CH719575A2 - Process for the additive manufacturing of a three-dimensional shaped body. - Google Patents

Process for the additive manufacturing of a three-dimensional shaped body. Download PDF

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CH719575A2
CH719575A2 CH000992/2022A CH9922022A CH719575A2 CH 719575 A2 CH719575 A2 CH 719575A2 CH 000992/2022 A CH000992/2022 A CH 000992/2022A CH 9922022 A CH9922022 A CH 9922022A CH 719575 A2 CH719575 A2 CH 719575A2
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Zenker Matthias
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Abstract

Ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Formkörpers mit metallisierten Bereichen umfasst folgende Schritte: Bereitstellen eines Photopolymers (PP) enthaltend Additive (A), welche in einem Laser-Direktstrukturierungsverfahren zum Herstellen der metallisierten Bereiche (M) verwendbar sind; Additive Fertigung des dreidimensionalen Formkörpers (F) basierend auf einem Lithografie-Verfahren mit einer Prozessheizung zur Erwärmung des Photopolymers (PP); Durchführung des Laser-Direktstrukturierungsverfahrens bei dem additiv gefertigten dreidimensionalen Formkörper (F); und Metallisierung der zu metallisierenden Bereiche (M) des dreidimensionalen Formkörpers (F).A method for the additive manufacturing of a three-dimensional shaped body with metallized areas comprises the following steps: providing a photopolymer (PP) containing additives (A), which can be used in a laser direct structuring process for producing the metallized areas (M); Additive manufacturing of the three-dimensional shaped body (F) based on a lithography process with a process heater to heat the photopolymer (PP); Carrying out the laser direct structuring process on the additively manufactured three-dimensional shaped body (F); and metallization of the areas to be metallized (M) of the three-dimensional shaped body (F).

Description

Gebiet der ErfindungField of invention

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Formkörpers, sowie einen dreidimensionalen Formkörper. The present invention relates to a method for the additive manufacturing of a three-dimensional shaped body, as well as a three-dimensional shaped body.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

[0002] Dreidimensionale Formkörper, sei es aus Metall, Kunststoff, oder Keramik, können mittels 3D-Drucks hergestellt werden, welches Fertigungsverfahren auch als additive Fertigung oder als generative Fertigung bezeichnet wird. Hierbei wird ein Ausgangsmaterial schichtweise zu einem Formkörper aufgebaut. Beispielsweise kann ein CAD-Modell des zu erstellenden Formkörpers als Grundlage für die spätere Ansteuerung des 3D-Druckers dienen. [0002] Three-dimensional shaped bodies, be they made of metal, plastic, or ceramic, can be produced using 3D printing, which manufacturing process is also referred to as additive manufacturing or generative manufacturing. Here, a starting material is built up in layers to form a shaped body. For example, a CAD model of the molded body to be created can serve as the basis for later controlling the 3D printer.

[0003] Gegenstück zu additiven Fertigungsverfahren bilden subtraktive Fertigungsverfahren oder Spritzgussverfahren. Spritzgussverfahren können auch zur Herstellung von Schaltungsträgern verwendet werden. In einem Spritzgussverfahren hergestellte dreidimensionale Schaltungsträger werden als Moulded Interconnect Devices (MID) bezeichnet. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein Formteil in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzgussverfahren hergestellt. Das Spritzgussmaterial ist hierbei ein Kunststoff. Sollen nachfolgend metallisierte Bereiche auf dem Formteil mittels der sogenannten Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) hergestellt werden, ist der Kunststoff mit für den LDS-Prozess nötigen Additiven versetzt. Anschließend werden die gewünschten Bereiche mittels eines Lasers aktiviert und strukturiert. Hierzu wird ein Laserstrahl auf das Formteil gerichtet. Durch die Laserenergie des Lasers erfolgt eine Aktivierung des Additivs im Kunststoffmaterial. Hierdurch werden metallische Keime erzeugt. Treten nachfolgend diese metallischen Keime mit Metall wie etwa Kupfer in Kontakt, entsteht hierdurch eine Metallisierung der gewünschten Bereiche. Damit wird ein additiver Leiterbahnaufbau erzielt. Anschließend kann das spritzgegossene und metallisierte Formteil mit den gewünschten Komponenten bestückt werden, um ein bestücktes Moulded Interconnect Device zu erhalten. The counterpart to additive manufacturing processes are subtractive manufacturing processes or injection molding processes. Injection molding processes can also be used to produce circuit boards. Three-dimensional circuit carriers manufactured using an injection molding process are referred to as Molded Interconnect Devices (MID). In a first step, a molded part is produced using a single- or multi-component injection molding process. The injection molding material is a plastic. If metallized areas are subsequently to be produced on the molded part using so-called laser direct structuring (LDS), the plastic is mixed with additives necessary for the LDS process. The desired areas are then activated and structured using a laser. For this purpose, a laser beam is directed onto the molded part. The laser energy from the laser activates the additive in the plastic material. This creates metallic germs. If these metallic seeds subsequently come into contact with metal such as copper, this results in metallization of the desired areas. This creates an additive conductor track structure. The injection-molded and metallized molded part can then be equipped with the desired components to obtain an assembled molded interconnect device.

[0004] In der additiven Fertigung werden je nach Werkstoff / Ausgangsmaterial unterschiedliche Verfahren angewandt. Das sogenannte Fused Deposition Modeling (FDM) kann dabei einen Kunststoff additiv verarbeiten, wie er auch im Spritzgussverfahren zur Herstellung von MIDs verwendet wird, beispielsweise einen ABS-Kunststoff. Hierbei wird der thermoplastische ABS-Kunststoff extrudiert, an gewünschten Rasterpunkten erwärmt und dann durch Abkühlen ausgehärtet, wodurch eine Schicht des dreidimensionalen Formkörpers erzeugt wird. Das Fused Deposition Modeling verfügt jedoch nicht über eine ausreichende Prozessgenauigkeit wie sie für die Herstellung von Schaltungsträgern gefordert ist. Dies liegt im Extrudierverfahren zum Aufbringen des Kunststoffs begründet. [0004] In additive manufacturing, different processes are used depending on the material/starting material. The so-called fused deposition modeling (FDM) can additively process a plastic that is also used in the injection molding process to produce MIDs, for example an ABS plastic. Here, the thermoplastic ABS plastic is extruded, heated at the desired grid points and then hardened by cooling, whereby a layer of the three-dimensional molded body is created. However, fused deposition modeling does not have sufficient process precision as required for the production of circuit boards. This is due to the extrusion process used to apply the plastic.

[0005] Dieses führt zu einer unregelmässigen Oberfläche, welche für kleinste metallisierte Strukturen z.B. im Bereich von < 100 µm, wie sie für die Fertigung von hochintegrierten Schaltungsträgern erforderlich sind, keine ausreichende Reproduzierbarkeit gewährleistet. Zwar mag eine kleinere Düse des Extruders für eine gleichmässigere Oberfläche des extrudierten Materials sorgen. Abgesehen davon, dass aber auch eine solche Massnahme noch immer nicht die erforderliche Prozessgenauigkeit liefert, verlangsamt diese Massnahme auch die Prozessdauer erheblich, da für das Generieren einer Schicht nun deutlich mehr Extruder-Spuren erforderlich sind. Insofern eignet sich das FDM-Verfahren, egal in welcher Ausbildung, nicht zum Herstellen von dreidimensionalen Schaltungsträgern als Alternative zur MID-Technologie. This leads to an irregular surface, which does not guarantee sufficient reproducibility for the smallest metallized structures, for example in the range of <100 μm, as are required for the production of highly integrated circuit carriers. A smaller extruder nozzle may ensure a more uniform surface of the extruded material. Apart from the fact that even such a measure still does not provide the required process accuracy, this measure also slows down the process time significantly, since significantly more extruder tracks are now required to generate a layer. In this respect, the FDM process, regardless of training, is not suitable for producing three-dimensional circuit boards as an alternative to MID technology.

