Емкость для использования в стереолитографических системах
Настоящее изобретение относится к емкости для удержания фоточувствительной жидкости для использования в стереолитографической системе, в которой исходный слой подвергается излучению для послойного или непрерывного конструирования обрабатываемых деталей. По меньшей мере один элемент емкости, находящийся непосредственно смежно с исходным слоем, состоит из по меньшей мере одного материала, который является по меньшей мере частично проницаемым для излучения и по меньшей мере некоторая часть которого имеет структуры и/или поры, которые могут вмещать и выпускать, предпочтительно также хранить, ингибитор и/или смесь ингибиторов. Следовательно, элемент может не только подавать ингибитор, но и в значительной степени состоять из самого ингибитора, в результате чего подаваемый поток сбалансирован или гомогенизирован. Таким образом, возможна быстрая или даже непрерывная 3D-печать экономически эффективным способом. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к части стереолитографической системы.
В стереолитографической системе трехмерный объект образуется из фоточувствительного вещества за счет послойного или непрерывного последовательного расположения слоев или информации о слое.
В стереолитографии согласно инвертированному способу первый слой обрабатываемой детали, т. е. до выполнения первого этапа фактического генеративного процесса, перемещают на носитель (например, прикрепленный посредством процесса полимеризации). Носитель может осуществлять движение относительно фокальной плоскости или исходного слоя. На следующем этапе процесса обеспечивают возможность протекания нового материала из фоточувствительного вещества в исходный слой под слоем, образованным последним, или фронтом полимеризации. Этого можно достичь за счет, например, одиночного подъемного движения или комбинации подъемных движений. Затем добавленное фоточувствительное вещество может вновь быть отверждено под воздействием света.
В стереолитографии согласно инвертированному способу исходный слой находится непосредственно под обрабатываемой деталью, над дном резервуара или емкости, в которых расположен жидкий исходный материал (например, синтетическая смола с возможностью фотополимеризации).
При поднятии обрабатываемой детали для способствования отверждению следующего слоя следует обеспечить, чтобы последний только что отвердевший слой обрабатываемой детали не склеился с дном резервуара.
Уровень техники
Из уровня техники известно большое количество решений, которые обеспечивают использование ингибиторов для ускорения процесса вплоть до непрерывного процесса изготовления.
Использование ингибиторов для образования инертной промежуточной фазы в фотореактивной смоле было, например, описано автором Lawton в документе US 5391072. В нем описано использование пленки из Teflon AF или фторполимеров, расположенных на носителе, для обеспечения протекания газообразного ингибитора извне в пространстве между носителем и пленкой. Ингибитор (например, кислород) проникает в пленку из Teflon AF, тем самым образуя не вступающий в реакцию ингибиторный слой внутри вышележащего фотореактивного исходного слоя или непосредственно под ним. Образуется смазочная пленка, которая может значительно упростить отделение обрабатываемой детали от дна резервуара, тем самым ускоряя процесс.
В публикации за авторством Fricke (WO 01/72501 A1) описана стереолитографическая система, которая может создавать обрабатываемую деталь непрерывно, т. е. без разрывов между слоями. Процесс полимеризации является непрерывным, и обрабатываемая деталь непрерывно вытягивается из жидкого фотореактивного материала на скорости, коррелирующей с кинетикой фронта реакции. В этом контексте Fricke также описывает использование систем экспонирования маски, которые обеспечивают возможность генерирования информации о слое в каждой точке плоскости экспонирования или исходного слоя одновременно. Fricke достиг образования не вступающей в реакцию фазы, необходимой для непрерывного процесса, за счет охлаждения фотореактивной жидкости, чтобы таким образом создать разность реакций в фотореактивном веществе. Таким образом можно достичь скоростей печати, составляющих 1 мм/с.
В публикации US 2015/0360419 A1 за авторством Willis раскрыта стереолитографическая система с резервуаром, состоящим из материала, обладающего непосредственной кислородопроницаемостью. Это обеспечивает образование слоя, содержащего ингибитор, который способствует уменьшению усилия разделения. Teflon AF или фторполимер используются в качестве кислородопроницаемого материала. Также описана двухступенчатая система, в которой прозрачная химически инертная жидкость расположена между емкостью и фотореактивным веществом.
В публикации DE 20 2013 103 446 U1 описано использование полупроницаемой мембраны для создания ингибиторного слоя в фотореактивной жидкости для сведения к минимуму усилий разделения.
Как показано на фиг. 13a, в патентном описании документа US 5545367 за авторством Young раскрыта конструкция, состоящая из фторполимера и структурированного носителя. Газообразный ингибитор может, например, протекать в каналы, образованные носителем, и тем самым сводить к минимуму степень адгезии слоев обрабатываемой детали с верхней стороной носителя за счет образования слоя, содержащего ингибитор.
Во множестве других публикаций, таких как US 2013/0252178 A1, US 2015/0309473 A1, US 2013/0292862 A1 и EP 1 253 002 B1, описано использование PDMS (силикона) в качестве нижней границы исходного слоя, например, в качестве дна резервуара. За счет диффузии кислород, растворенный в силиконе, образует очень узкий ингибиторный слой в фотореактивном материале и, таким образом, уменьшает силы адгезии. Наибольший недостаток заключается в низкой химической и механической устойчивости слоя PDMS.
В документе US 2013/0295212 A1 автор Yong также описывает использование PDMS в качестве разделительной среды и связанное с этим образование ингибиторного слоя, а также демонстрирует метрологическую взаимосвязь между ингибиторным слоем и усилием разделения. Уменьшение усилий разделения и сдвиг резервуара с поверхности обрабатываемой детали обеспечили возможность ускорения процесса изготовления по сравнению с традиционными системами.
