用于透明眼鏡片的增材制造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及使用增材制造設(shè)備制造一種三維透明眼鏡片的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 增材制造方法和裝置已在用于生產(chǎn)以前使用減材制造技術(shù)(如傳統(tǒng)機械加工）制 造的零件和產(chǎn)品的各種工業(yè)中變得眾所周知。這類制造方法的應(yīng)用尚未進(jìn)行系統(tǒng)地應(yīng)用。
[0003] 增材制造意指如在國際標(biāo)準(zhǔn)ASTM 2792-12中定義的制造技術(shù)，其提到了一種連接 材料以根據(jù)3D模型數(shù)據(jù)制造物體的工藝，通常層層疊加，與減材制造技術(shù)(如傳統(tǒng)機械加 工)相反。
[0004] 可以在(但不限于）由以下各項組成的列表中選擇增材制造方法:光固化立體造型 術(shù)、掩模光固化立體造型術(shù)或掩模投影光固化立體造型術(shù)、聚合物噴射技術(shù)、掃描激光燒結(jié) 技術(shù)或SLS、掃描激光熔化技術(shù)或SLM、熔融沉積成型技術(shù)或FDM。
[0005] 增材制造技術(shù)包括多項工藝，這些工藝通過根據(jù)可以在CAD(計算機輔助設(shè)計）文 件中定義的一種預(yù)定安排并置多個體積元素來創(chuàng)造物體。這種并置被理解為順序操作的結(jié) 果，如在之前獲得的材料層頂上建造材料層和/或在之前獲得的體積元素旁并置材料體積 元素。
[0006] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的是，體素幾何結(jié)構(gòu)和位置的確定是優(yōu)化構(gòu)造策略的 結(jié)果，該優(yōu)化構(gòu)造策略可能考慮到如與所選擇的增材制造設(shè)備的能力相關(guān)的順序制造操作 的順序。
[0007] 優(yōu)化構(gòu)造策略典型地包括：
[0008] -確定多個體素的幾何結(jié)構(gòu)和位置
[0009] -確定由多個體素制成的多個薄片的幾何結(jié)構(gòu)和位置，
[0010] -在該(這些)增材制造設(shè)備的參考系中確定多個體素和/或薄片的整體安排取向。
[0011] -確定根據(jù)其制造這些體素和/或薄片的順序。
[0012] 可用于本發(fā)明的一種3D打印裝置被適配成用于并置小的體積元素（還被稱為體 素）以便建造一種眼鏡片。此外，3D打印裝置可以被適配成用于從一系列截面鋪設(shè)連續(xù)液 體、粉末或片材料層。對應(yīng)于來自數(shù)字模型的這些虛擬截面的這些層聚合或聯(lián)接在一起或 熔融以便創(chuàng)造光學(xué)設(shè)備的至少一部分。
[0013] 這種技術(shù)的主要優(yōu)點是其創(chuàng)造幾乎任何形狀或幾何特征的能力。有利地，在確定 步驟過程中，使用這種增材制造方法提供大得多的自由。
[0014] 這些技術(shù)的一個缺點是物體是使用多個元件制造的，于是可能難以管理最終產(chǎn)品 的均勻性。這代表使用這種技術(shù)來制造一種透明眼鏡片且更具體地說眼鏡片的一個主要問 題。確實，眼鏡片應(yīng)當(dāng)是透明的以便響應(yīng)于佩戴者的需要。為透明的意味著所制造的物體應(yīng) 當(dāng)是均勻的并且無任何擴散。
[0015] 在本發(fā)明的參考范圍內(nèi)，當(dāng)通過眼鏡片觀察圖像在無顯著對比度損失的情況下被 感知時，即當(dāng)通過眼鏡片形成圖像在不會不利地影響所述圖像的質(zhì)量的情況下獲得時，所 述眼鏡片被理解為是透明的。術(shù)語"透明的"的這一定義可以在本發(fā)明的參考范圍內(nèi)應(yīng)用于 本說明書中如此限定的所有物體。
