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用于生产三维物体的方法和立体 光刻机

阅读：911发布：2020-05-13

专利汇可以提供用于生产三维物体的方法和立体光刻机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于通过立体光刻机生产成层的三维物体的方法和一种立体光刻机，立体光刻机包括：容纳流体物质的容器，流体物质适于通过暴露于预定的辐射而凝固；适于发射预定的辐射以及使与容器的底部邻近的流体物质的层凝固的装置；适于支承凝固层并且与致动器装置相关联的模板，致动器装置适于使模板垂直于容器的底部移动；与流体物质接触地布置的整平装置。该方法包括下列操作：选择性地照射流体物质的层以获得凝固层；从流体物质取出凝固层；通过移动整平装置使得整平装置在模板与容器之间通过来重新分布容器中的流体物质。，下面是用于生产三维物体的方法和立体光刻机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于通过以下类型的立体光刻机(1)生产成层的三维物体(11)的方法，所述立体光刻机(1)包括：
-容器(2)，所述容器(2)填充有适于通过暴露于预定的辐射(4a)而被凝固的膏状态的流体物质(3)；
-用于发射所述预定的辐射(4a)的装置(4)，所述装置(4)适于选择性地照射具有预定厚度并且与所述容器(2)的底部(2a)邻近地布置的所述流体物质(3)的层，以便使所述流体物质(3)的所述层凝固；
-模板(5)，所述模板(5)适于支承凝固层(6)；
-致动器装置(7)，所述致动器装置(7)适于使所述模板(5)至少沿着垂直于所述底部(2a)的模化方向(X)相对于所述底部(2a)移动；
-整平装置(8)，所述整平装置(8)布置成与所述流体物质(3)接触；
其特征在于，所述方法包括下列操作：
-使所述模板(5)浸入到所述流体物质(3)中直到将所述模板(5)布置在距所述底部(2a)等于所述流体物质(3)的所述层的厚度的距离处；
-选择性地照射所述流体物质(3)的所述层以便获得所述凝固层(6)；
-使所述凝固层(6)远离所述底部(2a)移动，从而使所述凝固层(6)与所述流体物质(3)分开直到将所述凝固层(6)布置到所述流体物质(3)在所述容器(2)中所处的最高位置的上方；
-重新分布所述容器(2)中的所述流体物质(3)，以便填充由所述凝固层(6)远离所述底部(2a)的所述移动而产生的凹陷部(3a)，其中，所述凹陷部(3a)与所述底部(2a)相邻，重新分布过程通过使所述整平装置(8)在所述模板(5)与所述容器(2)之间从所述容器(2)的第一区域朝向所述凹陷部(3a)移动而发生，在所述容器(2)的所述第一区域中，所述流体物质(3)的水平面高于所述凹陷部(3a)的水平面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述整平装置(8)包括桨状物(9)，所述桨状物(9)主要沿着纵向方向延伸。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述移动通过所述桨状物(9)在垂直于所述纵向方向的移动方向(Y)上的移位来执行。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在发生在两个连续的层的凝固之间的间隔期间的所述流体物质(3)的每次重新分布过程中，所述移动沿单一的移动方向(Y)发生，使得所述整平装置(8)从所述模板(5)的一侧通过至另一侧。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述整平装置(8)在每次所述重新分布操作过程中的所述移动沿相对于先前重新分布操作的相反方向发生。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述流体物质(3)是包括聚合物成分和颗粒材料的混合物，或者是膏状物质。
7.一种立体光刻机(1)，包括：
-容器(2)，所述容器(2)用于适于通过暴露于预定的辐射(4a)而被凝固的膏状态的流体物质(3)；
-用于发射所述预定的辐射(4a)的装置(4)，所述装置(4)适于选择性地照射具有预定厚度并且与所述容器(2)的底部(2a)邻近地布置的所述流体物质(3)的层，以便使所述流体物质(3)的所述层凝固；
-模板(5)，所述模板(5)适于支承凝固层(6)；
-致动器装置(7)，所述致动器装置(7)适于使所述模板(5)至少沿着垂直于所述底部(2a)的模化方向(X)相对于所述底部(2a)移动，从而使所述凝固层(6)与所述流体物质(3)分开直到将所述凝固层(6)布置到所述流体物质(3)在所述容器(2)中所处的最高位置的上方；
其特征在于，所述致动器装置(7)构造成用于使所述模板(5)浸入到所述流体物质(3)中直到将所述模板(5)布置在距所述底部(2a)等于所述流体物质(3)的所述层的厚度的距离处，并且所述立体光刻机还包括：
-整平装置(8)，所述整平装置(8)适于当与所述流体物质(3)接触地移动时推动所述流体物质(3)，以使所述流体物质(3)在所述容器(2)中重新分布；
-动力装置，所述动力装置构造成使所述整平装置(8)在所述模板(5)与所述容器(2)之间与所述流体物质(3)接触地移动，使得所述整平装置(8)将所述流体物质(3)推向所述流体物质(3)中的凹陷部(3a)从而填充所述凹陷部(3a)，其中，所述凹陷部(3a)与所述底部(2a)相邻。
8.根据权利要求7所述的立体光刻机(1)，其特征在于，所述整平装置(8)包括至少一个桨状物(9)，所述至少一个桨状物(9)主要沿着纵向方向延伸。
9.根据权利要求8所述的立体光刻机(1)，其特征在于，所述动力装置构造成使所述桨状物(9)沿垂直于所述纵向方向的方向(Y)移动。
10.根据权利要求8或9所述的立体光刻机(1)，其特征在于，所述动力装置构造成使所述桨状物(9)垂直于所述底部(2a)移动并且使所述桨状物(9)浸入到所述流体物质(3)中以及从所述流体物质(3)中取出。
11.根据权利要求9所述的立体光刻机(1)，其特征在于，所述桨状物(9)构造成使得所述桨状物(9)的所述移动能够使所述流体物质(3)具有均匀的厚度。
12.根据权利要求11所述的立体光刻机，其特征在于，所述桨状物(9)布置成距离所述底部(2a)一定距离。
13.根据权利要求8或9所述的立体光刻机，其特征在于，所述流体物质(3)是包括聚合物成分和颗粒材料的混合物，或者是膏状物质。

