CN116674198A - 利用光固化材料的混合式3d打印 - Google Patents

利用光固化材料的混合式3d打印 Download PDF

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M·C·科勒
P·多夫林格
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Abstract

一种三维(3D)打印的方法包括加热光固化材料以及根据数字文件从喷嘴(218)挤压出所述光固化材料以形成对象的第一层，其中第一层具有由所述数字文件指定的第一形状，并且其中第一形状具有基于所述喷嘴的直径的第一最小线宽。所述方法还包括根据所述数字文件或附加的数字文件将光束(315)引导到第一层上，以固化第一层(310)的一部分，其中，第一层的所述固化部分(310)具有第二形状，其中，第二形状可以包括小于第一形状的特征。

Description

利用光固化材料的混合式3D打印
本申请是以下发明专利申请的分案申请：申请日为2019年09月13日，申请号为201980060194.5，发明名称为“利用光固化材料的混合式3D打印”。
技术领域
本技术领域涉及三维(3D)打印，并且特别地，涉及一种混合式3D打印技术，其使用潜在的光固化材料的树脂分配/挤压以及一个或多个光源来生成具有高空间分辨率和/或潜在地没有支撑结构的对象。
背景技术
存在通过加成工艺制造3D对象的多种类型的三维(3D)打印机。不同类型的3D打印机可以执行不同的3D打印技术，该不同的3D打印技术进而取决于不同的应用。每种类型的3D打印技术与其它技术相比可具有优点和缺点。
3D打印技术的一个示例是立体光刻术(SLA)，其还被称为光学制造固体成像。在SLA中，通过在彼此的顶部上依次打印光固化材料(例如，聚合树脂)的薄层来制造对象。对于正面朝上(还称为自上而下)的SLA，平台搁置在液态光敏聚合物(例如，树脂)的浴槽中，刚好在浴槽的表面之下。光源(例如，紫外激光)在平台上追踪图案，以固化光源引导至的光敏聚合物，从而形成对象的一层。随后，平台增量地降低，并且光源在平台上追踪新图案，以在每个增量处形成对象的另一层。重复该工艺直到制造出对象为止。在倒置SLA(自上而下或自下而上的SLA)中，平台的一部分开始于液态光敏聚合物或树脂的浅浴槽内，刚好在浴槽表面之下。光源(例如，紫外线激光)通过具有不粘表面的透明底部从底部追踪平台上的图案，从而固化光源引导至的光敏聚合物，以形成对象的一层。平台被增量地升高，并且光源在平台上追踪新图案以在每个增量处形成对象的另一层。重复该工艺直到制造出对象为止。
另一种3D打印技术是数字光处理(DLP)。DLP以与SLA非常相同的方式运作，除了在SLA的情况下光源通常是激光，而在DLP的情况下光源是DLP投影仪。
SLA和DLP具有高精度，并且能够生产具有精细细节的对象。SLA和DLP与具有高达特定粘度的光固化材料一起工作。然而，具有高于SLA和DLP的最大粘度的粘度的光固化材料无法有效地与SLA或DLP 3D打印机一起使用。例如，如果粘度高(例如，如果光固化材料过粘)，则未固化的材料将不会填充在平台上，或者填充得过慢而不具备商业价值。例如，通常约20-40mPa-s的低粘度树脂被用于SLA和DLP工艺。
此外，正面朝上的SLA和DLP以及倒置的SLA和DLP***两者均需要对大多数部件使用支撑结构，这取决于它们的设计。在正面朝上的***中，这些支撑件将部件保持在精确位置处以确保所有细节都有所附着，并且抵抗来自树脂填充的叶片的横向压力。倒置的立体光刻术使用支撑件将悬垂部件附接到构建平台，防止因重力而挠曲，并且在剥离工艺期间保持新创建的区段。在使用SLA或DLP完成对象之后，需要移除支撑结构，并且对支撑结构先前所处的区域进行抛光。不管定向如何，通常都需要支撑件来开始打印部件并且支撑任何悬垂特征。对于具有复杂几何形状的一些对象，可能难以去除或不可能完全去除在SLA或DLP工艺期间生成的支撑结构。这可能使得这样的对象在某些情况下不能被用于它们的预期目的。
如上所述，许多SLA和DLP技术非常精确，并且产生精细的细节。然而，SLA和DLP对于超过各种粘度的光固化材料不能有效地起作用。例如，SLA和DLP通常与在30℃的处理温度下具有约0.35-1.0帕斯卡秒(Pa-s)(例如，约20-40mPa-s)粘度的光固化材料一起使用。用于SLA和DLP的光固化材料通常由碳链组成。碳链越短，光固化材料的粘度就越低，并且由SLA或DLP工艺制造的最终3D对象的力学性质就越弱。具有强力学性能的光固化材料通常具有对于与SLA或DLP一起使用来说过高的粘度(例如，在30℃下约10-100Pa-s或更大)。如果一些对象(诸如正畸矫正器)由具有强力学性能的光固化材料制成，则它们可以更好地运行。然而，针对临床使用(例如，用于修正咬合不正)的具有足够力学性能的牙科器械迄今为止尚不能在制造环境中使用SLA或DLP来制造，至少部分是由于使用超过特定粘度的材料打印这样的部件过慢和/或不可行。通过提高树脂和树脂桶的温度以降低其在升高的打印温度下的粘度，已经克服了其中的一些问题。但是，这倾向于降低树脂槽(vat)的存罐使用寿命。
另一种3D打印技术是熔融沉积成型(FDM)。传统FDM打印机熔融一串热塑性塑料长丝，并将熔融的串以逐层的方式铺设到打印床上，以形成3D对象。FDM是低成本类型的3D打印技术。然而，FDM具有低精度，并且会产生缺少精细细节的对象。
FDM通常是快速的，但是通常具有低精度并且无法产生精细细节(例如，具有低清晰度和特征分辨率)。此外，用于FDM 3D打印的热塑性塑料可以具有使其不适于特定类型的对象(诸如包括正畸矫正器的牙科器械)的力学性能。因此，迄今为止也不能使用FDM来制造具有足够的力学性能以用于临床使用的牙科器械(例如正畸矫正器)。
附图说明
在附图的图中，根据一些实施例，本发明通过示例的方式而非限定的方式示出。
图1示出了具有支撑结构的三维(3D)打印对象的示例。
图2示出了根据一些实施例的混合式3D打印机。
图3A示出了根据一些实施例的已使用混合式3D打印机打印的打印层的横截面的自上而下视图。
图3B示出了根据一些实施例的已使用混合式3D打印机打印的打印层的横截面的另一自上而下视图。
图4示出了根据一些实施例的执行3D打印的方法的流程图。
图5示出了根据一些实施例的示例计算装置的框图。
具体实施方式
本文的实施例涉及三维(3D)打印的方法、用于使用3D打印方法形成对象的装置以及包括该装置的***。如本文所述，本文的技术可用于打印各种对象。本文所述的实施方式指定一种或多种混合式3D打印技术以便3D打印对象。各种实施方式可包括放置将形成槽的壁的基础的第一材料，并且在由第一材料创建的壁内分配一种或多种第二材料(例如，一种或多种树脂和/或光固化材料))。如本文所使用的，“光固化材料”可以包括当暴露于辐射(诸如光(例如，电磁光谱的紫外线或可见光区域中的光))时改变其性质的材料。这些改变可以在结构上表现出来，例如，当曝露于光时，由于交联而发生的材料的硬化。如本文所使用的，“槽”可指包括打印壁的形成结构，该打印壁限定被构造为容纳一种或多种第二材料的储存器(reservoir)。
所述一种或多种第二材料可通过挤压或其它分配器来放置。所述一种或多种第二材料可以是以空间受控的方式而被选择性固化的部分。固化可以涉及光的应用(或其它固化辐射)和/或树脂与一种或多种其它材料的反应性混合。固化的空间控制可以涉及限制固化的应用，以将图案、设计、形状等形成到所述一种或多种第二材料，使得仅固化所述一种或多种第二材料的部分。空间控制可以基于从用于限定要被3D打印的对象的多个层的性质的数字文件导出的图案、设计、形状等。放置第一材料、放置所述一种或多种第二材料以及以空间受控的方式选择性固化的操作可以逐层重复，直到形成对象为止。
本文所述的混合式3D打印技术可以提供与SLA和DLP技术类似的精度和/或分辨率(例如，最小线宽)。此外，实施例中所述的混合式3D打印技术可以提供与FDM的打印速度相当的打印速度。与SLA、DLP和FDM形成对比，本文所述的混合式3D打印技术可以与粘性光固化材料(其实际上无法与现有的SLA和DLP***一起使用)一起使用，该粘性光固化材料被用于形成各种对象，诸如牙科器械(例如，直接制造的(例如，3D打印的)牙科器械(例如，用于实施治疗计划的可移除矫正器(例如，可移除正畸矫正器)、牙科附接物放置模板、保持器、增量式和/或混合式腭扩张器等)、用于形成牙科器械的模具、等。
在一些实施例中，本文的技术可用于形成模具，诸如热成型模具。它们的示例可以在以下文献中找到：发明人Tanugula等人的题为“Mold with separable features”的美国专利No.9,943,991；发明人Webber等人的题为“Mold with weakened areas”的美国专利No.9,943,386和发明人Kaza等人的题为“System for post-processing orthodonticappliance molds”的美国专利No.8,776,391；以及要求优先权的任何继续申请或分案申请和要求这些申请的优先权的任何实用新型或临时申请。这些专利/申请通过引用合并在本文中，如同在此完全阐述一样。