[0016] 使用一種增材制造工藝來由離散的體素制造眼鏡片增加一些缺陷的形成風(fēng)險，這 些缺陷可能由至少兩個體素之間的較差均化產(chǎn)生抑或由每一體素內(nèi)部由于對包含在所述 體素內(nèi)的反應(yīng)性物質(zhì)的反應(yīng)性和移動性的較差控制所致的不同聚合水平產(chǎn)生。然后這些缺 陷可以通過使光衍射而與光相互作用。衍射被定義為當(dāng)光波受到物理限制時所觀察到的光 傳播效應(yīng)(何塞-菲利普佩雷斯(J-P.PEREZ)-光學(xué)，基礎(chǔ)和應(yīng)用（Optique，F(xiàn)ondementset applications)第7版-迪諾出版社(DUN0D)-2004年10月，第262頁）。因此，包括這類缺陷的 眼鏡片傳輸降級的圖像，這是由于由所述缺陷誘導(dǎo)的光的這種傳播所致。微觀衍射引起宏 觀擴散。這種宏觀擴散或非相干擴散導(dǎo)致一個擴散暈圈且因此導(dǎo)致通過所述結(jié)構(gòu)觀察到的 圖像的對比度損失。這種對比度損失可被比作透明度損失，如先前所定義。這種宏觀擴散效 應(yīng)對于一種眼鏡片的生產(chǎn)來說是不可接受的。在所述眼鏡片是一種以下眼鏡片的情況下， 情況更是如此:該眼鏡片一方面根據(jù)先前所定義的意義需要是透明的，并且另一方面需要 不具有可能妨礙這樣一種眼鏡片的佩戴者的視力的裝飾缺陷。
[0017] 本性地且與組裝離散體積元素的原理直接相關(guān)，增材制造技術(shù)提高了管理最終產(chǎn) 品的整體均勻性的困難。當(dāng)考慮制造用于在可見范圍內(nèi)應(yīng)用的眼鏡片時這是特別突出的一 個問題。由于所考慮的體素的典型大小(典型地在0.1至500微米范圍內(nèi)），由一種增材制造 工藝產(chǎn)生的物體傾向于顯示在某種尺度上的折射率變化，這些折射率變化可能與光學(xué)畸變 組合產(chǎn)生散射(在其他術(shù)語中霧度或擴散）。因此對于光學(xué)應(yīng)用來說一個關(guān)鍵問題是能夠生 產(chǎn)具有足夠的整體均勻性和足夠的表面平滑度的零件，以便不會改變光線的傳播，并且因 此最小化可誘導(dǎo)不利對比度損失的散射現(xiàn)象。
[0018] 此外，增材制造技術(shù)中的體素的物理構(gòu)成傳統(tǒng)地使用物理手段，這些物理手段在 制造過程中誘導(dǎo)這些體素的幾何結(jié)構(gòu)變化。那些物理手段可以是光誘導(dǎo)的聚合和/或熱管 理，它們典型地產(chǎn)生在單獨體素尺度下的尺寸收縮，而且還產(chǎn)生在通過增材制造工藝生產(chǎn) 的物體尺度下的宏觀應(yīng)力累積。
[0019] 就光學(xué)應(yīng)用而言，在制造過程期間由在單獨體素尺度下的尺寸變化抑或由與體素 組裝相關(guān)的集體效應(yīng)(如應(yīng)力累積)造成的這些上述尺寸變化直接地影響最終物體的光學(xué) 特性以及該最終物體跨通過鏡片傳輸?shù)囊粋€光束的整個橫截面以一種受控的和確定性的 方式修正光學(xué)波前傳播的能力。對于眼鏡片，這類尺寸變化改變與所述眼鏡片相關(guān)并且應(yīng) 當(dāng)針對特定佩戴者個性化的最終處方。
[0020] 術(shù)語"處方"應(yīng)當(dāng)被理解為指光學(xué)屈光力、散光、棱鏡偏差以及（當(dāng)相關(guān)時)增加度 的一組光學(xué)特性，該組光學(xué)特性是由眼科醫(yī)師或驗光師確定的以便例如借助于位于佩戴者 眼睛前面的鏡片矯正佩戴者的視力缺陷。例如，針對漸進(jìn)式多焦點鏡片(PAL)的處方包括光 學(xué)屈光力值和在遠(yuǎn)視點處的散光值，以及增加值(在適當(dāng)情況下）。處方數(shù)據(jù)可以包括針對 正視眼的數(shù)據(jù)。
[0021] 因此對于眼科應(yīng)用來說，另一個關(guān)鍵問題是能夠通過增材制造生產(chǎn)具有對單獨和 集體體素幾何結(jié)構(gòu)的足夠控制的一種物體，以便交付幾何結(jié)構(gòu)與和初始CAD文件相關(guān)的幾 何結(jié)構(gòu)處于直接關(guān)系的一種最終產(chǎn)品。