说明书全文

用于生产三维物体的方法和立体 光刻机

[0001] 本申请是申请人“DWS有限公司”于2012年4月19日提交的、发明名称为“用于生产三维物体的方法和应用所述方法的立体光刻机”的发明专利申请201280018961.4的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明涉及一种立体光刻方法和应用所述方法的立体光刻机。

背景技术

[0003] 众所周知，立体光刻技术用于通过能够通过暴露于光源而聚合的多层光敏液态树脂的连续沉积来生产三维物体。

[0004] 具体地，每个树脂层添加至待生产的三维物体的在前层并且允许在对应于物体本身的体积的点处选择性地凝固。

[0005] 根据已知实施方式的立体光刻机包括适于容纳所述液态树脂并且设置有透明底部的容器。

[0006] 还具有光源，通常为激光发射器或投射器，其能够选择性地照射与容器的底部邻近地布置的液态树脂的层，使得液态树脂的层凝固。

[0007] 机器还包括模板，模板适于支承三维物体的凝固层，模板与致动器装置相关联，致动器装置适于允许板在垂直于容器的底部的方向上移动。

[0008] 根据使用上述机器的已知类型的立体光刻方法，首先，模板布置在距离容器的底部等于待凝固的层的厚度的距离处。

[0009] 继而，与容器的底部邻近的液态树脂层由光源选择性地照射从而使该液态树脂层凝固。

[0010] 模板构造成使得凝固层粘附于模板，同时，相反地，容器的底部设置有减小这种粘附的涂层。

[0011] 模板远离容器的底部连续地移动，从而使凝固层从液态树脂露出，并且由此，可以恢复加工物体的后续层所需的液态树脂的厚度。

[0012] 事实上，提升模板和凝固层意味着在液态树脂中留下凹陷部，该凹陷部由树脂本身的自发的流动填充。

[0013] 所述整平动作恢复凝固物体的新的层以及进一步防止在模板的连续下降过程中气泡保持受陷于液态树脂中所必需的液态树脂的厚度，气泡受陷于液态树脂中可能影响三维物体的后续层的完整性。

[0014] 一旦所述自发整平完成，模板再次浸入液态树脂中并且物体的另一层被凝固。

[0015] 上述方法具有下述缺陷：三维物体的总加工时间由于在物体的每一层凝固之后用于整平液态树脂所需的等待时间而大幅延长。

[0016] 由于形成通过立体光刻所获得的物体的层数能达到几百，所以可以理解，上文提到的等待时间导致加工时间上的大幅增加。

[0017] 明显地，等待时间与液态树脂的粘度成比例。因此，当使用所谓“混合”型的树脂时，上述缺陷尤为重要，所谓“混合”型的树脂包括与聚合物成分混合的陶瓷或其他材料的颗粒。

