных элементов с различными свойствами при применении любых жидких фотополимеров, вне зависимости от типа полимеризации.

Объясняется это следующим. Удаление и/или замена функциональной среды, подаваемой в канал и/или полость, которые формируются в процессе производства изделия с применением заявляемого способа, позволяет реализовывать технологический процесс последовательной обработки канала и/или полости различными функциональными средами. Освобождение канала и/или полости может производиться, если свободные канал и/или полость предусмотрены конструкцией изделия.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера изменяют агрегатное состояние функциональной среды путем термической обработки и/или проведения химической и/или электрохимической реакции, в совокупности с известными признаками способа обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивает возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности заявляемого способа.

Функциональная среда может изменяться вследствие изменения агрегатного состояния, и/или протекания химической и/или электрохимической реакции, в процессе формирования изделия и/или обработки изделия, осуществляемой после завершения его формирования .

Функциональная среда может быть раствором, вязкость которого повышается после завершения процесса формирования изделия, например, раствором желатина, твердеющим до состояния геля при остывании, расплавом полимера или металла, переходящим в твердое состояние, полимеризующейся композицией, твердеющей через заданное время или под воздействием радиоактивного или микроволнового, или теплового излучения. Любое из перечисленных и другие возможные преобразования позволяют формировать в составе изделия элементы внутренней структуры, отличающиеся составом и свойствами от материала, получаемого в процессе экспозиции жидкого фотополимера.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера функциональная газовая среда содержит газ, пар или взвесь воды, пар или взвесь органических и/или неорганических соединений, твердые микро- и/или наноразмерные частицы различного состава, комбинацию перечисленных веществ, в совокупности с известными признаками способа обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивает возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности способа.

Объясняется это следующим. В отдельных случаях канал и/или полость, которые формируются в процессе изготовления изделия заявляемым способом, могут заполняться газовыми средами, содержащими, например, пары растворителя, что позволяет осуществлять процесс "полировки" поверхности канала и/или полости. В случае, если использование жидкости нежелательно, процесс осаждения покрытия на поверхность канала и/или полости может осуществляться из газовой взвеси, что является актуальным при необходимости введения малого количества вещества, например катализатора.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера при формировании проекции актиничного излучения используют преобразование волнового фронта актиничного излучения в области построения изделия, в совокупности с известными признаками способа обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивает возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности способа.

Объясняется это следующим. Преобразование волнового фронта актиничного излучения обеспечивает полимеризацию и отверждение жидкого фотополимера в пределах части объема фотополимера, максимальный объем которой сосредоточен на некотором, заранее определенном, расстоянии от поверхности оптического интерфейса, U 2017/000009 образуя рельефную поверхность построения изделия. Малая площадь контакта фрагментов формируемого изделия с поверхностью оптического интерфейса и подвижность граничного с поверхностью оптического интерфейса слоя жидкого фотополимера обеспечивает облегченное преодоление прилипания формируемого изделия к поверхности оптического интерфейса.

То, что в способе изготовления трехмерного изделия подвергают термической обработке жидкий фотополимер, и/или функциональную среду, и/или формируемое изделие, в совокупности с известными признаками способа обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивают возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяют функциональные возможности способа.

Объясняется это следующим. В отдельных случаях изготовления изделия нагрев жидкого фотополимера способствует снижению его вязкости и позволяет повысить скорость формирования изделия. В других случаях изготовления изделия охлаждение жидкого фотополимера способствует отводу избыточного тепла, которое выделяется в результате радикальной полимеризации. Отвод тепла может потребоваться при скоростном изготовлении изделий большого сечения.

Поддержание необходимой температуры функциональной среды ее нагревом либо охлаждением в процессе изготовления изделия может осуществляться для поддержания необходимой вязкости жидкой функциональной среды. Нагрев может осуществляться для поддержания функциональной среды в расплавленном состоянии, 00009 например, при использовании в качестве функциональных сред полимеров, расплавов и/или металлических сплавов. Некоторые полимеры, образующие гидрогели и применяемые при изготовлении матриц искусственных органов способами трехмерной печати, находятся в жидком состоянии при пониженной температуре, при повышенной они переходят в желеобразное состояние. Охлаждение также может замедлить химическую реакцию, например, реакцию серебряного или медного зеркала, и уменьшить осаждение металлов на функциональных элементах.

Поддержание необходимой температуры изделия нагревом либо охлаждением в процессе изготовления может осуществляться для обеспечения необходимого уровня вязкости жидкой функциональной среды. Нагрев изделия может осуществляться для поддержания функциональной среды в расплавленном состоянии, например при использовании полимеров, расплавов или металлических функциональных сред. Некоторые полимеры, образующие гидрогели и применяемые при изготовлении матриц искусственных органов способами трехмерной печати, находятся в жидком состоянии при пониженной температуре, при повышенной они переходят в желеобразное состояние. Нагрев изделия также может стимулировать химическую реакцию, например реакцию серебряного или медного зеркала при формировании соответствующих покрытий на поверхности канала и/или полости.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом состоит в следующем.

То, что устройство для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, дополнительно содержит узел регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой, в совокупности с известными признаками устройства обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивает возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности устройства.

Объясняется это следующим. Дополнительно введенный узел регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой, обеспечивающий образование и контроль за расположением границы раздела между функциональной средой и жидким фотополимером, а также регулирующий расположение границы раздела, позволяет осуществлять технологический процесс формирования элементов внутренней структуры изделия из материалов и сред, отличающихся составом и свойствами от материала, образуемого жидким фотополимером, используемым для изготовления части объема изделия методом отверждения актиничным излучением.

Дополнительно введенный узел регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой, обеспечивает заполнение канала и/или полости, формируемых в изготавливаемом изделии, функциональной средой путем вытеснения ею неэкспонированного жидкого фотополимера. При этом введенный узел обеспечивает то, что в области построения присутствует только жидкий фотополимер, в то же время из образованного канала и/или полости непрерывно удаляется жидкий фотополимер, происходит его замещение функциональной средой. За счет этого осуществляется технологический 00009 процесс формирования элементов внутренней структуры изделия из материалов и сред, отличающихся составом и свойствами от материала, образуемого жидким фотополимером, используемым для изготовления части объема изделия методом отверждения актиничным излучением и расширяются функциональные возможности устройства.

То, что узел регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой выполнен на основе принципа действия сифона, в совокупности с известными признаками устройства обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивает возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности устройства.

Объясняется это следующим. Выполнение узла регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой на основе принципа действия сифона обеспечивает заполнение канала и/или полости, формируемых в изготавливаемом изделии, функциональной средой путем вытеснения ею неэкспонированного жидкого фотополимера. При этом в области построения должен присутствовать только жидкий фотополимер, в то же время из образованного канала или полости его необходимо непрерывно удалять, замещая его функциональной средой. Наличие узла, регулирующего расположение, образование и контроль расположения границы раздела между функциональной средой и жидким фотополимером, при том, что узел содержит элемент, выполненный на основе принципа действия сифона при стабилизации положения границы раздела атмосферным давлением упрощает управление процессом, упрощает конструкцию устройства и обеспечивает возможность формирования элементов внутренней структуры изделия из материалов и сред, отличающихся по составу и свойствам от материала образуемого жидким фотополимером, используемым для изготовления части объема изделия отверждением актиничным излучением.

То, что заявляемое устройство дополнительно содержит источник давления функциональной среды и соединенный с ним узел контроля и управления давлением функциональной среды, в совокупности с известными признаками устройства обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивает возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности устройства.

Объясняется это следующим. Дополнительные источник давления функциональной среды и соединенный с ним узел контроля и управления давлением функциональной среды в процессе заполнения канала и/или полости, формируемых в изготавливаемом изделии, функциональной средой, в случаях, когда необходимо интенсифицировать процессы вытеснения неэкспонированного жидкого фотополимера, освобождения канала и/или полости, замены функциональной жидкости позволяют осуществлять это эффективно. Продолжительность и режим работы источника давления функциональной жидкости можно регулировать для поддержания заданных технологических режимов. При этом расширяются функциональные возможности устройства.

То, что устройство для изготовления из жидкого фотополимера трехмерного изделия и одновременного формирования функционального элемента в его составе дополнительно содержит, как минимум, один преобразователь волнового фронта актиничного излучения, формирующего проекцию изделия, в совокупности с известными признаками устройства обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивает возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности устройства.

