DE10024618A1

DE10024618A1 - Verfahren zum Erzeugen 3-dimensionaler Gegenstände aus wärmeempfindlichen Zusammensetzungen

Info

Publication number: DE10024618A1
Application number: DE10024618A
Authority: DE
Inventors: Daniel Gelbart
Original assignee: Creo SRL
Current assignee: Creo SRL
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2001-04-05
Also published as: US6214276B1; US6641772B2; US20020056945A1; JP2001121614A

Abstract

3-dimensionale Gegenstände werden durch Überstreichen eines wärmeempfindlichen Harzes mit einem Lichtstrahl hergestellt, um das Harz bildweise zu erwärmen. Da wärmeempfindliche Zusammensetzungen nicht dem Gesetz der linearen Superposition folgen, wird das Problem der Streulichtbelichtung beseitigt. Dies ermöglicht die wahlweise Thermopolymerisation jedes Punktes innerhalb des Volumens der Flüssigkeit ohne Beeinflussung benachbarter Punkte.

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Stereolithographie, die die Erzeugung 3- dimensionaler Gegenstände durch Abbildung bzw. Imaging behandelt. Die Erfindung kann verwendet werden, um verschiedene 3-dimensionale Gegenstände, wie Flexodruckplatten, herzustellen.

Hintergrund der Erfindung

Es ist bekannt, 3-dimensionale (3D) Gegenstände durch Abbilden bzw. Belichten eines flüssigen Harzes zu erzeugen. Üblicherweise ist das flüssige Harz von der Art, daß es in Reaktion auf die Belichtung mit intensivem Ultraviolett-("UV")-Licht polymerisiert. Zwei Einsatzmöglichkeiten für derartige 3D-Abbildungsvorgänge bestehen in dem Herstellen von 3D-Prototypen durch einen Vorgang, welcher als Stereolithographie bekannt ist, und in dem Erzeugen von Flexodruckplatten, die ein signifikantes Oberflächenrelief besitzen.

Bei jedem dieser Vorgänge werden ausgewählte Bereiche eines Harzes mit Licht aus einer Lichtquelle, wie einem Laser oder einer Maske, die durch eine UV-Lampe bestrahlt wird, belichtet. In der vorliegenden Offenbarung soll der Begriff "Harz" so breit verstanden werden, daß er jedes Material umfaßt, welches in der Lage ist, durch eine chemische Reaktion aus einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand umgewandelt zu werden.

Vorhandene Systeme zum Erzeugen von 3D-Gegenständen durch Abbilden bzw. Imaging eines flüssigen Harzes belichten nur eine dünne Oberflächenschicht eines flüssigen Polymers. Derartige Systeme weisen kunstvolle Mittel auf, um die polymerisierte Schicht leicht abzusenken und sie eingetaucht zu halten, während eine weitere Schicht an der Oberfläche des Harzes belichtet wird. Auf diese Weise kann ein Gegenstand Schicht für Schicht aufgebaut werden. Derartige Systeme müssen in dieser Weise betrieben zu werden, da sie ein Photoprinzip verwenden, durch das die Belichtung der flüssigen Harze gemäß dem "Reziprozitätsgesetz" erfolgt. Bei derartigen Systemen ist die Belichtungsmenge proportional dem Integral der Lichtintensität über die Belichtungszeit. Abbildung bzw. Imaging für eine lange Zeit unter Verwendung eines Lichtes geringer Intensität kann die gleiche Belichtung bewirken, wie das Abbilden bzw. Imaging für eine kurze Zeit unter Verwendung eines Lichtes mit hoher Intensität. Bei derartigen Systemen folgt die Belichtung ebenfalls dem Gesetz der linearen Superposition, welches lautet:

In der Gleichung (1) ist f(x) die Belichtung, die durch das Bestrahlen eines Harzes mit einem Licht der Intensität x für eine gegebene Zeit hervorgerufen wird. Gemäß der Gleichung (1) erzeugt die Bestrahlung mit einem Licht der Intensität (a + b) für eine Zeiteinheit die gleiche Belichtung, wie die Bestrahlung mit einem Licht der Intensität a für eine Zeiteinheit, gefolgt durch die Bestrahlung mit einem Licht der Intensität b für eine Zeiteinheit.

Infolge der Belichtungseigenschaften des Harzes, welches für die Erzeugung der 3D-Gegenstände verwendet wird, ist es nicht möglich, die Belichtungstiefe innerhalb der Flüssigkeit zu fokussieren, ohne daß ebenfalls das Volumen oberhalb des gewünschten Belichtungspunktes in unerwünschter Weise belichtet wird. Dies ist in Fig. 1 gezeigt. Fig. 1 gibt schematisch wieder, was passiert, wenn versucht würde, ein bekanntes stereolithographisches System zu verwenden, um einen linearen Bereich des belichteten Harzes innerhalb eines Harzkörpers 1 in einem geeigneten Behälter 2 zu erzeugen. Ein Strahl 3 wird durch eine Linse 4 auf einen Punkt 5 fokussiert, welcher innerhalb (d. h. nicht an der Oberfläche) des Bades aus flüssigem Harz 1 liegt. Der Punkt 5 wird entlang einer Linie 11 durch die sich bewegende Linse 4 und den Strahl 3 in eine Richtung, die durch den Pfeil 12 gekennzeichnet ist, abgetastet bzw. geführt.

