用于桶聚合打印机的多材料膜的制作方法

用于桶聚合打印机的多材料膜
相关申请
1.本技术要求于2020年9月3日提交的美国专利申请16/948,118号的优先权。
技术领域
2.本发明涉及增材制造工艺，特别是涉及用于桶聚合(vat polymerization)打印机的多材料膜。


背景技术：

3.增材制造(或称为3d打印)是提供直接生产各种物体的不同方法的不同技术的集合。其中一种这样的技术是桶聚合，这涉及(通常)使用紫外(uv)光源选择性固化桶中所含的粘性树脂。树脂逐层固化，使得制造中的制品通过连续的一系列相互粘附的横截面形成。
4.桶聚合打印中的一个重要问题是桶(或槽)的组成，其中收集了通过其光固化获得打印的三维物体的液体聚合物。为了避免在提取板升高时从构建中的三维物体的其他部分撕裂新形成的聚合物层，桶必须允许刚形成的层从其表面分离(通常是允许紫外(uv)光通过以触发光固化过程的透明底座，例如石英或硼硅酸盐玻璃)。通常，将不粘涂层施加到桶的内表面，以允许固化聚合物的第一层粘附到提取板上，并且连续的层依次连接在一起。
5.然而，在传统的桶聚合打印机中，存在抽吸效应，该效应发生在构建中的物体的表面和覆盖桶的透明底座的不粘材料之间，并对物体的打印速度产生限制性影响。实际上，新形成的聚合物层仍浸没在树脂中，距离桶的不粘表面(两个表面共面且平坦，以确保将形成的层的精度)有一定距离“s”(等于正在形成的物体的下一层的厚度)；并且通过在该空间内光固化树脂来生成物体的新层。空气的缺乏在两个表面之间形成真空，这两个表面被高粘性液体包围，并且当新形成的层从桶表面移开时(为待形成的物体的另一层腾出空间)，新的层(可能只有十分之几毫米厚)所承受的机械应力可能是显著的。因此，如果粘附在新形成的层的前一层以快速的方式垂直移动离开桶的底表面，则伴随有撕裂新形成的层的风险。
6.为了降低这种撕裂风险，传统的打印工艺以这种方式进行，即将提取板(以及粘附在其上的物体)缓慢升高。这限制了通过桶聚合生产三维物体的速度达到每厘米小时的数量级。因此，开发了技术来减轻由这种工艺生产的新形成的聚合物层上的机械应力。其中一种这样的技术是在桶的底表面和正在制造的物体之间引入柔性膜。于2018年3月19日提交并转让给本发明受让人的美国专利申请号15/925,140描述了一种由透明自润滑聚合物制成的柔性膜。还采用了其他基于膜的方法。例如，elsey，美国pgpub 2014/0191442描述了一种具有由fep含氟聚合物薄膜制成的防粘表面的膜。虽然这种薄膜是柔性的，但它不是特别有弹性。elsey预期的其他材料包括尼龙和聚酯薄膜(mylar)，或具有粘合到聚酯的薄膜上的硅酮层的层压膜，硅酮在膜的面向树脂侧，聚酯背衬提供一定的弹性。
7.虽然fep含氟聚合物膜确实提供了良好的防粘特性，但它们相对较硬，因此，与直接施加在桶表面的防粘涂层相比，打印速度没有太大提高。此外，它们的硬度会导致膜在安
装在桶聚合打印机中时受损。硅橡胶膜可提供比fep含氟聚合物膜更高的柔韧性，从而允许更快的整体打印速度，然而，它们容易受到磨损和撕裂，因为当暴露于高温(例如由于打印机桶内聚合反应的放热性质而产生的高温)时，它们易于降解。它们也是多孔介质，对某些3d打印树脂的组成成分几乎没有或没有抵抗力。
附图说明
8.本发明通过示例而非限制的方式在附图中进行了说明，其中：
9.图1描述了根据本发明实施例的3d打印系统的示意性横截面图，该3d打印系统用于在包含具有多材料膜的光固化液体树脂的容器中制造物体。
10.图2描述了用于图1所示的3d打印系统的控制器的示例。
11.图3是根据本发明实施例的用于如图1所示的3d打印系统的多材料膜的横截面图。
12.图4描述了用于3d打印系统的膜组件的透视图。
13.图5描述了用于3d打印系统的槽侧壁的透视图。
14.图6a和图6b描述了膜组件和槽侧壁的横截面图，其示出了固定到槽侧壁底部边缘的膜组件。
15.图7a和图7b描述了框架组件和lcd组件的透视图，其示出了固定到lcd组件的框架组件。
16.图7c描述了沿着图7b的i-i线的横截面图。
