專(zhuān)利名稱(chēng)：用于形成三維物品的光成形裝置的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于形成三維物品的光成形裝置。
相關(guān)技術(shù)描述通常公知模壓法是一種由樹(shù)脂形成三維模型的方法。然而這種模壓法需要很長(zhǎng)的時(shí)間和很大費(fèi)用來(lái)制備模具。此外，需要很多的步驟來(lái)完成三維模型，該步驟該過(guò)程完整。為了克服這些難題，已經(jīng)提出一種不需要模具的光成形方法(例如公開(kāi)號(hào)為35966/1987、113925/1996、64048/1994及125079/1995的日本專(zhuān)利申請(qǐng))。這種光成形法包含通過(guò)根據(jù)三維模型的分片形狀的數(shù)據(jù)(n)選擇性地照射射線可固化或光可固化的液態(tài)樹(shù)脂的未固化層(n)以形成固化的樹(shù)脂層(n)；在這已固化的樹(shù)脂層(n)上面提供該射線可固化或光可固化的液態(tài)樹(shù)脂以便形成新的未固化的樹(shù)脂層(n+1)，并根據(jù)分片形狀數(shù)據(jù)(n+1)選擇性地照射光可固化的液態(tài)樹(shù)脂的未固化層(n+1)，因此得到由固化樹(shù)脂的疊層構(gòu)成的三維模型。
圖2表示用于這種方法的光成形裝置的基本結(jié)構(gòu)的示意圖。這一裝置包含固定的基座(1)；容器(2)，其中盛有光可固化的樹(shù)脂(3)；光源裝置(4)，用于照射光可固化的樹(shù)脂(3)的液體表面；以及支架(5)，以支承固化的各樹(shù)脂層構(gòu)成的疊層物品(6)。例如當(dāng)支架(5)由圖(2)中所示的位置向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，光可固化的樹(shù)脂(3)被送到疊層(6)的表面(6A)上，以形成一層厚度與該支架(5)下降距離相對(duì)應(yīng)的未固化層。
這種光成形法的一個(gè)問(wèn)題是形成大量相同形狀的三維模型需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。另一個(gè)問(wèn)題是能適用這種方法的樹(shù)脂的類(lèi)型受到限制。這種限制導(dǎo)致不能生產(chǎn)具有預(yù)定特性的三維模型。
作為解決這些問(wèn)題的一種方法，已經(jīng)提出一種三維模型的形成方法，其包含利用射線可固化樹(shù)脂按光成形法制作一個(gè)耐熱樹(shù)脂模具(下文將這種模具稱(chēng)之為“樹(shù)脂制的模具”)，以及由具有預(yù)定特性的原料樹(shù)脂利用這一樹(shù)脂制的模具形成所需的三維模型。利用這一方法在不會(huì)削弱該光成形法的簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)的情況下就可以形成具有預(yù)定特性的大量三維的模型。
為了改進(jìn)由該光成形方法固化的樹(shù)脂的耐熱性和物理性能(加固效果)，公知的一種有效的方式是在光可固化的樹(shù)脂組合物中添加填料。一些無(wú)機(jī)填料例如無(wú)機(jī)粉末或無(wú)機(jī)纖維是適用的填料的實(shí)例。
由于與光可固化的樹(shù)脂組合物混合的填料通常密度高于光可固化的樹(shù)脂，所以當(dāng)將光可固化的樹(shù)脂組分裝入容器中時(shí)，填料易于沉降。由其中所含填料分散不佳的光可固化的樹(shù)脂不可能得到具有預(yù)期耐熱和物理性能的光成形物品(三維物品)。當(dāng)填料在置于容器中的光可固化樹(shù)脂組合物中的分散狀態(tài)隨時(shí)間變化時(shí)，特別是當(dāng)接近液體表面處填料密度下降時(shí)，所形成的光成形物品在成形開(kāi)始時(shí)形成的下部中的填料和在光成形操作接近終止時(shí)形成的上部中的填料具有不同的濃度。因此，形成的光成形物品的特性隨各個(gè)斷面而變化。