[0006] Ein weiteres zu den additiven Fertigungsverfahren gehöriges Verfahren ist die Stereolithographie (SLA), bei der ein Kunststoff in flüssiger Phase dem Schichtaufbau dient. Der bis anhin erstellte partielle Formkörper wird zum Erstellen einer weiteren Schicht in dem Kunststoff-Bad abgesenkt oder zum Kunststoff-Bad zugeführt. Ein Laser bestrahlt diejenigen Rasterpunkte, die die weitere Schicht bilden sollen, und härtet damit den Kunststoff aus. Allerdings haben Versuche der Anmelderin gezeigt, dass sich das herkömmliche SLA-Verfahren nicht für den Zusatz von Additiven eignet, wie sie für die Anwendung der Laser-Direkt-Strukturierung erforderlich sind. Die im SLA-Verfahren verwendeten Kunststoffe sind dabei nicht viskos genug, als dass sich die zugesetzten Additive nicht aufgrund der Schwerkraft absetzen würden. Dies kann bei der additiven Fertigung aber zu Bereichen führen, welche nur eine geringe Konzentration von Additiven aufweisen. In diesen Bereichen können in der Laser-Direkt-Strukturierung dann nicht ausreichend Metallisierungskeime gebildet werden, sodass eine durchgängige Metallisierung nicht gewährleistet ist. Another process belonging to the additive manufacturing process is stereolithography (SLA), in which a plastic in the liquid phase is used to build up the layer. The partial molded body created so far is lowered into the plastic bath to create a further layer or fed to the plastic bath. A laser irradiates the grid points that are to form the next layer, thereby hardening the plastic. However, the applicant's experiments have shown that the conventional SLA process is not suitable for the addition of additives such as those required for the application of laser direct structuring. The plastics used in the SLA process are not viscous enough for the added additives to not settle due to gravity. However, in additive manufacturing this can lead to areas that only have a low concentration of additives. In these areas, sufficient metallization nuclei cannot be formed in the laser direct structuring, so that consistent metallization is not guaranteed.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

[0007] Es ist insofern Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Schaltungsträgern vorzusehen, welches die erforderliche Prozessgenauigkeit einhält und die Metallisierung von Bereichen oder Leiterbahnen mittels Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) sicherstellt. It is therefore the object of the present invention to provide a method for the additive manufacturing of three-dimensional circuit carriers which maintains the required process precision and ensures the metallization of areas or conductor tracks using laser direct structuring (LDS).

[0008] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. [0008] This object is achieved by a method according to claim 1.

[0009] Somit wird ein Verfahren zur lithographiebasierten additiven Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern vorgeschlagen, welche Formkörper dreidimensionale Schaltungsträger im Sinne von Moulded Interconnect Devices (MID) repräsentieren, welche allerdings nicht spritzgegossen sondern additiv gefertigt sind. Das verwendete stereo-lithographiebasierte additive Fertigungsverfahren (SLA) bedient sich dabei einer Prozessheizung. Es wird deshalb auch Hot-Lithographie-Verfahren genannt. Um das Hot-Lithography-Verfahren kompatibel mit dem LDS Verfahren zu machen, werden einem für das SLA-Verfahren geeigneten Photopolymer Additive hinzugefügt, welche eine Laser-Direkt-Strukturierung erlauben. [0009] Thus, a method for lithography-based additive manufacturing of three-dimensional molded bodies is proposed, which molded bodies represent three-dimensional circuit carriers in the sense of Molded Interconnect Devices (MID), which, however, are not injection molded but are additively manufactured. The stereo-lithography-based additive manufacturing process (SLA) used uses process heating. It is therefore also called the hot lithography process. In order to make the hot lithography process compatible with the LDS process, additives are added to a photopolymer suitable for the SLA process, which allow laser direct structuring.

[0010] Die Verfahrensschritte vor dem Laserstrukturierungsprozess sind mit diesem Verfahren ausreichend genau und prozesssicher und reproduzierbar. Das additiv erstellte Formteil weist eine ausreichende Schichtauflösung und Oberflächengüte auf. Gemäß der Erfindung wird also vorgeschlagen, statt des Fusion Deposition Modelings für die Verfahrensschritte vor dem Laserstrukturierungsprozess ein Hot-Lithography-Verfahren zu verwenden, d. h. ein lithographiebasiertes Verfahren mit einer Prozessheizung. Die Prozessheizung dient dazu, das für die additive Erstellung des dreidimensionalen Formkörpers verwendete thermoplastische Photopolymer auf eine Zieltemperatur zu erwärmen, die eine für den Lithographie-Prozess ausreichend geringe, zweite Viskosität V2, und damit eine gleichmässige Benetzung der zuvor erstellten Schicht durch das Photopolymer für das SLA-Verfahren sicherstellt., Durch die Erwärmung des in seiner ersten, hohen Viskosität V1 vorliegenden photoaktiven Ausgangsmaterials, wird seine Viskosität verringert auf die zweite Viskosität V2, die geringer ist als die erste Viskosität V1, und die insbesondere eine flüssige Phase des Photopolymers darstellt, wohingegen die erste Viskosität eine zähflüssige Phase des Photopolymers darstellt. Vorzugsweise ist die zweite Viskosität V2 kleiner als 10<3>mPa*s, wohingegen die erste Viskosität V1 grösser oder gleich 10<3>mPa*s ist. With this method, the process steps before the laser structuring process are sufficiently precise and process-reliable and reproducible. The additively created molded part has sufficient layer resolution and surface quality. According to the invention, it is therefore proposed to use a hot lithography process instead of fusion deposition modeling for the process steps before the laser structuring process, i.e. H. a lithography-based process with a process heater. The process heating serves to heat the thermoplastic photopolymer used for the additive creation of the three-dimensional shaped body to a target temperature that has a second viscosity V2 that is sufficiently low for the lithography process, and thus uniform wetting of the previously created layer by the photopolymer SLA process ensures., By heating the photoactive starting material present in its first, high viscosity V1, its viscosity is reduced to the second viscosity V2, which is lower than the first viscosity V1, and which in particular represents a liquid phase of the photopolymer, whereas the first viscosity represents a viscous phase of the photopolymer. Preferably, the second viscosity V2 is less than 10<3>mPa*s, whereas the first viscosity V1 is greater than or equal to 10<3>mPa*s.

[0011] Vorzugsweise weist das Photopolymer die erste, hohe Viskosität V1 bei Raumtemperatur auf. Vorzugsweise erwärmt die Prozessheizung das Photopolymer auf eine Temperatur grösser als Raumtemperatur. Vorzugsweise ist die Zieltemperatur, die das Photopolymer aufgrund der Erwärmung erreicht, grösser als 40 °C, vorzugsweise grösser als 50 °C oder 60 °C. The photopolymer preferably has the first, high viscosity V1 at room temperature. Preferably, the process heater heats the photopolymer to a temperature greater than room temperature. Preferably, the target temperature that the photopolymer reaches due to heating is greater than 40 °C, preferably greater than 50 °C or 60 °C.

