快速、大容量、无死层3D打印制造技术

本发明专利技术提供了包括不混溶且具有去湿性并且可以用于形成三维物体的去湿材料和聚合液体的方法和设备，其中所述方法不需要死区。另外，本发明专利技术提供了使用流动的去湿材料来提供剪切界面以降低界面粘附力的方法和设备。切界面以降低界面粘附力的方法和设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】快速、大容量、无死层3D打印
[0001]政府支持声明
[0002]本专利技术是根据空军科学研究办公室(Air Force Office of Scientific Research)授予的FA9550
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16
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0150在政府支持下进行的。本专利技术是根据美国能源部科学办公室基础能源科学(U.S.Department of Energy,Office of Science,Basic Energy Sciences)资助的能源前沿研究中心
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生物启发能源科学中心授予的DE
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SC0000989在政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
[0003]相关申请的交叉引用
[0004]本申请根据35U.S.C.
§
119(e)要求于2019年3月7日提交的美国临时专利申请序列号62/815,175、于2019年10月10日提交的美国临时专利申请序列号62/913,712和于2019年12月16日提交的美国临时专利申请序列号62/948,557的权益，所述美国临时专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。


[0005]本公开总体上涉及用于制造三维物体的方法和设备。更具体地，本公开涉及以自下而上的方式由聚合液体制造固体三维物体的方法和设备，而不需要死区或抑制层，并且具有流动去湿相以减少界面粘附力。

技术介绍

[0006]在传统的加成或三维制造技术中，三维物体的构造以逐步或逐层的方式进行。具体地，通过在可见光或UV光照射的作用下可光固化树脂的固化来进行层形成。已知两种技术：一种是在生长物体的顶部表面形成新层的技术；另一种是在生长物体的底部表面形成新层的技术。
[0007]如果在生长物体的顶部表面形成新层，那么在每个照射步骤之后，构造中的物体降入树脂“池”内，在顶部涂覆新的树脂层，并进行新的照射步骤。此类技术的早期实例在图3处在Hull的美国专利第5,236,637号中给出。此类“自上而下”技术的缺点是需要将生长物体浸没在(可能深的)液体树脂池中并重构精确的液体树脂上覆层。
[0008]如果在生长物体的底部形成新层，那么在每个照射步骤之后，构造中的物体必须与制造井中的底板分离。此类技术的早期实例在图4处在Hull的美国专利第5,236,637号中给出，其中聚合液体漂浮在非润湿的不混溶液体层的顶部。然而，此类技术尚未商业化，并且实情为，已经实现了用于“自下而上”制造的显著不同的技术。例如，在美国专利第7,438,846号中，弹性分离层用于在底部构造平面处实现经固化材料的“非破坏性”分离。其它方法，如由美国南达科他州戴德伍德(Deadwood,South Dakota,USA)的B9Creations公司销售的B9Creator
TM 3维打印机，采用滑动构建板在层已固化后引发机械劈裂。参见例如M.Joyce，美国专利申请2013/0292862和Y.Chen等人，美国专利申请2013/0295212(均为2013年11月7日)；还参见Y.Pan等人,《制造科学与工程杂志(J.Manufacturing Sci.and Eng)》.134,051011
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1(2012年10月)。此类方法引入了可能使设备复杂化、使方法变慢和/或
可能使最终产品变形的机械步骤。
[0009]如美国专利第10,259,171号所描述的，Carbon有限公司推出了自下而上的制造方法，被称为连续液态界面打印(CLIP)，利用氧抑制来创建反应“死区”或“抑制层”。此“死区”防止出现的部件与打印池底部之间的粘附，去除了从池中重复地机械地劈裂部件的需要。相反，聚合是在不混溶液体与可聚合液体之间的构建界面附近进行化学猝灭的。“死区”是通过使聚合抑制剂如氧气部分地或完全地通过半透膜，以连续向“死区”进料抑制剂而产生的。通过防止界面处的聚合，避免了粘附，并且经固化材料可以不断地拉离构建区域。CLIP方法进一步要求不混溶液体可与可聚合液体润湿，以促进可聚合液体在不混溶液体表面上的扩散。然而，此系统具有若干限制。具体地，“死区”对温度高度敏感，且微小的波动可能导致打印失败。另外，聚合反应是极度放热的，并且必须在不破坏“死区”的情况下消散热量。然而，有效地在大面积上消散多余热量的冷却配置即提供主动冷却机构的冷却配置也会抑制氧渗透和“死区”的产生。因此，构建域的面积(即，平面宽度和高度)仅限于不会侵犯氧气递送到“死区”的冷却配置。为此，利用CLIP的商业系统依赖于小型打印床或较慢的竖直打印速度，因此可以打印结构而不会产生导致部件劣化的温度。最后，可以使用的聚合液体仅限于那些对氧敏感和允许氧在死区处抑制聚合的液体。
[0010]因此，需要用于三维制造的替代性方法和设备，其可以消除对“自下而上”制造中的机械分离步骤的需要，允许在大型打印床上打印，并且可以快速打印而不会产生导致部件劣化的温度。