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是一種用于形成三維物品的光成形裝置，甚至在易于沉降的填料與置于容器中的射線-可固化樹(shù)脂組合物混合情況下，也能有效地控制填料的沉降，因此，可制造沿所有斷面具有預(yù)期特性的均勻三維物品。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制造具有改進(jìn)耐熱性的三維物品的方法。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的是利用一種用于形成三維物品的光成形裝置，該物品由通過(guò)選擇性地照射置于容器中的射線可固化液體樹(shù)脂成分而重復(fù)形成固化的樹(shù)脂層所產(chǎn)生的固化樹(shù)脂疊層組成，該裝置其特征在于，具有一循環(huán)裝置，使射線可固化的液態(tài)樹(shù)脂組分循環(huán)；并在過(guò)程中利用這一裝置使該物品具有改進(jìn)的耐熱性能。
本發(fā)明的用于形成三維物品的光成形裝置，在有填料混合和分散在射線可固化樹(shù)脂組分中的情況下，具有特別優(yōu)異的效果。
最好，本發(fā)明的用于形成三維物品的光成形裝置裝設(shè)置有控制裝置，可以控制循環(huán)裝置的運(yùn)行。
本發(fā)明的用于形成三維物品的方法包含的步驟有(a)在光成形裝置中加入一層未固化的液態(tài)狀的射線可固化的樹(shù)脂組合物，(b)按照三維物品的分片形狀數(shù)據(jù)選擇性地照射所述射線可固化樹(shù)脂的未固化層，以使樹(shù)脂中所選擇的區(qū)域固化。
(c)重復(fù)所述的加入和照射步驟，以此得到由固化的樹(shù)脂疊層組成的三維物品，其中該光敏樹(shù)脂組合物包含密度與該樹(shù)脂不同的填料，以及其中該樹(shù)脂組合物在加工過(guò)程中由循環(huán)裝置至少循環(huán)一段時(shí)間。
發(fā)明詳述及優(yōu)選實(shí)施方案構(gòu)成本發(fā)明的光成形裝置中的基本部分的循環(huán)裝置是一種將容器中下部(接近底部)的光可固化的樹(shù)脂組合物輸送到容器中上部(接近液體表面)的裝置。通過(guò)將容器下部的填料密度隨時(shí)間趨于增加的部位的組合物輸送轉(zhuǎn)移，就可確保容器中的全部光可固化樹(shù)脂組合物中的填料都呈均勻散布在光可固化的樹(shù)脂組合物中的狀態(tài)。同時(shí)，使在接近液體表面位置處的填料的分散狀態(tài)保持穩(wěn)定。因此，由在液體表面附近形成的固化樹(shù)脂層產(chǎn)生的三維物品具有優(yōu)異的均勻性，并且在各斷面均具有預(yù)定的特性。
下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的用于形成三維物品的光成形裝置。

圖1是本發(fā)明的光成形裝置的一個(gè)實(shí)施方案的附圖，該裝置包含固定基座(10)、由固定基座(10)豎直延伸的支柱(11)、用于光可固化樹(shù)脂組合物R(下文隨時(shí)可稱(chēng)之為“組合物R”)的容器(20)、用于選擇性照射組合物R的液體表面的光源裝置(30)、支承固化的各樹(shù)脂層的疊層H的臺(tái)架(40)、臺(tái)架表面(41)、抖動(dòng)裝置(50)、組合物R的循環(huán)裝置(60)以及控制裝置(70)。
容器(20)是由不透明材料(例如金屬如不銹鋼)制成。光源裝置(30)裝有光源部分例如激光束振蕩器或紫外線燈(圖中略去)以及光掃描機(jī)構(gòu)或掩模機(jī)構(gòu)(圖中略去)，以便選擇性照射組合物R中的一部分。
臺(tái)架(40)的安裝應(yīng)能使其沿垂直支柱上下移動(dòng)。當(dāng)將臺(tái)架(40)向下移動(dòng)時(shí)，如圖1所示，將組合物R提供到疊層H的表面，以形成未固化層，其厚度對(duì)應(yīng)于臺(tái)架(40)向下移動(dòng)產(chǎn)生的體積。抖動(dòng)裝置(50)是一種用于形成具有平滑表面的未固化的光可固化樹(shù)脂層。通過(guò)首先降低平臺(tái)1～10毫米使已固化層的整個(gè)表面適當(dāng)浸潤(rùn)，其次將平臺(tái)提升到預(yù)期的高度，第三抖掉過(guò)多的樹(shù)脂以便得到平整的表面。也可以將(某些過(guò)量)樹(shù)脂在固化層表面上散開(kāi)，在此之后，抖掉過(guò)量部分，可使用壓光或刮刀。