Объясняется это тем, что преобразователь волнового фронта актиничного излучения, формирующего проекцию изделия, обеспечивает такое распределение энергии актиничного излучения, что вблизи поверхности оптического интерфейса большее количество жидкого фотополимера не экспонируется, а сохраняется в жидком состоянии без применения каких-либо ингибиторов и вспомогательных реагентов. Это обеспечивает наличие подвижной области между поверхностью оптического интерфейса и поверхностью построения формируемого изделия, легкий приток свежих порций фотополимера и возможность непрерывного скоростного однонаправленного формирования изделия.

То, что устройство для изготовления из жидкого фотополимера трехмерного изделия и одновременного формирования функционального элемента в его составе дополнительно содержит узел термической обработки функциональной среды и/или изготавливаемого изделия, и/или жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, в совокупности с известными признаками устройства обеспечивает скоростное непрерывное изготовление изделия, содержащего в своем объеме функциональные элементы различного назначения - элементы внутренней структуры изделия, отличающиеся от основного материала изделия составом и свойствами, а также обеспечивает возможность изготовления изделия из любого жидкого фотополимера, вне зависимости от типа полимеризации, за счет чего расширяются функциональные возможности устройства.

Объясняется это тем, что поддержание заданной температуры функциональной среды и/или изготавливаемого изделия, и/или жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, обеспечивает возможность реализации технологического процесса в рамках заданных параметров.

Краткое описание чертежей

Для пояснения сущности изобретения и пояснения достижения технического результата признаками заявляемых способа и устройства для его реализации приведены следующие фигуры.

На фиг. 1 показана общая схема заявляемого устройства для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, и одновременного формирования функционального элемента в его составе.

На фиг. 2 показана схема устройства для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, и одновременного формирования функционального элемента в его составе, в котором узел регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой выполнен на основе принципа действия сифона.

На фиг. 3 показана схема устройства для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, и одновременного формирования функционального элемента в его составе, содержащего источник давления функциональной среды и узел контроля и управления давлением функциональной среды.

На фиг. 4 показана схема устройства для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, и одновременного формирования функционального элемента в его составе, содержащего источник давления функциональной среды и источник давления фотополимера в виде источников сжатого газа.

На фиг. 5 показана схема узла термической обработки фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, совмещенного с оптическим интерфейсом.

На фиг. 6 показана схема устройства для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, и одновременного формирования функционального элемента в его составе, реализующего погружение изготавливаемого изделия в емкость для размещения жидкого фотополимера.

На фиг. 7 показана схема реализации элементов устройства для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, и одновременного формирования функционального элемента в его составе, с применением преобразователя волнового фронта актиничного излучения.

На фиг. 8 показан преобразователь волнового фронта актиничного излучения, выполненный в виде массива микролинз.

На фиг. 9 показан преобразователь волнового фронта актиничного излучения, выполненный в виде голограммного оптического элемента.

На фиг. 10 показан пример реализации устройства для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, и одновременного формирования функционального элемента в его составе, в виде полного программно - технического комплекса.

На фиг. 1 1 показан пример N°l практической реализации заявляемого способа заявляемым устройством.

На фиг. 12 показан пример N°2 практической реализации заявляемого способа заявляемым устройством.

На фиг. 13 показан пример N°3 практической реализации заявляемого способа заявляемым устройством.

Если не указано иное, все используемые технические и научные термины имеют то же значение, которое обычно понимается специалистом в рассматриваемой области техники. Общеизвестные функции или конструкции могут не описываться подробно.

Следует понимать, что когда в примере перечисляются различные технологические приемы, технические решения, используемые материалы, режимы функционирования, приводимый перечень не является ограничивающим, если не указано иное.

Пространственно относительные термины «вверх», «вниз», «вертикальный», «горизонтальный» и т.п. используются только для описания, если специально не указано иное.

Способ и устройство, описанные в данном изобретении, предусматривают использование жидких фотополимеров или, что то же, фотополимерных систем, которые объединены общим свойством - их агрегатное состояние изменяется из жидкого в твердое под действием актиничного излучения. Общее название «фотополимеры» применено для краткости. Выбор жидких фотополимеров осуществляется, исходя из требований к свойствам изделий и области их применения.

Перечень жидких фотополимеров, которые могут использоваться в способе и устройстве по настоящему изобретению включает, но не только:

- фотополимеры, отверждаемые по методу радикальной полимеризации, например, на основе акрилов, акриламидов, различных функционализированных олигомеров и других, некоторые примеры жидких систем, мономеров и инициаторов отверждения, описанные, например, в патентах США 8232043, 8119214, 7935476, 7767728, 7649029, WO 2012129968А1, JP 2012210408 A, CN 10271 5751А;

- фотополимерные композиции, содержащие мономеры, подходящие для кислотного отверждения, такие, например, как эпоксидные, виниловые, на основе простых эфиров, и другие, описанные, например, в патентах США 7824839, 7550246, 7534844, 5374500, 6692891 ;

- фотоотверждаемые силиконовые смолы, например, для изделий медицинского назначения;

- фотоотверждаемые полиуретаны, позволяющие, например, получать прочные изделия с различной степенью эластичности;

- фотоотверждаемые смолы для литья по выплавляемым/выжигаемым моделям;

- фотоотверждаемые гидрогели, такие как полиэтиленгликоли и желатины;

- полимеризующиеся жидкости, несущие живые клетки, например, но не только, образующие гидрогель, описанные, например, в патентах США 7651683, 7651682, 7556490, 6602975, 5836313 и т.д.;

- фотоотверждаемые золь-гель композиции, способные, например, после формирования изделия методом трехмерной печати, в результате последующего обжига образовывать содержащие углерод, стеклокерамические и керамические изделия, описанные, например, в патентах США 4765818, 7709597, 7108947, 8221299, 7368514, 8147918;

- биоразлагаемые смолы для имплантируемых устройств, применяемых, например, для доставки лекарственных средств или для биоразлагаемых стентов, описанные, например, в патентах США 6932930, 7919162. Жидкие фотополимеры - фотоотверждаемые системы, могут содержать дополнительные ингредиенты, например, в виде микрочастиц различной размерности, наполнители, красители, упрочняющие добавки, углеродные микроволокна, ферромагнетики, парамагнетики, металлы, люминофоры, лекарственные препараты, микробные культуры, живые клетки, это могут быть также различные органические наполнители, микрокапсулы и наночастицы, или их комбинации.

Способ и устройство, описанные в данном изобретении, предусматривают использование функциональных жидкостей и газовых функциональных сред.

Перечень функциональных жидкостей, включает, но не только, следующие вещества: растворы - водные и/или неводные растворы, истинные или коллоидные растворы, растворы солей, кислот, оснований, красителей и др., электролиты; суспензии - водные и/или не водные суспензии твердых частиц, в частности, ферромагнитных частиц, частиц металлов, оксидов металлов, неорганических и органических соединений, частиц люминофора, полых микросфер микрокапсул, волокон, частиц углерода, в том числе углеродных нанотрубок, пигментов; полимерные композиции - органические композиции, красители, клеи, термоотверждаемые композиции, композиции радиационной полимеризации, соединения типа жидких кристаллов, вспенивающиеся композиции, композиции, отверждаемые контактом с кислородом воздуха, композиции, отверждаемые контактом с парами воды, композиции, отверждаемые контактом с углекислым газом и другие; металлы либо металлические сплавы - ртуть и ее сплавы, сплав Вуда, сплав Филдса, сплав Розе, сплав Ньютона, различные эвтектические сплавы и другие; композиции органических веществ - мономеры, органические растворители, клеи, смазки, масла, гидравлические жидкости, лекарственные препараты, биологические материалы, культуры живых клеток, питательные среды, биологически активные материалы, лекарственные препараты, комбинации всего перечисленного, например, биологически активные материалы в микрокапсулах.

В качестве газовых функциональных сред могут использоваться: газы, пары или взвеси воды, пары или взвеси органических и/или неорганических соединений, твердые микро- и/или наноразмерные частицы различной природы, комбинации всего перечисленного.

Заявляемое устройство для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, выполнено следующим образом.