[0012] Zudem sind Photopolymere im hochviskosen Zustand typischerweise niedrig chemisch reaktiv, und erst im niederviskosen Zustand chemisch reaktiv. Gegenüber der Standard-Stereo-Lithographie können nun auch hitzebeständigere Photopolymere verwendet werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn, wie vorgesehen, das erstellte Formteil als Schaltungsträger verwendet wird. Denn auf diesen Schaltungsträger werden üblicherweise Bauteile gelötet, unter Hitzeeinwirkung auch auf das Formteil. [0012] In addition, photopolymers typically have low chemical reactivity in the high-viscosity state, and are only chemically reactive in the low-viscosity state. Compared to standard stereo lithography, more heat-resistant photopolymers can now be used. This is particularly advantageous if, as intended, the molded part created is used as a circuit carrier. Components are usually soldered onto this circuit board, including onto the molded part under the influence of heat.

[0013] Durch die Erwärmung des Photopolymers kurz vor der Aushärtung in der SLA-Fertigung kann das Photopolymer wiederum in seiner hochviskosen Form gelagert, transportiert und als Ausgangsmaterial bereitgestellt werden. Dies hohe Viskosität stellt das Beibehalten der gleichmässigen Verteilung und / oder gleichmässigen räumlichen Konzentration der für die Laser-Direkt-Strukturierung erforderlichen beigemengten Additive sicher, wenn die Additive einmal eingebracht und gleichmässig im Ausgangsmaterial verteilt sind. Damit wird aber auch die gleichmässige Verteilung und / oder gleichmässige räumliche Konzentration der Additive im niederviskosen Zustand kurz nach Erhitzung und damit bei der Belichtung / Aushärtung erzielt. By heating the photopolymer shortly before curing in SLA production, the photopolymer can in turn be stored in its highly viscous form, transported and made available as a starting material. This high viscosity ensures that the uniform distribution and/or uniform spatial concentration of the added additives required for laser direct structuring is maintained, once the additives have been introduced and are evenly distributed in the starting material. This also achieves the uniform distribution and/or uniform spatial concentration of the additives in the low-viscosity state shortly after heating and thus during exposure/curing.

[0014] Gemäß der Erfindung wird also erreicht, dass sich die LDS-Additive in dem Harz (d. h. dem Photopolymer) nicht entmischen können. Damit kann ein sicherer LDS-Prozess mit einer homogonen Verteilung der Additive in dem Formkörper bzw. dem Bauteil erreicht werden. [0014] According to the invention it is therefore achieved that the LDS additives cannot separate in the resin (i.e. the photopolymer). This allows a safe LDS process with a homogeneous distribution of the additives in the molded body or component to be achieved.

[0015] Gemäß der Erfindung wird somit ein modifiziertes Stereo-Lithographie-Verfahren verwendet, um Photopolymere bzw. Harze, welche LDS-Additive aufweisen, in einer lithographiebasierten additiven Fertigung zu einem gewünschten dreidimensionalen Formkörper umzubauen. Damit können hochviskose Harze als Ausgangsmaterialien für den Schichtaufbau in generativen Verfahren verwendet werden, die wiederum ein entbindungsfreies Einbetten von LDS-Additiven ermöglichen. Die Konvertierung der hochviskosen Harze in für das SLA-Verfahren erforderliche niederviskose Harze durch Erwärmung erfolgt durch eine Prozessheizung, vorzugsweise zugehörig zu einem für die additive Fertigung vorgesehenen 3D-Druckers. Die Erwärmung erfolgt also vorzugsweise im Rahmen der Zufuhr des Harzes in den Bauraum des 3D-Druckers, oder im Rahmen der Zufuhr an denjenigen Ort im Bauraum, an dem das Harz in seiner dann flüssigen Phase in Kontakt mit der zuvor erstellten Schicht des bis dato partiell erstellten Formteils tritt. Damit ist eine Fertigung von MID-ähnlichen Formkörpern in einem speziellen Stereo-Lithographieverfahren [SLA], z.B. dem Hot-Lithography-Verfahren, möglich. According to the invention, a modified stereo-lithography process is used to convert photopolymers or resins which have LDS additives into a desired three-dimensional shaped body in lithography-based additive manufacturing. This means that highly viscous resins can be used as starting materials for layer construction in generative processes, which in turn enable bond-free embedding of LDS additives. The high-viscosity resins are converted into low-viscosity resins required for the SLA process by heating using a process heater, preferably associated with a 3D printer intended for additive manufacturing. The heating therefore preferably takes place as part of the supply of the resin into the construction space of the 3D printer, or as part of the supply to the location in the construction space where the resin, in its then liquid phase, comes into contact with the previously created layer of the previously created layer created molding occurs. This makes it possible to produce MID-like shaped bodies using a special stereo lithography process [SLA], e.g. the hot lithography process.

[0016] Vorzugsweise erfolgen die nachfolgenden Schritte in der additiven Fertigung des Formteils je Generation einer Schicht repetitiv: a) Erwärmen des im Zustand seiner ersten Viskosität V1 vorliegenden Photopolymers mittels der Prozessheizung; b) Bereitstellen des infolge der Erwärmung in seiner zweiten Viskosität V2 vorliegenden Photopolymers am Ort einer zuvor generierten Schicht des Formkörpers; c) Aushärten des bereitgestellten Photopolymers durch Belichtung mittels eines ersten Lasers zum Generieren einer neuen Schicht auf der zuvor generierten Schicht.Preferably, the following steps in the additive manufacturing of the molded part are carried out repetitively per generation of a layer: a) heating the photopolymer present in the state of its first viscosity V1 by means of the process heating; b) providing the photopolymer present in its second viscosity V2 as a result of the heating at the location of a previously generated layer of the shaped body; c) curing the photopolymer provided by exposure using a first laser to generate a new layer on the previously generated layer.

[0017] Vorzugsweise wiederholen sich die Schritte a) bis c) für jede zu erstellende Schicht. Vorzugsweise werden die Schritte a) bis c) allesamt im Bauraum durchgeführt. Allerdings kann die Prozessheizung in einer Ausführung auch ausserhalb des Bauraums liegen und das bereits erwärmte Harz dem Bauraum zugeführt werden, beispielsweise über eine Leitung. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Prozessheizung eine beheizbare Kartusche, welche das durch die Kartusche geführte Photopolymer erwärmt und in niedriger Viskosität V2 ausgibt. Die Kartusche kann im Bauraum angeordnet sein, oder ausserhalb des Bauraums. Der Bauraum ist dabei typischerweise definiert als derjenige Behälter, in dessen Volumen das Formteil additiv aufgebaut wird, vorzugsweise angeordnet auf einer beweglichen Plattform. Letztere kann gesteuert bewegt werden, insbesondere vertikal, um nach dem Aushärten einer Schicht diese in Kontakt zu bringen mit der flüssigen Phase des im Behälter befindlichen Photopolymers zum Erstellen der nächsten Schicht, oder um das partiell gefertigte Formteil im Kunststoff-Bad weiter abzusenken, sodass das Bad die zuletzt gehärtete Schicht überdeckt. Alle diese Varianten sollen unter den Ausdruck des „Bereitstellens des niederviskosen Materials am Ort der zuvor erstellten Schicht“ fallen; also insbesondere auch die Varianten: Zuführen des partiellen Formteil zum niederviskosen Material; Zuführen des niederviskosen Materials zum Formteil; Erwärmen der hochviskosen Materials am Ort der zuvor erstellten Schicht. Gemäss der letzten Variante kann also das Bereitstellen des niederviskosen Materials am Ort der zuvor erstellten Schicht auch das Bereitstellen des hochviskosen Ausgangsmaterials an diesem Ort und die Erwärmung an diesem Ort umfassen, etwa bei der Beheizung des gesamten Bauraums, oder bei ortsselektiver Beheizung dieses Ortes. Dabei kann die Prozessheizung konstant aktiv sein, oder pulsierend und zumindest zu den Zeiten aktiv, in denen das hochviskose Material in seinen niederviskosen Zustand konvertiert werden soll. [0017] Preferably, steps a) to c) are repeated for each layer to be created. Preferably, steps a) to c) are all carried out in the installation space. However, in one embodiment, the process heating can also be located outside the installation space and the already heated resin can be supplied to the installation space, for example via a line. In a further development of the invention, the process heating comprises a heatable cartridge, which heats the photopolymer guided through the cartridge and outputs it in a low viscosity V2. The cartridge can be arranged in the installation space or outside the installation space. The installation space is typically defined as the container in whose volume the molded part is built up additively, preferably arranged on a movable platform. The latter can be moved in a controlled manner, in particular vertically, in order to bring the layer into contact with the liquid phase of the photopolymer in the container after it has hardened in order to create the next layer, or in order to further lower the partially manufactured molding in the plastic bath so that the Bath covers the last hardened layer. All of these variants should fall under the expression of “providing the low-viscosity material at the location of the previously created layer”; So in particular the variants: feeding the partial molded part to the low-viscosity material; feeding the low-viscosity material to the molded part; Heating the highly viscous material at the location of the previously created layer. According to the last variant, the provision of the low-viscosity material at the location of the previously created layer can also include the provision of the high-viscosity starting material at this location and the heating at this location, for example when heating the entire installation space, or when heating this location selectively. The process heating can be constantly active, or pulsating and active at least at the times when the high-viscosity material is to be converted into its low-viscosity state.