循環(huán)裝置(60)包含循環(huán)泵(61)、在液體抽吸側(cè)的管道(62)和在液體排放側(cè)的管道(63)。這里，提供作為循環(huán)泵(61)實(shí)例的是風(fēng)箱式泵、螺旋離心泵、旋轉(zhuǎn)泵、一種具有外旋的旋轉(zhuǎn)泵、齒輪泵、隔膜泵等。在這些泵中，優(yōu)選風(fēng)箱式泵、隔膜泵或環(huán)形活塞泵，因?yàn)槠淠茌斔透哒扯鹊臐{料，這些泵僅具有小的摩擦部分，并能夠在工作時(shí)輕微發(fā)熱。
在液體抽吸側(cè)的管道(62)將形成在容器(20)側(cè)壁下側(cè)上的開(kāi)孔(20A)和循環(huán)泵(61)相連通。在液體排放側(cè)的管道(63)將循環(huán)泵(61)和形成在容器(20)側(cè)壁上部的開(kāi)孔(20B)相連通。還在容器中沿水平方向(紙面前后左右)的對(duì)角線設(shè)置有多個(gè)開(kāi)孔(20A)和(20B)，以便增加循環(huán)效果(成分的均勻性)。
循環(huán)泵(61)、液體抽吸側(cè)的管道(62)以及液體排放側(cè)的管道(63)的與液體組合物接觸的結(jié)構(gòu)材料，是根據(jù)光可固化樹(shù)脂、所分散的填料的類(lèi)型和數(shù)量以及成形條件例如組合物溫度適當(dāng)選擇的，以便防止由于發(fā)熱和高度復(fù)用使該組合物變質(zhì)，以及耐填料流動(dòng)的磨損和光可固化的樹(shù)脂的化學(xué)侵蝕。
除了循環(huán)裝置(60)之外，可以提供一臺(tái)與圖1所示循環(huán)裝置(60)有相似結(jié)構(gòu)的備用循環(huán)裝置，以保證當(dāng)循環(huán)裝置(60)產(chǎn)生故障時(shí)，光成形操作能無(wú)中斷地連續(xù)運(yùn)行。此外，可以同時(shí)使用多個(gè)循環(huán)裝置以增強(qiáng)循環(huán)效果。
控制裝置(70)包含一臺(tái)計(jì)算機(jī)或類(lèi)似裝置，以控制光源裝置(30)(發(fā)光-熄滅-掃描-終止)、臺(tái)架(40)(上-下-終止)、抖動(dòng)機(jī)構(gòu)(50)(起動(dòng)-終止)和循環(huán)裝置(60)(起動(dòng)-終止)的工作。
用作組合物R的樹(shù)脂成分的光可固化樹(shù)脂的實(shí)例是一些單體和低聚物，例如聚氨酯(polyurethane)(甲基)丙烯酸酯、低聚酯(甲基)丙烯酸酯、聚氨酯(urethane)(甲基)丙烯酸酯、環(huán)氧(甲基)丙烯酸酯、光敏性聚酰亞胺、氨基醇酸樹(shù)脂、環(huán)氧化合物、乙烯醚、氧雜環(huán)丁烷、螺旋泵酸酯化合物、乙烯醚-馬來(lái)酸以及硫醇-烯。這些單聚物和低聚物可以單獨(dú)使用或者兩種或多種組合使用。
其它可以添加到組合物R中的成分包含光引發(fā)劑，當(dāng)受到光照射時(shí)產(chǎn)生基團(tuán)或陽(yáng)離子；防腐劑以及其它可以改進(jìn)組合物R特性的添加劑。
粉末狀的無(wú)機(jī)填料或纖維無(wú)機(jī)填料可作為構(gòu)成組合物R的填料。具體的實(shí)例包含玻璃粉、硅石粉、氧化鋁、氧化鋁水合物、氧化鎂、氫氧化鎂、硫酸鋇、硫酸鈣、碳酸鈣、碳酸鎂、硅酸鹽礦物質(zhì)、硅藻土、硅質(zhì)砂、硅石粉、氧化鈦、鋁粉末、青銅、鋅粉、銅粉、鉛粉、金粉、銀粉、玻璃纖維、鈦酸鉀針狀單晶、碳針狀單晶、藍(lán)寶石針狀單晶、氧化鈹針狀單晶、碳化硼針狀單晶，碳化硅針狀單晶和氮化硅針狀單晶等。無(wú)機(jī)填料的平均顆粒尺寸或平均纖維長(zhǎng)度通常范圍在1-50微米。包含在組合物R中的無(wú)機(jī)纖維的數(shù)量通常是在100體積份的光可固化樹(shù)脂的混合物中含無(wú)機(jī)纖維50-200體積份、優(yōu)選為100-175體積份，特別是140-160體積份。
