CN110869189B - 用于基于光刻生成地制造三维成型体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于基于光刻生成地制造三维成型体的方法，其中，将构造平台（8）与至少局部地对于辐射源的辐射是能够穿透的、用于通过辐射的作用而能够固化的材料的材料支承件（1）间隔地定位，其中，所述材料支承件（1）在第一位置和第二位置之间平移移动，其特征在于，在所述材料支承件（1）从所述第一位置移动到所述第二位置期间以限定的层厚度涂覆材料，随后由所述辐射源位置选择性地和/或时间选择性地照射在所述构造平台（8）与所述材料支承件（1）之间所施加的材料并且使其固化，并且随后在所述材料支承件（1）从所述第二位置移动到所述第一位置期间从所述材料支承件（1）移除所述材料。

Description

用于基于光刻生成地制造三维成型体的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于基于光刻生成地制造三维成型体的方法，其中，将构造平台与用于可通过辐射的作用而固化（verfestigen）的材料的、至少局部地对于辐射源的辐射可穿透的材料支承件间隔地定位，其中，材料支承件在第一位置和第二位置之间平移移动。
本发明还涉及一种用于执行这种方法的装置。
背景技术
在光刻或立体光刻添加制造中，可光聚合的原始材料被逐层加工成成型体。在此，位置和时间选择性地或者通过光学掩膜、投影的图像面或者通过借助于激光束的扫描将层信息传输到有待聚合的材料上。在此，在选择曝光和结构化方法时出现基本的区别：一方面，可以从上方曝光可光聚合的材料的（浸渍）池，其中图案化物体在制造期间逐渐浸渍到液体材料中（SLA），然而或者可以从下方穿过透明槽底曝光材料贮存器（经填充的材料槽），其中从上方从材料池移除物体（DLP、激光立体光刻）。在后一种情况下，物体通过上下移动逐层结构化，其中物体和材料槽底之间的相应距离保证高精度的层厚度。在新型方法中，这种类型的结构化也可以连续地（不再有交替的上下移动）进行，其中于是还必须对槽底提出另外的特殊要求。相对于所述浸渍工艺（SLA），由材料槽进行的曝光的一个主要优点尤其在于，用于开始该工艺的材料耗费要低得多。因为在浸渍工艺中需要多升反应性消耗材料，所以这在操作和过程成本中是固有缺点。
所有提及的过程方法的共同点是添加式结构化产品的高几何质量。特别是在塑料技术领域，该表面质量是决定性的，以便能够与常用的方法、像比如注塑应用相竞争。基于光刻的3D打印因此在表面质量和形状质量方面明显不同于所有其它可用的3D打印工艺。对原始材料（光聚合物混合物）的粘度的高要求被认为是在这方面的缺点。因此，在加工阶段当前要求的动态粘度不应超过几个Pa.s（帕斯卡-秒）。逐层加工的这种障碍严重限制了可用的光聚合物的选择，由此导致基于光刻的添加式的层工艺的最大弱点：加工的塑料的通常强烈限制的材料特性。
特别是对于技术应用，然而也在最终用户产品领域中，除了物体的几何质量之外，其材料质量尤其重要。在添加式加工的塑料中，已知的缺陷尤其在耐热性方面表现出来（在温度升高时-大多已经从40℃至50℃起-刚性/弹性模量强烈损失）或者在环境温度下的韧性（冲击韧性/抗致命断裂或裂纹）表现出来。具有强度、韧性以及足够的耐热性（例如足够的刚性至80℃）的组合的可立体光刻加工的材料当前被视为将添加式立体光刻工艺成功地并且广泛经济地集成到现有的生产技术中的前提。然而，迄今为止，这些材料不能或仅部分地以期望的质量可用。
为了开发用于立体光刻工艺的新型光聚合物系统，尤其已知处理工艺的上述粘度要求是成问题的。在升高的温度下的过程控制被证实为可能的出路。通过相对于正常室温（20℃）已经很少提高过程温度，极大地降低了大多数光聚合物的粘度。由此实现了待选择的原始聚合物物质的显著增大，这此外导致新型的3D打印材料。