在一些实施例中，本文的技术可用于形成具有下颌定位特征的器械。它们的示例可以在以下文献中找到：发明人Wu等人的题为“Dental appliance with repositioningjaw elements”的美国专利No.9,844,424；发明人Wu等人的题为“Dental appliance withrepositioning jaw elements”的美国专利公开No.2015/0238280；发明人Webber等人的题为“Dental appliance binding structure”的美国专利No.10,213,277；以及要求优先权的任何继续申请或分案申请和要求这些申请的优先权的任何实用新型或临时申请。这些专利/申请通过引用合并在本文中，如同在此完全阐述一样。
在一些实施例中，本文的技术可用于形成腭扩张器。示例可以在以下文献中找到：发明人Kopelman等人的题为“Arch Expansion Apparatus”的美国专利No.9,610,141；发明人McSurdy的题为“System and method for palatal expansion”的美国专利No.7,192,273；发明人McSurdy的题为“System and method for palatal expansion”的美国专利No.7,874,836；以及要求优先权的任何继续申请或分案申请和要求这些申请的优先权的任何实用新型或临时申请。这些专利/申请通过引用合并在本文中，如同在此完全阐述一样。
在一些实施例中，本文的技术可用于形成附接物形成模板。示例可以在以下文献中找到：发明人Boronkay的题为“Direct fabrication of attachment templates withadhesive”的美国专利公开No.2017/0007368；发明人Webber等人的题为“Dentalattachment placement structure”的美国专利公开No.2017/0165032；发明人Webber等人的题为“Dental attachment placement structure”的美国专利公开No.2017/0319296；发明人Webber等人的题为“Dental attachment placement structure”的美国专利申请序列No.16/366,686；以及要求优先权的任何继续申请或分案申请，以及要求这些申请的优先权的任何实用或临时申请。这些专利/申请在此通过引用并入，如同在此完全阐述一样。
在一些实施例中，本文的技术可用于形成直接制造的矫正器。示例可以在以下文献中找到：发明人Kopelman等人的题为“Direct fabrication of orthodonticappliances with elastics”的美国专利申请公开No.2016/0310236；Kopelman等人的题为“Direct fabrication of aligners with interproximal force coupling”的美国专利申请公开No.2017/0007365；Kopelman等人的题为“Direct fabrication of orthodonticappliances with variable properties”的美国专利申请公开No.2017/0007359；Kopelman等人的题为“Systems,apparatuses and methods for dental appliances withintegrally formed features”的美国专利申请公开No.2017/0007360；Boronkay的题为“Direct fabrication of power arms”的美国专利No.10,363,116；Kopeleman等人的题为“Direct fabrication of aligners for arch expansion”的美国专利申请公开No.2017/0007366；Li等人的题为“Direct fabrication of palate expansion and otherapplication”的美国专利申请公开No.2017/0007367；以及要求优先权的任何继续申请或分案申请和要求这些申请的优先权的任何实用新型或临时申请。这些专利/申请通过引用合并在本文中，如同在此完全阐述一样。
可与本文所讨论的实施例一起使用的材料的示例包括发明人Yan CHEN等人的题为“Dental Materials Using Thermoset Polymers”的美国专利公开No.2017/0007362；ALIGN科技有限公司的题为“Curable Composition for Use in a High TemperatureLithography-Based Photopolymerization Process and Method of ProducingCrosslinked Polymers Therefrom”的国际专利申请号PCT/US2019/030683；以及ALIGN科技有限公司的题为“Polymerizable Monomers and Method of Polymerizing the Same”的国际专利申请号PCT/US2019/030687。这些专利/申请通过引用合并在本文中，如同在此完全阐述一样。如本文所述，混合式3D打印技术可以将SLA、DLP和FDM的优点组合到单个技术中，该单个技术可以被用作用于大规模生产的3D打印对象(牙科器械、助听器、医疗植入物等)的基础。
在一些实施例中，示例方法包括以下操作中的一个或多个：(1)放置包括槽的壁(例如，形成槽的壁的基础)的第一材料。(2)如果第一材料需要光固化和/或其它处理，则进行光固化和/或其它处理。(3)在槽的壁内，将一种或多种材料(例如，一种或多种第二材料)分配到槽中，例如分配到由第一材料所形成的壁内。根据每种材料的需要，可以通过光和/或其它机制来固化所述一种或多种第二材料。在一些实施例中，固化机制中的至少一种是光的使用。在各种实施例中，可以以在空间上分辨的方式控制所述一种或多种材料的固化。一些实施例可能需要使用激光和/或DLP来在空间上控制材料的固化。(4)如果要制造多于一层，则可以增加槽壁的高度，并且可以再次执行槽的内部体积的填充，随后对该层中的一种或多种材料进行任何所需的固化。(5)如本文所述，在一些实施例中，该工艺可以继续，直到利用其几何形状和/或其它物理性质打印出整个对象为止。(6)随后，可以从槽中移除对象，并通过打印后清洁程序对其进行处理。
如本文所述，在一些实施例中，槽的使用可以是可选的。例如，在一些实施例中，不需要槽(树脂的粘度可以足够高以防止树脂在打印工艺发生的时标(time scale)上流动等)。树脂材料可以通过使用熔融沉积成型(FDM)工艺而被挤压/分配到层中，该熔融沉积成型(FDM)工艺包括使用光或其它固化机制来固化挤压出的树脂的全部或部分。
在一些实施例中，在打印工艺开始之前提供槽。这对于高度不是非常高和/或每次打印都具有相同或近似相同形状的对象是有用的。
在一些实施例中，槽材料是用于制造打印对象的材料中的一种。
在一些实施例中，该材料中的一种或多种是热熔材料，诸如通常用于FDM型3D打印的那些材料。
在一些实施例中，该材料中的一种或多种是热固性材料。热固性材料的示例在本文中进一步讨论。
在一些实施例中，在分配期间诸如利用静态混合器混合2种或更多种材料。这样的材料可以相互反应以形成新的材料。可以制造的材料和可以使用的反应的一些非限制性示例是聚氨酯、胺-环氧树脂、Michael加成、环氧树脂、开环反应/聚合、硫化、硅烷和硅氧烷材料、diel-alders反应、ROMP反应等。也可以在分配期间使用两种材料的混合，以结合非反应材料或反应材料，诸如颜料、染料、香料、芳香剂、药剂、填料、溶剂、增塑剂、催化剂、引发剂等。
在一些实施例中，材料可以被破坏、修整、燃烧或以其它方式在一个或多个层内移除，诸如通过机械手段，诸如电磨(dremal)、研磨、砂磨、刨削、模切等，和/或通过光学手段，诸如激光切割和/或其它烧蚀技术和/或物理技术，诸如沸腾、升华或抽吸材料。
在一些实施例中，可以通过将材料放置到通过从一个或多个层中移除材料而创建的腔体中来引入材料或对象。这种引入的材料/对象可以被放置到通过诸如如上所述的减材机制创建的孔中，或者可以将(一个或多个)层中的材料推开(如果是液体，则最容易)，或者简单地放置在最上层的顶部上。进一步的层创建可以发生在引入的材料/对象的顶部上和/或周围。一些非限制性示例对象和/或材料是ECI或其它电子装置、机械支撑件，诸如金属线、或塑料薄板、纤维、玻璃、陶瓷、金属薄板、传感器、指示器等。拾取和放置技术对于在打印工艺期间将各种对象引入打印对象中是有用的。各种类型的机器人臂可以被设计成执行对象/材料的所需放置。