17.图8示出了根据本发明实施例的翻新套件。
具体实施方式
18.本文公开了用于桶聚合打印机的多材料膜的示例。
19.图1描述了根据本发明实施例的配置有多材料膜的3d打印系统100的横截面，其中使用电磁辐射(例如，uv光)来固化光固化液体树脂(通常是液体聚合物)18，以制造物体(例如，3d物体)22。逐层制造物体22(即，通过将与物体22的底表面相邻的一层液体聚合物18光固化来形成一层新的物体22)，并且当每个新的层形成时，物体可以由构建板20升高，从而允许在新形成的层下绘制下一层光固化液体树脂18。该过程可以重复多次以形成额外的层，直到物体的制造完成。
20.3d打印系统100包括用于容纳光固化液体树脂18的槽(或桶)10。槽10的底部(或其至少一部分)由柔性的多材料膜14密封(即，防止光固化液体聚合物18泄漏出槽10)，该多材料膜14在树脂固化所需的波长下是透明的(或几乎是透明的)，以允许来自光源26的电磁辐射进入槽10。掩模24(例如液晶层)设置在光源26和光固化液体树脂18之间，以允许液体树脂的选择性固化(这允许将3d物体形成为所需的形状/图案)。在各种实施例中，准直和扩散元件(例如透镜、反射器、滤光器和/或薄膜)可以位于掩模24和光源26之间。这些元件未在图示中示出，以免不必要地模糊附图。
21.由硼硅酸盐玻璃或其他材料形成的压板或背衬构件16设置在掩模24和柔性的多材料膜14之间，并提供结构支撑。压板在用于固化树脂的一个或多个感兴趣波长处也是透明的(或几乎是透明的)。在其他情况下，压板16可以是金属或塑料，并包括透明窗口，以允许来自光源26的电磁辐射进入槽10。在其他实施例中，掩模24本身可用于代替单独的窗口，
并且其周边用垫圈密封。注意，尽管掩模24、压板16和膜14显示出彼此移动一定距离，但实际上，这些部件可以定位成彼此接触，以防止在任何空气界面处发生折射。将柔性的多材料膜14固定到槽10的边缘或可更换的盒组件(未示出)，以便在槽或其他开口的边缘处保持液体密封周边(“液体密封”意味着槽在正常使用期间不会泄漏)。
22.当使用3d打印系统100制造物体22的层时，电磁辐射从辐射源26发射通过掩模24、压板16和膜14进入到槽10中。电磁辐射在邻近物体22底部的图像平面上形成图像。图像内的高(或中等)强度区域导致光固化液体树脂18的局部区域固化。新固化的层粘附到物体22的前底表面，并且由于存在柔性的多材料膜14，其基本上不粘附到槽10的底表面。在新固化层已经形成之后，电磁辐射的发射可以暂时停止(或者在“连续打印”的情况下不停止)，同时构建板20从槽的底部升起，从而可以打印另一层新的物体22。
23.可通过电机(m)30的作用升高和降低构建板20，电机(m)30驱动导螺杆12或其他装置。由于电机轴的旋转导致导螺杆12的旋转引起构建板20相对于槽10的底部升高或降低。在其他实施例中，线性致动器或其他装置可用于升高和降低构建板20。
24.打印过程的各个方面由控制器28指导，控制器28可以作为基于处理器的系统实现，该系统具有处理器可读存储介质，其上存储有处理器可执行的指令，从而当处理器执行这些指令时，其执行操作以引起上述动作。例如，除其他事项外，控制器28可经由电机30指示构建板20的升高/降低、指示光源26的激活和停用，以及经由掩模24指示正在制造的物体的横截面图像的投影。图2提供了这种控制器28的示例，但并非所有这种控制器都需要具有控制器28的所有特征。例如，某些控制器可以不包括显示器，因为显示功能可以由通信地耦合到控制器的客户端计算机提供，或者显示功能可以是不必要的。这种细节对于本发明不是关键的。
25.控制器28包括用于通信信息的总线28-2或其他通信机制，以及与总线28-2耦合用于处理信息的处理器28-4(例如微处理器)。控制器28还包括主存储器28-6，例如随机存取存储器(ram)或其他动态存储设备，其耦合到总线28-2，用于存储信息和由处理器28-4执行的指令(例如，g代码)。在处理器28-4执行指令期间，主存储器28-6还可用于存储临时变量或其他中间信息。控制器28还包括耦合到总线28-2的只读存储器(rom)28-8或其他静态存储设备，用于存储处理器28-4的静态信息和指令。提供存储设备28-10(例如硬盘、基于闪存的存储介质或处理器28-4可以从中读取的其他存储介质)并耦合到总线28-2，用于存储信息和指令(例如，操作系统、应用程序(例如切片器应用)等)。