В публикации WO 2016/149097 A1 за авторством Tumbleston описан непрерывный процесс изготовления, в котором промежуточная фаза в фотореактивном материале образована подобным образом. Это является возможным за счет использования пленки из Teflon AF или мембраны, размещенной над основанием. Как уже было описано автором Lawton, пленка из Teflon AF может быть соединена с основанием. Также продемонстрирован вариант, в котором пленка не соединена с основанием, для предоставления таким образом процесса дополнительного механического отделения. Среди прочего, основание состоит из прозрачного материала, непроницаемого для ингибитора, т. е. стекла. Иногда непроницаемый слой также может быть выполнен в некоторой степени проницаемым за счет структурирования или обработки.
В публикации DE 10 2013 215 040 A1 описана инвертированная стереолитографическая система, конструкция которой является весьма компактной вследствие использования оптических отклоняющих устройств, в которых происходит полное отражение. Полупроницаемая пленка, перекрывающая незаполненное пространство, предназначена для подачи ингибитора.
В публикации US 2017/0151718 A1 описаны способы стереолитографии, за счет которых можно изготовить изделия из полиуретана и схожих веществ. Он также может включать использование инвертированных компоновок. Согласно настоящему документу основная пластина, через которую в этих случаях может подаваться ингибитор, может содержать, например, слой из Teflon AF или другую полупроницаемую пленку. В качестве альтернативы или дополнения, в публикации описано изготовление основной пластины из, например, пористого или микропористого стекла.
Все из известных решений имеют недостаток, заключающийся в том, что их размер не может быть произвольно изменен и для них, как правило, требуются сложные оптические процессы изготовления, например, для образования структур каналов. Кроме того, даже если вещества, такие как PDMS, являются по сути кислородопроницаемыми, характер изменения их проницаемости противоположен характеру изменения степени сшивания. Это, в свою очередь, оказывает значительное определяющее воздействие на механическую и химическую устойчивость. Недостаток самонесущих компоновок PDMS заключается в том, что они являются гибкими; следовательно, во время процесса изготовления невозможно предотвратить их изгиб. С другой стороны, жесткие материалы, такие как стекло, имеют преимущества в механическом и оптическом аспектах, однако не обеспечивают возможности диффузии газообразного ингибитора, так что предотвращается образование ингибиторного слоя. Возможно использование Teflon AF в качестве пленки или в качестве листового материала. Однако стоимость Teflon AF очень высока, особенно в листовой форме. Более того, по мере увеличения толщины пластины и связанной с этим механической устойчивости кислородопроницаемость также будет уменьшаться. Использование в качестве (самонесущей) пленки невозможно, поскольку пленка прогибается. Следовательно, для осуществления быстрого, возможно даже непрерывного, процесса изготовления необходимо основание.
Раскрытие сущности изобретения
Задача настоящего изобретения, представленная в настоящем документе, заключается в создании компоновки, в которой устранены недостатки известных решений и которая обеспечивает простую подачу ингибитора посредством в достаточной степени механически жесткого основания.
Указанная цель достигается за счет объекта, представленного в независимом пункте формулы изобретения. Преимущественные дополнительные улучшения объекта, представленного в независимом пункте формулы изобретения, охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения. Полный текст формулы изобретения таким образом включен в содержание этого описания посредством ссылки.
Использование форм единственного числа не исключает использование форм множественного числа и наоборот, если не указано иное.
Для осуществления цели в настоящем изобретении представлена емкость, предназначенная для удержания фоточувствительной жидкости и предусмотренная для использования в стереолитографической системе, в которой исходный слой подвергается излучению для послойного или непрерывного создания обрабатываемых деталей. По меньшей мере один элемент емкости, находящийся непосредственно смежно с исходным слоем, состоит из по меньшей мере одного материала, прозрачного для излучения и имеющего структуры и/или поры, которые могут хранить или вмещать и выпускать ингибитор и/или смесь ингибиторов.
Материал элемента емкости является предпочтительно твердым материалом, состоящим на по меньшей мере 70 об. %, предпочтительно по меньшей мере 80 об. %, предпочтительно по меньшей мере 90 об. %, предпочтительно по меньшей мере 95 об. %, предпочтительно по меньшей мере 98 об. %, предпочтительно по меньшей мере 99 об % из пор с открытыми ячейками. Следовательно, элемент емкости выполнен из материала, который, как правило, состоит на 80 или более процентов из газа (например, воздуха). Следовательно, если для стереолитографии используется, например, синтетическая смола, материал содержит ингибитор, например, кислород. Тем не менее, материал является достаточно прочным для изготовления из него дна резервуара или крышки емкости, вследствие чего указанные дно или крышка, как правило, имеют толщину от 100 мкм до 1 см, предпочтительно 3 мм, в зависимости от размера емкости.
В этой конфигурации элемент для излучения, например, УФ-излучения, используемый в стереолитографии, является по меньшей мере частично прозрачным. В отличие от этого, для жидкости в емкости, как правило, жидкой синтетической смолы с возможностью фотополимеризации, материал является непроницаемым. Таким образом, область дна резервуара, над которой расположен исходный слой, может не только подавать ингибитор, но и в значительной степени состоит из самого ингибитора. То же самое применимо в ситуации, когда область используется в качестве крышки емкости. В результате, приток ингибитора, который может быть ограничен в пространственном отношении, может быть сбалансирован или гомогенизирован. В известном смысле на дне резервуара или крышке емкости накапливается газообразный ингибитор. Следовательно, при формировании дна резервуара или крышки емкости можно не предусматривать специальные подающие линии или каналы, предназначенные для подачи ингибитора. Вместо этого, ингибитор может быть подан и/или выведен за счет изменения давления или температуры окружающей среды. Из материала может быть выполнено все дно или вся крышка или только часть дна резервуара или крышки емкости, расположенная под/над исходным слоем. Следовательно, эта область может быть окружена и/или поддерживается обычными конструкционными материалами, которые, в свою очередь, являются в небольшой степени проницаемыми для ингибитора или не являются проницаемыми вовсе.