Устройство для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, содержит, по крайней мере, один источник 1 актиничного излучения с пространственной модуляцией, емкость 2 для размещения жидкого фотополимера 3, отверждаемого актиничным излучением, снабженную окном - оптическим интерфейсом 4, выполненным в виде, как минимум, одного оптически прозрачного элемента, предназначенного для контакта с фотополимером 3, механизм 5 перемещения изделия вдоль оси 6 построения, носитель 7 для закрепления изделия 8, связанный с механизмом 5 перемещения изделия вдоль оси 6 построения. Носитель 7 содержит, как минимум, один канал 9 для подачи функциональной среды 10.

Устройство содержит узел 11 регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером 3, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой 10.

Устройство содержит узел 12 поддержания уровня жидкого фотополимера 3 в емкости 2 для размещения жидкого фотополимера 3. Емкость 2 для размещения жидкого фотополимера 3 соединена с узлом 12 поддержания уровня жидкого фотополимера 3, отверждаемого T U 2017/000009 актиничным излучением (фиг. 1).

В предлагаемом изобретении при использовании жидкой функциональной среды узел 11 регулирования положения граничной зоны между жидким фото полимером 3, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой 10 может быть выполнен на основе принципа действия сифона (фиг. 2). Такой узел 11 регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером 3, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой 10 включает емкость 13 для хранения жидкой функциональной среды 10, соединенную с трубопроводами 14 для транспортировки функциональной среды и с трубопроводом 15 для атмосферного воздуха, на которых установлены запорные вентили 16. Промежуточная емкость 17 сифона установлена на регулируемую по уровню подставку 18. Регулировка положения подставки 18 может осуществляться вручную или с помощью сервопривода, соединенного с контроллером (на фиг. не показано).

В предлагаемом изобретении узел 11 регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером 3, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой 10 может содержать емкость 13 для хранения функциональной среды 10, которая соединена трубопроводом 19 с источником 20 давления функциональной среды 10 (фиг. 3). Источник 20 давления функциональной среды 10 соединен трубопроводом с узлом 21 контроля и управления давлением функциональной среды 10 (управляемый вентиль) соединен трубопроводом с каналом 9 для подачи функциональной среды 10. Источник 20 давления функциональной среды 10 также соединен с датчиком 22 давления функциональной среды 10, который, как и датчик 23 атмосферного давления и датчик 24 температуры функциональной среды 10, соединен с контроллером 25. В качестве источника 20 давления может 0009 использоваться, например, перистальтический насос. В качестве контроллера 25 может использоваться как отдельный контроллер, так и общий контроллер устройства, который выполняет и другие функции.

В предлагаемом изобретении для создания давления функциональной среды 10 может использоваться резервуар 26 со сжатым газом, газовый редуктор 27, и управляемый вентиль 21. Пример такого выполнения узла 1 1 регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером 3, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой 10 приведен на фиг. 4.

В предлагаемом изобретении узел 12 поддержания уровня жидкого фотополимера 3 тоже может быть выполнен на основе принципа действия сифона. Такой узел 12 поддержания уровня фотополимера 3 включает емкость 28 для хранения жидкого фотополимера 3, соединенную трубопроводом с емкостью 2 для размещения жидкого фотополимера 3 и трубопроводом для атмосферного воздуха, на котором установлен запорный вентиль (см. фиг. 2).

В предлагаемом изобретении узел 12 поддержания уровня жидкого фотополимера 3, отверждаемого актиничным излучением, содержит емкость 28 для хранения жидкого фотополимера 3, источник 29 давления жидкого фотополимера 3, датчик 30 уровня жидкого фотополимера 3, соединенные трубопроводами, и контроллер 31 датчика 30 уровня жидкого фотополимера 3. В качестве источника 29 давления жидкого фотополимера 3 может использоваться, например, перистальтический насос. Пример такого выполнения этого узла показан на фиг. 3, где в качестве контроллера 31 датчика 30 уровня фотополимера 3 может использоваться как отдельный контроллер, так и общий контроллер устройства, который выполняет и другие функции.

В предлагаемом изобретении в качестве источника 29 давления фотополимера 3 может использоваться источник сжатого газа. В таком 9 случае для создания давления фотополимера 3 может использоваться резервуар 32 со сжатым газом, газовый редуктор 33, связанный трубопроводом с емкостью 28 для хранения фотополимера 3 и управляемый вентиль 34 (фиг. 4).

В предлагаемом изобретении устройство также может содержать узел 35 термической обработки функциональной среды 10 и/или узел 36 термической обработки изготавливаемого изделия 8, и/или узел 37 термической обработки жидкого фотополимера 3, отверждаемого актиничным излучением (фиг. 3, 4, 5). Узлы 35, 36, 37 термической обработки могут быть снабжены датчиком температуры жидкого фотополимера 3, датчиком температуры функциональной среды 10, датчиком температуры формируемого изделия 8 и датчиком температуры окружающей среды (на фиг. не показаны). Могут быть использованы любые подходящие датчики, исходя из их конструктивного исполнения и допустимых условий эксплуатации. Датчики температуры различных типов хорошо известны специалистам в данной области техники. Сигналы от датчиков могут быть обработаны контроллером для управления узлами 35, 36, 37 термической обработки.

Узел 37 термической обработки жидкого фотополимера 3, отверждаемого актиничным излучением, может быть выполнен в виде резервуара 38, заполненного теплоносителем 39 и совмещённого с оптическим интерфейсом 4. При этом узел 37 термической обработки жидкого фотополимера 3, отверждаемого актиничным излучением, может обеспечивать как охлаждение, так и нагрев фотополимера 3 и/или поверхности оптического интерфейса 4 (фиг. 5). Узел 37 термической обработки жидкого фотополимера 3, отверждаемого актиничным излучением, может быть выполнен с возможностью циркуляции теплоносителя 39 к внешним устройствам нагрева и/или охлаждения. Узел 37 термической обработки жидкого фотополимера 3, отверждаемого актиничным излучением, может быть выполнен в виде любого известного устройства нагрева и охлаждения, например, с использованием термоэлектрического нагревателя сопротивления, источника инфракрасного излучения, элементов Пельтье, компрессорной холодильной машины и др. В качестве теплоносителя 39 может использоваться вода, органические жидкости, их сочетания, водные и неводные растворы солей. Конкретный тип теплоносителя 39 может быть выбран, исходя из заданного температурного диапазона и других условий применения. Важным требованием к теплоносителю 39 является его высокая проницаемость в области спектра актиничного излучения. Также может быть применено поддержание температуры с использованием в качестве теплоносителя 39 подходящей газовой смеси или воздуха. Любое из упомянутых решений известно специалистам в данной области техники.

Узел 35 термической обработки функциональной среды 10 может осуществлять теплообмен циркуляцией жидкого теплоносителя 39 в контакте с емкостью 13 для хранения функциональной среды 10 (фиг. 3), облучением емкости 13 для размещения функциональной среды 10 или трубопровода для подачи функциональной среды 10 инфракрасным излучением, циркуляцией газа, например воздуха (на фигурах не показаны). Емкость 13 для хранения функциональной среды 10 может содержать электрические элементы нагрева и/или охлаждения. Это могут быть например, элементы Пельтье, электрические нагреватели сопротивления. Емкость 13 для хранения функциональной среды 10 может быть изготовлена из любого подходящего материала, способного сохранять стабильные размеры и выдерживать контакт с функциональной средой. Это, например, могут быть металлы и металлические сплавы, такие как алюминий или нержавеющая сталь, керамика, композитные материалы, например, на основе углеродного волокна, пластмассы, например, полиэтилен, полипропилен или фторопласт и другие, или композиции всего перечисленного.

Узел 36 термической обработки изготавливаемого изделия 8 может осуществлять нагрев изделия 8 путем облучения изделия инфракрасным излучением, циркуляцией в объеме расположения изделия нагретого газа, например воздуха. Охлаждение изделия может осуществляться циркуляцией охлажденного газа, например воздуха (на фиг. не показано). Поддержание температуры формируемого изделия может осуществляться непосредственным контактом изделия с жидким теплоносителем, в случае, если изделие погружено в емкость 2 для размещения жидкого фотополимера 3 (фиг. 6).

