[发明专利]利用连续波紫外光LED固化的选择性沉积成形

说明书

技术领域

本发明涉及实体自由成形制造，尤其涉及利用连续紫外光(UV)辐射固化多层制作材料，以形成三维结构或物体的选择性沉积成形方法、系统和设备。

背景技术

几种技术被用于快速产生用于限量制造的实体三维模型、原型和零件。这些技术通常被称为实体自由成形制造(SFF)技术，包括立体光刻术，选择性沉积成形(SDM)，立体印刷，分层实体制造，选择性相区沉积(selective phase area deposition)，多相喷射固化，弹道粒子制造，熔融沉积成形，粒子沉积，激光烧结等等。通常在SFF技术中，与本质上通常为减成法的常规制造技术相反，按照加成方式用成形材料生产复杂零件。

在许多SFF技术中，通过凝固或固化连续多层的制作材料，逐层地形成三维物体。例如，在立体光刻术中，使紧密聚焦的能量束(一般在紫外光辐射带中)扫描一层液体感光聚合物制作材料，以有选择地固化所述制作材料，从而形成物体。在SDM中，一般以不连续小滴的形式喷射或滴落制作材料，或者通过喷嘴挤出制作材料，从而当接触制作平台或者前一层凝固的材料时凝固，以便层状地制作三维物体。在SFF行业中使用的SDM的其它名称是实体成像，实体成形，熔融沉积成形，选择性相区沉积，多相喷射成形，立体印刷，热立体光刻术，选择性相区沉积，弹道粒子制造，熔融沉积成形等等。

例如，在Masters的美国专利No.5,216,616中公开了弹道粒子制造。例如，在Crump的美国专利No.5,340,433中公开了熔融沉积成形。例如，在Sachs等的美国专利No.5,204,055中公开了立体印刷。具有低熔点的热塑性材料通常被用作SDM中的实体成形材料，它是通过诸如挤出机或打印头之类的喷射系统配送的。例如，在Batchelder等的美国专利No.5,866,058中描述一种挤出热塑性材料的SDM工艺。例如，在Menhennett等的美国专利No,5,555,176中描述一种利用喷墨打印头的SDM工艺。

最近，产生了在SDM中利用可固化材料的兴趣。在Helinski的美国专利No.5,136,515中见到利用可辐射固化制作材料的第一建议之一，其中提出在SDM设备中有选择地分配可UV固化的制作材料。在国际专利申请No.WO 97/11837的附录A中可见到提出的供SDM设备之用的一些最初的可UV固化材料配方，其中提供了三种活性材料成分。在Gothait的美国专利No.6,259,962；Titterington等的美国专利No.5,380,769；Leyden等的美国专利Nos.6,133,355和5,855,836；美国专利申请公开No.US 2002/0016386 A1；和国际公开号WO01/26023，WO 00/11092和WO 01/68375中提供了在各种选择性沉积成形中使用可固化材料的最新教导。

这些可固化材料一般包含光引发剂和感光聚合物，当暴露在紫外光辐射(UV)下时，所述感光聚合物开始交联和凝固。通常，这些可固化材料包含不可固化的组分，这种不可固化的组分使材料能够在固化之前被分配，之后凝固。需要这种性质，以致在暴露于紫外光辐射之下之前，有选择地分配的材料将保持其形状。

对有选择地分配可固化材料的SDM设备来说，理想的是借助对UV辐射的整片曝光，引发分配材料的固化。不过，开发有效地在这些材料中引发固化的整片UV曝光系统已证明是成问题的。当通过暴露于UV辐射下而激发薄层中的光引发剂时，光引发剂释放用来与感光聚合物反应，并引发聚合(固化)过程的自由基。由于这些薄层大面积地暴露在大气中，因此自由基往往会与大气中的氧气反应，而不是与感光聚合物反应以引发固化。这种固化阻碍现象被称为“氧阻聚”，它会不利地减小或者阻止发生聚合过程。在立体光刻术中实际上并不存在氧阻聚，因为紧密聚焦的UV辐射束在较小的区域内触发自由基的瞬时巨大释放。该区域如此之小，以致自由基没有机会与大气中的氧气反应。不过，在为了引发固化过程，期望较宽的平面整片曝光的SDM应用中，氧阻聚是一个相当大的问题。尽管把SDM制作环境淹没在惰性气体中，能够克服这种现象，不过提供这样的系统会对SDM设备增加额外的复杂性和费用。