装置可以使用小针或管来将(一种或多种)材料挤压/分配到基底或层上。此外，该装置可以使用喷射技术，诸如Nordson EFD的PICO Pμlse，和/或使用微型挤压(诸如TWW微型挤压器)和/或微型分配***(诸如Vermes微型分配***-MDS 3280)。通常，装置能够将高和/或低粘度材料输送到打印区域。此外，装置具有带有多于一个材料输送头和/或多于一种输送方法的选项。所有这些方法都是可扩展的，并且尽管它们目前被列在微升范围内，但是根据最终打印对象所需的分辨率和期望的速度，可以使用更高和更小规模的分配器。
一旦材料被输送到打印区域，其中的一些或全部以在空间上受控的方式被固化，诸如通过光和/或反应性混合和分配。每一层均通过以受控的方式将更多材料输送到槽中而创建。
激光和/或投射***通常聚焦到上层表面上或仅仅聚焦到顶层表面中。层的添加需要调整光源的焦点。光源的焦点可以通过光学地感测表面的位置(诸如在Octave 3D打印机中执行)或各种形式的机器视觉(举两个非限制性示例)并调整光学***和/或槽高度以将焦点保持在正确位置来控制。另一种潜在方法是基于所分配的材料的量来调整槽的高度。可以调整光源，或者可以调整槽的高度，以考虑通过基于已知的或测量的或计算的槽的体积和输送的材料量的计算的新的层的高度(用于测量输送的材料量的装置或传感器对于该实施例是有用的)。机械浮子、霍尔传感器、温度传感器和其它机械和电传感器也可被用于确定层的表面的位置。光学方法的最优选的。重复向打印区域添加材料和进行固化的工艺，直到完成打印对象为止。
拾取和放置操作可以发生在打印工艺的任何阶段，并且可以包括移除对象。
一个特征是在时间范围内将大量的一种或多种材料快速输送到打印区域，这使得在合理的时间范围内打印分辨率良好的对象的整个工艺成为可能，使得大规模制造可以是有成本效率的。当前，类似于本文所述装置，喷墨打印可以制成多材料对象，但打印所需的时间非常长。与本文所述的实施例不同，SLA和DLP打印机在打印多材料对象时是无效的。在制造或医生办公室环境中用于打印矫正器和/或医疗装置的时间范围是每个装置10秒至1分钟、每个装置1分钟至5分钟、每个装置5分钟至10分钟、每个装置10至30分钟、每个装置30分钟至2小时以及每个装置2小时至6小时。一般而言，更短的时间是更加期望的。
在一些实施例中，在分配之前和/或在分配期间加热材料以促进材料流出分配器。在少数几个实施例中，在分配之前冷却材料是有用的。例如，过***液(作为示例诸如水)可以从头部分配，此时其立即冻结。在一些实施例中，这可以被用作槽材料或支撑物。
分辨率
最终部件的分辨率由输送方法的尺寸和固化机制的分辨率来控制。在一个主要实施例中，材料以微升(或微微升)的量输送，并使用诸如DLP的光源来固化。DLP的典型分辨率在x/y平面中为30x 30微米，多达100x100微米。根据打印所需的需要，其它范围也是可能的。激光器可以提供下至10微米(或更小)的焦点，但是通常在30至100微米的范围内。全息投影仪(诸如由Pacific Light&Hologram创建的那些全息投影仪)在各种实施例中也可用作固化源。
当使用光固化时，可以通过树脂中的光吸收体的量来控制Z维分辨率。它还可以通过输送到打印区域的树脂量进行控制。例如，一旦存在槽壁，就可以计算并精确地输送每层的树脂的体积。这可以容易地控制层的高度。可选地，光学或其它感测方法(诸如重量)可以被用于在反馈***中确定层的高度。预期层的高度范围可以从1微米到50微米，和/或大于100微米。每个层高可以独立于其它层进行控制。层高也是与期望的z维分辨率相结合的待打印对象的标度(scale)的函数。高度为10厘米的大标度对象的打印可以使用1mm或甚至1cm的z维层间距。这种缩放选项是可预期的。
打印对象的复合材料组件的分辨率由固化机制的x/y分辨率和/或由z维高度控制进行控制。当每层是不同材料(例如，层1为材料A而层2为材料B，并且随后的层在A与B之间交替)时，情况如此。
当每层包括多于一种材料时，则除了空间固化发生的位置之外，复合维度也还受上述因素控制。例如，如果两个或多个分配头并排分配两种不同的材料并且每种液体为100微米宽，则100微米宽的固化***可以创建连接到50微米宽的材料B的50微米宽的材料A。可替代地，固化50微米宽的线的固化***可以创建两个(或更多个)50微米宽的材料A和材料B的条带，其在该位置处可以不连接在一起。然而，这两种材料可以存在于同一层中。因此，当使用本文所述的实施例时，构成复合材料的材料的分辨率具有多种可能性。
在使用多种材料的一些实施例中，不同的材料通过一系列通道或管被供给到单个分配或挤压管中。在这种实施例中，不同的材料被计量或输送到单个管中并根据需要来分配。在输送新材料之前清除任何剩余的材料可能是有用的，并且可以将材料这样清除到槽外部、清除到单独的槽中，或清除到槽内的不是被打印的对象的一部分的区域内。两种或更多种材料的混合也可以利用这样的设置进行，并且取决于材料的粘度和流动性质以及通道直径，层流可以防止材料混合，从而允许两种或更多种材料作为未混合的材料组合进行分配，之后，该未混合的材料组合可以在该状态下固化，从而保持未混合的结构。
在一些实施例中，一个或多个分配头能够在其它分配头分配材料的同时输送材料。这样的构造允许在每层中用一种或多种材料快速创建层。
在许多实施例中，材料放置由计算机来控制，该计算机控制头，使得材料被放置在由输入文件所确定的位置中，并且然后计算机控制材料在由输入文件所确定的位置固化。
尽管术语管和针已被用于描述来自分配头的输出，但是可以设想其它形状。一些非限制性示例是带状物、矩形、椭圆形、星形或其它形状。
在使用槽的实施例中，材料输送头可能需要是可缩回的或高度可调整的，从而能够遍历槽壁，以便在槽内部分配。如果存在多于1个材料输送头，则情况尤其如此。这也可以通过上下移动槽来实现，尽管这是次优选的。可以使用计算机来确定在打印期间打印头缩回的最佳方式和/或高度，以避免碰撞或接触槽。
光源
可以使用一个或多个激光器来固化供应到打印区域的树脂。激光器可以被用在SLA工业中常见的扫描构造中和/或诸如闪光灯(flash)的其它构造中。激光器也可被用于创建在特定应用中可能有用的干涉图案。DLP装置也可以作为3D打印工业中的标准来使用。固化的其它方法，诸如电子束、X射线、其它形式的辐射、多光子和/或(红外)热可以独立使用或相互结合使用。全息投影仪和/或激光干涉在本文所述的一些实施例中也是有用的。
槽材料描述
用于制造槽的材料可以由热固性材料和/或热塑性材料构成。它们可以通过任何所列的输送方法输送，并且如果需要固化可以使用任何固化方法。
优选的是，材料是触变的，使得当材料被输送时，其形状不会被过多地改变或其不会流走(或者需要在其可以流走之前被固化)。
槽层可以与槽的填充液位齐平。可选地，在一些实施例中，槽被创建有超过由槽中的打印对象的当前层所表示的填充液位的一个层。
在一些实施例中，本文所述的混合式3D打印技术包括加热高粘性光固化材料以降低光材料的粘度，随后根据数字文件从喷嘴挤压出光固化材料以形成对象的层。对象的第一层可以具有由数字文件指定的第一形状。第一形状可以具有基于喷嘴的直径的第一最小线宽。新的混合式3D打印技术还包括在根据数字文件或附加数字文件沉积对象的层时(或在对象的层被沉积之后)将光束引导到对象的层上，以固化每一层的一部分。第一层的固化部分可以具有第一形状内的第二形状。用于固化层的该部分的光束可以具有小于喷嘴直径的光束直径。因此，光束可以被用于产生比简单地通过从喷嘴挤压出材料而产生的那些更加精细的细节。这样，第二形状可以具有小于第一最小线宽的第二最小线宽。本公开中的挤压可以包括各种材料输送方法，其包括喷射技术(诸如Nordson EFD的PICO Pμlse)和/或使用诸如TWW微型挤压器的微型挤压和/或诸如分配器的微型分配***(诸如Vermes微型分配***-MDS 3280)。根据所需的打印部件的分辨率而缩放的更大或更小的格式也是可能的。
包括FDM、SLA和DLP的现有3D打印技术都利用支撑结构来在打印工艺期间支撑3D打印对象。图1示出了具有支撑结构105的示例打印的3D对象100。支撑结构105是不期望的，因为它们最终将不是对象100的一部分。然而，这种支撑结构105通常需要在打印工艺期间被添加以确保对象具有期望的形状。例如，对于SLA和DLP，支撑结构105可以将对象保持在精确的位置处以确保对象的所有细节都有所附着，和/或抵抗来自树脂填充的叶片的侧压力，可以将悬挂对象100附接到平台，可以防止因重力而挠曲，和/或可以在剥离工艺期间保持新创建的区段。
在一些实施例中描述的混合式3D打印技术使用在室温下高度粘性的光固化材料。例如，在实施例中，光固化材料在室温下可以变成固体或接近固体。沉积的光固化材料的各部分暴露于直径比用于沉积光固化材料的喷嘴的直径更窄的光束。这使得对象能够在没有支撑结构和/或具有减少的支撑结构的情况下被构建，因为打印的3D对象的光固化区段被光固化材料的未固化但冻结的部分封装和支撑。
图2示出了根据一些实施例的混合式3D打印机200的剖视图。混合式3D打印机200可以与光固化材料一起使用，该光固化材料在固化时具有期望的力学性能，诸如高拉伸强度、高断裂伸长率、高屈服伸长率、高弹性模量、高挠曲强度、高抗蠕变性、低松弛应力和/或高挠曲模量。混合式3D打印机200还可被用于在不使用支撑结构或最少地使用支撑结构的情况下制造具有复杂几何形状的对象。混合式3D打印机200可以被用于例如直接制造用于纠正咬合不正和/或构造其它牙科器械的正畸矫正器。它还可被用于打印复合结构。