26.控制器28可通过总线28-2耦合到显示器28-12，例如平板显示器，用于向计算机用户显示信息。输入设备28-14(例如包括字母数字和其他键的键盘)可以耦合到总线28-2，用于向处理器28-4传送信息和命令选择。另一种类型的用户输入设备是光标控制设备28-16，例如鼠标、触控板或类似的输入设备，用于向处理器28-4传送方向信息和命令选择，并用于控制显示器28-12上的光标移动。未详细示出其他用户接口设备(例如麦克风、扬声器等)，但可能涉及用户输入的接收和/或输出的呈现。
27.控制器28还包括耦合到总线28-2的通信接口28-18。通信接口28-18可以提供与计算机网络的双向数据通信信道，该计算机网络提供与上述各种计算机系统之间的连接。例如，通信接口28-18可以是局域网(lan)卡，以提供到兼容lan的数据通信连接，该兼容lan本身通过一个或多个因特网服务提供商网络通信地耦合到因特网。这种通信路径的精确细节
对本发明并不重要。重要的是，控制器28可以通过通信接口28-18发送和接收消息和数据(例如，表示要使用打印机100生产的3d物品的数字文件)，并且以这种方式与可通过因特网访问的主机通信。注意，控制器28的组件可以位于单个设备中或位于多个物理和/或地理分布的设备中。
28.图3是多材料膜14的横截面图。多材料膜14由粘合到硅橡胶层34的氟化乙烯丙烯(fep)或聚烯烃聚合物薄膜32构成，其中fep薄膜32位于膜的面向树脂侧，硅橡胶层34位于膜面向槽侧或面向光源侧。用36涂覆硅橡胶层34以减少其表面能和摩擦系数。在各种实施例中，fep薄膜32和硅橡胶层34中的每一个可以各自具有约0.03mm至0.1mm的厚度。膜14的多材料构成提供了两种防粘特性(即，意味着通过允许新形成的聚合物层以最小撕裂度从fep薄膜分离，膜将允许用于快速打印)以及高耐热性、耐化学性、强度和灵活性。
29.施加到硅橡胶层34的涂层36比用于3d打印应用的未经处理的硅橡胶膜提供了更高的耐久性。可以使用各种涂层36，例如化学涂层，例如分散在例如二甲苯、乙酸叔丁酯或类似溶剂的介质中的硅酮弹性体(例如，硅烷乙酸盐、硅烷乙酸乙酯、硅烷三乙酸盐、硅烷三乙酸乙酯、硅烷三乙酸甲酯、八甲基三硅氧烷、甲基氢硅氧烷、硅氧烷和上述两种或多种的混合物等，有或没有催化剂(如二月桂酸二丁锡))。这些涂层均匀地施加在硅橡胶层34上，并允许在升高的温度(例如80-150℃)下或在室温下固化约5分钟至24小时(取决于固化环境的相对湿度)以形成薄的硅酮薄膜，并且可以通过涂层的刷涂、浸渍或优选地喷涂的方式施加到膜14的硅橡胶层34上。在涂覆之前，可以使用合适的溶剂(例如，不会被硅橡胶层吸收的溶剂)清洁硅橡胶层34，在施加涂层之前应允许其完全蒸发。施加涂层以完全(或几乎完全)覆盖硅橡胶层34，然后在室温下或通过加热使其固化，从而使分散有弹性体的溶剂完全蒸发。
30.或者，涂层36可以是物理涂层，例如基于聚四氟乙烯(ptfe)的干润滑剂，颗粒尺寸为几微米，例如流体推进剂中的ptfe乳液。尽管可以使用刷涂或浸渍施加，但优选将这种润滑剂喷涂在其上，以向硅橡胶层34提供均匀的施加。这些润滑剂被喷涂在硅橡胶层的表面上，并且在室温下通常干燥为薄层，粘附在硅橡胶层的表面(通过范德华力)。在施加之前，用适当的溶剂清洁硅橡胶层34，以去除任何污垢或其他表面涂层。也可以使用降低硅橡胶层34的表面能的其他涂层。