Следовательно, в целом это обеспечивает значительно упрощенную и более экономически выгодную конфигурацию емкости или картриджа, чем когда для подачи ингибитора используются другие полупроницаемые вещества. Также размер этой конструкции можно по существу свободно изменить, так что в нее могут быть встроены даже стереолитографические системы больших размеров. Обеспечивается подача газообразного ингибитора в фотореактивный материал в емкости, так что под или над исходным слоем и, в частности, непосредственно на дне резервуара или крышке емкости, создается разность реакций, при этом адгезия с указанным дном или крышкой отсутствует. Это является необходимым условием для быстрого, предпочтительно непрерывного процесса стереолитографии. Можно полностью отказаться от устройства для механического сдвига или вибрационного устройства для отделения только затвердевшего слоя от дна резервуара или крышки емкости.
Емкость для удержания фоточувствительной жидкости может предпочтительно представлять собой резервуар для использования в стереолитографической системе, работающей согласно инвертированному способу. В этом случае элемент резервуара, находящийся непосредственно смежно с исходным слоем, представляет собой по меньшей мере часть дна резервуара.
Однако емкость может также использоваться для удержания фоточувствительной жидкости для использования в стереолитографической системе с отраженным светом. В этом случае элемент емкости, находящийся непосредственно смежно с исходным слоем, представляет собой по меньшей мере часть крышки емкости.
Размер пор материала составляет предпочтительно от 2 до 200 нм, предпочтительно от 2 до 50 нм, в частности, предпочтительно от 30 до 50 нм. Этот размер пор меньше длины волны света (как правило, УФ-света), используемого для полимеризации. Следовательно, рассеяния света практически не наблюдается. Однако поры также являются достаточно крупными для хранения и перемещения воздуха, кислорода или ингибитора. Кроме того, они являются достаточно мелкими, чтобы не позволить проникание жидкости с возможностью фотополимеризации в материал.
Предпочтительные материалы для элемента представляют собой нанопористые композиты, нанопористое стекло или аэрогели.
Улучшенных свойств материала, например, большей прозрачности для излучения, используемого при стереолитографии, можно достичь при легировании аэрогеля (также называемого X-аэрогелем). Улучшенных механических свойств (т. е. устойчивости и/или прочности), в частности, можно достичь при легировании аэрогеля наноцеллюлозой, тогда как повышенная химическая устойчивость достигается при легировании аэрогеля полидиметилсилоксаном (PDMS).
Особенно простую структуру получают, когда часть дна резервуара, состоящая из аэрогеля, выполнена в виде одного слоя. Этот вариант осуществления также является особенно экономически выгодным. Этого можно просто достичь с помощью легированного соответствующим образом аэрогеля.
Структура, в которой часть дна резервуара или крышки емкости, выполненная из аэрогеля, состоит из по меньшей мере двух слоев, является более практичной. По меньшей мере один слой также может состоять из обычного материала, например, стекла, который может быть, например, использован для стабилизации. В случае слоя, выполненного из непроницаемого для ингибитора материала, указанный слой должен быть расположен на стороне оставшихся слоев, обращенных от жидкости с возможностью фотополимеризации, чтобы не блокировать протекание потока ингибитора в емкость. Однако в этом случае более преимущественными являются варианты, в которых слои состоят из разных полупроницаемых материалов, все из которых по меньшей мере в ограниченном объеме проницаемы для ингибитора. Слои могут быть адгезивно сцеплены друг с другом, например, посредством силикона, или может присутствовать целый слой, выполненный из силикона. Могут также рассматриваться другие способы соединения слоев, например, смыкание, натяжение или т. п. Также возможна компоновка с несколькими слоями, все из которых состоят из аэрогеля, вследствие чего каждый слой может быть легирован разным способом, например, для достижения особенно высокой химической устойчивости наружных поверхностей и особенной механической прочности дна резервуара или крышки емкости в случае внутреннего слоя. В частности, также возможны многослойные структуры. Слои из Teflon AF также могут быть преимущественными. Преимущество Teflon AF заключается в том, что он имеет значительно более высокую проницаемость для кислорода, чем для азота. Если в качестве носителя для ингибитора используется воздух, что является выгодным с точки зрения стоимости и удобства обращения, слой из Teflon AF может таким образом обеспечивать, чтобы во внутреннее пространство емкости подавался главным образом ингибитор, кислород, а не в основном азот, который в этом случае не оказывает никакого серьезного воздействия. Подходящая многослойная компоновка может обеспечить хранение и проницаемость для ингибитора, что адаптировано для конкретного применения.
Элемент может быть сделан более химически устойчивым за счет покрытия части дна резервуара или крышки емкости, выполненной из такого материала, на внутренней стороне резервуара. Это покрытие может, например, иметь форму мембраны. Особенно преимущественным является то, что покрытие состоит из фторполимера, например, пленки из Teflon AF. Альтернативно преимущественным является то, что покрытие состоит из силикона. За счет этих покрытий можно получить преимущества, имеющиеся в многослойной структуре, как описано выше. Это также упрощает производство, поскольку покрытие может быть нанесено на поверхность части дна резервуара или крышки емкости, состоящей из аэрогеля в форме пленки. Для такой пленки предпочтительными вариантами крепления являются адгезивное сцепление, смыкание или натяжение. Однако покрытия с Teflon AF, PDMS (силиконом) или PTMSP могут преимущественно плавиться, чему способствует нечувствительность аэрогелей к изменению температуры. PDMS обозначает полидиметилсилоксан, и PTMSP обозначает поли(1-триметилсилил-1-пропин), причем оба вещества имеют некоторую кислородопроницаемость.