В предлагаемом изобретении оптический интерфейс 4 - окно в емкости 2 для размещения жидкого фотополимера 3, предназначенное для экспозиции, может быть выполнен в виде унитарного элемента, унитарного элемента с композитной структурой, либо может иметь составную конструкцию из нескольких сборочных единиц, включая элементы крепления, уплотнения и др. (на фиг. не показаны). Поверхность оптического интерфейса 4, обращенная к фотополимеру 3. предпочтительно должна быть выполнена из материала с низкой энергией поверхности, например, фторполимера, PTFE (Teflon®), коммерчески доступного от DuPont, фторполимера TEFLON AF®, коммерчески доступного от DuPont, композиции на основе ПДМС, коммерчески доступной от Dow Corning, и др.

Оптический интерфейс 4 закреплен на емкости 2 для размещения жидкого фотополимера 3 (крепления на фигурах не показаны).

Емкость 2 для размещения жидкого фотополимера 3 может быть снабжена дополнительными элементами позиционирования и крепления, (на фиг. не показаны).

Емкость 2 для размещения жидкого фотополимера может быть изготовлена из любого подходящего материала, способного сохранять стабильные размеры и выдерживать контакт с жидким фотополимером 3. Это, например, могут быть металлы и металлические сплавы, такие как алюминий или нержавеющая сталь, композитные материалы, например, на основе углеродного волокна, пластмассы, например, полиэтилен, полипропилен или фторопласт и другие, или композиции всего перечисленного.

В предлагаемом изобретении оптический интерфейс 4 может содержать, как минимум, один преобразователь 40 волнового фронта актиничного излучения, формирующего проекцию изделия, в области плоскости фокуса которого размещен оптически прозрачный элемент 41, предназначенный для контакта с жидким фотополимером 3(фиг. 7). Преобразователь 40 волнового фронта актиничного излучения может быть выполнен в виде массива микролинз 42, примыкающих боковыми сторонами и размещенных в один слой на общем основании 43 из оптически прозрачного материала. Одна микролинза 42 представляет собой элементарный фокусирующий элемент преобразователя 40 волнового фронта. Не исключающий пример массива микролинз 42 представлен на фиг. 8. Преобразователь 40 волнового фронта также может быть выполнен в виде голограммного оптического элемента, который представляет собой, например, матрицу зонных пластинок Френеля, плоскую фазовую или амплитудную голограмму, объемную фазовую пропускающую голограмму, матрицу голограммных линз, киноформ, или матрицу микролинз Френеля. Для изготовления голограммного оптического элемента могут быть применены любые подходящие технологии, например, запись голограмм в оптических средах, таких, например, как фотополимерные среды для записи голограмм, или среды на основе бихромированной желатины, тиснение термопластичных полимеров, напыление в вакууме, травление, построение с помощью сканирования электронным пучком и другие, известные специалистам в данной области техники. Одна голограммная микролинза, микролинза Френеля и/или любой другой элементарный элемент преобразователя 40 волнового фронта представляет собой элементарный фокусирующий элемент преобразователя 40 волнового фронта. Не исключающий пример массива голограммных микролинз Френеля на носителе в виде пластины представлен на фиг. 9.

Элементарные фокусирующие элементы преобразователя 40 волнового фронта, такие как микролинзы, микролинзы Френеля, голограммные линзы, могут иметь различную форму, например, но не только, форму прямоугольников, треугольников, шестиугольников и размеры сторон от 1 до 10 мкм или от 10 до 100 мкм.

Преобразователь 40 волнового фронта может быть выполнен на носителе в виде пленки толщиной от 5 до 500 мкм либо в виде пластины толщиной, например, от 0,5 до 20 мм из любого подходящего материала, такого, например, как минеральное стекло, акриловое стекло, поликарбонат, лавсан, полиэтилентерефталат, фторполимер и другие материалы, известные специалистам в данной области техники.

В предлагаемом изобретении элемент 41 оптического интерфейса 4, предназначенный для контакта с жидким фотополимером 3, может одновременно представлять собой преобразователь 40 волнового фронта. В таком случае элемент оптического интерфейса 4, предназначенный для контакта с жидким фотополимером 3, может быть выполнен в виде мембраны из тонкой пленки или пластины, которая одновременно является преобразователем 40 волнового фронта, (на фиг. не показано). Мембрана из тонкой пленки или пластина предпочтительно должна быть выполнена из материала с низкой энергией поверхности, например например, фторполимера, PTFE (Teflon®), коммерчески доступного от DuPont, фторполимера TEFLON AF®, коммерчески доступного от DuPont, композиции на основе ПДМС, коммерчески доступной от Dow Corning, и др. В предлагаемом изобретении устройство для формирования трехмерного изделия из жидкого фотополимера 3 может содержать, по крайней мере, два преобразователя 40 волнового фронта актиничного излучения, которые образуют оптическую систему (на фиг. не показано).

В предлагаемом изобретении устройство для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, может содержать один, два или более источников 1 актиничного излучения, (на фиг. не показано).

В качестве источника 1 актиничного излучения, может быть использован любой подходящий источник актиничного излучения, например, лампа накаливания, ртутная лампа, люминесцентная лампа, лазер, светодиод и другие, в том числе, перечисленные приборы в разном сочетании. Источник 1 актиничного излучения, предпочтительно, должен содержать элемент пространственной модуляции актиничного излучения, например, жидкокристаллический дисплей (LCD), пространственный модулятор в виде матрицы микрозеркал (DMD), лазерное сканирующее устройство или другую подходящую систему, известную специалистам в данной области техники, (на фиг. не показаны). Управление источником 1 актиничного излучения с пространственной модуляцией актиничного излучения осуществляется контроллером, например, это может быть компьютер общего применения, оснащенный соответствующим программным обеспечением (см., например, патенты США 6312134; 6248509; 6238852; и 5691541).

В предлагаемом изобретении механизм 5 перемещения изделия, предпочтительно, может представлять собой систему из размещенных на общей станине 44 шагового двигателя 45 с винтовым редуктором 46, связанного с подвижной платформой - носителем 7 для закрепления изделия 8. Возможны другие варианты выполнения механизма 5 перемещения изделия, например, в виде линейного электрического двигателя, гидравлической системы, привода в виде катушки с редуктором и другие известные специалистам в данной области техники (на фиг. не показаны).

В предлагаемом изобретении устройство может быть выполнено так, что формирование изделия осуществляется по направлению вверх вдоль вертикальной оси, тогда формируемое изделие 8 извлекается из емкости 2 для размещения жидкого фотополимера 3. Пример такой реализации устройства представлен на фиг. 1.

В предлагаемом изобретении устройство может быть выполнено так, что формирование изделия осуществляется по направлению вниз вдоль вертикальной оси, тогда формируемое изделие 8 погружают в емкость 2 для размещения жидкого фотополимера 3, либо в емкость с жидкостью, на поверхности которой находится фотополимер 3. Пример такой реализации устройства представлен на фиг. 6.

В предлагаемом изобретении устройство для реализации способа по данному изобретению может быть выполнено в виде сменного узла (кассеты) или набора кассет, содержащего необходимые для реализации способа компоненты и реагенты, (на фиг. не показано). В этом случае устройство может использоваться в составе любой подходящей системы для построения изделия 8 из жидкого фотополимера 3, отверждаемого актиничным излучением

В предлагаемом изобретении устройство для реализации способа по данному изобретению может быть выполнено в виде полного программно-технического комплекса, например, содержащего: источник 1 актиничного излучения, механизм 5 перемещения изделия 8, носитель 7 для закрепления изделия, емкость 2 для размещения жидкого фотополимера 3, узел 11 регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером 3, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой 10, узел 12 поддержания уровня фотополимера 3, узел 37 термической обработки жидкого фотополимера 3, узел 36 термической обработки изготавливаемого изделия 8, узел 35 термической обработки функциональной среды 10, другие узлы и подсистемы, электрические схемы, контроллеры, средства калибровки и настройки. Такой вариант исполнения устройства может предусматривать также использование компьютера общего применения, на котором запускается необходимое программное обеспечение (фиг. 10).

Возможны также различные комбинации всех описанных выше конструктивных решений.

Лучший вариант осуществления изобретения

Заявляемое устройство работает следующим образом, реализуя заявляемый способ.