Der Punkt 5 wird mit einer solchen Geschwindigkeit bewegt, daß das Harz 1 entlang der Linie 11 eine Belichtung erhält, die ausreicht, um das Harz zu polymerisieren. Das Problem besteht darin, daß ein Volumen 6 innerhalb des Harzes 1 oberhalb der Linie 11 ebenfalls eine Belichtung empfängt, die ausreicht, das Harz zu polymerisieren. Da sich der Punkt 5 entlang eines Weges durch den Körper aus flüssigem Harz bewegt, wird das Harz an jedem Teil der Linie 11 einer intensiven Belichtung für kurze Zeit ausgesetzt, während der Punkt 5 den Teil der Linie 11 passiert. Punkte innerhalb des Volumens 6 oberhalb der Linie 11, durch die der Strahl 3 hindurchgeht, werden einer geringeren Belichtungsintensität ausgesetzt, werden jedoch für eine längere Zeit belichtet als die Punkte an der Linie 11. Dies deshalb, da der teilweise fokussierte Strahl, welcher durch das Volumen 6 des Harzes 1 hindurchtritt, eine Breite besitzt, die viel größer als die des Punktes 5 ist. Da das Produkt der Intensität und der Belichtung in dem Volumen 6 ungefähr das Gleiche ist, wie entlang der Linie 11, wird das Volumen 6 eine ausreichende Gesamtbelichtung erhalten, um polymerisiert zu werden. Wenn das Lichtabsorp tionsmaß des Materials 1 hoch ist, wird das Volumen 6 tatsächlich eine höhere Belichtung erhalten als die entlang der Linie 11 ausgeführte Belichtung. Das Volumen des Harzes 6 unterhalb der Linie 11 wird ebenfalls belichtet. Dieses Volumen empfängt eine geringere Belichtung infolge der Tatsache, daß ein Teil des Lichtes beim Durchgang durch das Harz oberhalb der Linie 11 absorbiert wird.

Einige Harze polymerisieren durch Vorgänge, welche von dem "Reziprozitätsgesetz" abweichen. Beispielsweise ist bei Harzen, die durch die Zwei-Photonen-Ab sorptionsvorgänge polymerisieren, die Polymerisationsgeschwindigkeit proportional dem Quadrat der Intensität. Derartige Vorgänge integrieren immer noch das Licht und unterliegen dem Nachteil der sehr geringen Sensitivität bzw. Empfindlichkeit, was hohe Beträge des UV-Lichtes erfordert.

Einige bekannte stereolithographische Vorgänge verwenden eine Lasererwärmung bzw. Laserhitze zum Schneiden von Mustern in dünnen Bögen eines Materials, welche zu einem 3D-Gegenstand zusammengefügt werden können. Andere derartige Vorgänge schmelzen Abschnitte einer dünnen Schicht aus Pulver, welche anschließend verfestigt werden. Diese Vorgänge verwenden beidesmal Wärme, um Abschnitte eines Materials in einen flüssigen oder gasförmigen Zustand zu bringen. Keiner dieser Vorgänge ist für eine getreue 3D-Abbildung geeignet, da die ver wendeten Materialien üblicherweise Licht streuen und nur in dünnen Schichten verwendet werden können.

Ein weiteres Problem bei den bekannten stereolithographischen Verfahren besteht darin, daß sie nicht ohne weiteres verwendet werden können, um Gegenstände zu erzeugen, die, wenn sie Schicht um Schicht erzeugt werden, die Bildung von getrennten Teilen des Gegenstandes erforderlich machen, welche nicht miteinander verbunden sind, bis eine nachfolgende Schicht erzeugt wird.