[0018] 所述混合树脂适于生产具有高机械阻力的物体，但是，另一方面，其粘度与立体光刻中通常使用的其他树脂相比更高。

[0019] 在专利申请WO 2010/045950中描述的已知实施方式包括可移动的箱和与树脂接触地布置的固定整平桨状物。

[0020] 在每层的凝固之前，箱移动使得整平桨状物填充由当模板被提升时模板留下的凹陷部。

[0021] 此实施方式具有下述缺陷：其需要用于箱的移动的一定量的空间，相应地，这使得机器的总尺寸增大。

发明内容

[0022] 本发明旨在克服如上文概述的已知技术的所有缺陷。

[0023] 具体地，本发明的目的是提供一种立体光刻方法和一种立体光刻机，该立体光刻机可以通过成层的流体物质的凝固比当应用上述已知类型的方法更快速地生产三维物体。

[0024] 本发明的另一目的是与已知类型的机器相比限制机器的总体尺寸。

[0025] 上述物体通过根据本申请的一方面所述的用于生产成层的三维物体的方法得以实现。

[0026] 上述目的还通过根据本申请的另一方面所述的立体光刻机得以实现。

[0027] 本发明的进一步的特征和细节在本申请的其他方面中进行描述。

[0028] 本申请的一方面提供一种用于通过以下类型的立体光刻机生产成层的三维物体的方法，所述立体光刻机包括：-容器，所述容器填充有适于通过暴露于预定的辐射而被凝固的液态或膏状态的流体物质；-用于发射所述预定的辐射的装置，所述装置适于选择性地照射具有预定厚度并且与所述容器的底部邻近地布置的所述流体物质的层，以便使所述流体物质的所述层凝固；-模板，所述模板适于支承凝固层；-致动器装置，所述致动器装置适于使所述模板至少沿着垂直于所述底部的模化方向相对于所述底部移动；-整平装置，所述整平装置布置成与所述流体物质接触；所述方法包括下列操作：-使所述模板浸入到所述流体物质中直到将所述模板布置在距所述底部等于所述流体物质的所述层的厚度的距离处；-选择性地照射所述流体物质的所述层以便获得所述凝固层；-使所述凝固层远离所述底部移动，从而使所述凝固层脱离所述流体物质；-重新分布所述容器中的所述流体物质，以便填充由所述凝固层远离所述底部的所述移动而产生的凹陷部，重新分布过程通过使所述整平装置在所述模板与所述容器之间从所述容器的第一区域朝向所述凹陷部移动而发生，在所述容器的所述第一区域中，所述流体物质的水平面高于所述凹陷部的水平面。

[0029] 优选地，所述整平装置包括桨状物，所述桨状物主要沿着纵向方向延伸。

[0030] 优选地，所述移动通过所述桨状物在垂直于所述纵向方向的移动方向上的移位来执行。

[0031] 优选地，在发生在两个连续的层的凝固之间的间隔期间的所述流体物质的每次重新分布过程中，所述移动沿单一的移动方向发生，使得所述整平装置从所述模板的一侧通过至另一侧。

[0032] 优选地，所述整平装置在每次所述重新分布操作过程中的所述移动沿相对于先前重新分布操作的相反方向发生。

[0033] 优选地，所述流体物质是包括聚合物成分和颗粒材料的混合物，或者是膏状物质。

[0034] 本申请的另一方面提供一种立体光刻机，包括：-容器，所述容器用于适于通过暴露于预定的辐射而被凝固的液态或膏状态的流体物质；-用于发射所述预定的辐射的装置，所述装置适于选择性地照射具有预定厚度并且与所述容器的底部邻近地布置的所述流体物质的层，以便使所述流体物质的所述层凝固；-模板，所述模板适于支承凝固层；-致动器装置，所述致动器装置适于使所述模板至少沿着垂直于所述底部的模化方向相对于所述底部移动；所述致动器装置构造成用于使所述模板浸入到所述流体物质中直到将所述模板布置在距所述底部等于所述流体物质的所述层的厚度的距离处，并且所述立体光刻机还包括：-整平装置，所述整平装置适于当与所述流体物质接触地移动时推动所述流体物质，以使所述流体物质在所述容器中重新分布；-动力装置，所述动力装置构造成使所述整平装置在所述模板与所述容器之间与所述流体物质接触地移动，使得所述整平装置将所述流体物质推向所述流体物质中的凹陷部从而填充所述凹陷部。