技术实现思路

[0011]本公开的一方面提供了使用设备形成三维物体的方法，所述设备具有可移动粘附台，所述可移动粘附台与构件分开，所述方法包含：使去湿材料跨构件流动，所述去湿材料具有构建表面；在所述去湿材料上提供聚合液体，其中所述聚合液体与所述去湿材料不混溶，使得在所述聚合液体与所述去湿材料之间限定界面，并且在所述界面与所述粘附台之间限定构建区域；以及通过所述构件的至少一部分和所述去湿材料使所述构建区域中的所述聚合液体暴露于能量图案以使所述聚合液体聚合并形成生坯聚合物；以及使所述粘附台远离所述构建表面前进以形成包含所述生坯聚合物的所述三维物体，其中所述去湿材料任选地在层流条件下跨所述构件流动并且在足以消散热量并且任选地在所述生坯聚合物与所述去湿材料之间维持滑移边界的条件下再循环。
[0012]本公开的另一方面提供了一种用于由聚合液体形成三维物体的设备，所述设备包含：支撑件；粘附台，所述粘附台与所述支撑件操作性地相关联，所述三维物体是在所述粘附台上形成的；构件，所述构件具有长度方向和宽度方向，所述构件上具有一层去湿材料，所述去湿材料具有构建表面，其中所述构建表面与所述粘附台之间限定构建区域；入口歧管，所述入口歧管在所述构件的所述长度的一端处设置在所述构件上，所述入口歧管具有与所述去湿材料流体连通的分配喷嘴，所述分配喷嘴包括多个单独的流体出口喷嘴，所述多个单独的流体出口喷嘴跨所述构件的所述宽度方向间隔开，使得可能跨所述构件的所述长度方向提供去湿材料的均匀流动；以及出口歧管，所述出口歧管在所述构件的所述长度的位于所述入口歧管远侧的一端处设置在所述构件上，所述出口歧管具有收集喷嘴，所述收集喷嘴与所述去湿材料流体连通并与入口流体连通以提供再循环回路并实现去湿材料
跨所述构件流动，所述收集喷嘴包括跨所述构件的所述宽度方向间隔开的多个单独的流体入口喷嘴，所述构建区域位于所述入口歧管与所述出口歧管之间；去湿材料储存器，所述去湿材料储存器任选地沿出口与入口之间的所述再循环回路设置，所述去湿材料储存器被配置成将去湿材料供应到所述构建本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种使用设备形成三维物体的方法，所述设备具有可移动粘附台，所述可移动粘附台与构件分开，所述方法包括：使去湿材料跨所述构件流动，所述去湿材料具有构建表面；在所述去湿材料上提供聚合液体，其中所述聚合液体与所述去湿材料不混溶，使得在所述聚合液体与所述去湿材料之间限定界面，并且在所述界面与所述粘附台之间限定构建区域；以及通过所述构件的至少一部分和所述去湿材料使所述构建区域中的所述聚合液体暴露于能量图案以使所述聚合液体聚合并形成生坯聚合物；以及使所述粘附台远离所述构建表面前进以形成包含所述生坯聚合物的所述三维物体，其中所述去湿材料任选地在层流条件下跨所述构件流动并且在足以消散热量并且任选地在所述生坯聚合物与所述去湿材料之间维持滑移边界的条件下再循环。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述去湿材料在层流条件下跨所述构件流动。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述去湿材料在足以在所述生坯聚合物与所述去湿材料之间维持滑移边界的条件下再循环。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述去湿材料连续再循环到所述构建区域。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述三维物体的所述形成期间，所述去湿材料跨所述构建区域具有定向均匀的速度曲线。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述足以在所述生坯聚合物与所述去湿材料之间提供滑移边界的条件包括选择所述去湿材料和所述聚合液体，使得所述去湿材料(D)和所述聚合液体(PL)的扩散系数S
PL/D
小于1或为负值。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述足以在所述生坯聚合物与所述去湿材料之间提供滑移边界的条件包括选择所述去湿材料和所述聚合液体，使得所述去湿材料在与所述生坯聚合物形成的界面附近或在所述界面处的体积通量大于零。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述体积通量在约0.05毫米/秒到约10毫米/秒、约0.1毫米/秒到约9毫米/秒、0.2毫米/秒到约0.8毫米/秒或约0.2毫米/秒到约0.75毫米/秒的范围内。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述足以在所述生坯聚合物与所述去湿材料之间提供滑移边界的条件包括选择所述去湿材料和所述聚合液体，使得所述三维物体的打印质量相对于由相同系统制备但存在以下情况的三维物体的打印质量有所提高：所述去湿材料是静止的。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述足以在所述生坯聚合物与所述去湿材料之间提供滑移边界的条件包括选择所述去湿材料和所述聚合液体，使得所述三维物体的打印质量相对于由相同系统制备但存在以下情况的三维物体的打印质量有所提高：(a)所述去湿材料相对于所述聚合液体不具去湿性，或者(b)所述去湿材料相对于所述聚合液体不具去湿性，并且所述去湿材料是静止的。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述去湿材料和所述聚合液体是非