31.在施加涂层36之前，硅橡胶层34粘合到fep薄膜32。可以使用任何合适的粘合技术，例如使用如ep2074188 a1中所述的等离子体蚀刻处理或使用化学蚀刻处理。在蚀刻之后，将液体硅橡胶施加到fep薄膜32的表面并允许其固化。在其施加期间，控制液体硅橡胶的厚度，例如，使用辊之间具有明确间隙的辊装置，或者使用与fep薄膜的表面保持明确距离的叶片来去除过量的液体。一旦液体硅橡胶固化，就将涂层36施加到其上。已经发现，与其他膜相比，涂覆的多材料膜14的使用寿命非常长，即使在其他膜被类似地涂覆的情况下(例如，比涂覆的硅橡胶膜寿命长24倍)，但可能的是，多材料膜在其使用寿命的某个时间点需要重新修复。为此，将多材料膜14从槽10中移除、清洁，并施加(例如，通过喷涂、浸渍或刷涂)新的涂层36。根据被涂覆的膜的面积，可以施加0.2克至1.5克，优选0.36克至0.5克的涂层。
32.虽然翻新可由多材料膜14和/或3d打印系统100的供应商作为服务提供，但也可由3d打印系统的用户借助翻新套件进行。如图8所示，这样的套件600可以包括涂层材料供应
602、涂抹器(例如，喷雾瓶、刷子或滚筒或用于浸渍的桶)604、安全装置(例如手套、护目镜和面罩)606，以及可选地，用于在施加新涂层后使用的膜的干燥架608。还可以包括清洁溶剂610。
33.如上所述，多材料膜可能是可更换的盒组件的一部分。图4描述了根据本发明实施例的用于3d打印系统的膜组件200的透视图。膜组件200可包括辐射透明的柔性的多材料膜204，其周边固定到框架202。框架202可以配置为沿着第一平面拉伸膜204。框架202可包括沿垂直于第一平面的方向延伸的唇缘206。唇缘206可以固定到槽侧壁的底部边缘(如下所述)。当膜组件200固定到槽侧壁的底部边缘时，膜组件200形成配置为容纳光固化液体树脂的槽的底部。在图4中，框架202被描述为具有矩形形状，然而，框架202的其他形状也是可能的，包括正方形、椭圆形、圆形等。
34.图5描述了用于3d打印系统的槽侧壁300的透视图。槽侧壁300包括具有凹槽304的底部边缘302。框架202的唇缘206可以插入凹槽304内，以便将膜组件200固定到槽侧壁300的底座上。槽侧壁300的形状和大小必须与框架202的形状和大小相匹配。例如，如果框架202是矩形的，则槽侧壁300也必须是矩形的(即，从上面看)。
35.图6a和图6b描述了膜组件200(带有框架202和膜204)和槽侧壁300的横截面图，并示出了膜组件200如何固定到槽侧壁300的底部边缘302。图6a描述了与槽侧壁300的凹槽304对齐的框架202的唇缘206。图6b描述了插入槽侧壁300的凹槽304中的框架202的唇缘206。唇缘206和凹槽304可以彼此互锁(例如，以卡扣(snap-fit)连接)，可以紧密配合，使得唇缘206的表面和凹槽304的表面彼此接触(例如，以摩擦配合连接)等。在一个实施例中，膜组件200可以是“可消耗的”产品，因为它在其使用寿命结束时被处理或翻新。像这样，膜组件200可以起到与打印机中的打印机墨盒、剃须刀中的刀片等类似的作用。
36.图7a和图7b描述了框架组件500和lcd组件501的透视图，其示出了框架组件500如何可以固定到lcd组件501。框架组件500可以包括框架504和辐射透明的、柔性的多材料膜502，框架504配置为将膜502保持在其周边。在其他实施例中，框架组件500可以支撑膜502和透明玻璃板。框架504可包括围绕框架504的底表面分布的通孔510a和磁化部分512a。lcd组件501可以包括框架508和lcd506，其中框架508配置为保持lcd 506。框架506可以包括围绕框架508的顶表面分布的通孔510b和磁化部分512b。
37.如图7a所示，通孔510a围绕框架504的底表面分布的图案可能是通孔510b围绕框架508的顶表面分布的图案的镜像。如图5a进一步所示，磁化部分512a围绕框架504的底表面分布的图案可以是磁化部分512b围绕框架508的顶表面分布的图案的镜像。磁化部分512a中的每一个可以被吸引到磁化部分512b中的相应一个，使得当框架504设置在框架508附近时，框架504的底表面自动接触框架508的顶表面，并且通孔510a中的每一个都自动与通孔510b中的相应一个对齐。垫圈514可以设置在lcd 506的周边处或附近。垫圈514的用途将在下文结合图7c进行解释。