Включают источник 1 актиничного излучения с функцией пространственной модуляции актиничного излучения. Формируют элементарную проекцию изделия 8, производят непрерывную экспозицию в виде последовательности элементарных сечений изделия 8 актиничным излучением. Одновременно перемещают носитель 7 для закрепления формируемого изделия 8 с помощью механизма 5 перемещения изделия 8 вдоль оси 6 построения. Формирование изделия 8 происходит из области, граничной с оптическим интерфейсом 4. В канал 9 для подачи функциональной среды 10 в носителе 7 подают функциональную среду 10, например, функциональную жидкость. Одновременно путем соответствующего формирования проекций сечения в изготавливаемом изделии 8 формируют канал и/или полость, соответствующий по форме и расположению формируемому функциональному элементу так, что обеспечивают совпадение его начала с началом канала 9 для подачи функциональной среды 10 в носителе 7. По мере изготовления изделия 8, узлом 11 регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером 3, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой 10 обеспечивают поддержание границы раздела между жидкой функциональной средой 10 и фотополимером 3 на заданном расстоянии от области 6 построения, то есть от поверхности оптического интерфейса 4 (фиг. 1).

Описанный процесс может осуществляться одновременно, при этом через различные каналы 9 для подачи функциональной среды на носителе 7 могут подаваться различные функциональные среды.

Для работы устройства важно поддерживать уровень жидкого фотополимера 3 в емкости 2 для размещения жидкого фотополимера 3 и давление функциональной среды таким образом, чтобы граница раздела между ними находилась в пределах заданного расстояния от поверхности оптического интерфейса 4.

Расстояние между границей раздела и поверхностью оптического интерфейса 4 (поверхностью построения изделия) должно составлять от ОДмкм до 1мкм или от 1мкм до Юмкм или от Юмкм до ЮОмкм и более, в некоторых случаях граница раздела может находиться на расстоянии 1 - 10мм и более.

Если узел 12 поддержания уровня жидкого фотополимера 3 в емкости 2 для размещения жидкого фотополимера 3 выполнен на основе принципа действия сифона, поддержание уровня жидкого фотополимера 3 осуществляется следующим образом: Пока уровень фотополимера 3 выше среза трубопровода для атмосферного воздуха, фотополимер 3 удерживается в емкости 28 для хранения жидкого фотополимера 3 атмосферным давлением, при понижении уровня жидкого фотополимера 3 ниже среза трубопровода для атмосферного воздуха фотополимер 3 из емкости 28 для хранения жидкого фотополимера самотеком поступает через трубопровод в емкость 2 для размещения жидкого фотополимера 3. Поступление жидкого фотополимера 3 прекращается, когда его уровень в емкости 2 для размещения жидкого фотополимера 3 достигнет среза трубопровода для атмосферного воздуха (фиг. 2).

Если узел 12 поддержания уровня жидкого фотополимера 3 в емкости 2 для размещения жидкого фотополимера 3 управляется контроллером 31 , пополнение емкости 2 для размещения жидкого фотополимера 3 осуществляется из емкости 28 для хранения жидкого фотополимера 3 с помощью источника 29 давления жидкого фотополимера 3, который включается по команде, формируемой контроллером 31 на основании данных от датчика 30 уровня жидкого фотополимера 3. В качестве источника 29 давления жидкого фотополимера 3 может использоваться, например, перистальтический насос. Пример такого выполнения этого узла показан на фиг. 3.

Если в качестве источника 29 давления жидкого фотополимера 3 используется источник сжатого газа, то с помощью газового редуктора 33, связанного трубопроводом с емкостью 28 для хранения фотополимера 3, устанавливают давление, а управляемый вентиль 34 по команде, формируемой контроллером 31 на основании данных датчика 30 уровня жидкого фотополимера 3, выдает порции жидкого фотополимера 3 в емкость 2 для размещения жидкого фотополимера 3 (см. фиг. 4) В качестве контроллера 31 датчика 30 уровня фотополимера 3 может использоваться как отдельный контроллер, так и общий контроллер устройства, который выполняет и другие функции.

В случае применения жидкой функциональной среды 10 узел 11 регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером 3, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой 10 может быть выполнен на основе принципа действия сифона (фиг. 2). При таком выполнении узла 1 1 регулирование положения граничной зоны между жидким фотополимером 3, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой 10 осуществляется изменением относительной разницы уровней жидкого фотополимера 3 и функциональной среды 10.

Из емкости 13 для хранения жидкой функциональной среды 10, через трубопровод 14 для транспортировки функциональной среды 10, жидкая функциональная среда 10 самотеком поступает в промежуточную емкость 17 сифона, которая установлена на регулируемую по уровню подставку 18. Поступление функциональной жидкости 10 прекращается при достижении жидкостью 10 уровня среза трубопровода 15 для атмосферного воздуха. Таким образом осуществляется поддержание постоянного уровня в промежуточной емкости 17 сифона. Через трубопровод функциональная жидкая среда 10 поступает в канал 9 в носителе 7 и далее в канал и/или полость, формируемые в объеме изготавливаемого изделия 8. Положение граничной зоны между жидкой функциональной средой 10 и жидким фотополимером 3 в случае, когда значения плотности и вязкости функциональной жидкости 10 и жидкого фотополимера 3 близки, определяется соотношением их уровней в емкости 2 для размещения жидкого фотополимера 3 и промежуточной емкости 17 сифона. Регулировка положения подставки 18, осуществляемая вручную или с помощью сервопривода, соединенного с контроллером (на фиг. не показано), позволяет управлять положением граничной зоны в процессе изготовления изделия 8 в соответствии с заданной программой. Запорные вентили 16 позволяют управлять расходом и поступлением жидкой функциональной среды 10, и осуществлять настройки процесса (см. фиг. 2).

Узел 11 регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером 3, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой 10 может осуществлять автоматическое управления давлением и расходом функциональной среды 10 с учетом атмосферного давления, температуры, скорости формирования изделия, параметров формируемых функциональных элементов, свойств функциональной среды и других параметров в соответствии с заданной программой. В этом случае функциональная среда 10 поступает из емкости 13 для хранения жидкой функциональной среды 10, которая соединена трубопроводом 19 с источником 20 давления функциональной среды 10, источник 20 давления функциональной среды 10 соединен трубопроводом с управляемым вентилем 21, который соединен трубопроводом с каналом 9 для подачи функциональной среды 10. Данные от датчика 22 давления функциональной среды 10, датчика 23 атмосферного давления, датчика 24 температуры функциональной среды 10 обрабатываются контроллером 25, который в соответствии с заданным алгоритмом и данными о параметрах формируемого функционального элемента с учетом данных о параметрах изготавливаемого изделия 8 управляет расходом, давлением и температурой функциональной среды 10. В соответствии с командами контроллера 25 включается источник 20 давления функциональной среды 10 и открывается управляемый вентиль 21.

В качестве источника 20 давления функциональной среды 10 может использоваться, например, перистальтический насос (фиг. 3). Также для создания давления функциональной среды может использоваться резервуар 26 со сжатым газом, газовый редуктор 27, и управляемый вентиль 21. Пример такого выполнения узла 11 приведен на фиг. 4. В качестве контроллера 25 может использоваться как отдельный контроллер, так и общий контроллер устройства, который выполняет и другие функции.

В других вариантах изобретения возможны комбинации описанных конструкций и операций.

Важными факторами, учет которых необходим для создания и поддержания границы раздела между функциональной средой 10 и жидким фотополимером 3, являются такие, как, например, режим формирования изделия, так, например, шаговый режим или непрерывный режим с подвижной областью по-разному влияют на величину давления в формируемых каналах и полостях; текущая площадь сечения канала и/или полости, которая определяет, является ли канал капиллярным; отношение плотности функциональной среды 10 к плотности жидкого фотополимера 3, при этом оптимальной является функциональная среда 10, плотность которой равна или ниже плотности жидкого фотополимера 3; вязкость функциональной среды 10, так как от вязкости зависит гидравлическое сопротивление при протекании функциональной жидкости по трубопроводам системы подачи и по каналам в изделии; вязкость жидкого фотополимера 3, которая влияет на гидравлическое сопротивление при проникновении жидкого фотополимера 3 в область построения; соотношение вязкостей жидкого фотополимера 3 и функциональной среды 10, от их соотношения зависит перепад давлений в каналах и полостях, возникающий при перемещении изделия 8 вдоль оси 6 построения; температура, которая влияет на вязкость и агрегатное состояние функциональной среды 10 и жидкого фотополимера 3; способность жидкой функциональной среды 10 смешиваться с фотополимером 3, что влияет на качество поверхностей каналов и полостей, на капиллярный эффект, это может оказаться критически важным при последовательной подаче разных функциональных сред 10 в один и тот же канал; взаимная растворимость функциональной среды 10 и жидкого и/или отвержденного фотополимера 3.