[0022] 本發(fā)明描述一種用于通過制造一種三維眼鏡片來解決這一問題的方法，該三維眼 鏡片在該眼鏡片的構(gòu)造過程中通過對體素的兩種技術(shù)特性的控制而具有高度管理水平的 均勻性：
[0023]-改變其粘度的能力，
[0024]-一起互相擴散以便提供一個最終均勻的元件的能力。
[0025] 這兩種技術(shù)特性是通過選擇用于制造每一體素的一種或多種組分和通過應(yīng)用于 該一種或多種組分中的每種的物理和/或化學(xué)處理的種類來管理的。
[0026] 在本發(fā)明中，體素粘度水平是在工藝順序過程中受控制的以便管理包埋于體素配 制品中的相關(guān)化學(xué)物種的互相擴散潛力。
[0027] 使用粘度作為用于控制所包埋的化學(xué)物種互相擴散的能力的一個關(guān)鍵參數(shù)的事 實是特別令人感興趣的。粘度和互相擴散潛力的組合控制產(chǎn)生目的在于制作透明的均勻零 件的一種增材制造生產(chǎn)方案可使用的廣泛范圍的單體和/或低聚材料配制品。
[0028] 發(fā)明概述
[0029] 本發(fā)明提出一種通過控制體素的技術(shù)特性(包括改變粘度、改進(jìn)與相鄰體素互相 擴散的能力）和最終眼鏡片的均勻性來制造具有高管理水平的均勻性的透明眼鏡片的方 法。這些技術(shù)特性是通過選擇用于制造體素的材料和通過應(yīng)用于這些材料的其他處理來管 理的。這些方法使得能夠使用增材制造通過提供體素的幾何保真度和眼鏡片的整體均勻性 來制造透明眼鏡片。
[0030] -般來說，提供一種增材制造方法，其中體素材料的粘度在沉積時增加。由于粘度 增加，所沉積的體素傾向于保持在沉積部位處的位置中并且維持所選擇的體素幾何結(jié)構(gòu)。 稍后，并置的體素互相擴散，這樣使得分離的離散體素合并以便創(chuàng)造一個均勻的固體物體。 在體素互相擴散之后的后加工也是可能的。
[0031] 更具體地說，包括一種透明眼鏡片(例如像一種眼鏡片）的一種均勻的3-D固體物 體是通過增材制造來創(chuàng)造的。增材制造裝置例如像一臺3-D打印機沉積液體組合物的一個 或多個體素，該液體組合物在其中具有至少一種單體和/或低聚物。該方法進(jìn)一步包括在沉 積之后應(yīng)用于該單體和/或低聚物的兩個或更多個處理或過程：用于增加所沉積的體素的 粘度的一個處理;和用于促進(jìn)并置的體素的互相擴散的一個處理。這些互相擴散的體素然 后聚合。本披露提出一種使用一種組合物的制造方法，該組合物被選擇為使得可以在體素 沉積之后誘導(dǎo)粘度的增加，接著是該組合物的組分中的至少一種的自發(fā)或誘導(dǎo)的體素互相 擴散。
[0032]在沉積一個第一體素（或第一組體素）之后，一個第一處理使這些體素的粘度增 加，這樣使得這些體素基本上保持在所沉積的地方并且具有足夠的粘附來支撐隨后沉積的 體素。在沉積一個第二體素(或第二組體素)之后，來自該第一體素(或第一組體素）的單體 和/或低聚物自發(fā)地抑或在一個第二處理的應(yīng)用下擴散到該第二體素(或第二組體素）中。 該第二處理可以任選地使所得到的體素組合聚合或使所得到的體素組合的粘度增加。這些 步驟可以被重復(fù)用于幾個順序沉積。一個任選的最終處理如光聚合可以在這些體素的每一 沉積之后發(fā)生。
[0033] 因此，在一個第一實施例中，本發(fā)明的一個目的是提供一種制造三維透明眼鏡片 的方法，該方法包括以下步驟：
[0034] /1/構(gòu)成處于狀態(tài)la的一種液體組合物(A)的至少一個體素；
[0035] /2/構(gòu)成處于狀態(tài)lb的一種液體組合物(B)的至少一個體素；
[0036] /3/增加至少一個所述構(gòu)成的體素的粘度以便使該體素從狀態(tài)1達(dá)到狀態(tài)2;