[0018] In einer anderen Weiterbildung ist die Prozessheizung ausgebildet zum Erwärmen des gesamten Bauraums entweder alleinig, oder in Verbindung mit einer separaten Heizung zum dezidierten Erwärmen des hochviskosen Materials. In erster Variante wird das hochviskose Harz in den Bauraum eingeführt und kontinuierlich während des Aufbaus der Schichten erwärmt. Auch in dieser Ausführung kann das Harz in hochviskoser Form gelagert und transportiert werden. Ist die vorzugsweise zum vollständigen Erstellen des Formteils ausreichenden Menge des hochviskosen Photopolymers in den Bauraum eingebracht, wird es dort kontinuierlich erhitzt, entweder solange bis alle Schichten des Formteils erstellt sind, oder solange das Material im Bauraum ist aufgebraucht ist. In another development, the process heater is designed to heat the entire installation space either alone or in conjunction with a separate heater for dedicated heating of the highly viscous material. In the first variant, the highly viscous resin is introduced into the construction space and heated continuously while the layers are being built up. In this version, too, the resin can be stored and transported in a highly viscous form. Once the amount of high-viscosity photopolymer, which is preferably sufficient to completely create the molded part, has been introduced into the construction space, it is heated there continuously, either until all layers of the molded part have been created, or as long as the material in the construction space has been used up.

[0019] In einer anderen Weiterbildung wird das Harz aber portionsweise entweder dem Bauraum oder dem o.g. Ort zugeführt, vorzugsweise als Portion für eine oder wenige (kleiner gleich fünf) Schichten. Dies verringert die Neigung der Additive, sich im niederviskosen Material im Bauraum abzusetzen aufgrund einer nur kurzen Verweildauer im niederviskosen Zustand. In another development, however, the resin is supplied in portions either to the installation space or to the above-mentioned location, preferably as a portion for one or a few (less than or equal to five) layers. This reduces the tendency of the additives to settle in the low-viscosity material in the installation space due to only a short residence time in the low-viscosity state.

[0020] In einer vorteilhaften Weiterbildung, insbesondere, wenn das Harz portionsweise erwärmt wird und/oder die Erwärmung durch eine separate Prozessheizung und/oder ausserhalb des Bauraums erfolgt, wird dennoch auch der Bauraum kontinuierlich geheizt während der additiven Fertigung in Bauraum. Es ist vorteilhaft, das bereits partiell durch Belichtung erstellte Formteil auf gleicher oder ähnlicher Temperatur (+/-20%) wie das bereitgestellte, niederviskose Harz zu halten. Dies vermeidet durch einen Temperaturgradienten induzierte mechanische Spannungen im Formteil. In an advantageous development, in particular if the resin is heated in portions and/or the heating takes place by a separate process heater and/or outside the construction space, the construction space is nevertheless also continuously heated during additive manufacturing in the construction space. It is advantageous to keep the molding that has already been partially created by exposure at the same or similar temperature (+/-20%) as the low-viscosity resin provided. This avoids mechanical stresses in the molded part induced by a temperature gradient.

[0021] Vorzugsweise wird das niederviskose Material / der niederviskose Photopolymer am Ort der neu aufzubauenden Schicht belichtet, vorzugsweise mittels eines Lasers, und dadurch ausgehärtet und verfestigt. Hierdurch entsteht eine weitere Schicht im Schichtaufbau des Formkörpers, mit einer räumlich im Wesentlichen gleichverteilten Konzentration der Additive für die spätere Laser-Direkt-Strukturierung. Preferably, the low-viscosity material/the low-viscosity photopolymer is exposed at the location of the new layer to be built up, preferably by means of a laser, and thereby hardened and solidified. This creates a further layer in the layer structure of the shaped body, with a spatially essentially evenly distributed concentration of the additives for the later laser direct structuring.

[0022] Vorzugsweise erfolgt die Herstellung der Schichten, also die additive Fertigung, computergestützt, vorzugsweise vollautomatisiert in einem Bauraum eines entsprechenden 3D-Druckers, und bevorzugt durch eine entsprechend programmierte Steuerung des 3D-Druckers. Preferably, the production of the layers, i.e. additive manufacturing, is carried out computer-aided, preferably fully automated in a construction space of a corresponding 3D printer, and preferably by an appropriately programmed control of the 3D printer.

[0023] Hinsichtlich der Direkt-Laser-Strukturierung ist es bevorzugt, das additiv erstellte dreidimensionale Formteil aus dem 3D-Drucker, vorzugsweise mittels geeigneter Robotik zu entnehmen, und zu einem anderen Werkplatz ausserhalb des 3D-Druckers zu verbringen, zum Herstellen der metallisierten Bereiche auf der Oberfläche des Formteils. An diesem anderen Werkplatz ist vorzugsweise ein (in der Nomenklatur gegenüber dem ersten Laser des 3D-Druckers) zweiter Laser vorgesehen. Mittels dieses zweiten Lasers wird das Formteil in den Bereichen, die metallisiert werden sollen, bestrahlt, z.B. werden mit dem zweiten Laser Leiterbahnen „geschrieben“. Hierdurch werden in diesen Bereichen die beigesetzten Additive im Formkörper aktiviert, d.h. aus dem Additiv Metallkeime abgespalten. In einem weiteren Schritt, bevorzugt an einem weiteren Werkplatz, wird dann Metall, beispielsweise Kupfer, der Oberfläche des Formkörpers zugeführt. Das Metall bindet selektiv an den zuvor durch den zweiten Laser bestrahlten Bereichen an durch chemisch-reduktive Katalyse, sodass diese Bereiche zu metallisierten Bereichen auf dem Formkörper werden. With regard to direct laser structuring, it is preferred to remove the additively created three-dimensional molded part from the 3D printer, preferably using suitable robotics, and transport it to another workstation outside the 3D printer to produce the metallized areas on the surface of the molding. At this other workstation, a second laser (in the nomenclature compared to the first laser of the 3D printer) is preferably provided. This second laser is used to irradiate the molded part in the areas that are to be metallized, e.g. conductor tracks are “written” with the second laser. As a result, the added additives in the molded body are activated in these areas, i.e. metal nuclei are split off from the additive. In a further step, preferably at another workstation, metal, for example copper, is then fed to the surface of the shaped body. The metal selectively binds to the areas previously irradiated by the second laser through chemical reductive catalysis, so that these areas become metallized areas on the shaped body.