組合物R的典型實(shí)例包含100體積份樹(shù)脂混合物；其由50重量份SA-1002(tm)(由Mitsubishi Chemical Co.,Ltd制造)以及25重量份FA-513A(tm)(由Hitachi Chemical Co.,Ltd制造)作為光可固化樹(shù)脂、25重量份N-乙烯基吡咯烷酮、25重量份Irgacure(tm)184(由Ciba Geigy，制造)作為光聚合引發(fā)劑、以及0.1重量份p-甲氧基苯酚作為穩(wěn)定劑組成；136體積份的玻璃珠粒GB045ZC(tm)(由Toshiba Balotini制造)作為無(wú)機(jī)填料。
利用具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的光成形裝置按照如下的方式可以形成三維物品。
(1)將一組從待成形的三維物品的CDA數(shù)據(jù)計(jì)算的分片形狀數(shù)據(jù)輸入到控制裝置(70)中。每一片具有沿三維物品高度方向的一定的預(yù)定間隔。
(2)在從控制裝置(70)收到控制信號(hào)時(shí)，支承臺(tái)架(40)向下移動(dòng)一段距離，以使臺(tái)架表面(41)降到相當(dāng)于一層組合物R的液體表面的液位處。然后，將組合物R供料到臺(tái)架表面(41)上，以便形成組合物R的未固化層(第一層)。
(3)由來(lái)自控制裝置(70)的控制信號(hào)起動(dòng)抖動(dòng)裝置(50)，以保證組合物R的平滑液體表面和均勻?qū)雍竦奈垂袒瘜?第一層)。
(4)利用控制裝置(70)根據(jù)分片形狀數(shù)據(jù)(第一層數(shù)據(jù))，由來(lái)自光源裝置(30)的光選擇性地照射未固化層(第一層)。受光照射的組合物R的部分以光聚合作用固化，以形成固化的樹(shù)脂層(第一層)。
(5)根據(jù)來(lái)自控制裝置(70)的控制信號(hào)，將臺(tái)架(40)向下移動(dòng)一段相當(dāng)于另一層的距離。然后，將下一未固化層的組合物R(第二層)供料到已固化的樹(shù)脂層(第一層)上。
(6)由來(lái)自控制裝置(70)的控制信號(hào)起動(dòng)抖動(dòng)裝置(50)，由此保證組合物R的平滑的液體表面和未固化層(第二層)的均勻厚度。
(7)利用控制裝置(70)根據(jù)分片形狀數(shù)據(jù)(第二層數(shù)據(jù))，由來(lái)自光源裝置(30)的光選擇性地照射未固化層(第二層)。通過(guò)光聚合作用使由光照射的組合物R的部分以光聚合作用固化，以形成固化的樹(shù)脂層(第二層)。
(8)重復(fù)(5)到(7)的操作，即重復(fù)形成未固化層、平整液體樹(shù)脂表面、固化的樹(shù)脂層的成形，從而產(chǎn)生由層疊的固化樹(shù)脂層構(gòu)成的三維物品。
在本發(fā)明的光成形裝置中，組合物R呈循環(huán)，即利用循環(huán)裝置(60)使存在于接近底部的組合物輸送到液體表面，同時(shí)進(jìn)行三維物品的光成形操作，或者開(kāi)始在這種成形操作之前的預(yù)處理步驟。具體地說(shuō)，從充滿(mǎn)容器(20)的組合物R中，將近底部的其填料百分含量隨時(shí)間而增加的組合物，由開(kāi)孔(20A)輸送到容器(20)的外部，并沿液體抽吸側(cè)的管道(62)、循環(huán)泵(61)以及液體排放側(cè)的管道(63)循環(huán)，并經(jīng)開(kāi)孔(20B)返回到容器(20)。這樣就保證在近容器底部的含高密度填料的組合物與近液體表面的組合物混合。因此，能夠在整個(gè)容器中維持組合物R中填料的均勻密度，由此，使近液體表面的填料密度穩(wěn)定，并抑制密度隨時(shí)間而變化(下降)。因此，在由近液體樹(shù)脂表面形成的層疊的各固化樹(shù)脂層構(gòu)成的三維物品中，甚至在成形操作的起始階段形成的下部的各樹(shù)脂層和接近成形操作終止形成的上部各樹(shù)脂層中的填料密度是相同的。因此，所得到的三維物品的所有部分均具有優(yōu)良的特性均勻性。