[0037] /4/通過一個物理和/或一個化學(xué)處理使達(dá)到狀態(tài)2a的一種組合物(A)抑或達(dá)到狀 態(tài)2b的一種組合物(B)的至少一個體素（其中粘度增加）與處于狀態(tài)la或2a的一種組合物 (A)抑或處于狀態(tài)lb或2b的一種組合物(B)的另一個體素互相擴散以便創(chuàng)造一個中間元素 (η)；
[0038] /5/重復(fù)選自/1/、/2/、/3/、以及/4/的至少一個步驟〇)次以便形成一個均勻的中 間元素(η+(Χ))直到獲得一種三維透明眼鏡片，并且當(dāng)重復(fù)來自所述步驟的至少兩個步驟 時，可以按如所提出的相同順序或根據(jù)涉及到所述液體組合物(Α)和所述液體組合物(Β)的 一種或多種化學(xué)化合物按一種不同順序重復(fù)所述至少兩個步驟；以及 [0039] /6/在選自步驟/3/、/4/和/5/的至少一個步驟之后任選地應(yīng)用至少一個后處理以 便改進(jìn)從(η)至(η+(Χ))的中間元素中的至少一個和/或該透明眼鏡片的均化。
[0040] 本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造三維透明眼鏡片的方法，該方法包括以下步 驟：
[0041] /1/構(gòu)成處于狀態(tài)la的一種液體組合物(Α)的一個第一體素；
[0042] /2/構(gòu)成達(dá)到狀態(tài)lb的一種液體組合物(B)的鄰近所述第一體素的一個新的體素；
[0043] /3/增加所述第一體素和所述新體素的粘度以便使它們分別達(dá)到狀態(tài)2a和狀態(tài) 2b；
[0044] /4/通過使所述第一體素和所述新體素經(jīng)受一個物理和/或化學(xué)處理來使它們互 相擴散，以便通過合并這兩個體素來創(chuàng)造處于狀態(tài)3的一個中間元素(η);
[0045] /5/分別通過將所述步驟"增加粘度"和"互相擴散"應(yīng)用于每一新體素和中間元素 來重復(fù)步驟/2/至/4/(Χ)次以便形成一個中間元素(η+(Χ))直到獲得一種三維透明眼鏡片； 以及
[0046] /6/在選自步驟/3/、/4/和/5/的至少一個步驟之后任選地應(yīng)用至少一個后處理以 便改進(jìn)從(η)至(η+(Χ))的一個或多個中間元素的均化來提供該透明眼鏡片。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的另一個目的是提供一種制造根據(jù)第一實施例的三 維透明眼鏡片的方法，其中：
[0048] -步驟/3/在步驟/1/與步驟/2/之間進(jìn)行并且然后應(yīng)用于處于狀態(tài)la的一種液體 組合物(A)的第一體素;并且
[0049] -進(jìn)一步包括在步驟/4/之后增加粘度且應(yīng)用于為步驟/4/的結(jié)果的中間元素的一 個步驟/3A/。
[0050] 根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)了解在不同實施例中：
[0051 ]-液體組合物(A)和液體組合物(B)是相同的或不同的；并且
[0052] -每一新體素可以包含一種液體組合物(A)抑或液體組合物(B)，或可替代地一種 液體組合物(A)，然后一種液體組合物(B)。
[0053] 更具體地說，兩個以下實施例可以代表本發(fā)明的一種有利的實現(xiàn)方式：
[0054] -其中在步驟/5/過程中，每一新體素可替代地包含一種液體組合物(A)和一種液 體組合物(B)，并且其中液體組合物(A)和液體組合物(B)是不同的。
[0055] -其中在步驟/5/過程中，每一新體素包含一種液體組合物(A)，并且其中步驟/1/ 中的液體組合物(A)和步驟/2/中的液體組合物(B)是相同的。
[0056] -個或多個增加粘度步驟可以通過如以下的過程來實現(xiàn)：
[0057] --個交聯(lián)過程，該交聯(lián)過程可以通過將活化光或熱處理應(yīng)用于液體組合物而通 過陽離子反應(yīng)、自由基反應(yīng)或縮合反應(yīng)來引發(fā)；
[0058] --個蒸發(fā)過程，并且更具體地說蒸發(fā)包含到液體組合物中的溶劑；以及