[0024] Solche metallisierten Bereiche können in der späteren Anwendung des dreidimensionalen Formkörpers als Schaltungsträger als Leiterbahnen, oder Kontaktstellen, oder Antennen, oder thermische Leitflächen, oder elektromagnetische Schirmungen dienen. [0024] Such metallized areas can serve as circuit carriers in the later use of the three-dimensional molded body as conductor tracks, or contact points, or antennas, or thermal conductive surfaces, or electromagnetic shielding.

[0025] Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein dreidimensionaler Formkörper mit metallisierten Bereichen angegeben, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. According to a further aspect of the present invention, a three-dimensional shaped body with metallized areas is provided, produced by a method according to one of the preceding exemplary embodiments.

[0026] Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein dreidimensionaler Formkörper angegeben, der einen schichtweisen Aufbau aufweist, Der Formkörper weist zum einen metallisierte Bereiche, vorzugsweise an seiner Oberfläche auf. Das Material des Formkörpers ist ein gehärtetes Photopolymer. Dieses Photopolymer und damit der Formkörper enthält Additive, welche in einem Laser-Direktstrukturierungsverfahren zum Herstellen der metallisierten Bereiche verwendbar sind, auch abseits der Metallisierungen. According to a further aspect of the present invention, a three-dimensional shaped body is provided which has a layered structure. On the one hand, the shaped body has metallized areas, preferably on its surface. The material of the shaped body is a hardened photopolymer. This photopolymer and thus the shaped body contains additives which can be used in a laser direct structuring process to produce the metallized areas, even apart from the metallizations.

[0027] Der Formkörper ist also ein dreidimensionaler Schaltungsträger und ist dahingehend dreidimensional ausgestaltet, als er gegenüber einem planaren zweidimensionalen Schaltungsträger wie der herkömmlichen Leiterplatte (PCB) eine Erstreckung in die dritte /vertikale Dimension aufweist, welche über die üblicherweise geringe Dicke einer herkömmlichen Leiterplatte hinausgeht. Der 3D Schaltungsträger als solcher weist Leiterzüge und leitende Flächen auf. Der dreidimensionale Schaltungsträger ist in seiner Funktionalität vergleichbar mit einem dreidimensionalen MID (Moulded Interconnect Device). Er ist allerdings nicht spritzgegossen, sondern additiv hergestellt, bevor mittels der LDS die gewünschten Bereiche metallisiert werden. The shaped body is therefore a three-dimensional circuit carrier and is designed three-dimensionally in that, compared to a planar two-dimensional circuit carrier such as the conventional printed circuit board (PCB), it has an extension into the third/vertical dimension, which goes beyond the usually small thickness of a conventional printed circuit board . The 3D circuit board as such has conductor tracks and conductive surfaces. The functionality of the three-dimensional circuit carrier is comparable to a three-dimensional MID (Moulded Interconnect Device). However, it is not injection molded, but rather additively manufactured before the desired areas are metallized using LDS.

[0028] Das vorgeschlagene Verfahren ist vorteilhaft, da mit ihm nahezu beliebige dreidimensionale Strukturen erstellt und zur Leiterplatte gestaltet werden können. Mit dem vorliegenden Verfahren können auch Metallflächen, die im Inneren des 3D Schaltungsträgers liegen und z.B. als Massefläche dienen, hergestellt werden. So wird beispielweise ein Formkörper additiv hergestellt. Bereiche dieses Formkörpers werden dann zum Erstellen von metallisierten Bereichen auf seinen Aussenflächen der Laser-Direktstrukturierung unterzogen. Dieses teilweise metallisierte Formteil kann dann nochmals in den 3D-Drucker gelegt werden. Auf die metallisierten Bereiche wie auch auf andere nicht metallisierte Bereiche werden dann weitere Schichten additiv aufgebaut. Das daraus resultierende Formteil wird dann abermals an seinen Aussenflächen Laser-direktstrukturiert zum Erzeugen der metallisierten Bereiche. The proposed method is advantageous because it can be used to create almost any three-dimensional structures and design them into circuit boards. The present method can also be used to produce metal surfaces that lie inside the 3D circuit board and serve, for example, as a ground surface. For example, a molded body is produced additively. Areas of this molded body are then subjected to laser direct structuring to create metallized areas on its outer surfaces. This partially metallized molded part can then be placed in the 3D printer again. Additional layers are then built up additively on the metallized areas as well as on other non-metallized areas. The resulting molded part is then directly laser-structured on its outer surfaces to create the metallized areas.

[0029] Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Further embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

[0030] Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 zeigt ein Laserdirekt-Strukturierungsverfahren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und Fig. 4 zeigt ein das Verfahren repräsentierende Diagramm gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.Advantages and exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. Fig. 1 shows a flowchart of a method according to a first exemplary embodiment, Fig. 2 shows a flowchart of a method according to a second exemplary embodiment, Fig. 3 shows a laser direct structuring method according to a third exemplary embodiment, and Fig. 4 shows a diagram representing the method according to another embodiment.

Detaillierte FigurenbeschreibungDetailed character description

[0031] Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Zur lithographiebasierten additiven Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern wird gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein Lithographieverfahren verwendet. Hierzu wird in Schritt S1 ein dreidimensionales CAD Modell des herzustellenden Formkörpers erstellt. In Schritt S2 wird das dreidimensionale Modell in eine Mehrzahl von Schichten aufgeteilt. In Schritt S3 wird das Lithographiesystem vorbereitet. In Schritt S4 erfolgt eine lithographiebasierte additive Fertigung des dreidimensionalen Formkörpers basierend auf den in Schritt S2 ermittelten Schichten. In Schritt S5 wird der hergestellte Formkörper entfernt und in Schritt S6 wird der Formkörper gesäubert und ggf. nachbearbeitet. In Schritt S7 erfolgt eine weitere Nachbearbeitung des hergestellten Formkörpers in einem Laserdirekt-Strukturierungsverfahren LDS. 1 shows a flowchart of a method according to a first exemplary embodiment. According to the first exemplary embodiment, a lithography process is used for the lithography-based additive manufacturing of three-dimensional shaped bodies. For this purpose, a three-dimensional CAD model of the shaped body to be produced is created in step S1. In step S2, the three-dimensional model is divided into a plurality of layers. In step S3, the lithography system is prepared. In step S4, lithography-based additive manufacturing of the three-dimensional shaped body takes place based on the layers determined in step S2. In step S5, the shaped body produced is removed and in step S6, the shaped body is cleaned and, if necessary, reworked. In step S7, further post-processing of the molded body produced takes place in a laser direct structuring process LDS.