在一些实施例中，混合式3D打印机200包括包围内部体积245的腔体250。腔体250可由铝、不锈钢、塑料、陶瓷和/或其它适合材料制造。腔体250通常包括侧壁255和底部260。在替代实施例中，可省略腔体250。
包围在腔体250的内部体积245内的是平台(还称为打印床)205，以支撑打印对象222。平台205可以包括步进马达，该步进马达可以根据来自控制器的指令在z方向上沿着垂直导轨(例如，一组垂直导杆)210移动平台205。可替代地，步进马达可以与平台205分离，但仍可沿着垂直导轨210驱动平台205。
包围在腔体250的内部体积245内的还有导轨220，分配器(还称为挤压器)215被安装到该导轨220上。分配器215可以包括一个或多个步进马达，其可以沿着导轨220移动分配器215并且精确地控制分配器215在xy平面中的位置。可替代地，(一个或多个)步进马达可以与分配器215分离，但是仍可以在至少xy平面中移动分配器215。
在一些实施例中，分配器215被安装到至少在xy平面中可移动的机械台。在这样的实施例中，一个或多个步进马达可以被包括在机械台中。在一些实施例中，发射可用于固化光固化材料的光束的光源也被安装到机械台。例如，分配器215可以在第一位置处安装到机械台，并且光源可以在第二位置处安装到机械台。在实施例中，安装到机械台的光源可以是可旋转的或以其它方式可移动的，以将光束引导到目标位置，而不管机械台在内部体积245内的位置如何。
在一些实施例中，分配器215(和/或机械台)也可沿着z轴移动。例如，在所示实施例中，分配器215在xy平面中移动，并且平台205沿着z轴(其可以是与由平台限定的平面正交的轴)移动。然而，在一些实施例中，平台205可以是固定的，并且分配器215可以沿着x轴、y轴和z轴移动。
分配器215可以包括容纳粘性光固化材料的容器。分配器215可以另外包括：一个或多个加热元件，其加热粘性光固化材料的至少一部分；喷嘴218，其挤压出加热的光固化材料；和/或供料器，其通过喷嘴218供给加热的光固化材料。供料器可以是泵、活塞、螺杆机构或施加力以通过喷嘴218挤压出加热的光固化材料的其它机构。
尽管仅示出了单个分配器215，但是在实施例中，3D打印机200可以包括多个分配器(例如，两个或更多个分配器)，每个分配器可以独立地移动并且可以并行地操作以加速光固化材料到平台205上的沉积。此外，可以由一个或多个分配器来提供多于一种光固化材料。
光固化材料提供相对较高的玻璃化转变温度和降低的刚性以及增加的聚合物韧性，即，在实施例中高的拉伸模量值、屈服拉伸强度、断裂伸长率和应力松弛。
光固化材料可包括诸如聚酯(polyester)、共聚酯(co-polyester)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚丙烯(polypropylene)、聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯和聚乙烯共聚物(polypropylene and polyethylene copolymer)、聚氨酯(polyurethane)、丙烯酸(acrylic)、环状嵌段共聚物(cyclic block copolymer)、聚醚醚酮(polyetheretherketone)、聚酰胺(polyamide)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephthalate)、聚醚酰亚胺(polyetherimide)、聚醚砜(polyethersulfone)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(polytrimethylene terephthalate)、苯乙烯嵌段共聚物(SBC)(styrenic blockcopolymer)、硅橡胶(silicone rubber)、弹性体合金(elastomeric alloy)、热塑性弹性体(TPE)(thermoplastic elastomer)、热塑性硫化橡胶(thermoplastic vulcanizate，TPV)弹性体、聚氨酯弹性体(polyurethane elastomer)、嵌段共聚物弹性体(block copolymerelastomer)、聚烯烃共混弹性体(polyolefin blend elastomer)、热塑性共聚酯弹性体(thermoplastic co-polyester elastomer)、热塑性聚酰胺弹性体(thermoplasticpolyamide elastomer)、树枝状丙烯酸酯(dendritic acrylate)、聚氨酯丙烯酸酯(polyester urethane acrylate)、多官能丙烯酸酯(multifunctional acrylate)、聚丁二烯聚氨酯丙烯酸酯(polybutadiene urethane acrylate)、聚酯聚氨酯甲基丙烯酸酯(polyester urethane methacrylate)、脂族聚酯聚氨酯甲基丙烯酸酯(aliphaticpolyester urethane methacrylate)(例如，BOMAR XR-741 MS)、脂族双官能丙烯酸酯(aliphatic difunctional acrylate)(例如，Miramer UA5216)、聚醚丙烯酸酯(polyetheracrylate)、丙烯酸聚酯丙烯酸酯(acrylic polyester acrylate)、聚酯丙烯酸酯(polyester acrylate)、丙烯酸丙烯酸酯(acrylic acrylate)、聚醚聚氨酯丙烯酸甲酯(polyether urethane methacrylate)、硅树脂聚氨酯丙烯酸酯(silicone urethaneacrylate)或其组合的材料。除了上述材料之外或者代替上述材料，光固化材料可以附加包括其它材料。光固化材料可以以未固化的形式(例如，作为液体、树脂等)提供，并且可以被固化(例如，通过光聚合、光固化、激光固化、交联等)。材料在固化前的性质可能不同于材料在固化后的性质。一旦被固化，本文的材料可以表现出足够的强度、刚度、耐久性、生物相容性等，以用于矫正器。所使用材料的固化后性质可以根据3D打印对象的期望性质进行选择。
光固化材料可以是包含一种或多种组分的高粘性树脂制剂。组分可以包含一种或多种可聚合物种(诸如上述的那些)、一种或多种可用作反应性稀释剂的可聚合单体、聚合引发剂、聚合抑制剂、溶剂、填料、抗氧化剂、颜料、着色剂、表面改性剂、玻璃化转变温度改性剂、韧性改性剂和/或它们的混合物。为了使光固化材料最终产生具有足够力学性能的固化聚合物(例如，交联聚合物)以用于诸如正畸矫正器的应用，光固化材料可以包括长链单体。在光固化材料中包括这样的长链单体导致高粘度(例如，在室温下表现为固体的材料)。
在一些实施例中，作为反应性稀释剂包含在光固化材料中的可聚合单体可以具有低熔点(例如，小于90℃、小于50℃或甚至小于30℃，这将导致可聚合单体在室温下为液体)和基本上低的挥发性(例如，在高达90-120℃的温度下<1wt％的质量损失)。在一些实施例中，可聚合单体选自由以下化合物组成的组：
2-异丙基-5-甲基环己基2-(甲基丙烯酰氧基)苯甲酸酯(1)
(2-isopropyl-5-methylcyclohexyl 2-(methacryloxy)benzoate(1))；
3,3,5-三甲基环己基2-(甲基丙烯酰氧基)苯甲酸酯(2)
(3,3,5-trimethylcyclohexyl 2-(methacryloxy)benzoate(2))；
1,3,3-三甲基1-2-双环[2.2.1]庚烷基2-(甲基丙烯酰氧基)苯甲酸酯(3)
(1,3,3-trimethy1-2-bicyclo[2.2.1]heptanyl 2-(methacryloxy)benzoate(3))；
1,7,7-三甲基1-2-双环[2.2.1]庚烷基2-(甲基丙烯酰氧基)苯甲酸酯(4)
(1,7,7-trimethy1-2-bicyclo[2.2.1]heptanyl 2-(methacryloxy)benzoate(4))；
3,3,5-三甲基环己烷3-(甲基丙烯酰氧基)苯甲酸酯(5)
(3,3,5-trimethylcyclohexyl 3-(methacryloxy)benzoate(5))；
3,3,5-三甲基环己烷4-(甲基丙烯酰氧基)苯甲酸酯(6)
(3,3,5-trimethylcyclohexyl 4-(methacryloxy)benzoate(6))；和
3,3,5-三甲基环己烷2-(丙烯酰氧基)苯甲酸酯(7)(3,3,5-trimethylcyclohexyl2-(acryloxy)benzoate(7))。