В качестве функциональной жидкости могут использоваться отверждаемые композиции, и после завершения процесса формирования изделия с применением актиничного излучения функциональная жидкость, заполняющая каналы и/или полости, может быть отверждена до состояния твердого вещества или геля нагреванием в конвекционной или микроволновой печи, облучением ионизирующим излучением, облучением актиничным излучением, отложенной полимеризацией, испарением растворителя, воздействием компонентов, входящих в состав жидкого фотополимера и др.

Заявляемое изобретение может быть выполнено так, что функциональную жидкость и/или функциональную газовую среду, могут подавать в канал и/или полость для обеспечения осаждения металлического или неметаллического слоя на поверхности каналов и полостей. Это происходит вследствие химической реакции и/или физического осаждения включений, входящих в состав функциональной жидкости или функциональной газовой среды, например, при применении жидкости, содержащей ацетат или аммиакат серебра, можно получать слой металлического серебра на внутренней поверхности каналов и полостей, формируемых в объеме изделия.

В заявляемом изобретении, если в качестве функциональной среды 10, подаваемой в канал и/или полость, используется жидкость, это могут быть, но те только: растворы, обеспечивающие доставку в каналы и полости формируемого изделия композиций для химической или электрохимической реакции, например, для активации поверхности, для реакции химического осаждения металла, для нанесения на стенки канала и/или полости электрохимического покрытия; суспензии, обеспечивающие доставку пигмента и/или люминофора для осаждения на стенках каналов и полостей, или доставку углеродных нанотрубок для создания прозрачных проводящих покрытий; полимерные композиции в качестве термоотверждаемых композиций или композиций отложенного отверждения для создания элементов жесткости или эластичных элементов, например, в целях получения изделий анизотропной структуры; металлы либо металлические сплавы для создания проводящих каналов, формирования датчиков, переключателей, контактов и тому подобного; композиции органических веществ, например масла для смазки подвижных элементов, формируемых внутри изделия, или, например, композиции, полимеризующиеся при контакте с воздухом и/или с водой, которые могут активироваться при повреждении изделия для его саморемонта; биологические материалы, например, в качестве лекарственных препаратов, заключаемых в изделие, предназначенное для имплантации, в качестве клеточных культур для заселения матриц искусственных органов, изготавливаемых, например, из биологически совместимого гидрогеля; комбинации всего перечисленного, например, биологически активные материалы в микрокапсулах, помещаемые в полости изделия, предназначенного для имплантации.

Перечисленные примеры не являются исключающими, а приведены лишь в качестве демонстрации возможностей способа.

В заявляемом изобретении, если для реализации способа используется в качестве функциональной среды 10 газ, например, кислород, для его подачи может быть использована жидкость, содержащая перфторуглерод, например, в случае, если используется культура живых клеток и кислород необходим для ее жизнедеятельности, или в случае, когда кислород необходим для окисления или для ингибирования реакции радикальной полимеризации.

В заявляемом изобретения две и более функциональные среды 10 могут подаваться последовательно в канал и/или полость, которые формируются в процессе производства изделия по заявляемому способу. Это позволяет реализовывать селективное нанесение покрытий на стенки каналов и полостей в случае, когда, например, подачу функциональных жидкостей осуществляют так, что порцию жидкости, не содержащей реагентов для нанесения покрытия, вводят на первой стадии процесса. Поочередная подача функциональных сред 10 может обеспечить нанесение многослойных покрытий, активацию и/или промывку поверхности канала либо полости. Порция несмешивающейся жидкости или газа может быть использована как средство раздела несовместимых функциональных сред при последовательной обработке каналов и/или полостей.

В заявляемом изобретении может осуществляться удаление и/или замена функциональных сред 10, подаваемых в канал и/или полость, которые формируются в процессе производства изделия с применением заявляемого способа. Это позволяет последовательно проводить обработку каналов и/или полостей различными функциональными средами или освобождать канал и/или полость, если свободные канал и/или полость предусмотрены конструкцией изделия.

В заявляемом изобретении функциональная среда 10 может быть раствором, вязкость которого повышается после завершения процесса построения изделия, например раствором желатина, переходящим в гель в процессе остывания.

В заявляемом изобретении функциональная среда 10 может быть расплавом полимера или металла, переходящим в твердое состояние, и/или полимеризующейся композицией, твердеющей через заданное время под воздействием тепла, радиации, микроволнового излучения или актиничного излучения. Любое из перечисленных и другие возможные преобразования позволяют формировать в составе изделия элементы внутренней структуры, отличающиеся по составу и свойствам от материала, получаемого в процессе экспозиции жидкого фотополимера.

В заявляемом изобретении каналы и полости, которые формируются в процессе производства изделия с применением заявляемого способа, могут заполняться газовыми средами, содержащими, например, пары растворителя. Это позволяет реализовывать технологический процесс "полировки" каналов и полостей. В случае, когда использование жидкости нежелательно, процесс осаждения покрытия на поверхность каналов и/или полостей может осуществляться из газовой взвеси. Такой прием актуален и при необходимости доставки малого количества вещества, например катализатора.

В заявляемом изобретении можно осуществлять преобразование волнового фронта актиничного излучения, образующего проекцию изготавливаемого изделия. Это обеспечивается тем, что оптический интерфейс 4 может содержать, как минимум один преобразователь 40 волнового фронта актиничного излучения. Наличие преобразователя 40 волнового фронта актиничного излучения обеспечивает полимеризацию и отверждение жидкого фотополимера 3 в пределах части объема жидкого фотополимера 3. Максимальный объем такой части сосредоточен на некотором, заранее определенном, расстоянии от поверхности оптического интерфейса 4 (фиг. 7). Вблизи поверхности оптического интерфейса 4 большее количество жидкого фотополимера 3 не экспонируется и сохраняется в неотвержденном состоянии. Малая площадь контакта фрагментов формируемого изделия 8 с поверхностью оптического интерфейса 4 и подвижность граничного с поверхностью оптического интерфейса 4 слоя жидкого фотополимера 3 препятствует прилипанию формируемого изделия 8 к поверхности оптического интерфейса 4 и обеспечивает свободный приток свежих порций жидкого фотополимера 3 в область экспозиции в процессе непрерывного формирования изделия 8. При изготовлении преобразователя 40 волнового фронта в виде матрицы фокусирующих элементов поверхность полимеризации в области каждого фокусирующего элемента имеет форму, подобную пирамидальной, как это показано на фиг. 9, где интенсивность актиничного излучения и, соответственно, интенсивность полимеризации возрастает к вершинам пирамид. Фокусные расстояния элементарных фокусирующих элементов преобразователя 40 волнового фронта выбирают с учетом глубины проникновения актиничного излучения в жидкий фотополимер 3 и необходимой ширины подвижной области построения в диапазоне от 10 до 100 мкм, оптимально 25-30 мкм.

В заявляемом изобретении для экспозиции жидкого фотополимера 3 в качестве источника 1 актиничного излучения, могут использоваться ртутные лампы или светодиоды мультимедийных проекторов, которые имеют смешанный спектр УФ и видимого диапазона. Также могут использоваться источники, имеющие спектр, преимущественно, в УФ диапазоне. Источник 1 актиничного излучения может иметь функцию пространственной модуляции. Для пространственной модуляции актиничного излучения могут использоваться, например, проекторы, содержащие матрицы микрозеркал, транспорантные ЖК-матрицы, лазерные сканирующие устройства и другие.

В заявляемом изобретении для экспозиции жидкого фотополимера 3 в качестве источника 1 актиничного излучения, могут использоваться сканирующие лазерные устройства

В заявляемом изобретении узел 37 термической обработки жидкого фотополимера 3 может обеспечивать его нагрев в процессе изготовления изделия, что способствует снижению вязкости жидкого фотополимера 3 и позволяет повысить скорость формирования изделия 8. Узел 37 термической обработки жидкого фотополимера 3 может обеспечивать охлаждение жидкого фотополимера 3 в процессе изготовления изделия, что способствует отводу избыточного тепла, выделяющегося в результате радикальной полимеризации. Отвод тепла может потребоваться при скоростном изготовлении изделий большого сечения.