[0032] Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Nachfolgend werden die Schritte zur lithographiebasierten additiven Fertigung des dreidimensionalen Formkörpers aus Schritt S4 beschrieben. In Schritt S41 wird das fotoaktive Polymer (beispielsweise ein Photopolymer) beispielsweise aus einer Kartusche in Schichten in einen Beschichter eingebracht. Die Kartusche kann eine Heizeinheit aufweisen, so dass das Material aus einer beheizten Kartusche in den Beschichter eingebracht werden kann. In Schritt S42 wird eine Bauplattform in bzw. an die Materialplattform bis zu einem definierten Abstand angenähert und das Photopolymer wird mit Licht oder einer elektromagnetischen Strahlung bestrahlt. Insbesondere wird die Bauplattform auf die Höhe der Schichtdecke abgesenkt und das Material wird beispielsweise durch einen Laser belichtet. In Schritt S43 wird die Bauplattform nach der Belichtung angehoben, um das belichtete Material von der Materialplattform abzulösen und neues Material mittels des Beschichters aufzutragen. In Schritt S44 wird dieser Vorgang wiederholt, bis der gewünschte Formkörper erhalten wird. In Schritt S45 erfolgt eine Reinigung des Formkörpers, um unerwünschtes Material zu entfernen. In Schritt S46 erfolgt ein Aushärten des Materials, beispielsweise durch eine UV-Bestrahlung und/oder durch eine Erwärmung des Materials. 2 shows a flowchart of a method according to a second exemplary embodiment. The steps for lithography-based additive manufacturing of the three-dimensional shaped body from step S4 are described below. In step S41, the photoactive polymer (e.g. a photopolymer) is introduced into a coater in layers, for example from a cartridge. The cartridge can have a heating unit so that the material can be introduced into the coater from a heated cartridge. In step S42, a building platform is approached into or to the material platform up to a defined distance and the photopolymer is irradiated with light or electromagnetic radiation. In particular, the construction platform is lowered to the height of the layered ceiling and the material is exposed, for example, by a laser. In step S43, the build platform is raised after exposure to remove the exposed material from the material platform and apply new material using the coater. In step S44, this process is repeated until the desired shaped body is obtained. In step S45, the molded body is cleaned to remove unwanted material. In step S46, the material is hardened, for example by UV irradiation and/or by heating the material.

[0033] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das System zum additiven Fertigen des dreidimensionalen Formkörpers eine Prozessheizung auf, so dass das Photopolymer während des Herstellprozesses auf die benötigte Temperatur erhitzt bzw. erwärmt werden kann. Dies kann durch eine beheizbare Kartusche für das Polymer oder durch eine Beheizung des Polymers nach dem Austritt aus der Kartusche erfolgen. According to one aspect of the present invention, the system for additive manufacturing of the three-dimensional shaped body has a process heater so that the photopolymer can be heated or warmed to the required temperature during the manufacturing process. This can be done by using a heatable cartridge for the polymer or by heating the polymer after it exits the cartridge.

[0034] Fig. 3 zeigt ein Laserdirekt-Strukturierungsverfahren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. In Fig. 3 wird die Nachverarbeitung gemäß Schritt S7 weiter definiert. In Schritt S71 erfolgt eine Strukturierung des Formkörpers mit einem Laser basierend auf einem Laserdirekt-Strukturierungsverfahren LDS. Während bei dem standardgemäßen Laserdirekt-Strukturierungsverfahren das Formteil bzw. der Formkörper in einem Einkomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt wird, wird dieser Formkörper gemäß der Erfindung wie in Fig. 2 beschrieben basierend auf einem Lithographieverfahren mit einer Prozessheizung hergestellt. In Schritt S72 erfolgt eine Metallisierung der gewünschten Leiterbahnung und Kontakte auf oder in dem Formkörper. 3 shows a laser direct structuring method according to a third exemplary embodiment. In Fig. 3, the post-processing according to step S7 is further defined. In step S71, the shaped body is structured with a laser based on a laser direct structuring method LDS. While in the standard laser direct structuring process the molded part or the molded body is produced in a one-component injection molding process, this molded body according to the invention is produced as described in FIG. 2 based on a lithography process with a process heater. In step S72, the desired conductor track and contacts are metallized on or in the molded body.

[0035] In Schritt S73 kann optional eine finale Metallisierung mit NiP-Au erfolgen. Anschließend kann in Schritt S74 eine optische und/oder elektronische Prüfung erfolgen. Danach kann das Herstellungsverfahren des Formkörpers beendet werden. [0035] In step S73, a final metallization with NiP-Au can optionally take place. An optical and/or electronic test can then be carried out in step S74. The manufacturing process of the shaped body can then be ended.

[0036] Fig. 4 zeigt ein Diagramm, welches das Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel illustriert. Hierbei referenzieren (1) eine 3D-Druck-Arbeitsstation, (2) eine LDS-Station und (3) eine Metallisierungsstation, beispielsweise eine Galvanik. Die 3D-Druck-Arbeitsstation weist einen Bauraum 1 auf, mit einer darin verschieblich gelagerten Plattform zum Tragen des zu erstellenden Formteils F, bzw. seiner Vorgängerstufen (partielle Formteile pF). Das Formteil F wird additiv aus Schichten S im Bauraum 1 gefertigt. In vorliegendem Beispiel ist ein Vorratsbehälter 5 ausserhalb des Bauraums 1 vorgesehen, der mit einem mit Additiven A versetzten Photopolymer PP in hochviskoser Form gefüllt ist. Über eine Leitung 51 wird das hochviskose Photopolymer einer beheizbaren Kartusche 12 innerhalb des Bauraums 1 zugeführt, in welcher Kartusche 12 das hochviskose Photopolymer PP erhitzt und als niederviskoses Photopolymer PP in den Bauraum 1 ausgegeben wird, nach wie vor mit im Wesentlichen räumlich gleichverteilten Additive A. Insbesondere ist die Plattform 11 so gesteuert, dass die zuletzt gefertigte Schicht am Ort O vom Bad des niederviskosen Photopolymers PP benetzt wird. Mittels eines ersten Lasers 13 wird das niederviskose Photopolymer am Ort O ausgehärtet und bildet eine weitere Schicht am partiellen Formkörper F. Zusätzlich kann eine schematisch eingezeichnete Heizung 14 für den gesamten Bauraum 1 vorgesehen sein, die den Bauraum 1 auf einer etwa gleichbleibenden Temperatur hält. Ist der Formkörper F additiv mit allen Schichten S vervollständigt, wird er zur LDS-Station (2) transportiert. Dort wird mit einem zweiten Laser 2 eine Struktur für eine spätere Leiterbahn in die Oberfläche des Formteils F im LDS-Verfahren geschrieben. Das so behandelte Formteil F wird dann in der Metallisierungsstation (3) Metallpartikeln ausgesetzt, die chemisch an die Laser-strukturierten Bereiche anbinden und damit metallisierte Bereiche M bilden. 4 shows a diagram which illustrates the method according to a further exemplary embodiment. This references (1) a 3D printing workstation, (2) an LDS station and (3) a metallization station, for example an electroplating shop. The 3D printing workstation has a construction space 1, with a slidably mounted platform for carrying the molded part F to be created, or its predecessor stages (partial molded parts pF). The molded part F is manufactured additively from layers S in installation space 1. In the present example, a storage container 5 is provided outside the installation space 1, which is filled with a photopolymer PP mixed with additives A in a highly viscous form. The high-viscosity photopolymer is fed via a line 51 to a heatable cartridge 12 within the installation space 1, in which cartridge 12 the high-viscosity photopolymer PP is heated and delivered into the installation space 1 as a low-viscosity photopolymer PP, still with essentially spatially evenly distributed additives A. In particular, the platform 11 is controlled in such a way that the last layer produced at location O is wetted by the bath of low-viscosity photopolymer PP. Using a first laser 13, the low-viscosity photopolymer is cured at location O and forms a further layer on the partial molded body F. In addition, a schematically drawn heater 14 can be provided for the entire installation space 1, which keeps the installation space 1 at an approximately constant temperature. Once the molded body F is additively completed with all layers S, it is transported to the LDS station (2). There, a structure for a later conductor track is written into the surface of the molded part F using the LDS process using a second laser 2. The molded part F treated in this way is then exposed to metal particles in the metallization station (3), which chemically bind to the laser-structured areas and thus form metallized areas M.