其它可能的反应性稀释剂包括丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯，诸如(聚)乙二醇(二甲基)二丙烯酸酯((poly)glycol di(meth)acrylates)，例如，三乙二醇二甲基丙烯酸酯或四乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA，tri-or tetraethylene glycol dimethacrylate)、双酚A二甲基丙烯酸酯(bisphenol A dimethacrylate)或其氢化形式、4,4'-异丙基二烯基环己醇二甲基丙烯酸酯(4,4'-isopropylidenedicyclohexanol di methacrylate)或水杨酸酯(甲基)丙烯酸酯(salicylic ester(meth)acrylates)；(聚)乙烯基单体，例如，醋酸乙烯酯、苯乙烯、二乙烯基苯。一些示例稀释剂是TEGDMA和水杨酸酯(甲基)丙烯酸酯(salicylicester(meth)acrylates)，诸如水杨酸环烷基酯(甲基)丙烯酸酯(cycloalkyl salicylate(meth)acrylates)。
由分配器215挤压出的光固化材料可以是高度粘性树脂。在一些实施例中，光固化材料在室温下可具有大于100泊肃叶(Pa-s)的粘度(例如，300Pa-s或更大的粘度)，并且在50℃或高于50℃(例如，在90℃至130℃的范围内)的处理温度下可具有低于70Pa-s(例如，0.3Pa-s、1Pa-s、5Pa-s、10Pa-s、20Pa-s、30Pa-s、40Pa-s、50Pa-s、60Pa-s等)的粘度。在另外的实施例中，光固化材料在处理温度下可具有低于2Pa-s(例如，约1-2Pa-s)的粘度，并且在室温下可具有超过10Pa-s(例如，约10-300Pa-s)的粘度。流体的动态粘度表示其对剪切流的阻力。动态粘度SI制单位是泊肃叶(Pa-s)。动态粘度通常以厘泊为单位给出，其中1厘泊(cP)等于1mPa-s。在一些实施例中，光固化材料具有下表中所述的粘度。(一种或多种)反应性稀释剂(例如，可聚合单体)的存在可以提供在处理温度下小于70Pa-s的光固化材料的粘度，即使在一些实施例中，组合物(不具有(一种或多种)反应性稀释剂)在室温下可具有高达300Pa-s或更高的粘度，或者甚至可为固体。
表1：不同温度下的粘度
在一些实施例中，包括一种或多种可聚合物种和至少一种光聚合引发剂的光固化材料在利用合适波长的光(例如，UV光)照射变成被所述光引发剂吸收之前，可以被加热到升高的工艺温度(例如60-130℃、90-120℃等)，从而引起光引发剂的裂解以诱导一种或多种可聚合物种的聚合，从而获得交联的聚合物。如果光固化材料包括一种或多种可聚合单体，则可聚合单体可以在聚合工艺中变成共聚的，以得到可选地交联的聚合物，其包含可聚合单体的基团作为重复单元。
如本文所使用的，术语“聚合物”是指由重复通过共价化学键连接的结构单元组成并且由相当大数量的重复单元和高分子量表征的分子，所述相当大数量的重复单元例如等于或大于10个重复单元并且通常等于或大于50个重复单元并且通常等于或大于100个重复单元，所述高分子量例如大于或等于5000Da、10000Da或20000Da。聚合物通常是一种或多种单体前体的聚合产物。术语聚合物包括均聚物，或基本上由单个重复单体亚单位组成的聚合物。术语聚合物还包括当两种或更多种不同类型的单体链接在同一聚合物中时形成的共聚物。共聚物可以包含两个或更多个单体亚单位，并且包括无规、嵌段、交替、多嵌段、接枝、递变和其它共聚物。“交联的聚合物”是指在至少两条聚合物链之间具有一个或多个链接的聚合物，其可由在聚合时形成交联位点的多价单体产生。
当合适的制剂暴露于能够引发聚合的足够功率和波长的光时，发生光聚合。用于引发光固化材料的聚合的光的波长和功率取决于所使用的引发剂。本文所使用的光包括能够引发聚合的任何波长和功率。优选的光波长包括紫外(UV)或可见光。UV光源包括UVA(波长约400nm至约320nm)、UVB(约320nm至约290nm)或UVC(约290nm至约100nm)。可以使用任何合适的光源，包括激光源。光源可以是宽带或窄带，或其组合。光源可以提供连续光或脉冲光。***暴露于UV光的时间长度和UV光的强度二者都可以改变，以确定理想的反应条件。
在一些实施例中，包括最终打印对象的材料是生物相容的和生物惰性的材料。如本文所使用的，“生物相容的”可指当被置于体内生物环境中时不会引起免疫排斥或有害作用(在本文中称为不良免疫应答)的材料。例如，在实施例中，当人类或动物暴露于或接触生物相容性材料时，指示免疫应答的生物标志物从基线值变化小于10％、或小于20％、或小于25％、或小于40％、或小于50％。可替代地，可以在组织学上确定免疫应答，其中通过视觉上的评估标记来评估局部免疫应答，该评估标记包括在材料中或与材料相邻的参与免疫应答路径的免疫细胞或标记。在一个方面，生物相容性材料或装置不会显著改变在组织学上确定的免疫应答。在一些实施例中，光固化材料被用于制造被配置用于长期(诸如约数周至数月)使用的生物相容性装置，而不引起不良免疫应答。生物学效应最初可以通过测量细胞毒性、致敏性、刺激性和皮内反应性、急性全身毒性、产热原性、亚急性/亚慢性毒性和/或植入来评估。用于补充评估的生物学测试包括对慢性毒性的测试。
本文所使用的“生物惰性”可以指当被置于体内生物环境中时不会引起来自人或动物的免疫应答的材料。例如，当人类或动物暴露于或接触生物惰性材料时，指示免疫应答的生物标记保持基本上恒定(基线值的正负5％)。在一些实施例中，提供了生物惰性装置。
在曝露于光之后，光固化材料可以变成被固化的，并且可以在该点处包括交联聚合物。在一些实施例中，交联聚合物可以通过拉伸应力-应变曲线来表征，该拉伸应力-应变曲线显示了屈服点，在该屈服点之后测试样品继续伸长而载荷没有增大。这种屈服点行为通常发生在玻璃化转变温度“附近”，在该处材料处于玻璃似状态和橡胶似状态之间，并且可以被特征为具有粘弹特性。在一些实施例中，在从20℃至40℃的温度范围内观察粘弹特性。在屈服点处确定屈服应力。在一些实施例中，根据应力-应变曲线的初始斜率确定模量，或者模量被确定为在1％应变下的割线模量(例如，当不存在应力-应变曲线的线性部分时)。屈服伸长率由屈服点处的应变确定。当屈服点在应力最大值处出现时，极限拉伸强度小于屈服强度。对于拉伸测试样品，应变通过ln(l/l0)限定，其在小的应变下(例如，小于约10％)可被近似为(l-l0)/l0，并且伸长率为l/l0，其中l是在已经出现一些变形之后的计量长度，l0是初始计量长度。力学性能可以取决于它们被测量时的温度。测试温度可以低于牙科器械的预期使用温度，诸如35℃至40℃。
在一些实施例中，所述一种或多种材料具有超过70℃或超过100℃的玻璃化转变温度(Tg)，这防止聚合物软化，从而有助于固化产物的维度稳定性和形状精度。存在(一种或多种)低聚的(即约0.4至5kDa的相对较低分子量)玻璃化转变温度改性剂可以提供相对较高的玻璃化转变温度。
当在37±2℃的温度和100％相对湿度或37±2℃的水中温度(即在约体温)下的测试条件下进行试验时，所述一种或多种材料可以附加具有降低的刚性和增加的韧性和挠性，如由约800-1000MPa的拉伸模量，约25-40MPa的屈服处拉伸强度、约20-30％的断裂伸长率、初始载荷的约20-35％的松弛应力和/或2小时后的2-3MPa松弛应力所表示的。在一些实施例中，所述一种或多种材料具有以下性质中的一种或多种：大于或等于800MPa的拉伸模量、大于或等于20％的断裂伸长率、大于或等于初始载荷的20％的2小时后剩余应力、和/或大于或等于80℃的玻璃化转变温度。在另外的实施例中，材料(例如，交联聚合物)具有以下性质中的一种或多种：大于或等于1000MPa的拉伸模量、大于或等于30％的断裂伸长率、大于或等于初始负荷的35％的2小时后剩余应力、和/或大于或等于90℃的玻璃化转变温度。在一些实施例中，材料具有约100至120℃的玻璃化转变温度(Tg)。在一些实施例中，材料在20℃下具有约2000MPa至约2800GPa的储能模量。在一些实施例中，材料在约60-120℃下达到1000MPa的储能模量。在实施例中，至少一些上述力学性能可以通过(一种或多种)聚合的(即高分子量(>5kDa))韧性改性剂的存在来实现。
其它材料(树脂、制剂、单体、聚合物、低聚物等)和/或可由本文所述技术使用的方法包括Yan CHEN等人的题为“Dental Materials Using Thermoset Polymers”的美国专利公开No.2017/0007362；ALIGN科技有限公司的题为“Curable Composition for Use in aHigh Temperature Lithography-Based Photopolymerization Process and Method ofProducing Crosslinked Polymers Therefrom”的国际专利申请号PCT/US2019/030683；以及ALIGN科技有限公司的题为“Polymerizable Monomers and Method of Polymerizingthe Same”的国际专利申请号PCT/US2019/030687的主题。这些申请以及所有其它专利和在本公开中所列的专利公开通过引用合并在本文中，如同在此完全阐述一样。