Если часть дна резервуара или крышки емкости, состоящая из аэрогеля, выполнена таким образом, что размер пор элемента или материала изменяется в по меньшей мере одном направлении вдоль своей пространственной протяженности, введение и/или высвобождения ингибитора, например, кислорода, может быть оптимизировано. Размер пор предпочтительно изменяется в направлении фотополимера, например, размер пор с микрометровым диапазоном на стороне, обращенной к окружающему воздуху, уменьшается до размера пор с нанометровым диапазоном при приближении к жидкости с возможностью фотополимеризации или наоборот. На стороне элемента, обращенной от фотополимера, преимущественно образован по меньшей мере частично закрытый объем, что обеспечивает возможность по меньшей мере частично управлять переменными состояния и составом газообразной среды в объеме. Это обеспечивает возможность по меньшей мере частично управлять переменными состояния, такими как давление, температура, концентрация ингибитора в элементе и вокруг него, а также состав газообразной среды в объеме, предпочтительно независимо и/или в зависимости от условий окружающей среды. Это обеспечивает возможность целенаправленно управлять протеканием потока ингибитора в исходный слой.
В другом варианте осуществления, содержащем упаковку, вышеописанный резервуар заполнен фоточувствительной жидкостью для использования в стереолитографической системе. Кроме того, резервуар находится внутри упаковки, которая имеет такую конструкцию, что фоточувствительная жидкость удерживается в резервуаре. Упаковка может содержать снимающийся поверхностный слой, который, например, может быть выполнен из пластика, который закрывает резервуар. В упаковке фоточувствительная жидкость защищена от излучения, используемого для стереолитографии. Имеющий такую конструкцию резервуар или даже картридж может быть использован в качестве расходной части для уже существующих стереолитографических систем.
Часто, по меньшей мере в некоторых областях, это является целесообразным для механической поддержки элемента материалом-носителем. Конечно, материал-носитель должен быть прозрачным для используемого излучения. Элемент предпочтительно будет соединен с материалом-носителем, вследствие чего материал-носитель не обязательно должен быть проницаемым для ингибитора. Может быть использовано достаточно толстое и, следовательно, достаточно механически устойчивое стекло-носитель, на которое, например, нанесен тонкий слой аэрогеля толщиной всего 1 мм.
Цель дополнительно достигается за счет стереолитографической системы, которая работает согласно инвертированному способу, имеющей по меньшей мере один резервуар для удержания фоточувствительной жидкости, как было описано выше.
Дополнительные подробности и признаки становятся понятны из следующего описания предпочтительных примеров конструкции в сочетании с зависимыми пунктами формулы изобретения. Соответствующие признаки таким образом могут быть реализованы по отдельности или несколько сразу в сочетании друг с другом. Возможные способы достижения цели не ограничены примерами конструкции. Границы диапазона, например, всегда включают все промежуточные значения (которые не указывают) и все допустимые подынтервалы.
На фигурах схематически показан один пример конструкции. Одинаковые ссылочные позиции на отдельных фигурах обозначают идентичные или функционально идентичные элементы или более конкретно элементы, которые соответствуют друг другу в рамках их функций.
Краткое описание чертежей
В частности, на фигурах показано следующее:
на фиг. 1 показан вид в перспективе резервуара согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 показан покомпонентный вид резервуара по фиг. 1;
на фиг. 3 показан схематический вид в разрезе резервуара по фиг. 1 и фиг. 2; и
на фиг. 4 показан упрощенный вид в перспективе 3D-принтера, имеющего резервуар согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан резервуар 100 согласно настоящему изобретению для использования в инвертированной стереолитографической системе. В этой конструкции стенка 105 и наружная область 110 дна резервуара, над которыми не располагается исходный слой, могут быть выполнены из обычного материала. В этой области расположены четыре покрывающих элемента 120 для крепежных винтов. Область, в которой исходный слой располагается над дном резервуара во время работы, находится в средней части резервуара. На изготовленном традиционным способом дне резервуара 110 находится выемка, под которой расположен блок 130, предпочтительно выполненный из аэрогеля или из одного из вышеописанных сочетаний разных слоев, содержащих по меньшей мере один аэрогель. Толщина этого блока составляет предпочтительно приблизительно 3 мм, а длина стороны - несколько сантиметров. Он удерживается опорной частью 140 резервуара, которая также может быть выполнена из обычного материала. Опорная часть прикреплена болтами к верхней части 110 резервуара, в результате чего блок 130 из аэрогеля закреплен под исходным слоем. Подающие каналы 150 предоставлены для упрощения или обеспечения подачи ингибитора, как правило, кислорода, возможно в форме воздуха, через блок из аэрогеля. Таким образом, для стабилизации и защиты блока из аэрогеля от механического повреждения структуру можно изолировать на дне посредством, например, листа стекла (не показан). Опорная часть 140 резервуара 100 также может альтернативно быть открыта на дне.
Отдельные компоненты резервуара согласно настоящему изобретению представлены на покомпонентном виде на фиг. 2. Стенка 105 и наружная область 110 дна резервуара могут быть выполнены из обычного материала. Наружная область 110 дна резервуара также содержит покрывающие элементы 120 для крепежных винтов. На участке, на котором во время работы расположен исходный слой, этот компонент имеет выемку 200, под которой прикреплен блок 130 из аэрогеля. Держатель 210 предназначен для закрепления этого блока 130 и привинчен к наружной области 110 дна резервуара посредством крепежных винтов (не показаны). Для уплотнения также предоставляется уплотнительное кольцо 220, которое, несмотря на многокомпонентную конструкцию, предотвращает протекание жидкости для стереолитографии из резервуара 100 и пропускание газообразного ингибитора, тем самым создавая герметичную камеру. Эти части окружены опорной частью 140 резервуара, которая может содержать подающие каналы 150, например, для воздуха или кислорода. Они необходимы, если структура изолирована на дне посредством листа стекла 230 или т. п. Выбирается подходящий материал (например, специальное стекло, подходящий прозрачный пластик, полированное листовое стекло, сапфировое стекло, PMMA, или плексиглас, или т. п.), который является прозрачным для излучения, например, УФ-излучения, используемого при стереолитографии.