[0037] Zur Herstellung eines dreidimensionalen Schaltungsträgers kann eine Laserdirektstrukturierung LDS verwendet werden. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein Formteil hergestellt. Das Material ist hierbei ein Kunststoff mit Additiven. Anschließend kann eine Laseraktivierung und Laserstrukturierung erfolgen. Hierzu wird ein Laserstrahl auf das Formteil gerichtet. Durch die Laserenergie des Lasers erfolgt eine Aktivierung der Additive im thermoplastischen Kunststoffmaterial. Hierdurch werden metallische Keime erzeugt. Durch die Laserbehandlung kann eine mikroraue Oberfläche erreicht werden, auf welche z.B. Kupfer während der Metallisierung aufgebracht werden kann. Zur Metallisierung kann ein additiver Leiterbahnaufbau erreicht werden. Anschließend kann das Formteil mit den gewünschten Komponenten bestückt werden, um den dreidimensionalen Schaltungsträger zu erhalten. Laser direct structuring LDS can be used to produce a three-dimensional circuit carrier. In the first step, a molded part is produced. The material here is a plastic with additives. Laser activation and laser structuring can then take place. For this purpose, a laser beam is directed onto the molded part. The laser energy from the laser activates the additives in the thermoplastic material. This creates metallic germs. Laser treatment can achieve a micro-rough surface onto which, for example, copper can be applied during metallization. An additive conductor track structure can be achieved for metallization. The molded part can then be equipped with the desired components in order to obtain the three-dimensional circuit board.

[0038] Die Formteile werden also nicht durch ein Spritzgussverfahren, sondern durch eine lithographiebasierte, additive Fertigung (beispielsweise mittels der Hot-Lithography) hergestellt. The molded parts are therefore not produced by an injection molding process, but rather by lithography-based additive manufacturing (for example using hot lithography).

[0039] Das erfindungsgemäße Verfahren zur lithographiebasierten additiven Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern erfolgt somit zunächst mit einer additiven Fertigung eines Formkörpers basierend auf einem Hot-Lithography-Verfahren, bei welchem eine Prozessbeheizung erfolgt. Dem hierbei verwendeten Photopolymer werden Additive hinzugesetzt, welche ein Laserdirekt-Strukturierungs-LDS-Verfahren ermöglichen. Nachdem der dreidimensionale Formkörper durch das Hot-Lithography-Verfahren hergestellt worden ist, erfolgt eine Laseraktivierung und -strukturierung. Anschließend erfolgt eine Metallisierung der gewünschten Metallisierungsabschnitte. Anschließend kann optional eine Bestückung des Formkörpers mit den gewünschten Bauteilen erfolgen. The method according to the invention for the lithography-based additive manufacturing of three-dimensional shaped bodies thus initially involves additive manufacturing of a shaped body based on a hot lithography process in which process heating takes place. Additives are added to the photopolymer used here, which enable a laser direct structuring LDS process. After the three-dimensional shaped body has been produced using the hot lithography process, laser activation and structuring takes place. The desired metallization sections are then metallized. The molded body can then optionally be equipped with the desired components.

[0040] Ein Verfahren zur lithographiebasierten Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern mittels eines Stereo-Lithographieverfahrens mit einer Prozessheizung ist in WO 2018/032022 gezeigt. Ein derartiges Verfahren kann zur Herstellung des Formkörpers von Schritt S4 verwendet werden. Ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares Material ist auf einer durchlässigen Materialauflage vorgesehen. Eine Bauplattform ist im Abstand von der Materialauflage positioniert. Zwischen der Bauteilform und der Materialauflage befindliches Material wird erwärmt und im erwärmten Zustand ortsselektiv von einer Strahlungsquelle bestrahlt und verfestigt. Die Strahlung erfolgt von unten durch die für die Strahlung der ersten Strahlungsquelle zumindest bereichsweise durchlässigen Materialauflage in das Material hinein. Die Erwärmung des Materials kann durch Bestrahlung der Materialauflage mit elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Strahlungsquelle erfolgen. [0040] A method for the lithography-based production of three-dimensional shaped bodies using a stereo lithography process with a process heater is shown in WO 2018/032022. Such a method can be used to produce the shaped body of step S4. A material that can be solidified by electromagnetic radiation is provided on a permeable material support. A building platform is positioned at a distance from the material support. Material located between the component shape and the material support is heated and, in the heated state, is irradiated and solidified in a location-selective manner by a radiation source. The radiation occurs from below through the material layer, which is at least partially transparent to the radiation from the first radiation source, into the material. The material can be heated by irradiating the material support with electromagnetic radiation from a second radiation source.

[0041] Bei dem Hot-Lithography-Verfahren erfolgt somit eine Erwärmung des Materials, welches anhand einer elektromagnetischen Strahlung zu verfestigen ist. Somit stellt das Hot-Lithography-Verfahren ein Stereo-Lithographieverfahren mit einer Prozessheizung dar, welche das zu verfestigende Material erwärmt. Durch die Prozessheizung bei dem Hot-Lithography-Verfahren können andere Materialien verwendet werden als bei einem Standard-Stereo-Lithographieverfahren. Somit kann gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein hochviskoses, niedrigreaktives, fotoaktives Polymer als Material für die lithographiebasierte additive Fertigung verwendet werden. Im Gegensatz dazu kann bei dem Standard-Stereo-Lithographieverfahren SLA lediglich niedrigviskoses, hochreaktives, fotoaktives Polymer verwendet werden. Damit können gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung Formteile mit einer höheren Genauigkeit und höheren Reproduzierbarkeit ermöglicht werden. Aufgrund der hohen Viskosität des Materials kann ein Additiv, welches für das LDS Verfahren benötigt wird, sich besser in dem Material für die additive Fertigung verteilen. In the hot lithography process, the material which is to be solidified using electromagnetic radiation is heated. The hot lithography process therefore represents a stereo lithography process with a process heater that heats the material to be solidified. The process heating in the hot lithography process allows different materials to be used than in a standard stereo lithography process. Thus, according to one aspect of the present invention, a high viscosity, low reactivity, photoactive polymer may be used as a material for lithography-based additive manufacturing. In contrast, the standard stereo lithography process SLA can only use low-viscosity, highly reactive, photoactive polymer. According to one aspect of the present invention, molded parts with higher accuracy and higher reproducibility can thus be made possible. Due to the high viscosity of the material, an additive required for the LDS process can be better distributed in the material for additive manufacturing.

[0042] Das bei der additiven Fertigung verwendete Polymer ist ein photoaktives Polymer, welches hochviskos und niedrigreaktiv ist. Ein Beispiel für ein derartiges fotoaktives Polymer ist in EP 3 632 941 A1 beschrieben. The polymer used in additive manufacturing is a photoactive polymer, which is highly viscous and low reactive. An example of such a photoactive polymer is described in EP 3 632 941 A1.