混合式3D打印机200可以附加包括光源230，该光源生成被精确地引导到3D对象222的部分上的光束235。对象222的一些部分被曝露给光束235，并且变成固化部分225。对象222的其它部分不会被曝露给光束235，而是保留未固化部分230。如图所示，未固化部分230可以具有第一形状，并且固化部分225可以具有封装在第一形状内的第二形状。
混合式3D打印机200可以附加包括控制器(未示出)，其控制分配器215、平台205和/或光源230的位置和移动。控制器可以根据数字文件(诸如具有立体光刻术(STL)文件格式、OBJ文件格式、Filmox(FBX)文件格式、COLLADA文件格式、3DS文件格式、初始图形交换规范(IGES)文件格式、STEP文件格式或其它3D文件格式的数字文件)向分配器215和/或平台205的步进马达发送指令，以实现计算机辅助制造(CAM)。通过平台205和/或分配器215的协调移动，可以通过一次打印3D对象222的一层来创建3D对象222。
在一些实施例中，光源230是激光器，诸如紫外(UV)激光器。在各种实施例中，光源230具有固定位置，并且将光束235引导到扫描镜240(例如，诸如x-y扫描镜)上。扫描镜240随后可以由控制器控制以将光束引导到xy平面中的目标位置。扫描镜240根据数字文件横跨对象222的最上层以图案移动光束，以固化对象222的最上层以及可选地对象222的一个或多个下层的一些部分。在替代实施例中，光源230本身可以是可移动的(例如，可旋转的)，以将光束引导到内部体积245内的目标位置。在另一实施例中，光源230可以附接到分配器215(例如，附接到分配器的喷嘴)。例如，光源230可以具有将光束引导到分配器215的喷嘴下方的固定点的固定位置。可替代地，光源230可以附接到分配器215，但是可以是可移动的(例如，可旋转的)以调整光束被引导至的位置。在实施例中，激光器可以根据数字文件扫描对象222的最上层，以固化对象的部分。
在一些实施例中，光源230是高清晰度DLP投影仪(例如，其可以发射UV光束)。DLP投影仪可以同时将光发射到平台205和/或对象222的多个位置上。DLP投影仪可以将DLP投影仪下的区域划分成像素的网格，并且DLP投影仪可以针对每个像素来控制该像素是否被曝露于光。此外，投影仪的每个像素可以被输出到从白色到灰色到黑色的光谱中。这使每个像素位置能够被固化到不同的深度。因此，对象222可以被划分为体素，并且可以控制对每个体素的光曝露量。
尽管仅示出了单个光源230，但是在实施例中3D打印机200以包括多个光源(例如，两个或更多个光源)，每个光源可以生成可被独立地引导并且可以并行地操作以加速沉积到平台205上的光固化材料的固化的光束。当使用多于一个光源时，该光源可以是不同类型的光源，诸如激光、不同波长的DLP等。
在一些实施例中，在最上层处沉积的光固化材料仍然是热的(例如，在约90-120℃)的情况下，光束235被引导到对象222的最上层。可替代地，可以允许对象222的最上层在光束235被引导到最上层之前被冷却。在一些实施例中，沉积的材料在被沉积之后将快速凝固。这允许对象在不使用任何支撑结构(或使用最少的支撑结构)的情况下被构建，因为对象222的光固化部分225被封装在未固化部分230内并由其支撑，当该未固化部分230冷却时其可被冻结(例如，固体)。
如图所示，光源230被安装在分配器215上方。然而，在实施例中，光源230可以在分配器215下方或者与分配器215共面。在示例中，光源230和分配器215两者均可以被安装到机械台。
在一些实施例中，3D打印机200还包括一个或多个加热器(未示出)，其可以将沉积的材料(例如，对象222)的温度保持在适于固化(例如，光固化)材料的水平。(一个或多个)加热器可以在一个或多个混合位置处安装到平台205、底部260、侧面255或3D打印机200上的其它位置。可替代地或附加地，一个或多个加热器可以被安装到分配器215(或安装到机械台，分配器215可被安装到该机械台)，以将热量例如朝向喷嘴的输出引导。可替代地或附加地，一个或多个加热器可以被安装到导轨，并且可以独立地移动以加热对象222的目标部分，以便与被引导到目标部分的光束235一致。因此，加热器可以在光束235之前或之后，以在固化工艺期间控制对象222的多个部分的局部温度。这可以有助于控制对象222在例如固化期间的翘曲和/或收缩。
在一些实施例中，除了一个或多个加热器之外或代替一个或多个加热器，一个或多个冷却器可以被包括在3D打印机200中。(一个或多个)冷却器可以被安装到例如平台205和/或3D打印机200中的其它位置。例如，冷却器可以包括一个或多个管道，冷却流体流经所述管道。
在一些实施例中，3D打印机200还包括加热器(未示出)，其可以将内部体积245加热到目标温度(例如，约60-130℃或90-120℃或更高)，该目标温度在对象已被完成之后熔化或液化对象222的未固化部分230。这可能引起高粘度未固化材料230熔化掉并与对象的固化部分225分离。可替代地，一旦对象完成，就可将对象222从3D打印机200中移除并放置在烘箱中，该烘箱可以将对象222加热到目标温度以熔化未固化部分230并使未固化部分230与固化部分225分离。附加地或可替代地，对象可以经历溶剂清洗，诸如异丙醇和/或能够溶解未固化材料但基本上不影响固化材料的其它溶剂。
图3A示出了根据一些实施例的已使用混合式3D打印机打印的打印层300的横截面的自上而下视图。在一些实施例中，打印层300通过图2的混合式3D打印机200来打印。如图所示，打印层300包括已经通过具有特定直径的喷嘴320而沉积的未固化部分305。在实施例中，喷嘴320的直径(并且因此打印层300的未固化部分305的最小线宽)可以为约250-800微米。在另外的实施例中，喷嘴320的直径(并且因此打印层300的未固化部分305的最小线宽)可以为约100-800微米。在实施例中，被引导到打印层300的光束315可以具有约20-200微米(例如，约100-200微米)的光束直径。因此，在实施例中，打印层300的固化部分310可以具有约20-200微米(例如，约100-200微米)的最小直径。由于固化部分310的最小线宽可以比未固化部分305的最小线宽小很多，所以使用本文所述的混合式3D打印技术可获得的细节水平比通常使用FDM可实现的细节水平大很多。此外，光束315的精度水平通常比分配器可实现的精度水平高很多。因此，本文所述的混合式3D打印技术还实现了比使用FDM可实现的精度水平高很多的精度水平。
图3B示出了根据一些实施方式的已使用混合式3D打印机打印的打印层350的横截面的另一自上而下视图。在一些实施例中，打印层350由图2的混合式3D打印机200打印。如图所示，打印层350包括具有第一最小线宽365的未固化部分355和具有较低的第二最小线宽370的固化部分360。打印对象350的固化部分360可能已经被暴露于由激光器输出的光束和/或由DLP投影仪输出的光束。在DLP投影仪的情况下，最小线宽可以对应于DLP投影仪的像素尺寸。
图4示出了根据一些实施例的执行3D打印的方法400的流程图。由诸如图2的3D打印机200的混合式3D打印机根据来自数字文件的指令来执行方法400的一个或多个操作。指令可以由连接到混合式3D打印机的计算装置的处理逻辑来发送。例如，图5的计算装置500可以执行CAM模块550，其处理数字文件552并基于数字文件552的处理向混合式3D打印机提供指令。可替代地，可以由3D打印机的控制器基于数字文件来生成指令。
在方法400的框402处，3D打印机将光固化材料加热到处理温度。在一些实施例中，处理温度可以是高于60℃的温度。在另一实施例中，处理温度可以是约60-130℃。在另一实施例中，处理温度可以是约90-120℃。在其它实施方案中，处理温度为20-30℃。在其它实施例中，处理温度小于20℃或大于130℃。
在框405处，3D打印机根据数字文件移动喷嘴(例如，包括喷嘴的分配器)。在一些实施例中，3D打印机可以从在计算装置上执行的CAM模块接收指令。在一些实施例中，数字文件被加载到3D打印机的控制器中，并且3D打印机确定沉积层序(例如，一系列喷嘴的位置和/或平台的高度)以实现打印对象。在框410处，3D打印机从喷嘴挤压出加热的光固化材料以形成对象的一层(3D打印部件)。3D打印机可以在光固化材料从喷嘴挤压出的同时移动喷嘴。
在框415处，3D打印机根据数字文件或根据附加的数字文件将光束引导到对象的层上。例如，第一数字文件可被用于确定将所述一种或多种材料挤压在哪里，并且第二数字文件可被用于确定将一个或多个光源引导到哪里。可替代地，相同的数字文件可被用于确定将材料挤压在哪里以及将光束引导到哪里。在一些实施例中，光束被引导到已经被沉积的层的一部分，同时层的该部分仍然被加热(例如，同时该部分仍然处于或接近升高的处理温度)。可替代地或附加地，在层的一部分已经冷却之后，光束可以被引导到层的该部分。挤压出的光固化材料可以在沉积之后迅速冷却，并且在一些实施例中可以凝固。因此，挤压出材料的未固化部分可以封装和支撑材料的固化部分。值得注意的是，对象的固化部分的最小线宽可以明显比对象的未固化部分的最小线宽更细。