由于在容器(20)中形成的開(kāi)孔(20A)和開(kāi)孔(20B)是沿水平方向相對(duì)分布的，故容器(20)中的循環(huán)效果(組合物的均勻性)，特別是在相同的固化樹(shù)脂層的特性均勻性方面大為改進(jìn)。
構(gòu)成本發(fā)明的光成形裝置的主要部分的循環(huán)裝置不一定必須在所有的成形操作過(guò)程中都運(yùn)行，而是可以間斷地運(yùn)行以維持所需的循環(huán)效果。例如，在抖動(dòng)裝置(50)開(kāi)動(dòng)期間，可以中止循環(huán)裝置(60)，以防止液體表面起波紋。從而使液體表面平滑，同時(shí)通過(guò)光照射固化該組合物。循環(huán)裝置(60)的這種間斷運(yùn)行可以由控制裝置(70)控制。
由循環(huán)裝置(60)在單位時(shí)間內(nèi)輸送的該組合物的數(shù)量(循環(huán)泵(61)的容量)可以按照如下方式估算。
圖3是表示組合物R在容器(20)中的裝載狀態(tài)的透視圖。在圖中，(80)代表一假想的立方體，其具有的體積為組合物R的瞬間形成的體積，(90)是在組合物R中一假想的水平面。圖中略去了構(gòu)成容器(20)的部分側(cè)壁、在側(cè)壁上形成的開(kāi)孔以及循環(huán)裝置。
這里，在組合物R中包含的填料顆粒的密度(均勻分布狀態(tài))用ρ(克/立方厘米)表示，在組合物R的液體表面附近的填料顆粒的密度用ρ1(克/立方厘米)表示，在組合物R的底部附近的填料顆粒的密度用ρ2(克/立方厘米)表示。
填料顆粒在容器(20)中包含的全部組合物R中的沉降被認(rèn)為是各個(gè)填料顆粒的總體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。關(guān)于假想的立方體(80)，填料顆粒流進(jìn)假想的立方體(80)的頂表面和填料顆粒由其底部流出是在填料顆粒沉淀的同時(shí)發(fā)生的。假設(shè)在這一假想的立方體(80)附近的組合物R的特性沒(méi)有明顯變化，則流入假想的立方體(80)中的填料顆粒的量(重量)等于流出假想立方體(80)的填料顆粒的量(重量)，在假想的立方體(80)中存在的填料顆粒的量(重量)沒(méi)有變化。另一方面，如果該假想的立方體(80)的上表面與組合物R的液體表面相接觸，則沒(méi)有填料顆粒通過(guò)上表面流入假想的立方體(80)，因此，在假想的立方體(80)中的填料顆粒的量(重量)將降低。相反，如果假想的立方體(80)的下表面與容器(20)相接觸，則填料顆粒將不會(huì)通過(guò)底部流出，使得在假想的立方體(80)中的填料顆粒的量(重量)將增加。在容器(20)中部的填料顆粒的密度幾乎是恒定的，而在液體表面附近的填料顆粒的密度ρ1隨時(shí)而下降，最終是在液體表面處不存在填料顆粒。此外，接近底部的填料顆粒的密度(ρ2)隨時(shí)間而增加，最終形成沉淀的填料顆粒的沉降。
根據(jù)這種模式，利用如下公式確定單位時(shí)間沉降的填料顆粒的量(重量)W(克/分)。
W=ws(1)其中w是單位時(shí)間通過(guò)假想水平表面(90)的單位面積的填料顆粒的重量(克/平方厘米·分)，s是假想水平面的面積(90)(平方厘米)。
如果利用循環(huán)容量為V(立方厘米/分)的循環(huán)裝置(60)輸送的該組合物的填料顆粒，則單位時(shí)間提供到容器的上部(接近液體表面)的填料顆粒的數(shù)量為ρ2.V(克/分)。數(shù)量ρ1.V(克/分)相當(dāng)于在該組合物被輸送之前在近液體表面的填料顆粒的量。因此，單位時(shí)間被輸送的實(shí)際填料顆粒數(shù)量Wp(克/分)可以利用如下公式(2)確定。
Wp=(ρ2-ρ1)V(2)當(dāng)在循環(huán)裝置(60)的運(yùn)行之后已達(dá)到不變的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在單位時(shí)間段內(nèi)沉降的重量W等于在單位時(shí)間段內(nèi)實(shí)際輸送的重量Wp。因此，滿(mǎn)足如下的公式(3)。
W=Wp=(ρ2-ρ1)V=ws(3)另一方面由上述模式可以理解，在液體表面附近的填料顆粒密度ρ1的下降等于接近底部的填料顆粒密度ρ2的增加。于是，通過(guò)如下公式(4)和(5)利用與ρ0的填料密度偏差分別表示密度ρ1和ρ2。