[0059] -包括使液體組合物經(jīng)受在體素的沉積步驟處所使用的溫度以下的一個溫度的一 個過程。
[0060] 本發(fā)明的一個實施例是其中一種方法中的每一增加粘度步驟可以是相同的或不 同的。
[0061] -個或多個互相擴散步驟可以通過選自以下的過程來進(jìn)行：
[0062]- 一種自發(fā)互相擴散;和
[0063] --種誘導(dǎo)的互相擴散，這些過程代表選自下組的一個過程，該組由以下各項組 成:暴露于輻射、機械攪拌、體素的分子量降低以及暴露于一種溶劑。
[0064] 暴露于輻射可以例如通過加熱、加熱對流、紅外加熱、微波來實現(xiàn)。降低體素的分 子量主要通過可逆的化學(xué)反應(yīng)例如像狄爾斯-阿爾德(Diels-Alders)反應(yīng)、氫鍵合或螯合 來獲得。
[0065]預(yù)期成功的自發(fā)互相擴散要求體素組合物在環(huán)境或?qū)嶒炇覘l件下低于一個特定 粘度以便在并置的體素之間產(chǎn)生"足夠快的"擴散以用于實現(xiàn)所希望的機械特性和光學(xué)特 性。對于體素與中間元素之間或一個或多個中間元素之間的互相擴散存在相同要求。
[0066] 根據(jù)這一之前實施例，應(yīng)了解每一互相擴散步驟是相同的或不同的。
[0067] 本發(fā)明的另一個目的是其中一個或多個后處理步驟選自以下過程：
[0068] --個交聯(lián)過程，該交聯(lián)過程可以通過將活化光或熱處理應(yīng)用于液體組合物而通 過陽離子反應(yīng)、自由基反應(yīng)或縮合反應(yīng)來引發(fā)；
[0069]-一個退火過程；以及
[0070] -通過熱處理或溶劑萃取進(jìn)行的一個干燥過程。
[0071] 根據(jù)這一之前實施例，應(yīng)了解每一后處理步驟是相同的或不同的。
[0072] 根據(jù)本發(fā)明的方法，增加粘度的步驟能夠使液體組合物的初始粘度從5倍增加至 20倍，通過所述方法制造的眼鏡片的最終粘度從而在25°C下大于50000cPs。
[0073] 使一個或多個"增加粘度"步驟與本發(fā)明的一個實施例相關(guān)，包括一個交聯(lián)過程的 此步驟代表一個光聚合或一個熱聚合過程，其中液體組合物包含：
[0074] -至少一種單體和/或低聚物，該至少一種單體和/或低聚物包含選自以下的至少 一個反應(yīng)性基團：環(huán)氧基、硫代環(huán)氧基、環(huán)氧硅烷、（甲基)丙烯酸酯、乙烯基、氨基甲酸酯、硫 代氨基甲酸酯、異氰酸酯、巰基、以及醇，并且優(yōu)選地選自環(huán)氧基、環(huán)氧硅烷和（甲基)丙烯酸 酯；以及
[0075] -至少一種引發(fā)劑，該至少一種引發(fā)劑能夠通過活化光或活化溫度被活化，所述引 發(fā)劑選自陽離子型引發(fā)劑和自由基引發(fā)劑;并且
[0076] -其中活化的引發(fā)劑能夠引發(fā)來自單體和/或低聚物的至少一個反應(yīng)性基團的活 化以便經(jīng)由傳播過程產(chǎn)生它們的聚合反應(yīng)。
[0077] 關(guān)于用于構(gòu)成一個體素所實施的一種或多種液體組合物，該方法包括一個實施 例，其中液體組合物(A)和(B)包含：
[0078] -兩種單體和/或低聚物的至少一種混合物，這兩種單體和/或低聚物各自包含不 同的反應(yīng)性基團，其中第一單體和/或低聚物的至少一個反應(yīng)性基團能夠通過一個光聚合 過程增加該第一單體和/或低聚物的粘度，并且第二單體的一個反應(yīng)性基團能夠通過一個 光聚合過程或通過一個熱聚合過程增加該第二單體的粘度；以及
[0079] -兩種引發(fā)劑的至少一種混合物，第一引發(fā)劑能夠通過活化光處理來活化所述第 一單體的至少一個反應(yīng)性基團，第二引發(fā)劑能夠通過熱處理或通過與之前活化光不同的活 化光處理來活化所述第二單體的至少一個反應(yīng)性基團。
[0080] 根據(jù)本發(fā)明，存在另一個實施例