[0035] 优选地，所述整平装置包括至少一个桨状物，所述至少一个桨状物主要沿着纵向方向延伸。

[0036] 优选地，所述动力装置构造成使所述桨状物沿垂直于所述纵向方向的方向移动。

[0037] 优选地，所述动力装置构造成使所述桨状物垂直于所述底部移动并且使所述桨状物浸入到所述流体物质中以及从所述流体物质中取出。

[0038] 优选地，所述桨状物构造成使得所述桨状物的所述移动能够使所述流体物质具有均匀的厚度。

[0039] 优选地，所述桨状物布置成距离所述底部一定距离。

[0040] 优选地，所述流体物质是包括聚合物成分和颗粒材料的混合物，或者是膏状物质。

[0041] 有利地，作为本发明的主题的方法和机器可以在基本上不依赖于所使用的流体物质的粘度的总时间上生产三维物体。

[0042] 因此，有利地，本发明特别适于与诸如上述混合树脂的高粘度流体物质或其粘度甚至更高的流体膏状物质一起使用。

[0043] 还有利地，减少的总尺寸使得更易于使用机器。附图说明

[0044] 在通过参照附图的非限制性示例所提供的本发明的一些优选实施方式的描述中，阐明所述目的和优势以及下文中着重强调的其他目的和优势，其中：

[0045] 图1至图6示出了在不同操作构型中的本发明的立体光刻机的示意性侧视图。

具体实施方式

[0046] 参照由图1中的1总体上表示的立体光刻机对本发明的方法进行描述，立体光刻机包括容器2，容器2容纳流体物质3，流体物质3适于通过暴露于预定的辐射4a而凝固。

[0047] 从现在开始规定，术语“流体物质”指的是适于分布在容器2中使其表面呈现基本平面形状例如如同液态或膏状物质的表面的物质。

[0048] 流体物质3优选地但不必是光敏聚合物液态树脂以及预定的辐射是光辐射。

[0049] 具体地，所述树脂是所谓“混合”型的，其包括一旦已经凝固就能够增加树脂的机械阻力的陶瓷或其他材料的颗粒。

[0050] 但是，本发明的方法和机器可以与任何类型的流体物质一起使用，只要该流体物质能够在暴露于预定的辐射之后凝固即可。

[0051] 机器1还包括适于发射预定的辐射4a的装置4，装置4能够选择性地照射具有预定厚度并且与容器2的底部2a邻近布置的流体物质3的层从而使其凝固。

[0052] 发射器装置4优选地布置在容器2下面并且构造成朝向容器2的底部2a引导预定的辐射4a，容器2的底部2a可以透过辐射，如图2中所示。

[0053] 优选地，如果流体物质3是光敏树脂，则发射器装置4包括与适于朝向流体物质3的上述层的任意点引导光束的装置相关联的激光发射器。

[0054] 根据本文中未示出的本发明的变型实施方式，发射器装置4包括适于产生对应于流体物质3的待凝固层的表面区域的发光图像的投射器。

[0055] 立体光刻机1还包括模板5，模板5面对容器2的底部2a并且适于支承所形成的三维物体11。

[0056] 模板5与致动器装置7相关联，致动器装置7适于使模板5沿着垂直于底部2a的模化方向X相对于同一底部2a移动。

[0057] 具体地，模板5被构造成使得只要流体物质3已经凝固便粘附于模板5上。

[0058] 相反地，容器2的底部2a优选地由防止所述粘附的材料制成。

[0059] 根据本发明的方法，模板5浸入在流体物质3中，直到将模板5布置在距离底部2a等于需获得的凝固层的厚度的距离处。

[0060] 然后，对流体物质3的层选择性地进行照射以便获得凝固层6，凝固层6粘附于模板5，如图2和3中所示。

[0061] 接着，将模板5提升，以此方式来使凝固层6远离底部2a移动，直到凝固层6脱离流体物质3，如图4中所示。

[0062] 在凝固层6远离底部2a的上述移动之后，在包含在容器2中的流体物质3中，在由模板5和/或由所形成的三维物体11在前所占据的位置的水平面处仍存在凹陷区域3a。