ρ1=P0-Δρ(4)ρ2=P0+Δρ(5)ρ1和ρ2均不小于0，并不大于取決于填料種類(lèi)等因素的最大值。
表示ρ1和ρ2之間差值的變量Δρ必須小于由成形物品所需特性例如高熱變形溫度或高楊氏模量所確定的允許限值ρt。本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員可以通過(guò)某些簡(jiǎn)單的測(cè)試進(jìn)行確定，它是為了得到適當(dāng)?shù)奶匦运扇菰S的顆粒密度差。關(guān)于這一方面，因表面層形成固化層，所以確定樹(shù)脂表面附近的填料顆粒的所需密度是特別重要的。所定義的ρt必須滿(mǎn)足如下的公式(6)。然后通過(guò)將公式(6)代入上述公式(3)可以得出如下公式(7)。
ρt＞Δρ=(ρ2-ρ1)/2(6)V＞ws/2ρt(7)如上公式(7)中所示，根據(jù)單位時(shí)間通過(guò)假想的水平面(90)的單位面積的填料顆粒重量w(填料沉降程度)、假想水平面(90)的面積s(容器(20)的底部面積)以及填料顆粒密度變化量的允許限值ρt，即可推算單位時(shí)間由循環(huán)裝置(60)輸送的該組合物的數(shù)量V。
按照這種方式推算的轉(zhuǎn)移量V是所需最小量。這一數(shù)量最好應(yīng)取ws/2ρt的量值的約2-5倍。具體地說(shuō)，當(dāng)將由30-50體積份光可固化樹(shù)脂和光聚合引發(fā)劑以及50-70體積份的無(wú)機(jī)填料組成的含100體積份的組合物充入底部面積為300-20000平方厘米的容器(20)中時(shí)，利用循環(huán)裝置(60)轉(zhuǎn)移的數(shù)量V(立方厘米/分)最好為0.2-105，優(yōu)選為2～104，更優(yōu)選為20-2000。
利用典型的實(shí)施方案已對(duì)本發(fā)明的光成型裝置進(jìn)行了描述。但本發(fā)明并不局限于此實(shí)施方案?？蛇M(jìn)行各種改變。例如，(1)可以將光可固化樹(shù)脂組合物的循環(huán)裝置置于在容器內(nèi)側(cè)，以使裝置尺寸更小，或者(2)除了循環(huán)裝置之外，其它裝置，例如攪拌裝置，對(duì)流裝置等可以組合使用，以便使容器中的光可固化樹(shù)脂組合物均勻。無(wú)需指出的是，本發(fā)明的光成型裝置可以利用不含填料的光可固化樹(shù)脂組合物。
實(shí)施例光可固化樹(shù)脂組合物的制備通過(guò)混合50重量份SA-1002TM(由Mistsubishi Chemical CO.,Ltd制造的具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多官能單體)、25重量份FA-513ATM(由Hitachi Chemical Co.,Ltd.制造的具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的單官能單體)、25重量份N-乙烯基吡咯烷酮(單官能單體)、0.25重量份Irgacure 651TM(由Ciba Geigy制造的光聚合引發(fā)劑)和0.1重量份ρ-甲氧基苯酚(穩(wěn)定劑)制備一種樹(shù)脂組合物。將100體積份這種樹(shù)脂混合物與136體積份粒度分布約為5-65微米的玻璃珠粒GB045ZCTM(由Toshiba Balotini制造)相混合，以便得到光可固化的樹(shù)脂組合物。
<實(shí)例>
利用圖1中所示的本發(fā)明的光成形裝置，同時(shí)使循環(huán)裝置(60)運(yùn)行12小時(shí)以上，制造由固化樹(shù)脂層疊(每層厚200微米)組成的方柱形三維物品(100毫米×10毫米×高度60毫米)。用于光可固化樹(shù)脂組合物的容器尺寸是20厘米×15厘米×10厘米。氬激光發(fā)射器用作光源裝置(30)中的光源，風(fēng)箱式泵用作循環(huán)裝置(60)中的循環(huán)泵(61)。在此實(shí)例中，單位時(shí)間通過(guò)單位面積的填料顆粒重量w是0.98毫克/分，容器20的底部面積s是300平方厘米。填料密度的可變化限值ρt是3.6毫克/立方厘米。可變化限值ρt變換為填料的重量百分比約為0.1％。將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于上述公式(7)，(ws/2ρt)的數(shù)值約為41立方厘米/分。在此實(shí)例中實(shí)際測(cè)量的循環(huán)裝置(60)的輸送量約為140立方厘米/分，約3.4倍于(ws/2ρt)的數(shù)值。