加热工艺系统的应用是公知的。处理高粘度系统的另一种可行方案在于过程控制本身，在那里例如可以涉及，通过其他的输送材料的方法（例如涂敷系统）来替换现有的浸渍系统（具有几毫米或几厘米的填充水平高度的材料槽）。在这些方案中，提高的工艺温度也可以带来决定性的优点，但是其中，总是也必须考虑待加工的光聚合物的温度敏感性。对各个过程元件或者整个过程室的复杂加热在此可以提供补救措施，但是通常也导致显著的机电的耗费并且在错误实施的情况下可能降低光聚合物混合物的长期稳定性并且由此显著地危及过程稳定性。
发明内容
因此，本发明的目的是找到在处理高粘度树脂时的过程控制，其将各个过程段的选择性加热的优点与限定的向该过程区中的材料输送的优点相结合并且其可以作为长时间稳定的生产系统来实现。
为了解决该任务，本发明在开头所述类型的方法中基本上规定，在材料支承件从第一位置移动到第二位置期间以限定的层厚度涂覆材料，随后位置选择性地和/或时间选择性地由辐射源照射和固化在构造平台与材料支承件之间所施加的材料，并且随后在材料支承件从第二位置移动到第一位置期间从材料支承件移除材料。
本发明由一种涂层和循环过程组成，其中可以将薄层形式的光敏物质输送到曝光区。在此，该过程利用可平移移动的材料支承件，该材料支承件例如构造为材料槽，该材料槽主要用作用于光敏材料的与过程相关的薄层的支承板。现在将可光聚合材料输送到该可移动的支承板上，其中在此可以是指纯的光敏单体化合物或低聚化合物或者可以是指包括光引发剂组分的相同的化合物。此外，这样的化合物也可以设有机或无机填料和/或具有其他有机或无机添加剂或其他物质、着色剂、吸收剂或其他功能性或非功能性成分。此外，还可以是其他可光聚合的物质，只要在150nm与950nm之间的波长范围内与该材料进行光刻相互作用是可能的。
材料优选借助于位置固定的材料引入装置被涂覆或移除，并且在此具有相对于可移动的材料支承件固定的过程位置。
优选规定，借助于第一刮刀和第二刮刀来涂覆或移除材料。
优选地，在材料支承件从第二位置移动到第一位置之前或期间，第一刮刀被垂直于材料支承件的移动方向远离材料支承件移动，并且优选地，在材料支承件从第一位置移动到第二位置期间或之前，第一刮刀被朝材料支承件移动，以便调节限定的层厚度。第一刮刀在此这样设置，使得第一刮刀的高度在z方向（垂直于材料支承件沿其移动的x方向）上可以可变地调节，其中，该高度调节既可以通过主动（例如刮刀马达）也可以通过被动的过程机构来控制。第一刮刀的高度优选可以被如此调节，使得其在最下方位置中，在第一刮刀与材料支承件之间不允许刮刀间隙，并且因此使得材料引入装置完全封闭，或者在升高的位置中，第一刮刀允许几微米至几毫米的间隙高度。
第二刮刀构成牵拉机构，并且可以被动地或主动地在其送料高度（z方向）上进行调节。优选地规定，第二刮刀借助于复位元件、例如弹簧保持与材料支承件贴靠。由此，材料引入装置随时相对于位于其中的光敏材料至少部分地得到密封。
此外优选地规定，在第一和第二刮刀之间形成材料贮存器。在此特别优选地规定，在材料支承件从第二位置移动到第一位置期间，从材料支承件移除的材料至少部分地被返回引导到材料贮存器中。在此特别优选地规定，在材料支承件从第一位置移动到第二位置期间，材料从材料贮存器通过在第一刮刀与材料支承件之间限定的间隙以通过间隙和材料支承件的调节的平移移动速度限定的层厚度来涂覆。
在此，根据本发明的方法规定材料支承件在材料引入装置下方，即在第一刮刀和第二刮刀下方的线性移动以如下方式进行，从而在材料支承件的向前移动（即从第一位置到第二位置）时，将可光聚合材料的限定的薄层至少部分地并且在材料支承件的各部分上涂覆到该材料支承件上，并且在材料支承件的向后移动（即从第二位置到第一位置）时，将剩余的光敏材料膜至少部分地并且在材料支承件的各部分上剥除或移除，由此，一方面，在剥除部分中的材料支承件具有纯的或至少部分清洁的表面，并且由此另一方面，之前剩余的光敏材料至少部分地再次返回引导到材料贮存器中。