На фиг. 3 схематически показан тот же резервуар в поперечном разрезе. На ней также можно увидеть, что в проиллюстрированном варианте осуществления между блоком 130 из аэрогеля, закрепленным за счет держателя 210, и листом стекла 230 присутствует незаполненное пространство 300, в которое через подающие каналы 150 может подаваться газ, представляющий собой ингибитор. Эта компоновка с незаполненным пространством 300 является преимущественной, поскольку большая площадь наружной поверхности блока 130 из аэрозоля может вмещать ингибитор, чем если бы блок являлся в больше степени полностью закрытым; в этом случае доступной остается только площадь поперечного сечения подающих каналов 150.
На фиг. 4 можно видеть использование резервуара 100 согласно настоящему изобретению в стереолитографической системе 410, которая работает согласно инвертированному способу. Подвесное устройство 420, к которому прикреплена обрабатываемая деталь, которая должна быть произведена (не показана), расположено над резервуаром. Механизм 430 регулировки высоты способствует движению подвесного устройства вверх слой за слоем или непрерывно во время работы, за счет чего обрабатываемая деталь выращивается, например, слой за слоем, так что один перспективный новый слой может затвердевать на исходном слое между обрабатываемой деталью и дном резервуара. Модуль 440 излучения обеспечивает концентрацию излучения, необходимого для затвердевания использованной жидкости, на необходимых местоположениях (через дно резервуара). Если приспособление не очень большое, можно отказаться от сложного устройства для механического сдвига или вибрационного устройства для отделения затвердевшего материала от дна резервуара.
Может быть реализовано множество изменений и дополнительных улучшений описанных примеров конструкции.
Таким образом, цель достигается за счет стереолитографической системы вышеописанного типа, в которой создана многокомпонентная структура исходной поверхности (основания), которая является по меньшей мере частично прозрачной для излучения, которое инициирует отверждение, и при этом по меньшей мере часть слоя или весь слой выполнены из материала, содержащего значительное количество, т. е., например, по меньшей мере 30%, 40%, 50%, предпочтительно 80%, 90% или более, газа или смеси газов (например, воздуха), в котором по меньшей мере один ингибитор рассеивается до конкретной процентной доли или который полностью состоит из ингибитора (например, кислорода), но вместе с матрицей все же может образовывать пространственную структуру или объект. Под объектом в данном документе понимается любая геометрическая конфигурация, например, возможный объект может иметь кубическую форму с толщиной 10 мм и длинами кромок 100 мм.
В решении согласно настоящему изобретению вместо материала, который не состоит по существу из газообразных компонентов (такого как стекло, фторполимер, силикон), предоставлен основной объект, на который может быть нанесена защитная мембрана, в объем которой главным образом входит газ или смесь газов или которая главным образом заполнена или пропитана указанным газом или смесью газов и которая является по меньшей мере частично прозрачной для использованного электромагнитного излучения.
Эта конструкция может обеспечить не только перемещение и, если необходимо, хранение ингибитора в основании, но и тот факт, что само указанное основание может состоять в большой степени из ингибитора. В это основание могут быть добавлены разные материалы, такие как PDMS (силикон), для воздействия на прозрачность и механическую и химическую устойчивость. Основание также может быть соединено с мембраной, имеющей избирательное действие, например, за счет использования адгезива, такого как силикон, для улучшения химической устойчивости. Поскольку само основание имеет высокую проницаемость для возможных ингибиторов или даже может практически полностью состоять из ингибитора (например, на более чем 40%), такого как кислород, количество возможных и, как правило, необходимых подающих ингибитор линий, таких как поверхности и каналы, может быть сведено к минимуму. Следовательно, может быть реализована структура, в которой основание может дополнительно поддерживаться или быть окружено обычными структурными материалами, имеющими низкую проницаемость для ингибитора. Кроме того, ингибитор может подаваться только через небольшой участок боковой поверхности или может не подаваться вообще. Это обеспечивает простое структурное решение и внедрение в технический компонент, такой как резервуар, картридж или другие варианты осуществления, которые подходят для удержания фотореактивного материала и его обработки в стереолитографической системе.
Настоящее изобретение также обеспечивает по существу геометрически свободно масштабируемую конструкцию основания, поскольку, в отличие от других материалов, само основание уже состоит в большой степени из ингибитора или может удерживать ингибитор, и геометрические ограничения, возникающие вследствие минимальной необходимой проницаемости обычных материалов, могут быть преодолены. Следовательно, могут быть легко реализованы значения толщины основания в миллиметровом или сантиметровом диапазоне, чтобы таким образом обеспечивать достаточную жесткость даже для больших размеров. Основание может преимущественно иметь такую форму, чтобы обеспечивать возможность подачи ингибитора из себя, а также из окружающих компонентов или особой рабочей камеры и со всех сторон и направлений. Ингибитор может подаваться и/или выводиться за счет изменения давления окружающей среды. Согласно следующему аспекту для усовершенствования настоящего изобретения основание может содержать структуры каналов, которые обеспечивают возможность протекания ингибитора, вследствие этого указанные структуры каналов могут выполняться во время одного процесса изготовления вместе с самим основанием (например, за счет литья).
Согласно настоящему изобретению ингибитор протекает через поверхность / по всей поверхности основания через защитную мембрану в фотореактивный материал, вследствие чего подача ингибитора не должна быть однородной по всей поверхности или по ее части.
Основание предпочтительно состоит из так называемого аэрогеля, нанопены, или X-аэрогеля, или подобных материалов, которые могут содержать нано-, микро- и мезопористую структуру или их сочетание (например, имеющую диаметр пор от 2 до 200 нм), которая является по меньшей мере частично прозрачной для используемого излучения. Основание, в частности, предпочтительно состоит из композита из аэрогеля, X-аэрогеля или гибридных форм аэрогеля и фторполимерного защитного слоя (Teflon AF) или некоторой другой проницаемой мембраны, соединенной с основанием.