润湿的。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述去湿材料和所述聚合液体的接触角大于60
°
。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述聚合液体基本上不含表面活性剂。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法是在无氧环境中执行的。15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述去湿材料包括水性液体、有机液体、硅酮液体或含氟液体。16.根据权利要求15所述的方法，其中所述去湿材料包括氟化油。17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述去湿材料在25℃下的粘度在10,000cps或更小的范围内。18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述聚合液体包括水性聚合液体。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述聚合液体包括选自由以下组成的组的单体或低聚物：丙烯酸、甲基丙烯酸、聚氨酯、丙烯酸酯、聚酯、氰基酯、丙烯酰胺、马来酸酐、官能化PEGS、二甲基丙烯酸酯低聚物、陶瓷先驱体聚合物、硅氧烷和其组合。20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述聚合液体包括有机聚合液体。21.根据权利要求20所述的方法，其中所述聚合液体包括选自由以下组成的组的单体或低聚物：烯烃、卤代烯烃、环烯烃、乙烯基化合物、炔烃、硫醇和其组合。22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述聚合液体包括能结合在一起的微粒或胶体物质。23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述聚合液体包括氧敏感聚合液体。24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述聚合液体包括氧不敏感聚合液体。25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述去湿材料、所述聚合液体、生坯聚合物或其组合的温度不超过150℃。26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述去湿材料、所述聚合液体、生坯聚合物或其组合的温度不超过120℃。27.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述去湿材料、所述聚合液体、生坯聚合物或其组合的最高温度在约100℃到约120℃的范围内。28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括使所述去湿材料冷却。29.根据权利要求28所述的方法，其中使所述去湿材料冷却包括通过使所述去湿材料再循环通过去湿材料储存器来使热量消散到所述储存器中。30.根据权利要求28或权利要求29所述的方法，其中使所述去湿材料冷却包括使所述去湿材料通过热交换器。31.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其竖直打印速度在约10微米/秒到约300微米/秒的范围内。32.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其竖直打印速度在约50微米/秒到约150微米/秒、约90微米/秒到约150微米/秒、约90微米/秒到约270微米/秒或约120微米/秒到约240微米/秒的范围内。33.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述聚合是通过电磁照射、电、热激
活、磁激活或其组合执行的。34.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使所述粘附台远离所述构建...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：