38.图7b描述了贴附到lcd框架508的框架504的透视图。框架504围绕辐射透明的、柔性的多材料膜502和(可选的)玻璃板。lcd 506在图5b中不可见，但其位于膜502的正下方。小螺钉或销可以穿过对齐的成对通孔510a和510b插入以固定该装置。用于这种螺钉或销的开口可以位于框架508的底表面(未示出)。
39.图7c描述了沿着图7b的i-i线的横截面图。如图7c所示，框架组件500贴附到lcd组
件501。更具体地，框架504的底表面接触框架508的顶表面，并且膜502设置在lcd 506上方。垫圈514设置在框架504的底表面和框架508的顶表面之间的边界区域内或附近。在树脂(或另一种流体)能够穿透框架504的底表面和框架508的顶表面之间的边界区域的情况下，垫圈514可以防止树脂在lcd 506和膜502之间流动(这可能导致从lcd 506投影的图像中发生不期望的失真)。
40.如上所述，磁体(或框架的磁化部分)用于自动对准通孔510a和通孔510b。附加地或替代地，设置在框架504的底表面和框架508的顶表面上的凹槽(例如锯齿凹槽)(特别是与顶表面中的凹槽互补的底表面中的凹槽)也可以用作自对准机构。
41.因此，已经描述了用于桶聚合打印机的多材料膜的实例。

技术特征：
1.一种用于三维打印系统的多材料膜，所述膜包括在硅橡胶层的第一侧粘合到硅橡胶层的氟化乙烯丙烯(fep)或聚烯烃聚合物薄膜，硅橡胶层在其第二侧上具有涂层，所述涂层配置为减少硅橡胶层的表面能。2.根据权利要求1所述的多材料膜，其中所述涂层包括以下中的一个：硅酮弹性体、基于聚四氟乙烯(ptfe)的材料、硅酮弹性体的固化层或聚四氟乙烯(ptfe)层。3.根据权利要求1所述的多材料膜，其中所述fep或聚烯烃聚合物薄膜的厚度为0.03mm至0.1mm。4.根据权利要求3所述的多材料膜，其中所述硅橡胶层的厚度为0.03mm至0.1mm。5.一种用于三维打印系统的膜组件，其包括根据权利要求1所述的多材料膜和框架，所述框架贴附到所述多材料膜的周边并配置为沿着第一平面拉伸所述多材料膜。6.根据权利要求5所述的膜组件，其中，所述框架包括围绕所述框架的表面分布的第一多个通孔和第二多个磁化部分。7.一种三维(3d)打印系统，其包括槽组件、根据权利要求1所述的多材料膜、照明组件和固定在照明组件和多材料膜之间的液晶显示器(lcd)。8.根据权利要求7所述的3d打印系统，其中，所述多材料膜固定在框架中，所述框架具有与所述槽组件的侧壁的凹槽接合的唇缘。9.一种处理用于三维打印系统的多材料膜的方法，其中所述膜由在硅橡胶层的第一侧粘合到硅橡胶层的氟化乙烯丙烯(fep)或聚烯烃聚合物薄膜组成，所述方法包括在硅橡胶层的第二侧上施加涂层，所述涂层配置为减少硅橡胶层的表面能。10.根据权利要求7所述的方法，其中所述涂层通过以下中的一种施加：通过喷涂在分散在介质中的硅酮弹性体上并固化所述涂层直到其在所述硅橡胶层上形成硅酮薄膜，或喷涂在基于聚四氟乙烯(ptfe)的干润滑剂上。11.根据权利要求7所述的方法，其中所述涂层通过喷涂在分散在介质中的硅酮弹性体上并在室温下固化所述涂层直到其在所述硅橡胶层上形成硅酮薄膜来施加。12.根据权利要求7所述的方法，其中所述涂层通过喷涂在分散在介质中的硅酮弹性体上并在高于室温的温度下固化所述涂层直到其在所述硅橡胶层上形成硅酮薄膜来施加。13.根据权利要求7所述的方法，其中在施加所述涂层之前，用溶剂清洁所述硅橡胶层的第二侧。

技术总结
一种用于三维打印系统的多材料膜(14)，所述膜包括在硅橡胶层(34)的第一侧粘合到所述硅橡胶层的氟化乙烯丙烯(FEP)或聚烯烃聚合物薄膜(32)，所述硅橡胶层在其第二侧具有涂层(36)，所述涂层配置为减少硅橡胶层的表面能。所述涂层配置为减少硅橡胶层的表面能。所述涂层配置为减少硅橡胶层的表面能。


技术研发人员：周镇东 I
受保护的技术使用者：耐克森三维有限公司
技术研发日：2021.08.20
技术公布日：2023/8/9