光敏材料的被涂覆的薄层在材料支承件向前移动时被输送到曝光区，在该曝光区中位置和时间选择性地从材料支承件的背离材料的一侧输送曝光信息。在一种优选的实施方式中，这例如从下方进行，其中，曝光信息必须经过材料支承件。为此目的，材料支承件设计为相对于所使用的光信息是透明的或至少部分透明的。在可光聚合材料的曝光和选择性强化之后，将可光聚合材料从材料支承件上剥除，由此光敏材料的未聚合的部分以不连续的薄膜的形式或者以材料堆积、材料岛或其他层图案的形式存在。在材料支承件的向后移动期间，该材料被再次输送到材料贮存器。为了便于此，第一刮刀可以在材料支承件的向后移动期间被主动地或被动地升高，以便于未聚合的材料残留物经过第一刮刀刀刃下方。在材料支承件的向后移动结束之后，可以直接和主动地或被动地降低第一刮刀，以防止可光聚合材料从材料贮存器漏出。在材料支承件向后移动时，光敏材料借助第二刮刀从材料支承件的底部脱离，由此光敏材料能够至少暂时地保留在材料贮存器中。
所述过程可以任意多次重复，由此可以始终将可光聚合材料上的新施加的层涂覆到材料支承件上并且然后可以将该层输送给曝光区。所施加的这些光敏材料层的高度或厚度现在可以通过第一刮刀的高度调节以及材料支承件的线性移动速度无级地进行调节。例如，光敏层的高度调节的可能性在几微米直至几毫米的范围内进行。此外，光敏材料的最终可达到的层厚度取决于光敏材料的粘度及其流动特性，这些特性本身又大多与温度相关。为了满足这个方面，优选规定，在材料引入装置中对材料进行加热。此外，在一种优选的实施方式中，所有相关的工艺部件、例如第一和/或第二刮刀和/或材料支承件都可以实施成能选择性地和/或单独适配地加热。
用于实际的立体光刻打印工艺的构造平台优选设计为可加热的，该构造平台机械地调节用于聚合的层间隙（沿着z轴）并且该构造平台在聚合之后确保将选择性聚合的材料层从可线性移动的材料支承件中剥除。
在所述过程期间，优选总是光敏的储备材料位于材料贮存器中。材料支承件在材料贮存器下方的交替线性移动导致材料贮存器中的光敏储备材料以可移动或环绕的材料轴或光敏材料的料辊的形式循环移动。为了优化过程控制，现在有利的是，连续地或以限定的间隔主动地或被动地检测光敏储备材料的材料状态，这在根据本发明的实施例中可以借助超声波传感器、光学传感器或接触式传感器来进行。也可以使用其它未提到的反馈系统，如开关、按键、填充水平探针或类似物来测量光敏储备材料的填充水平。为了维持光敏储备材料的期望的填充水平，优选规定，借助于运送装置将材料引入到材料贮存器中。例如可以规定，可以连续地或以所希望的时间间隔向材料贮存器输送新的光敏材料。该运送装置可以被实施为能够选择性地并且能够单独地被加热。
此外，线性移动的材料支承件也可以主动地或被动地支持选择性强化的光敏材料从材料支承件在曝光区内的期望的脱离过程，其方式是，材料支承件的线性移动与整个过程结构相对于构造平台的主动或被动的倾翻移动相结合，或者也与构造平台本身相对于过程结构的主动或被动的倾翻移动相结合，这导致强化的光敏材料从材料支承件的限定的或不限定的多轴的脱离过程，其中，这种组合的脱离移动尽可能接近理想的剥离过程。因此优选地规定，构造平台在材料支承件从第二位置移动到第一位置期间倾斜。在一种优选的实施方案中，选择性强化的光敏材料层的这种剥离过程由构造平台的线性行程（z方向）、构造平台围绕构造平台所携带的旋转点的被动或主动旋转、以及材料支承件的主动或被动的线性平移移动来确定，这些移动总体上允许多轴向剥离过程。为了支持这种剥离过程，材料支承件可以设有特殊的防粘涂层和/或由极不同的对于可光聚合曝光工艺的所用工作波长是透明的或至少部分透明的材料的层压体（Laminat）组成。
所述的根据本发明的过程控制允许精确地加工高粘度的光敏原始物质，其也可以具有高的分子量并且其在室温下也可以作为不可流动的或甚至作为固体存在。此外，所述再填充系统可以提供高工艺可靠性，因为只有那些数量的光敏材料必须在工艺区中停留，如稳定的打印过程所需的那样。其他光敏储备材料可以直至其使用都保持在工艺区之外，并且可以尽可能地防止由于过程温度或其他环境影响而导致的可能的不利的长时间影响。此外，将光敏材料输送给材料支承件上限定的薄层中的曝光区能够控制在强化的光聚合物层中可能的气泡。通过材料支承件的线性移动速度、光敏材料在材料贮存器中的填充水平以及通过刮刀的移动高度也可以由此影响材料贮存器中循环旋转的材料辊，其方式是，新鲜的和已经从材料支承件中剥除的光敏材料之间的混匀可以被优化，以及空气或气泡向材料贮存器内的材料储备中的不期望的引入可以被最小化。