В заявляемом изобретении поддержание необходимой температуры функциональной среды 10 узлом 35 термической обработки функциональной среды 10 (ее нагрев либо охлаждение) в процессе изготовления изделия 8 может осуществляться для поддержания необходимого уровня ее вязкости. Нагрев может осуществляться для поддержания функциональной среды 10 в расплавленном состоянии, например при использовании полимеров, расплавов или металлических функциональных сред. Охлаждение может осуществляться, если используются полимеры, которые находятся в жидком состоянии при пониженной температуре, а при повышенной температуре переходят в желеобразное состояние, образующие гидрогели и применяемые при изготовлении матриц искусственных органов способами трехмерной печати.

В заявляемом изобретении охлаждение также может изменять скорость химической реакции и количество осажденного металла на поверхности канала и/или полости.

Поддержание необходимой температуры изделия 8 узлом 36 термической обработки изготавливаемого изделия 8 (его нагрев либо охлаждение) в процессе изготовления могут осуществляться с целью поддержания необходимого уровня вязкости жидкой функциональной среды 10, нагрев может осуществляться для поддержания функциональной среды 10 в расплавленном состоянии, например при использовании полимеров, расплавов или металлических функциональных сред. Некоторые полимеры, образующие гидрогели и применяемые при изготовлении матриц искусственных органов способами трехмерной печати, находятся в жидком состоянии при пониженной температуре, при повышенной температуре переходят в желеобразное состояние. Нагрев также может стимулировать химическую реакцию, например реакцию серебряного или медного зеркала при формировании соответствующих покрытий на поверхностях каналов и/или полостей. Охлаждение может осуществляться для предотвращения преждевременной полимеризации функциональной среды 10. Поддержание заданной температуры может осуществляться и в других целях, обусловленных спецификой конкретного технологического процесса.

При применении в качестве материала оптически прозрачного элемента 41 оптического интерфейса 4, предназначенного для контакта с жидким фотополимером 3, материала с очень низкой поверхностной энергией, например фторполимера, полиэтилена и др., роль адгезии в прилипании может быть пренебрежимо малой в сравнении с ролью атмосферного давления. В качестве таких материалов, например, могут использоваться фторполимеры, например, PTFE (Teflon®) от DuPont.

Оптически прозрачный элемент 41 оптического интерфейса 4, предназначенный для контакта с жидким фотополимером 3, и преобразователь 40 волнового фронта могут образовывать герметичное соединение, например, могут использоваться герметики или герметичные уплотнения, расположенные по периметру этих элементов (на фиг. не показано).

Для уравнивания давления в полости между оптически прозрачным элементом 41, предназначенным для контакта с жидким фотополимером 3, и преобразователем 40 волнового фронта с атмосферным давлением элемент 41, предназначенный для контакта с жидким фотополимером 3, и преобразователь 40 волнового фронта могут образовывать негерметичное соединение, например, может использоваться газопроницаемый сепаратор, установленный в качестве прокладки между этими элементами вдоль их периметра (на фиг. не показано).

Режим перемещения формируемого изделия 8 вдоль оси 6 построения - предпочтительно непрерывный, с равномерной или переменной скоростью. Скорость перемещения может составлять от около 0,1 или 10 микрон в секунду, вплоть до 100, 1000 или 10000 микрон в секунду, в зависимости от таких факторов, как интенсивность актиничного излучения, структура изделия 8, температура и вязкость жидкого фотополимера 3 и другие.

Может быть реализован шаговый режим перемещения формируемого изделия 8, например, от 0,1 или 1 мкм, вплоть до 10 или 100 микрон или более для каждого шага, с постоянным либо переменным размером шага.

В отдельных случаях экспозиция сечения изделия 8 актиничным излучением осуществляется предпочтительно в виде непрерывной последовательности элементарных сечений. Интенсивность актиничного излучения определяется требуемыми параметрами процесса, такими как скорость перемещения, структура изделия 8, наличие красителей в жидком фотополимере 3 и другие.

Может быть реализован прерывистый режим экспозиции сечений актиничным излучением, с паузами или с колебаниями интенсивности, в зависимости от типа жидкого фотополимера 3, наличия или отсутствия красителей и др.

В случае применения лазерного сканирующего устройства режим сканирования, удельная мощность излучения и длина волны выбираются, исходя из технологических требований и свойств жидкого фотополимера 3.

Управление процессом может осуществляться контроллерами.

Контроллеры 25 и 31 могут быть реализованы в виде аппаратных схем, программного обеспечения и/или их комбинации. Например, контроллер 25 может представлять собой компьютер общего назначения, который запускает программное обеспечение и который функционально связан с датчиками, например, с датчиками температуры, положения, интенсивности актиничного излучения и др., и исполнительными устройствами, например, приводом перемещения, системой поддержания температуры, источником актиничного излучения с пространственной модуляцией и др. через соответствующий интерфейс. Управление процессом осуществляется в соответствии с заданным алгоритмом функционирования и данными датчиков устройства. Принципы построения таких систем хорошо известны специалистам в данной области.

Программное обеспечение для управления процессом формирования трехмерного изделия включает, но не только, программы для 3D печати с открытым исходным кодом SHc3r, RepiicatorG, программный контроллер 3DPrint ™ от ЗБ-систем, Skeraforge, KISSlicer, Repetier и др., в том числе и их комбинации.

Выбор режимов работы может проводиться путем ввода ранее определенных параметров процесса или определяется методом «проб и ошибок». Выбор режимов работы может проводиться путем мониторинга и обратной связи, их комбинации с ранее определенными режимами, или любым другим подходящим способом.

Трехмерные изделия, полученные с использованием способа и устройства в соответствии с заявляемым изобретением, могут быть готовыми к применению или предназначенными для дальнейшей обработки. Стадиями дальнейшей обработки могут быть, например: механическая обработка, окраска, химическая обработка, склейка, заполнение пустот и внутренних каналов полимерными системами, которые впоследствии отверждаются, и другие.

С использованием способа и устройства, в соответствии с заявляемым изобретением, могут изготавливаться: модели различных размеров и форм, в том числе такие, изготовление которых при использовании других технологий затруднено или невозможно, модели для литья по выжигаемым и/или выплавляемым моделям, корпуса электронных устройств, шестерни, рычаги, элементы крепления, трубки, декоративные элементы и другие.

С использованием способа и устройства, в соответствии с заявляемым изобретением, могут изготавливаться внешние и имплантируемые медицинские устройства, такие как стенты для сосудов, капсулы доставки лекарственных препаратов, массивы микроигл, стержни и волокна, профили различных сечений, оптические волокна, элементы микромеханических устройств, элементы микрофлюидных устройств, массивы микрокапилляров, различные целлюлярные и микроцеллюлярные структуры и так далее.

Геометрические размеры изделий, формируемых с использованием способа и устройства, в соответствии с заявляемым изобретением, могут быть от 0,1 или 1 мм до 10 или 200 мм, или более в высоту и/или максимальной шириной от 0,1 или 1 мм до 10 или 200 мм или более в ширину. Изделие может также иметь высоту от 10 или 100 нанометров до 10 или 200 микрон или более и/или максимальной шириной от 10 или 100 нанометров до 10 или 200 микрон или более. Это только примеры: максимальный размер зависит от конструкции устройства и разрешающей способности источника 1 актиничного излучения.

Поскольку способ и устройство, в соответствии с заявляемым изобретением, позволяют использовать самые разнообразные жидкие фотополимеры и фотополимерные системы, это дает возможность производить изделия из материалов с различными свойствами, в частности, изделия могут быть жесткими, гибкими, упругими или гелеобразными, как, например, гидрогель. Изделия также могут быть композитными, содержать армирующие включения и/или могут быть изготовлены из нескольких различных полимеров.

Изготовление изделий методом трехмерной печати изделий со сложной внутренней структурой может потребовать включения в состав изделия элементов внутренней структуры, отличающихся по составу и свойствам, например, это могут быть жесткие упрочняющие элементы, определенное расположение которых придаст изделию анизотропные механические свойства. В случае использования эластичного материала это могут быть пружинные элементы. Это могут быть элементы, имеющие свойства электрической проводимости, из которых возможно формировать проводники, элементы индуктивности и/или резистивные элементы, в случае, например гелей, содержащих наноуглерод, это могут быть элементы гальванических источников питания, ионисторов либо химических источников питания. Это могут быть биологически активные материалы в случае изготовления медицинских имплантатов, и многое другое. Все перечисленные и другие элементы могут быть сформированы за один технологический цикл из жидких форм и далее в результате последующей тепловой, радиационной, микроволновой обработки и/или по методу отложенной полимеризации (в зависимости от выбранного типа композиции) могут быть переведены в требуемую форму - твердую с необходимой степенью жесткости либо гелеобразную.