[0043] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein dreidimensionaler Formkörper basierend auf dem Hot-Lithography-Verfahren (Stereo-Lithographieverfahren mit einer Prozessheizung) hergestellt werden. Das für die additive Fertigung verwendete Material weist Additive auf, welche einem LDS Additiv entsprechen bzw. ein LDS Verfahren ermöglichen. According to one aspect of the present invention, a three-dimensional shaped body can be produced based on the hot lithography process (stereo lithography process with a process heater). The material used for additive manufacturing has additives that correspond to an LDS additive or enable an LDS process.

[0044] Als Photopolymer kann Cubicure Thermoblast oder Cubicure Evolution FR verwendet werden. Cubicure Thermoblast or Cubicure Evolution FR can be used as the photopolymer.

[0045] Als LDS Additive können Merck Iriotek 8850 oder Merck Iriotek 8825 verwendet werden. Merck Iriotek 8850 or Merck Iriotek 8825 can be used as LDS additives.

Claims (9)

1. Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Formkörpers mit metallisierten Bereichen, mit den Schritten Bereitstellen eines Photopolymers (PP) enthaltend Additive (A), welche in einem Laser-Direktstrukturierungsverfahren zum Herstellen der metallisierten Bereiche (M) verwendbar sind, Additive Fertigung des dreidimensionalen Formkörpers (F) basierend auf einem Lithografie-Verfahren mit einer Prozessheizung zur Erwärmung des Photopolymers (PP), Durchführung des Laser-Direktstrukturierungsverfahrens bei dem additiv gefertigten dreidimensionalen Formkörper (F), und Metallisierung der zu metallisierenden Bereiche (M) des dreidimensionalen Formkörpers (F).1. Method for the additive manufacturing of a three-dimensional shaped body with metallized areas, with the steps Providing a photopolymer (PP) containing additives (A), which can be used in a laser direct structuring process for producing the metallized areas (M), Additive manufacturing of the three-dimensional shaped body (F) based on a lithography process with a process heater to heat the photopolymer (PP), Carrying out the laser direct structuring process on the additively manufactured three-dimensional shaped body (F), and Metallization of the areas to be metallized (M) of the three-dimensional shaped body (F). 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Photopolymer (PP) ein fotoaktives Polymer mit einer ersten Viskosität (V1) ist, bei dem das Photopolymer (PP) infolge seiner Erwärmung durch die Prozessheizung einen Zustand mit einer zweiten Viskosität (V2) einnimmt kleiner als die erste Viskosität (V1), bei dem das Photopolymer (PP) im Zustand seiner zweiten Viskosität (V2) durch Bestrahlung ausgehärtet wird, vorzugsweise bei dem die erste Viskosität (V1) grösser oder gleich 10<3>mPa*s ist, und die zweite Viskosität (V2) kleiner als 10<3>mPa*s ist.2. Method according to claim 1, in which the photopolymer (PP) is a photoactive polymer with a first viscosity (V1), in which the photopolymer (PP) assumes a state with a second viscosity (V2) smaller than the first viscosity (V1) as a result of its heating by the process heating, in which the photopolymer (PP) is cured in the state of its second viscosity (V2) by irradiation, preferably in which the first viscosity (V1) is greater than or equal to 10<3>mPa*s, and the second viscosity (V2) is less than 10<3>mPa*s. 3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die additive Fertigung erfolgt mittels der nachfolgenden, sich pro Generation einer Schicht (S) des dreidimensionalen Formkörpers (F) wiederholenden, computergestützt durchgeführten Schritte: a) Erwärmen des im Zustand seiner ersten Viskosität (V1) vorliegenden Photopolymers (PP) mittels der Prozessheizung; b) Bereitstellen des infolge der Erwärmung im Zustand seiner zweiten Viskosität (V2) vorliegenden Photopolymers (PP) am Ort (O) einer zuvor generierten Schicht (S) des Formkörpers (F); c) Aushärten des bereitgestellten Photopolymers (PP) durch Belichtung mittels eines ersten Lasers (13) zum Generieren einer neuen Schicht (S) auf der zuvor generierten Schicht (S); vorzugsweise bei dem alle Schritte a) bis c) in einem Bauraum (1) eines Geräts zur additiven Fertigung durchgeführt werden.3. Method according to claim 2, in which the additive manufacturing takes place using the following computer-aided steps, which are repeated per generation of a layer (S) of the three-dimensional molded body (F): a) heating the photopolymer (PP) present in the state of its first viscosity (V1) by means of the process heater; b) providing the photopolymer (PP) which is in the state of its second viscosity (V2) as a result of the heating at the location (O) of a previously generated layer (S) of the shaped body (F); c) curing the photopolymer (PP) provided by exposure using a first laser (13) to generate a new layer (S) on the previously generated layer (S); preferably in which all steps a) to c) are carried out in one installation space (1) of a device for additive manufacturing. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Prozessheizung eine beheizbare Kartusche (12) enthält zum Erwärmen des durch die Kartusche (12) geführten Photopolymers (PP).4. Method according to one of the preceding claims, in which the process heater contains a heatable cartridge (12) for heating the photopolymer (PP) guided through the cartridge (12). 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die additive Fertigung in einem Bauraum (1) erfolgt, bei dem der Bauraum (1) während der additiven Fertigung kontinuierlich beheizt wird.5. Method according to one of the preceding claims, in which the additive manufacturing takes place in a construction space (1), in which the installation space (1) is continuously heated during additive manufacturing. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zu metallisierenden Bereiche (M) des additiv gefertigten Formkörpers (F) mit einem zweiten Laser (2) bestrahlt werden zum Aktivieren der Additive (A) im Formkörper (F) in diesen Bereichen (M), bei dem ein Metall (Me) dem Formkörper (F) zugeführt wird und selektiv bindet an den zuvor durch den zweiten Laser (2) bestrahlten Bereichen zu deren Metallisierung, bei dem die metallisierten Bereiche (M) Leiterbahnen, oder Kontaktstellen, oder Antennen, oder thermische Leitflächen, oder elektromagnetische Schirmungen repräsentieren.6. Method according to one of the preceding claims, in which areas (M) of the additively manufactured molded body (F) to be metallized are irradiated with a second laser (2) to activate the additives (A) in the molded body (F) in these areas (M), in which a metal (Me) is supplied to the shaped body (F) and selectively binds to the areas previously irradiated by the second laser (2) to metallize them, in which the metallized areas (M) represent conductor tracks, or contact points, or antennas, or thermal conductive surfaces, or electromagnetic shielding. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem Verfahren der dreidimensionale Formkörper (F) mit metallisierten Bereichen (M) als Pendent zu einem Moulded Interconnect Device hergestellt wird.7. Method according to one of the preceding claims, in which process the three-dimensional molded body (F) with metallized areas (M) is produced as a pendant to a molded interconnect device. 8. Dreidimensionaler Formkörper mit metallisierten Bereichen, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.8. Three-dimensional shaped body with metallized areas, produced by a method according to one of the preceding claims. 9. Dreidimensionaler Formkörper, aus Schichten (S) aufgebaut, mit metallisierten Bereichen (M), aus einem gehärteten Photopolymer (PP) enthaltend Additive (A), welche in einem Laser-Direktstrukturierungsverfahren zum Herstellen der metallisierten Bereiche (M) verwendbar sind.9. Three-dimensional shaped body, made up of layers (S), with metallized areas (M), from a hardened photopolymer (PP) containing additives (A), which can be used in a laser direct structuring process to produce the metallized areas (M).
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CH000992/2022A CH719575A2 (en) 2022-04-06 2022-08-24 Process for the additive manufacturing of a three-dimensional shaped body.

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