Согласно настоящему изобретению основание из аэрогеля может быть изготовлено посредством сверхкритической сушки.
Согласно настоящему изобретению основание может состоять из по меньшей мере одного материала, предпочтительно сочетания материалов, предпочтительно сочетания разных аэрогельных материалов.
Согласно настоящему изобретению и в соответствии с сочетанием материалов плотность основания может включать градиенты и скачки плотности в основании, а также по всему композитному объекту.
Для способствования процессу отделения основание может перемещаться в пространстве относительно несущей для компонентов (платформы для компонентов). Может обеспечиваться наклон основания относительно несущей для компонентов, а также скольжение.
Согласно настоящему изобретению основание содержит каналы, предназначенные для управления температурой поверхности указанного основания. Это является целесообразным в связи с очень хорошей изоляцией материалов использованных типов.
Глоссарий
3D-печать, стереолитография
3D-печать представляет собой генеративный процесс изготовления, который согласно структурному принципу относится к аддитивному изготовлению. При 3D-печати трехмерные обрабатываемые детали наращиваются послойно. Компьютер управляет созданием из одного или более жидких или твердых материалов согласно конкретным размерам и формам (CAD). Во время создания происходят процессы отверждения или плавления. Типичными материалами для 3D-печати являются разные виды пластиков, синтетические смолы, разные виды керамики или металлы. Стереолитография представляет собой разновидность 3D-печати, в которой обрабатываемая деталь наращивается послойно за счет использования материализующихся (растровых) точек. Изготовление одной части или нескольких частей одновременно происходит, как правило, полностью автоматически с использованием генерируемых компьютером данных CAD.
Например, фотоотверждающийся пластик (фотополимер), например, акриловая, эпоксидная или винилэфирная смола, отверждается тонкими слоями за счет свечения подходящего источника света сверху вниз, например, лазера (или также пиксельного, возможно некогерентного источника света, например, микросхемы MEMS или DLP). Процедура выполняется в ванне, заполненной основными мономерами фоточувствительного пластика. После каждого этапа обрабатываемую деталь опускают на несколько миллиметров в жидкость и возвращают в положение, которое ниже предыдущего положения на величину толщины слоя. Жидкий пластик равномерно распределяется по части (посредством щетки) или автоматически втягивается вследствие наличия крышки. Затем источник света, управляемый компьютером посредством подвижных зеркал, попиксельно перемещают вдоль нового слоя по поверхностям, которые необходимо отвердить. Альтернативно информацию о слое или изображении также могут образовывать на всех участках одновременно, например, за счет использования маски или проекции изображения в пределах поверхности проекции. Следующий этап выполняют после отверждения, таким образом постепенно создавая трехмерную модель.
Недостаток этой процедуры для обрабатываемых деталей большего размера заключается в том, что ванна должна иметь соответствующую глубину и должна быть заполнена чрезмерно большим количеством жидкого пластикового материала. Его можно устранить за счет инвертированного способа (см. здесь). (Источник: https://de.wikipedia.org/wiki/3D-Druck и https://de.wikipedia.org/wiki/Stereolithografie.)
Аэрогель
Аэрогели представляют собой высокопористые твердые материалы, объем которых на вплоть до 99,98 % состоит из пор. Существуют разные типы аэрогелей, причем аэрогели на основе силикатов являются наиболее распространенными. Другие материалы, например, материалы на основе пластика или углерода, используются в особых случаях. Все оксиды металлов, полимеры и некоторые другие материалы могут, как правило, использоваться в качестве отправной точки для синтеза аэрогеля посредством процесса золь-гель.
Аэрогели имеют выраженную древовидную структуру, т. е. разветвление цепочек частиц с большим количеством свободного пространства в форме открытых пор. Эти цепочки содержат точки соприкосновения, что обеспечивает изображение устойчивой трехмерной сети. Их агрегаты имеют фрактальную размерность, так что они в некоторой степени являются самоподобными.
Размер пор находится в нанометровом диапазоне, и внутренние поверхности могут быть исключительно большими - вплоть до 1000 м2/г. Следовательно, аэрогели могут быть использованы, среди прочего, в качестве изоляционного или фильтрационного материала. Кроме того, существует вариант внедрения биологически активных молекул, белков или даже целых клеток. В Книге рекордов Гиннесса аэрогели переставлены в 14 статьях за свойства материала, включая «лучший изоляционный материал» и «самый легкий твердый материал». В 2012 г. был разработан аэрографит, который является рекордсменом в категории «наименее плотный твердый материал», в состав которого входит 99,99% воздуха и 0,01% графитового углерода.
Высокая оптическая прозрачность, наряду с коэффициентом преломления, составляющим от приблизительно 1,007 до 1,24 и имеющим типовое значение 1,02, способствует заинтересованности в аэрогелях также с оптической точки зрения. На темном фоне силикатный аэрогель кажется молочно голубым, поскольку диоксид кремния рассеивает волны с меньшей длиной (т. е. голубые участки белого цвета) больше, чем излучение с большей длиной волны. Несмотря на свой прозрачный внешний вид, аэрогель похож на твердый пенопласт.
Размер отдельных частиц силикатных аэрогелей составляет приблизительно 1-10 нм, а расстояние между цепочками составляет приблизительно 10-100 нм. Силикатные аэрогели имеют так называемые мезопоры цилиндрической формы. Они являются достаточно легкодоступными и по определению имеют диаметр 2-50 нм, тогда как пористость находится в диапазоне 80-99,8%. Следовательно, объемная плотность находится в диапазоне 0,16-500 мг/см3 с типовым значением 100 мг/см3, тогда как абсолютная плотность составляет 1700-2100 мг/см3. Следовательно, силикатные аэрогели имеют очень большую удельную площадь поверхности, составляющую 100-1600 м2/г и имеющую типовое значение 600 м2/г.