在光成形操作的起始階段形成的下部(距物品邊沿5毫米處)和由在光成形操作的終止時(shí)形成的上部(距物品邊沿5毫米處)取樣以制備測(cè)試試樣。測(cè)量由密度確定的填料的重量百分比、作為物理特性指數(shù)的彈性模量、以及作為耐熱性能指數(shù)的熱變形溫度(HDT)。結(jié)果列在表1中。
<參考實(shí)例>
按照與上述實(shí)例中相同的方式進(jìn)行光成形，但不使用循環(huán)裝置(60)。對(duì)于所形成的三維物品的下部和上部測(cè)量其填料的重量百分比、彈性模量、熱變形溫度(HDT)。將其結(jié)果與該上述實(shí)例的結(jié)果一起列于表1中。在參考實(shí)例中，在光成形開(kāi)始后6小時(shí)，在接近容器(20)的液體表面(距液體表面約2毫米處)，即在形成固化樹(shù)脂層處的組合物中無(wú)填料存在。
表1
由表1中的結(jié)果可以清楚看出，在實(shí)例中制作的三維物品中的下部和上部中的填料數(shù)量幾乎沒(méi)有差別。該三維物品具有極好的均勻性、在所有部分均呈現(xiàn)優(yōu)異的物理特性和耐熱性能。對(duì)比起來(lái)以在參考實(shí)例中制作的三維物品在上部包含較少數(shù)量的填料，未呈現(xiàn)良好的物理特性和耐熱性能，這表明在參考實(shí)例中制作的三維物品的均勻性不良，在各不同部分的物理特性和耐熱性能方面不均一。
利用本發(fā)明的光成形裝置可以形成在所有部分都具有預(yù)期特性的均勻的三維物品，同時(shí)即使在光可固化樹(shù)脂組合物中填料易于沉降的情況下，也能有效地抑制沉降。
附圖介紹圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的附圖。
圖2是在光成形操作中使用的光成形裝置的基本結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3是容器中充有的組合物的狀態(tài)透視圖。
標(biāo)號(hào)解釋1固定基座2容器3光可固化樹(shù)脂4光源裝置5支承支架6層疊的固化樹(shù)脂層
10固定基座11豎直支柱20容器20A,20B開(kāi)孔30光源裝置40臺(tái)架41臺(tái)架表面50抖動(dòng)裝置60循環(huán)裝置61循環(huán)泵62在液體抽吸側(cè)的管道63在液體排放側(cè)的管道70控制裝置80假想的立方體90假想的水平表面
權(quán)利要求
1．一種光成形裝置，用于形成由層疊的固化樹(shù)脂層組成的三維物品，它是通過(guò)選擇性照射置于容器中的液態(tài)的射線可固化樹(shù)脂組合物重復(fù)形成固化樹(shù)脂層制成的，其中該裝置的特征在于，具有使液態(tài)的射線可固化樹(shù)脂組合物循環(huán)的循環(huán)裝置。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于形成三維物品的光成形裝置，其中的循環(huán)裝置包含循環(huán)泵。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中的循環(huán)裝置包含風(fēng)箱式泵、隔膜泵或環(huán)形活塞泵。
4．根據(jù)權(quán)利要求1-3中之一所述的用于形成三維物品的光成形裝置，其中該裝置設(shè)置有用于起動(dòng)或停止循環(huán)裝置的控制裝置。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中的控制裝置(70)包含計(jì)算機(jī)之類(lèi)裝置，以便控制光源裝置(30)的運(yùn)行(發(fā)光-熄滅-掃描-停止)、臺(tái)架(40)的運(yùn)行(上升-下降-停止)，抖動(dòng)裝置(50)的運(yùn)行(起動(dòng)-停止)以及循環(huán)裝置(60)的運(yùn)行(起動(dòng)-停止)。