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于基于光刻生成地制造三维成型体的装置，该装置包括电磁辐射的辐射源、用于通过辐射的作用可固化的材料的至少局部地对于辐射源的辐射而言可穿透的材料支承件、与材料支承件间隔开地保持的构造平台，其中材料支承件可在第一位置和第二位置之间平移移动，其特征在于，设置有如下材料引入装置，该材料引入装置构造成，在材料支承件从第一位置移动到第二位置期间以限定的层厚度涂覆材料并且在材料支承件从第二位置移动到第一位置期间从材料支承件移除材料。
优选地规定，材料引入装置具有至少一个第一和第二刮刀，其中，第一刮刀优选可以垂直于材料支承件的移动方向进行高度调节。
此外优选规定，所述第二刮刀与复位元件、例如弹簧配合作用。
在一种优选的实施方案中规定，构造平台可倾斜地布置。
优选地规定，材料引入装置具有用于加热材料的加热装置。
此外优选地规定，在优选相互平行地布置的第一和第二刮刀之间形成材料贮存器。
优选地规定，材料贮存器与运送装置连接，从而材料可以被引入到该材料贮存器中。
附图说明
下面借助于在附图中示意性示出的实施例进一步阐述本发明。其中示出：
图1和图2示出了根据本发明的装置在方法流程的相继阶段中的示意性侧剖视图。
具体实施方式
在图1中，材料支承件标记为1，材料层11布置在该材料支承件上。构造平台8与材料支承件1间隔开地布置，该构造平台能沿z方向调节高度并且能围绕轴线4倾斜地被支承。在构造平台8和材料支承件1之间已经构造有一些材料层11。材料支承件1可以沿着垂直于z方向的x方向平移移动。
此外，设置有包括第一刮刀5和第二刮刀6的材料引入装置3。第一刮刀5可借助于刮刀马达10在z方向上进行高度调节，并且第二刮刀6具有弹簧7，所述弹簧使第二刮刀6在z方向上保持与材料支承件1贴靠。在两个刮刀5、6之间构造有材料贮存器2，该材料贮存器可以借助运送装置9被供应以材料。
在图1中示出的方法阶段中，材料支承件1处于第二位置中。构造平台8沿材料支承件1的方向下降，从而可以形成新的材料层11，其方式是，借助未示出的辐射源从下方穿过材料支承件1位置选择性地照射和固化材料支承件1上的材料层11。材料层11在材料支承件1移动到第二位置中期间通过第一刮刀5来涂覆。
图2示出了在材料层11的固化完成之后的阶段。现在，材料支承件1在箭头12的方向上从第二位置离开地在朝向第一位置的方向上移动。同时，构造平台8沿z方向略微升高，其中，构造平台8的组合的抬起移动和材料支承件1沿箭头12的方向的移动导致构造平台8围绕轴线4的倾斜，从而促进按照剥离过程的方式完成的材料层11从材料支承件1的多轴向脱离。为此目的，轴线4在构造平台8上的位置也可以布置在构造平台8的沿x方向相对而置的一侧上，只要这附加地有利于剥离过程。在材料支承件从第二位置移动到第一位置时，余留在材料支承件1上的材料11通过第二刮刀6予以移除，并且由此又被收集在材料贮存器2中，并且必要时通过运送装置补充新鲜的材料，从而随时有足够的材料可供使用。
在材料层11通过第二刮刀6被移除并且材料支承件1到达第一位置中之后，重新通过材料支承件1逆着箭头12的方向通过第一刮刀5向第二位置的移动来从材料贮存器2涂覆材料层11，直至到达图1中所示的第二位置。然后，构造平台或由已经固化的层11形成的结构体下降到材料层中以调节待固化的层厚度，随后可以执行对于材料层11的进一步的曝光和固化。

Claims (14)

1.用于基于光刻生成地制造三维成型体的方法，构造平台（8）与至少局部地对于辐射源的辐射是能够穿透的、用于通过辐射的作用而能够固化的材料的材料支承件（1）间隔地定位，所述材料支承件（1）在第一位置和第二位置之间平移移动，其特征在于，在所述材料支承件（1）从所述第一位置移动到所述第二位置期间借助于材料引入装置（3）以限定的层厚度来涂覆材料，随后由所述辐射源位置选择性地和/或时间选择性地照射在所述构造平台（8）与所述材料支承件（1）之间所施加的材料并且使其固化，并且随后在所述材料支承件（1）从所述第二位置移动到所述第一位置期间借助于所述材料引入装置（3）从所述材料支承件（1）移除材料，所述材料借助于第一和第二刮刀（5、6）来涂覆或移除，在所述第一和第二刮刀（5、6）之间形成材料贮存器（2），所述第二刮刀（6）借助于复位元件（7）保持与所述材料支承件（1）贴靠，材料在所述材料引入装置（3）中被加热。