在框420处，3D打印机(或与3D打印机通信的计算装置)的处理逻辑可以确定当前层是否完成。如果当前层未完成，则方法返回到框405，移动喷嘴(例如，在xy平面中)，并且在该层处沉积附加的材料。如果当前层完成，则方法继续到框425。
用于固化打印对象的顶层的光束可以具有足够的功率以穿透顶层的下方。例如，光束可以穿透到2层或更多层的深度。固化深度可以大于层厚度，以确保接触层通过光聚合工艺结合在一起。因此，(例如，3D打印机的控制器的或耦接到3D打印机的计算装置的)处理逻辑可以对固化深度进行补偿，以确保实际上仅固化对象的打算被固化的部分。例如，如果第三层将在某一位置处固化，但第三层下方的第二层将不在该位置处固化，则该位置可以不被固化，直到第四层已被沉积为止。一旦第四层被沉积在该位置(例如xy坐标)处，则该位置可以被固化，从而在该位置固化第四层和第三层二者，并且在该位置处留下第一层和第二层未固化。或者，如前所述，灰度光强度可用于控制穿透到层中的深度。
在框425处，3D打印机(或与3D打印机通信的计算装置)的处理逻辑可以确定3D打印对象是否完成。如果3D打印对象未完成，则方法前进到框430，并且3D打印机沿z方向移动喷嘴和/或支撑对象的平台以进展到下一层。随后，方法返回到框405，并且附加的材料被沉积以形成下一层。如果在框425处3D打印对象完成，则方法继续到框435。
在框435处，3D打印对象被加热(例如，加热至处理温度或加热至可高于处理温度的另一温度)。对打印对象的加热可以引起打印对象的未固化部分熔化并从打印对象的固化部分流走。此外，在一些实施例中，加热打印对象可以进一步固化打印对象的固化部分。在框440处，对象的未固化部分可以与对象的固化部分分离。这种分离可以仅通过加热对象(在框435处)来发生，或者通过在对象被加热的同时进行一些附加的工艺来发生，例如利用加热流体冲洗(例如，通过在对象处喷射加热流体)、通过搅动对象、通过旋转对象等。
归因于用于沉积光固化材料并形成对象的喷嘴的直径，在将对象的固化部分与对象的未固化部分分离之前，打印对象可具有相对较低水平(粗糙的)细节。然而，归因于用于固化对象的固化部分的光的光束直径小，在将未固化部分与固化部分分离之后，所述结果所得的对象可能具有高水平的(精细的)细节。因此，结果所得的3D打印对象可以具有与使用SLA和DLP 3D打印技术打印的对象的精度和细节的水平相当的精度和细节的水平。
应该理解，可以使用多个分配头，并且每个分配头可以分配一种或多种材料。一些分配的材料可以是不需要光固化或其它固化机制的标准FDM材料。还应理解，虽然该混合型打印机被描述为使用高粘度树脂和材料，但是其也可以与低粘度材料一起使用，诸如用于DLP和SLA打印机的标准材料。而且，应该理解，其它固化机制(诸如在分配期间材料的两部分混合)也是可能的(诸如添加到两个(或更多个)分配头的静态混合头是可能的)，以创建立即和/或稍后和/或利用加热和/或利用光反应的混合材料。
由于本文所述的实施例能够分配多种材料，因此这些材料中的一些可以包括药剂，诸如激素、止痛剂、抗微生物化合物、染料、pH敏感材料、颜料、凝胶、芳香剂、香料、催化剂、引发剂、抑制剂、光阻断剂、UV阻断剂等。这些材料可以单独分配或与树脂或热塑性塑料或溶剂混合。显然，包括材料的混合物。
还应理解，有时需要或期望使用支撑件。对于一些实施例，利用多种材料打印对象的能力还允许由与打印对象不同的材料制造支撑件。支撑材料可以是光固化材料，也可以不是光固化材料。支撑材料可以被设计成溶解在溶剂中，诸如水或异丙醇或乙醇(或其它溶剂)。它可以是蜡材料或在加热期间容易熔化掉的其它材料。
各种实施例还提供将拾取和放置技术并入到打印方法中的能力。例如，机器人臂可以拾取自给式的电子装置(诸如电子适宜程度指示器)并将其放置在打印物的指定层中。打印可以继续，并可以将电子装置完全装入在固化材料中。其它对象也可以放置在打印物的任何给定层中，以满足其它功能，诸如为打印对象添加的结构支撑或嵌入的传感器。
在一些实施例中，光学感测***被用于定位层的表面以确定层的精确高度。这可以便于控制被用于固化光固化材料的光的焦点。它还可被用于在打印期间在空间上定位对象(诸如已经经由机器人臂添加的对象)。它也可被用于验证固化已经发生，诸如光学***是否使用荧光来确定固化的程度。其它光学传感器可以被结合到打印机中，诸如FTIR、IR、NIR、Raman，以帮助确定固化的程度或分配的材料的位置或量。
可以执行方法400，以制造正畸矫正器和将佩戴在患者的牙弓上的其它牙科器械。每个矫正器的形状是独特的，并且针对特定患者和特定治疗阶段进行定制。每个矫正器可以根据与矫正器相对应的独特数字文件来制造，该矫正器将在特定治疗阶段装配在特定患者的上牙弓或下牙弓上。每个矫正器将在正畸治疗的特定阶段向患者牙齿施加力。矫正器分别具有牙齿容纳腔体，该牙齿容纳腔体容纳牙齿并根据特定的治疗阶段弹性地重新定位牙齿。牙齿可以由矫正器通过例如垂直地移动一颗或多颗牙齿、旋转一颗或多颗牙齿、相对于牙弓沿横向方向移动一颗或多颗牙齿和/或相对于牙弓沿前后方向移动一颗或多颗牙齿来重新定位。每个矫正器可以附加包括容纳附接到患者牙列的特征的形状，该特征便于牙齿重新定位和/或旋转。
图5示出以计算装置500为示例形式的机器的图形表示，在该机器内指令集用于使机器执行参照方法400所讨论的方法中的任何一个或多个。在替代实施例中，机器可以连接(例如，联网)到局域网(LAN)、内联网、外联网或因特网中的其它机器。例如，机器可以联网到诸如3D打印机的快速成型设备，诸如图2的3D打印机200。机器可以在客户端-服务器网络环境中以服务器或客户端机器的能力来操作，或者在点对点(或分布式)网络环境中作为对等机器来操作。机器可以是个人计算机(PC)、平板计算机、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、网络器械、服务器、网络路由器、交换机或网桥、或者能够执行指定要由该机器采取的动作的指令集(连续地或以其它方式)的任何机器。此外，虽然仅示出了单个机器，但是术语“机器”还应被理解为包括单独地或联合地执行一个指令集(或多个指令集)以执行本文所讨论的方法中的任何一个或多个的任何机器(例如，计算机)的集合。
示例计算装置500包括经由总线508彼此通信的处理装置502、主存储器504(例如，只读存储器(ROM)、快闪存储器、诸如同步DRAM(SDRAM)的动态随机存取存储器(DRAM)等)、静态存储器506(例如，快闪存储器、静态随机存取存储器(SRAM)等)、以及次级存储器(例如，数据存储装置528)。
处理装置502表示一个或多个通用处理器，诸如微处理器、中央处理单元等。更具体地说，处理装置502可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、实施其它指令集的处理器、或实施指令集的组合的处理器。处理装置502还可以是一个或多个专用处理装置，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器等。处理装置502被配置为执行用于进行本文所讨论的操作和步骤的处理逻辑(指令526)。
计算装置500还可包括用于与网络564通信的网络接口装置522。计算装置500还可包括视频显示单元510(例如，液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT))、字母数字输入装置512(例如，键盘)、光标控制装置514(例如，鼠标)和信号生成装置520(例如，扬声器)。
数据存储装置528可以包括机器可读存储介质(或者更具体地说，非暂时性计算机可读存储介质)524，在其上存储有体现本文所述的方法或功能中的任何一个或多个的一个或多个指令集526。非暂时性存储介质是指除了载波或其它传播信号之外的存储介质。指令526在其由计算机装置500、主存储器504和处理装置502(它们也构成计算机可读存储介质)的执行期间还可以完全或至少部分地驻留在主存储器504和/或处理装置502内。
计算机可读存储介质524还可被用于以数字文件552和/或计算机辅助制造(CAM)模块550的形式存储一个或多个虚拟3D模型。CAM模块550可以处理数字文件552以确定将产生由数字文件552限定的3D打印对象的分配器(例如，挤压器)和/或平台的位置的次序。CAM模块550可以向3D打印机发送指令以使3D打印机执行方法400的一个或多个操作。尽管计算机可读存储介质724在示例实施例中被示出为是单个介质，但是术语“计算机可读存储介质”应该被认为包括单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库，和/或相关联的缓存和服务器)，其存储一个或多个指令集。术语“计算机可读存储介质”还将被认为包括任何介质，其能够存储或编码用于由机器执行的指令集并且使机器执行任何一个或多个本文所述的方法。因此，术语“计算机可读存储介质”应被理解为包括但不限于固态存储器、以及光学和磁性介质。