Коэффициент теплопроводности воздуха (при 300 K) является необычайно низким в диапазоне 0,017-0,021 Вт/(м*K), и типовое значение составляет 0,02 Вт/(м*K), что обеспечивает высокую термоустойчивость аэрогелей даже при экстремальных условиях и делает их, таким образом, пока наилучшими теплоизоляционными материалами.
Силикатные аэрогели не могут быть пропитаны жидкими металлами или подвергнуты их химическому воздействию, так что они являются химически инертными к указанным жидким металлам. Температура плавления силикатных аэрогелей составляет приблизительно 1200°C. Кроме того, они являются негорючими и нетоксичными. Однако они поглощают влагу, а при высыхании, как правило, растрескиваются.
Модуль упругости находится в диапазоне от 0,002 до 100 МПа, причем типовое значение составляет 1 МПа. (Источник: https://de.wikipedia.org/wiki/Aerogel.)
Основание
В настоящем изобретении термин «основание» обозначает область дна резервуара, над которой расположен исходный слой во время выполнения инвертированной стереолитографии.
Легированный аэрогель
Легированный аэрогель, также называемый X-аэрогелем или гибридным аэрогелем, представляет собой аэрогель, матрица которого специально «засорена» другими молекулами, подобно легированию полупроводника (в котором однако отдельные атомы вводятся в структуру кристалла). Легирование наноцеллюлозой или силиконом, например, PDMS, вызывает особый интерес. Такое легирование может изменить механические (например, прочность, вязкость), химические или оптические свойства аэрогеля.
Для этого легированный аэрозоль, как правило, выполняется из жидкой смеси отдельных компонентов посредством процесса золь-гель, вследствие чего присадки становятся частью смеси. В процессе золь-гель матрица аэрогеля образуется вместе и одновременно с добавлением присадок.
Фторполимер
Фторполимеры или фторопласты представляют собой полимеры, в которых обычно большая часть или даже все из атомов водорода, включенных другим способом, заменяются фтором. Политетрафторэтилен (PTFE), продаваемый под торговым названием Teflon, имеет важнейшее экономическое значение.
Фторполимеры имеют высокую химическую и механическую устойчивость, хорошие электроизоляционные свойства, прекрасную стойкость к атмосферным воздействиям, противоадгезивные свойства и являются негорючими. Кроме того, они характеризуются хорошей ударной вязкостью с надрезом и устойчивостью к высоким температурам. Антиадгезионные свойства обеспечивают низкую способность к смачиванию и хорошие антифрикционные свойства. Наконец, фторполимеры являются физиологически безопасными. Недостатки заключаются в высокой стоимости и сложности обработки. (Источник: https://de.wikipedia.org/wiki/Fluorpolymere.)
Ингибитор
Ингибитор представляет собой замедлитель, который задерживает или предотвращает одну или более реакций. В контексте настоящего изобретения ингибитор всегда представляет собой вещество, которое замедляет затвердение вещества, из которого посредством стереолитографии должен быть создан объект. В случае стереолитографии синтетических смол, кислород, например, часто выполняет функцию ингибитора, который подавляет фотополимеризацию.
Размер пор
Для определения диаметра пор существуют физические способы, такие как ртутная порометрия. Однако выполнение этих способов подразумевает наличие пор определенной формы (таких как цилиндрические отверстия или сферические отверстия, расположенные рядами). Ртутная порометрия подходит для силикатных аэрогелей. Эта методика включает пропитывание несмачивающей жидкостью, такой как ртуть, материала под высоким давлением за счет использования порозиметра. Размер пор определяется в зависимости от наружного давления, необходимого для вталкивания жидкости в пору в противодействие поверхностному натяжению жидкости.
Так называемое уравнение Уошбурна применимо для цилиндрических пор:
PL - PG = 4 σ cos θ / DP,
в котором
PL = давление жидкости,
PG = давление газа, который необходимо вытолкнуть,
σ = поверхностное натяжение жидкости,
θ = угол давления жидкости на материал стенки пор и
DP = диаметр пор.
Методику обычно выполняют в вакууме. Угол давления ртути относительно большинства твердых материалов составляет от 135° до 142°. Поверхностное натяжение ртути при 20°C в вакууме составляет 480 мН/м. При введении этих значений получают следующее:
DP = 1470 кПа мкм / PL.
При повышении давления также повышается суммарный объем пор. Средний размер пор может быть определен из суммарного объема пор. Производная распределения суммарного объема пор предоставляет значение дифференциального распределения радиуса пор. (Источник: https://de.wikipedia.org/wiki/Quecksilberporosimetrie.)
Размер пор может быть определен в соответствии, например, со стандартом ISO 15901-1:2016-04.
Исходная плоскость, исходный слой
В стереолитографии исходная плоскость или точнее исходный слой обозначает слой, в котором наращивание слоя происходит на объекте, который необходимо изготовить, т. е. жидкий материал (например, синтетическая смола) фотополимеризуется или затвердевает, например, за счет облучения подходящим источником света. В классическом способе (см. выше) этот слой расположен на верхней стороне обрабатываемой детали, непосредственно под поверхностью жидкости. При инвертированном процессе этот слой находится на нижней стороне обрабатываемой детали.
Силикон
Силиконы, с химической точки зрения точнее поли(органо)силоксаны, это термин, обозначающий группу синтетических полимеров, в которых атомы кремния соединены за счет атомов кислорода.
Могут возникать молекулярные цепочки и/или молекулярные сети. Оставшиеся свободновалентные электроны кремния насыщены углеводородными радикалами (обычно метильных групп). Таким образом, силиконы относятся к группе кремнийорганических соединений. Вследствие их обычно неорганической структуры, с одной стороны, и присутствия органических радикалов, с другой стороны, силиконы занимают промежуточное положение между неорганическими и органическими соединениями, в частности, между неорганическими силикатами и органическими полимерами. В известном смысле они являются гибридами и имеют уникальный диапазон свойств, которые не свойственны ни для какого-либо другого пластика.