С применением заявляемого способа и устройства могут изготавливаться изделия, содержащие функциональные элементы внутренней структуры из материалов и сред, отличающихся по составу и свойствам от материала, образуемого жидким фотополимером. Это могут быть, но не только: упрочняющие фрагменты конструкции изделия; фрагменты конструкции, придающие изделию анизотропные свойства; внутренние окрашенные элементы; металлические проводники, неметаллические проводники, катушки индуктивности, электромагнитные элементы, трансформаторы, источники тока, ионисторы, контакты и переключатели, конденсаторы, датчики давления, например, емкостные, индуктивные датчики давления, сенсоры электромагнитных колебаний, датчики колебаний, в том числе акустических, электродинамические, емкостные, волноводы, оптические волноводы, отражающие элементы, элементы с изменяющимися оптическими свойствами, например, на основе жидких кристаллов, на основе фотохромных и/или электрохромных эффектов, нелинейные электрические элементы, элементы, излучающие электромагнитное излучение, в том числе, оптического диапазона, например, основанные на эффекте электролюминесценции, элементы, содержащие активные среды, для записи голограмм, элементы гидравлических систем, фильтрующие элементы, элементы систем микрофлюидики, элементы имплантируемых биологических и комбинированных устройств - элементы, содержащие массивы функциональных живых клеток, например, каналы для формирования кровеносных сосудов и капилляров, каналы для формирования нервных волокон, комбинации всего перечисленного.

Ниже приведены примеры реализации заявляемых способа изготовления из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, трехмерного изделия, содержащего функциональный элемент, и устройство для его осуществления для получения конкретных изделий.

Пример

На фиг. 11 показан результат практической реализации заявляемого способа заявляемым устройством.

Изделие из акрилового фотополимера, имеющее вид плоского элемента с размерами 25x20x8мм. Функциональная среда - водный раствор красителя. Экспозиция осуществлялась мультимедийным DLP проектором с использованием преобразования волнового фронта. Скорость формирования - 2 мм/мин. Время формирования - 10 мин. Внутренняя полость размерами 18x16x4мм заполнена функциональной средой в процессе формирования изделия. Поддержание границы между функциональной средой и фотополимером осуществлялось в пределах до 2мм от поверхности оптического интерфейса.

Получено изделие со сложной внутренней структурой, изготовленное за один технологический цикл, внутренние полости которого заполнены водным раствором красителя. Пример N°2.

На фиг. 12 показан результат практической реализации заявляемого способа заявляемым устройством.

Изделие из акрилового фотополимера, имеющее вид цилиндрического элемента с размерами D 12X45MM. Функциональная среда - окрашенная суспензия карбоната кальция на основе водного раствора желатина. Экспозиция осуществлялась мультимедийным DLP проектором. Скорость формирования - 3 мм/мин. Время формирования - 15 мин. Внутренняя полость сложной формы заполнена функциональной средой в процессе формирования изделия. Поддержание границы между функциональной средой и фотополимером осуществлялось в пределах до 3 мм от поверхности оптического интерфейса.

Получено изделие со сложной внутренней структурой из двух материалов, отличающихся по составу и свойствам.

Пример N°3.

На фиг. 13 показан результат практической реализации заявляемого способа заявляемым устройством.

Тестовое изделие из акрилового фотополимера, имеющее вид цилиндрического элемента с размерами D7X30MM. Функциональная среда - акриловая полимерная композиция термического отверждения. Экспозиция осуществлялась мультимедийным DLP проектором с преобразованием волнового фронта. Скорость формирования - 2 мм/мин. Время формирования - 15 мин.

Внутренняя полость сложной формы заполнена функциональной средой в процессе формирования изделия. Поддержание границы между функциональной средой и фотополимером осуществлялось в пределах до 3 мм от поверхности оптического интерфейса.

Получено изделие со сложной внутренней структурой из двух полимерных композиций с различными свойствами и использующих различные механизмы отверждения.

Промышленная применимость

Промышленная применимость заявляемых способа и устройства подтверждается возможностью изготовления из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, трехмерного изделия, содержащего функциональный элемент, и изготовления устройства для осуществления способа на известном оборудовании в условиях промышленного производства с использованием известных материалов и средств.

Claims

Формула изобретения

1. Способ изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, включающий осуществление проекции элементарного сечения, непрерывную экспозицию последовательности элементарных сечений актиничным излучением, перемещение формируемого изделия, закрепленного на носителе, вдоль оси построения, образование путем соответствующего формирования проекций сечения в объеме формируемого изделия, по крайней мере, одного канала и/или полости, куда через носитель подают функциональную среду, отличающийся тем, в объеме трехмерного изделия формируют функциональный элемент в виде, по крайней мере, одного канала и/или полости в форме этого функционального элемента, куда через носитель подают функциональную среду, при этом в сформированном в объеме трехмерного изделия канале и/или полости создают границу раздела между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой, подаваемой в канал и/или полость, а в качестве функциональной среды используют, по крайней мере, одну функциональную жидкость и/или функциональную газовую среду.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после изготовления изделия функциональную жидкость, заполняющую канал и/или полость, отверждают.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что функциональная жидкость и/или функциональная газовая среда, подаваемая в канал и/или полость, содержит включения металлического или неметаллического соединения, которое осаждают в виде слоя на поверхности канала и/или полости физическим осаждением или химической реакцией.

4. Способ по п.1. отличающийся тем, что в качестве функциональной жидкости, подаваемой в канал и/или полость, используют раствор, суспензию, полимерную композицию, металл или металлический сплав, композицию органических веществ, биологический материал и/или их комбинацию.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость, подаваемая в канал и/или полость, является носителем растворенного в ней газа.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в канал и/или полость последовательно подают, по крайней мере, две функциональные среды различного состава.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что функциональную жидкость и/или функциональную газовую среду, подаваемые в канал и/или полость, удаляют и/или заменяют в процессе изготовления изделия.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении изделия изменяют агрегатное состояние функциональной среды путем термической обработки и/или проведения химической и/или электрохимической реакции.

9. Способ по п.1 , отличающийся тем, что функциональная газовая среда содержит газ, пар, взвесь воды, пар и/или взвесь органических и/или неорганических соединений, твердые микроразмерные и/или наноразмерные частицы различного состава, и/или их комбинацию.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что при осуществлении экспозиции последовательности элементарных сечений изготавливаемого изделия актиничным излучением, подвижность граничной зоны фотополимера обеспечивают преобразованием волнового фронта актиничного излучения таким образом, что удельная мощность излучения на экспонируемых участках имеет градиент вдоль оси построения, причем в подвижной граничной зоне фотополимер экспонируется частично.

П . Способ по п.1 , отличающийся тем, что при изготовлении изделия подвергают термической обработке жидкий фотополимер, и/или функциональную среду, и/или формируемое изделие.

12. Устройство для изготовления трехмерного изделия из жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, содержащее, по крайней мере, один источник актиничного излучения с пространственной модуляцией, емкость для размещения жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением, снабженную окном - оптическим интерфейсом, выполненным в виде, как минимум, одного оптически прозрачного элемента, предназначенного для контакта с фотополимером, механизм перемещения изделия вдоль оси построения, носитель для закрепления изделия, связанный с механизмом перемещения изделия вдоль оси построения, носитель содержит, как минимум, один канал для подачи функциональной среды, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит узел регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что узел регулирования положения граничной зоны между жидким фотополимером, отверждаемым актиничным излучением, и функциональной средой выполнен на основе принципа действия сифона.

14. Устройство по п.14, отличающееся тем, что дополнительно содержит источник давления функциональной среды и соединенный с ним узел контроля и управления давлением функциональной среды.

15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что дополнительно содержит, как минимум, один преобразователь волнового фронта актиничного излучения, формирующего проекцию изделия.

16. Устройство по п.12, отличающееся тем, что дополнительно содержит узел термической обработки функциональной среды и/или изготавливаемого изделия, и/или жидкого фотополимера, отверждаемого актиничным излучением.