[发明专利]基于基材的加成法制造工艺和装置

说明书

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求2011年6月15日递交的美国临时申请No.61/497225的优先权，该申请通过全文引用结合于此，如同在本文中完整阐述一样。

发明领域

本发明涉及基于基材的加成法制造工艺和其装置。

发明背景

加成法制造工艺（additive fabrication process）利用物体的计算机辅助设计(CAD)数据逐层构建三维制件。这些三维制件可以由树脂、粉末或其他材料制成。用于制造三维制品的加成法制造工艺是本领域已知的。

加成法制造工艺的实例为立体平版印刷(SL)。SL是一种用于快速制造某些应用中的模型、原型、图案和生产部件的公知方法。SL使用物体的CAD数据，其中该数据被转变为三维物体的薄的横截面。这些数据加载在计算机中，控制激光束扫描横截面的图案穿过容纳在桶中的可辐射固化树脂组合物的，从而固化与横截面相对应的树脂的薄层。用树脂再涂布固化层，然后激光束扫描另一个横截面，从而使在前一层的顶部的另一个树脂层硬化。可选地，机器必须在再涂布步骤和扫描下一个横截面之间停留，以使可辐射固化树脂平衡。逐层地重复该过程直到完成三维物体。最初形成时，该三维物体通常未完全固化，因而如果需要的话可能要进行后固化。

SL是一种基于桶的（vat-based)加成法制造工艺。基于桶的系统由其中发生成像的可辐射固化树脂的大储液器或桶组成。可垂直运动的升降台浸入桶中并在构建固态三维物体时用于支撑该物体。基于桶的加成法制造工艺的速度例如受再涂布过程和可选的停留时间（在构建三维物体的每一层之间必须发生）的抑制。

业已开发出使用基于桶的系统发生成像的加成法制造系统，该系统被改进为使用薄片或膜来协助形成各层。这种技术公开于例如美国专利5171490、7052263和7438846中。

业已开发出的其他加成法制造系统，它们被称为无桶系统。无桶系统与传统的基于桶的系统相比不同之处在于，成像步骤不是发生在可辐射固化树脂的储液器中。而是将可辐射固化树脂的层运送到成像区，每次运送一层。无桶系统的实例公开于例如欧洲专利EP1710625和美国专利6547552、7614866、7758799以及7731887中。可商购的无桶系统的例子为来自3D Systems,Inc.的系统。这些机器中的一些采用上下颠倒的构建平台，其中当构建制件时，其被垂直向上运送，而不是像在传统的基于桶的设备中那样垂直向下运送。

在本专利申请通篇中，把需要将刚固化的固体层与分离层或载体(例如膜、薄片、玻璃或板）分离的步骤的工艺称为基于基材的加成法制造工艺。在本专利申请通篇中，这种分离层和载体将被统称为基材。

基于基材的工艺通常按照同样的一般方法：将可辐射固化树脂层涂布到基材上，将可辐射固化树脂层与之前固化的层接触，将可辐射固化树脂暴露于光化辐射，从而形成粘附到之前固化的层上的固化层，将固化层与基材分离，并重复上述步骤足够多的次数，以构建三维物体。

尽管加成法制造工艺中基材的使用提供了若干较之传统基于桶的系统的改进，但基材的使用也存在一些挑战。例如，基于基材的工艺增加了用可辐射固化树脂精确且充分涂布基材的复杂性。在基于基材的工艺中，从基材可辐射固化树脂涂布不足或不均匀或者去湿不足或不均匀会对三维物体的构建产生负面的影响。此外，增大的工艺速度需要在新固化的树脂层中产生适当的生坯强度，从而有助于将新固化的层从基材上适当地剥离并适当地结合到之前固化的层上。

必须设法应对固化着的液体可辐射固化树脂对基材的粘附。当新固化的可辐射固化树脂层固化时，会产生对之前固化的层的内聚强度以及对基材的粘接强度。关键是，新固化的可辐射固化树脂层完全从基材上剥离。新固化的可辐射固化树脂层从基材上剥离被称为粘附破坏。

新固化的层对之前固化的层的粘附被称为内聚强度。对之前固化的层产生良好的内聚强度，对于所有加成法制造应用来说都很重要。然而，由于将基材与新固化的可辐射固化树脂层分离所产生的附加力，所以在基于基材的加成法制造工艺中，内聚强度比在未采用基材的加成法制造工艺中重要得多。当新固化的可辐射固化树脂层对基材的粘附性比对之前固化层的粘附性更强，并且新固化的可辐射固化树脂层要么不能完全与基材分离，要么造成之前固化的各层之间出现一些分离时，发生内聚破坏。总之，除非在每一个构建层内聚破坏之前固化层/基材界面发生粘接破坏，否则构建将失败。