6．根據(jù)權(quán)利要求1～5中之一所述的裝置，其中循環(huán)裝置能以約0.2-105立方厘米/分的流量輸送液態(tài)可固化樹(shù)脂。
7．根據(jù)權(quán)利要求1-5中之一所述的裝置，其中的循環(huán)裝置能以2-5倍于w.s/2ρt的流量輸送射線可固化樹(shù)脂，其中w是通過(guò)水平面(90)的單位面積的填料顆粒的重量，s是水平面(90)的面積，ρt是分散在組合物中的填料顆粒所容許的密度差限值。
8．一種用于形成三維物品的方法，它包含步驟(a)在光成形裝置中加入一層未固化的液態(tài)的射線可固化樹(shù)脂組合物。(b)根據(jù)三維物品的分片形狀數(shù)據(jù)選擇性地照射，射線可固化樹(shù)脂的未固化層，以便固化所選擇的樹(shù)脂區(qū)域。(c)重復(fù)所述加入和照射步驟，因此得到由固化樹(shù)脂組合物層疊層構(gòu)成的三維物品．其中射線可固化樹(shù)脂組合物包含密度與樹(shù)脂不同的填料，以及其中在所述過(guò)程中的至少某些時(shí)間利用循環(huán)裝置使該組合物循環(huán)。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中射線可固化樹(shù)脂包含至少一種射線可固化單體或低聚物，并且還包含至少一種光引發(fā)劑。
10．根據(jù)權(quán)利要求8-9中之一所述的方法，其中的樹(shù)脂組合物至少包含一種無(wú)機(jī)粉末填料或纖維填料。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中的填料的平均粒度或平均纖維長(zhǎng)度約為1-50微米。
12．根據(jù)權(quán)利要求8-11中之一所述的方法，其中100體積份光可固化樹(shù)脂混合物含50-200體積份的填料。
13．一種用于制造三維物品的裝置，它是通過(guò)相繼形成和固化射線可固化液態(tài)組合物層來(lái)制造三維物品，該裝置包括-存儲(chǔ)容器，用于容納射線可固化的液態(tài)組合物；-可移動(dòng)臺(tái)架裝置，它可通過(guò)所述容器和通過(guò)所述射線可固化液態(tài)組合物垂直移動(dòng)，由于垂直移動(dòng)，使所述射線可固化液態(tài)組合物形成未固化的組合物層，其中每層經(jīng)所選區(qū)域受照射固化時(shí)就變成所述三維物品的一部分；-抖動(dòng)裝置，用于使射線可固化組合物的未固化的層疊的表面基本平滑；-照射源，用于實(shí)現(xiàn)射線可固化液態(tài)組合物的層疊的固化，以及-循環(huán)裝置，用于提高容器中的所述射線可固化液態(tài)組合物的不同部分之間的均勻性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光成形裝置,用于形成均勻的三維物品,該物品在所有的部分都具有所需的特性,同時(shí),即使在光可固化樹(shù)脂組合物中的填料易于沉降時(shí)也能抑制填料的沉降。該光成形裝置通過(guò)選擇性地照射置于容器(20)中的光可固化液態(tài)樹(shù)脂組合物以重復(fù)形成固化樹(shù)脂層可以制造由層疊的固化樹(shù)脂層組成的三維物品,其中該裝置的特征在于,具有使光可固化液態(tài)樹(shù)脂組合物循環(huán)的裝置(60)。
文檔編號(hào)B29K105/24GK1226198SQ97196846
公開(kāi)日1999年8月18日 申請(qǐng)日期1997年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月29日
發(fā)明者春田裕一, 松村禮雄, 渡辺毅, 字加地孝志 申請(qǐng)人:Dsm有限公司, 捷時(shí)雅株式會(huì)社, 日本精涂層株式會(huì)社