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料借助于位置固定的材料引入装置（3）予以涂覆或移除。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述材料支承件（1）从所述第二位置移动到所述第一位置之前或期间，所述第一刮刀（5）垂直于所述材料支承件（1）的移动方向远离所述材料支承件（1）移动，并且，在所述材料支承件（1）从所述第一位置移动到所述第二位置期间或之前，所述第一刮刀朝向所述材料支承件（1）移动，以便调节所限定的层厚度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述材料支承件（1）从所述第一位置移动到所述第二位置期间，所述材料从所述材料贮存器（2）经由限定在所述第一刮刀（5）与所述材料支承件（1）之间的间隙以通过所述间隙和所述材料支承件（1）的平移移动速度限定的层厚度来涂覆。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于运送装置（9）将材料引入到所述材料贮存器（2）中。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述材料支承件（1）从所述第二位置移动到所述第一位置期间，从所述材料支承件（1）移除的材料被至少部分地返回引导到所述材料贮存器（2）中。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构造平台（8）在所述材料支承件（1）从所述第二位置移动到所述第一位置期间倾斜。
8.用于基于光刻生成地制造三维成型体的装置，其用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法，所述装置包括电磁辐射的辐射源、至少局部地对于辐射源的辐射是能够穿透的用于通过辐射的作用而能够固化的材料的材料支承件（1）、与所述材料支承件（1）间隔开地得到保持的构造平台（8），其中，所述材料支承件（1）能够在第一位置和第二位置之间平移移动，其特征在于，设置有如下材料引入装置（3），所述材料引入装置被构造用于，在所述材料支承件（1）从所述第一位置移动到所述第二位置期间以限定的层厚度来涂覆材料并且在所述材料支承件（1）从所述第二位置移动到所述第一位置期间从所述材料支承件（1）移除材料。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述材料引入装置（3）具有至少一个第一和第二刮刀（5、6），其中，所述第一刮刀（5）能够垂直于所述材料支承件（1）的移动方向进行高度调节。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二刮刀（6）与复位元件（7）配合作用。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述构造平台（8）能倾斜地布置。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述材料引入装置（3）具有用于加热所述材料的加热装置。
13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，材料贮存器（2）形成在所述第一和第二刮刀（5、6）之间。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述材料贮存器（2）与运送装置连接，使得材料能够被引入到所述材料贮存器（2）中。
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