应该理解，上述描述旨在是说明性的，而非限制性的。在阅读和理解以上描述之后，许多其它实施例将是显而易见的。尽管已经参照具体示例描述了实施例，但是将认识到，本发明不限于所述实施例，而是可以在所附权利要求的精神和范围内利用修改和变更来实施。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围应该参照所附权利要求书连同这些权利要求主张权利的等同物的全部范围来确定。
如下所述执行示例实验。
在第一示例中，将材料A、材料B和材料C被放置到具有22号平顶针头的1mL注射器中。材料A是热熔粘合剂。材料B是含有1wt％TPO-L的TCDDA。材料C是含1wt％TPO-L的丙烯酸叔丁酯。在实验中，材料A以圆形形式被挤压到载玻片上。随后分配材料B以填充圆形内部。将狗骨图案投射到圆形内部的液体上，以创建狗骨打印物以形成。打印物完全在外圆内部。随后将材料A分配到前一圆形的顶部以增加槽的高度，随后进行固化。随后将材料C分配到圆形中以用材料C填充储存器。将狗骨图案在与先前投影相同的位置暴露到液态树脂上。材料C被固化成狗骨的形状。重复该工艺4次以上，以形成狗骨形状的具有呈交替层的5层材料B和5层材料C的材料。使用FTIR和Raman光谱学确认狗骨的复合材料性质，以识别复合材料的每一层。
在另一实验中，如前所述，逐层形成槽，但是材料B和C并排地分配在每一层中，使得当进行暴露时，狗骨的左半部为材料B，而狗骨的右半部为材料C。两种材料之间的衔接部(interface)在暴露发生之前经历了一些混合，因此衔接部代表新材料，其为材料B和C的混合物。

Claims (10)

1.一种三维(3D)打印牙科器械的方法，包括：
加热光固化材料；
根据一个或多个数字文件从喷嘴挤压出所述光固化材料，以形成挤压出的材料的第一层，其中，挤压出的材料的第一层具有由所述一个或多个数字文件指定的第一形状，并且其中，所述第一形状对应于基于所述喷嘴的直径的第一最小线宽；以及
根据所述一个或多个数字文件将光束引导到挤压出的材料的第一层上，以固化挤压出的材料的第一层的部分，从而创建所述材料的第一固化层，其中，所述材料的第一固化层对应于由所述一个或多个数字文件指定的3D打印牙科器械的第一层的第二形状，其中，所述光束具有小于所述喷嘴的直径的束直径，并且其中，所述第二形状具有小于第一最小线宽的第二最小线宽。
2.一种用于执行前述方法的3D打印机，所述3D打印机包括：
平台；
分配器，其包括喷嘴和加热元件，其中，所述加热元件被构造为加热光固化材料；以及
光源，其用于产生光束。
3.一种三维(3D)打印机，包括：
加热器，其用于加热光固化材料；
喷嘴，其用于根据一个或多个数字文件挤压出所述光固化材料，以形成挤压出的材料的第一层，其中，挤压出的材料的第一层将具有由所述一个或多个数字文件指定的第一形状，并且其中，所述第一形状对应于基于所述喷嘴的直径的第一最小线宽；以及
光源，其用于根据所述一个或多个数字文件将光束引导到挤压出的材料的第一层上，以固化挤压出的材料的第一层的部分，从而创建所述材料的第一固化层，其中，所述材料的第一固化层对应于由所述一个或多个数字文件指定的3D打印牙科器械的第一层的第二形状，其中，所述光束具有小于所述喷嘴的直径的束直径，并且其中，所述第二形状具有小于第一最小线宽的第二最小线宽。
4.一种三维(3D)打印机，包括：
平台；
第一容器，其被构造为存储第一材料，所述第一材料是光固化材料；
第二容器，其被构造为存储第二材料，所述第二材料不同于所述第一材料；
分配器，其耦接到所述第一容器和所述第二容器，所述分配器包括喷嘴和加热元件，其中，所述加热元件被构造为加热所述第一材料，并且所述喷嘴被构造为在第一时间将被加热的第一材料挤压到所述平台上，以形成包括挤压出的第一材料的第一层的第一部分，其中，所述分配器还被构造为在第二时间挤压出所述第二材料以形成所述第一层的第二部分，并且其中，所述第一层具有由一个或多个数字文件指定的第一形状，并且其中，所述第一形状对应于基于所述喷嘴的直径的第一最小线宽；以及
光源，其被构造为发射光束，所述光束根据所述一个或多个数字文件被引导到所述第一层的至少第一部分上，以固化所述第一层的所述第一部分的一部分，从而创建第一固化层，其中，所述第一固化层对应于由所述一个或多个数字文件指定的三维(3D)打印对象的第一层的第二形状，其中，所述光束具有小于所述喷嘴的直径的束直径，并且其中，所述第二形状具有小于第一最小线宽的第二最小线宽。
5.一种三维(3D)打印***，包括：
3D打印机，其包括：
平台；
第一材料，其中，所述第一材料是光固化材料；
第二材料，其不同于所述第一材料；
一个或多个分配器，其中，所述一个或多个分配器包括第一分配器，所述第一分配器包括第一喷嘴和加热元件，其中，所述加热元件用于加热所述第一材料并且所述第一喷嘴用于将加热的第一材料挤压到所述平台上以形成对象的第一层的第一部分，其中，第一层具有由数字文件指定的第一形状，并且其中，所述第一形状具有基于所述第一喷嘴的直径的第一最小线宽；
其中，所述一个或多个分配器中的第一分配器的第一喷嘴或第二分配器的第二喷嘴中的至少一个用于将第二材料挤压到所述平台上以形成所述第一层的第二部分；
光源，其用于根据所述数字文件或附加的数字文件中的至少一个将光束引导到第一层上，以固化所述第一层的部分，其中，所述第一层的固化部分具有第二形状，其中，所述光束具有小于所述第一喷嘴的直径的束直径，并且其中，所述第二形状具有小于第一最小线宽的第二最小线宽；以及
加热器，其用于在已经形成对象的多个层之后加热所述对象，其中，所述加热器用于加热所述对象，以使所述对象的未固化部分液化并与所述对象的固化部分分离。
6.一种三维(3D)打印***，包括：
3D打印机，其包括：
平台；
第一分配器，其包括第一喷嘴；
光源；以及
处理器，其中所述处理器被配置为：
使所述第一分配器将第一材料的第一层分配到所述平台上以形成槽的壁的第一层，其中，所述第一材料的第一层具有由数字文件指定的第一形状；
使所述第一分配器或第二分配器将第二材料挤压到所述平台上，以在所述槽的壁的第一层内形成第二材料的第一层；以及
使所述光源根据数字文件或附加数字文件将光束引导到所述第二材料的第一层上，以固化所述第二材料的第一层的一部分，其中，所述第二材料的第一层的固化部分具有对象的第二形状，其中，所述光束具有由所述光源确定的x/y分辨率。
7.一种***，包括：
用于分配的装置，其用于分配第一材料的第一层以形成槽的壁的第一层，从而三维(3D)打印对象；
用于挤压的装置，其用于从喷嘴挤压出一种或多种光固化第二材料，以在所述槽的壁的第一层内形成一种或多种挤压出的光固化材料的第一层；
用于引导的装置，其用于将光束引导到一种或多种挤压出的光固化材料的第一层的第一部分上，所述第一部分具有在一个或多个数字文件中指定的第一空间布置，所述第一空间布置对应于对象的第一层，从而选择性地固化一种或多种挤压出的光固化材料的第一层的第一部分，而不固化所述一种或多种挤压出的光固化材料的第一层的第二部分，其中，所述第一空间布置对应于所述光束的束直径，所述一种或多种挤压出的光固化材料的第一层具有基于所述喷嘴的喷嘴直径的线宽，并且所述束直径小于所述喷嘴直径；以及
用于移除的装置，其用于移除一种或多种挤压出的光固化材料的第一层的第二部分，以形成对象的第一层。
8.一种三维(3D)打印机，包括：
平台；
分配器，其包括喷嘴和加热元件，其中，所述加热元件被构造为加热材料，并且所述喷嘴被构造为将被加热的材料挤压到所述平台上以形成挤压出的材料的第一层，其中，所述挤压出的材料的第一层具有由一个或多个数字文件指定的第一形状，并且其中，所述第一形状对应于基于所述喷嘴的直径的第一最小线宽；以及
光源，其被构造为发射光束，所述光束根据所述一个或多个数字文件被引导到所述挤压出的材料的第一层上，以固化所述挤压出的材料的第一层的一部分，从而创建所述材料的第一固化层，其中，所述材料的第一固化层对应于由所述一个或多个数字文件指定的三维(3D)打印对象的第一层的第二形状，其中，所述光束具有小于所述喷嘴的直径的束直径，并且其中，所述第二形状具有小于第一最小线宽的第二最小线宽。
9.一种打印牙科器械的方法，包括：
使用第一材料形成槽的壁；
在所述槽内分配一种或多种光固化材料；以及
通过根据一个或多个数字文件施加辐射来选择性地固化所述槽内的所述一种或多种光固化材料的部分，以形成所述牙科器械。
10.一种三维打印机，包括：
第一分配器或第二分配器中的至少一个；
光源；以及
处理装置，其中，所述处理装置被配置为：
使所述第一分配器使用第一材料形成槽的壁；
使所述第一分配器或所述第二分配器在所述槽内分配一种或多种光固化材料；以及
使所述光源通过根据一个或多个数字文件施加辐射来选择性地固化所述槽内的所述一种或多种光固化材料的部分，以形成所述牙科器械。
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