[0063] 根据本发明的方法，为了填充上述凹陷部3a，通过凭借布置成与流体物质3接触的整平装置8将流体物质3推向凹陷部3a，在容器2中重新分布流体物质3。

[0064] 具体地，所述整平装置8与文中虽未示出但本质上已知的动力装置相关联，动力装置构造成使整平装置8与流体物质3接触、沿着移动方向Y相对于容器2的底部2a移动，从而如上所述地重新分布流体物质3。

[0065] 在所述移动过程中，整平装置8在模板5与容器2之间即在模板5下面通过。

[0066] 这样，不需要移动容器2来实施整平操作，并且因此可以限制机器1的整体尺寸。

[0067] 接着，模板5再次降下并且重复上述操作以便完成物体11的另一层的凝固。

[0068] 可以理解，上述整平装置8可以以比在前描述的已知方法更快的方式填充凹陷部3a，在上述方式中，填充动作是由流体物质的自发的重新分布引起的。

[0069] 因此，大幅减少了在物体的每层的凝固之后用于流体物质3的整平的等待时间，由此达到与由已知类型的方法所需的时间相比减少总加工时间的目的。

[0070] 具体地，所使用的流体物质3的粘度越高，总加工时间越短。

[0071] 因此，如先前所述，本发明的方法特别适合于在流体物质3是具有高粘度的混合树脂时使用。

[0072] 另外，优选地，为了在两个连续层的凝固之间的间隔期间重新分布流体物质3，整平装置8仅沿一个方向移动，该方向与如图中可以看到的对应于先前重新分布过程的方向相反。

[0073] 具体地，一旦每个层已经凝固，整平装置8通过模板5并且在模板5的相对于整平装置8在上一层的凝固之后所位于的一侧的相反侧上定位在模板5的旁边。

[0074] 这样，有利地，用于流体物质3的重新分布的每次操作不需要整平装置8返回至最初位置，并且因此该操作非常迅速。

[0075] 整平装置8设置成与位于水平面高于凹陷部3a的高度处的流体物质3的水平面的区域中的流体物质3的表面接触，从而能够将流体物质3推向凹陷部3a。

[0076] 优选地，整平装置8包括桨状物9，桨状物9沿着纵向方向大致地延伸并且桨状物9的长度优选地对应于容器2的宽度。

[0077] 在图中，桨状物9在侧视图中示出，并且因此，刚才提到的纵向方向垂直于附图平面本身。

[0078] 为了推动流体物质3，与流体物质3接触地布置的上述桨状物9沿着垂直于上述纵向方向的移动方向Y移动，如图5中所示。

[0079] 桨状物9的移动可以整平流体物质3，由此获得基本均匀的厚度，如图6中所示。

[0080] 显然，桨状物9可以具有任意形状，甚至不同于图中示出的形状，只要该形状适于与容纳在容器2中的流体物质3的表面接触从而整平流体物质3即可。

[0081] 根据本文中未示出的本发明的变型实施方式，容器2可相对于模板5在垂直于桨状物9的纵向方向的方向Y上移动。

[0082] 在此情形中，流体物质3的重新分布通过桨状物9和容器2的移动的组合发生。

[0083] 上文清楚地示出了本发明实现了所有设定目的。

[0084] 具体地，在物体的每层的凝固之后填充呈现在流体物质中的凹陷部的整平装置的使用可以减少在后续层的凝固之前的等待时间。

[0085] 因此，与当使用已知类型的立体光刻方法时所需的时间相比，大幅减少了制造三维物体所需的总时间，并且所述时间的减少随着所使用的流体物质的粘度的增大而变大。

[0086] 另外，整平装置移动使得整平装置在模板与容器之间通过的事实可以限制机器的总体尺寸。

[0087] 作为本发明的主题的方法和机器可以进行进一步地改变，即使本文中未描述并且附图中未示出，这些改变必须都认为由本专利所保护，只要这些改变落入随附权利要求的范围内。

[0088] 在任意权利要求中提到的技术特征由附图标记随附的情况下，这些附图标记已被包含仅用于增加权利要求的可理解性的目的，并且因此，这些附图标记对由这些附图标记通过示例的方式所标示的每个元件的保护不具有任何限制作用。

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