В природе возникают только неорганические кремниевые соединения, а именно диоксид кремния, силикаты и кремниевая кислота. Все другие кремниевые соединения, включая силиконы, имеют синтетическое происхождение. (Источник: https://de.wikipedia.org/wiki/Silikone.)
В контексте настоящего изобретения из этого класса веществ особенно важным является полидиметилсилоксан (PDMS), который имеет определенный коэффициент кислородопроницаемости.
Teflon AF
Упрощенное название для тетрафторэтилен/бис-трифторметил-дифторо-диоксолана или политетрафторэтилен-4,5-дифторо-2,2-бис(трифторметил)-1,3-диоксола.
Teflon представляет собой политетрафторэтилен (PTFE), AF обозначает «аморфный фтор». (См.: https://de.wikipedia.org/wiki/Kurzzeichen_%28Kunststoff%29.)
Инвертированная стереолитография
При инвертированном способе компоновка обычной стереолитографии (см. выше) поворачивается на 180°. Обрабатываемая деталь подвешивается на подвесное устройство и погружается в резервуар с жидкостью. Исходный слой расположен на нижней стороне обрабатываемой детали между обрабатываемой деталью и дном резервуара. Облучение выполняется через дно резервуара, выполненное таким образом, чтобы быть прозрачным для используемого света. Обрабатываемая деталь послойно поднимается посредством подвесного устройства, причем во время этого движения новый материал наращивается послойно на нижней части. Поднятие должно осуществляться таким образом, чтобы обеспечивать протекание достаточного количества жидкости в исходный слой до того, как материал вновь там затвердеет. В конкретных вариантах осуществления этого способа создание также может происходить непрерывно.
1. Емкость (100) для удержания фоточувствительной жидкости для использования в стереолитографической системе (410), в которой исходный слой подвергается излучению для послойного или непрерывного создания обрабатываемых деталей, при этом по меньшей мере один элемент (130) емкости, находящийся непосредственно смежно с исходным слоем, состоит из по меньшей мере одного материала, который является прозрачным для излучения и имеет структуры и/или поры, которые могут хранить или вмещать и высвобождать ингибитор и/или смесь ингибиторов,
отличающаяся тем, что
по меньшей мере один материал по меньшей мере одного элемента (130) емкости является твердым материалом, состоящим на по меньшей мере 70 об.%, предпочтительно по меньшей мере 80 об.%, предпочтительно по меньшей мере 90 об.%, предпочтительно по меньшей мере 95 об.%, предпочтительно по меньшей мере 98 об.%, предпочтительно по меньшей мере 99 об.% из пор с открытыми ячейками.
2. Емкость (100) по предыдущему пункту, отличающаяся тем, что емкость для удержания фоточувствительной жидкости представляет собой резервуар для использования в стереолитографической системе (410), которая работает согласно инвертированному способу; и элемент (130) резервуара, находящийся непосредственно смежно с исходным слоем, представляет собой по меньшей мере часть дна резервуара.
3. Емкость (100) по п. 1, отличающаяся тем, что
емкость для удержания фоточувствительной жидкости используется в стереолитографической системе (410) с отраженным светом; и
элемент (130) емкости, находящийся непосредственно смежно с исходным слоем, представляет собой по меньшей мере часть крышки емкости.
4. Емкость (100) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что
поры имеют размер пор от 2 до 200 нм, предпочтительно от 2 до 50 нм, предпочтительно от 30 до 50 нм.
5. Емкость (100) по предыдущему пункту, отличающаяся тем, что
материал представляет собой нанопористый композит или нанопористое стекло.
6. Емкость (100) по п. 4, отличающаяся тем, что
материал представляет собой аэрогель.
7. Емкость (100) по предыдущему пункту, отличающаяся тем, что
аэрогель является легированным.
8. Емкость (100) по предыдущему пункту, отличающаяся тем, что
аэрогель легирован наноцеллюлозой и/или полидиметилсилоксаном.
9. Емкость (100) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что
элемент (130) дна резервуара является однослойным.
10. Емкость (100) по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что
элемент (130) содержит по меньшей мере два слоя из разных материалов.
11. Емкость (100) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что
на стороне, которая входит в контакт с фоточувствительной жидкостью, элемент (130) покрыт полупроницаемым покрытием.
12. Емкость (100) по предыдущему пункту, отличающаяся тем, что
покрытие состоит по меньшей мере частично из фторполимера, предпочтительно Teflon AF, силикона или пористого стекла.
13. Емкость (100) по предыдущему пункту, отличающаяся тем, что
элемент (130) покрыт усилителем адгезии, предпочтительно силиконом, и полупроницаемой мембраной, предпочтительно Teflon AF.
14. Емкость (100) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что
элемент (130) выполнен таким образом, что размер пор элемента изменяется в по меньшей мере одном направлении по своей пространственной протяженности, предпочтительно в направлении фоточувствительной жидкости.
15. Емкость (100) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что
по меньшей мере частично закрытый объем образован на стороне элемента (130), обращенной от фоточувствительной жидкости, что обеспечивает возможность по меньшей мере частично управлять переменными состояния и составом газообразной среды в объеме.
16. Емкость (100) по любому из пп. 2-15, отличающаяся тем, что содержит упаковку, при этом
резервуар заполнен фоточувствительной жидкостью для использования в стереолитографической системе (410);
при этом резервуар находится внутри упаковки, которая имеет такую конструкцию, что
фоточувствительная жидкость удерживается в резервуаре; и
фоточувствительная жидкость защищена от излучения, используемого для стереолитографии.
17. Емкость (100) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что
по меньшей мере в некоторых областях элемент (130) механически поддерживается материалом-носителем, прозрачным для используемого излучения.
18. Стереолитографическая система (410), которая работает согласно инвертированному способу, содержащая по меньшей мере одну емкость (100) для удержания фоточувствительной жидкости по любому из пп. 2 или 4-17.