Es besteht ein Bedarf für stereolithographische Verfahren, welche vielseitiger sind als bekannte Verfahren. Insbesondere besteht ein Bedarf für Verfahren zum Erzeugen von 3D-Gegenständen, welche nicht die Einschränkung besitzen, daß der Gegenstand Schicht um Schicht mit jeder Schicht an einer Oberfläche eines flüssigen Harzes hergestellt werden muß.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung macht Gebrauch vom Vorteil der Eigenschaften bestimmter Materialien, welche als "wärmeempfindlich" bekannt sind, oder Thermomaterialien, um Verfahren für die Stereolithographie bereitzustellen, welche flexibler als bekannte stereolithographische Verfahren sind. Wärmeempfindliche bzw. thermosensitive Materialien werden hauptsächlich zum Herstellen von 2- dimensionalen Flachdruck-Offsetdruckplatten verwendet, die ebenfalls als lithographische Platten bekannt sind. Wärmeempfindliche Materialien polymerisie ren, wenn sie auf eine Temperatur erhitzt werden, welche eine Schwellwerttempe ratur übersteigt. Thermosensitive Materialien polymerisieren mit einer geringfügigen Geschwindigkeit bei Temperaturen unterhalb des Schwellwertes. Infolge dieser Eigenschaft arbeitet ein Thermomaterial vollständig außerhalb der Gesetze der Reziprozität und der linearen Superposition. Die Belichtung derartiger Materialien ist im wesentlichen nicht integrierend.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden 3-dimensionale Gegenstände innerhalb eines Volumens eines wärmeempfindlichen, flüssigen Harzes durch Führen eines fokussierten Lichtstrahles in drei Dimensionen in dem Volumen hergestellt. Der Lichtstrahl enthält vorzugsweise Licht im Bereich der Infrarot-(IR)-Wellenlängen. Der Lichtstrahl erwärmt das Harz nahe des Fokussierpunktes auf eine Temperatur oberhalb eines Schwellwertes für das Harz. Das Harz polymerisiert schnell an Punkten, an denen das Licht fokussiert wird. Andere Bereiche des Harzes werden nur geringfügig erwärmt. Da der Strahl geführt bzw. verfahren wird, um einen gewünschten Gegenstand zu erzeugen, kühlen die Abschnitte des Harzes, durch die der Strahl hindurchgeführt worden ist, ab und integrieren nicht die Belichtung bzw. Bestrahlung. Derartige Bereiche können wiederholt auf Temperaturen unterhalb der Schwellwerttemperatur für das Harz ohne eine Polymerisierung erwärmt werden.

Ein Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Erzeugen eines 3-dimensionalen Gegenstandes innerhalb eines Volumens eines Harzes bereit, wobei das Verfahren enthält: Bereitstellen eines Volumens des Harzes und Überstreichen zumindest eines Teiles des Volumens des Harzes mit einem Lichtstrahl. Der Lichtstrahl besitzt einen Brennfleck bzw. Brennpunkt innerhalb des Volumens des Harzes. Das Verfahren enthält das schnelle Anheben der Temperatur eines Teiles des Harzes an dem Brennpunkt, um den Teil des Harzes zu verfestigen, das Aufbauen eines 3- dimensionalen Gegenstandes duch Wiederholen des Temperaturanhebeschrittes mit dem Brennpunkt an verschiedenen Positionen innerhalb des Volumens des Harzes und das Entfernen des Harzes von dem Gegenstand, welches nicht verfestigt worden ist.

Die Effizienz des Vorganges kann durch Bereitstellen mehrerer Strahlen erhöht werden, welche an dem gleichen Punkt innerhalb des flüssigen Harzes aus verschiedenen Richtungen konvergieren. Dies ermöglicht nahezu eine konstante Belichtung bzw. Bestrahlung durch das Volumen des Harzes.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachstehend erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren

In den Zeichnungsfiguren, welche schematisch nicht einschränkende Ausführungs beispiele der Erfindung wiedergeben, ist:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch eine bekannte stereolithographische Vorrichtung, welche zeigt, warum es nicht möglich ist, Merkmale in einer Schicht eines photosensitiven Harzes zu belichten, welche unterhalb der Oberfläche des Harzes liegt;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer stereolithographischen Vorrichtung unter Verwendung eines wärmeempfindlichen Harzes gemäß der Erfindung;

Fig. 3a die Temperaturverteilung in einem Volumen eines wärmeempfindlichen Harzes während der Belichtung eines Merkmales in dem Harz;

Fig. 3b ein Graph, welcher die Polymerisationsgeschwindigkeit des Harzes als eine Funktion der Temperatur wiedergibt; und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer stereolithographischen Vorrichtung unter Verwendung mehrerer Lichtstrahlen, um einen Punkt innerhalb eines Volumens eines wärmeempfindlichen Harzes über die Schwellwerttem peratur für das Harz zu erwärmen.

Ausführliche Beschreibung

Bei der vorliegenden Erfindung wird ein thermisch aktiviertes bzw. thermisch aktivierbares Harz verwendet. Wärmeempfindliche Materialien sind durch Erwärmen auf eine Temperatur, welche eine Schwellwerttemperatur übersteigt, polymerisier bar. Bei Temperaturen unterhalb der Schwellwerttemperatur polymersieren die Materialien nicht, zumindest innerhalb des Zeitrahmens eines Vorgangs gemäß der Erfindung. Infolge dieser Eigenschaft arbeitet ein Thermomaterial bzw. ein thermisches Material vollständig außerhalb der Gesetze der Reziprozität und der linearen Superposition. Die Belichtung derartiger Materialien ist im wesentlichen nicht intergrierend.

Ein Beispiel eines nicht integrierenden Vorganges ist das Schmelzen. Ein Block aus Blei kann durch Erwärmen auf 500°C geschmolzen werden. Der gleiche Block kann nicht durch Erwärmen auf zweimal 250°C geschmolzen werden. Er kann für immer bei einer Temperatur von 250°C ohne jede Wirkung gehalten werden. Ein nicht integrierendes Verhalten ist typisch für sämtliche wärmeempfindliche Materialien.

Fig. 2 gibt einen Behälter 2 wieder, der mit einem wärmeempfindlichen, flüssigen Harz 1 gefüllt ist. Ein Strahlungsstrahl 3 wird durch die Linse 4 auf einen Fleck bzw. Punkt 5 fokussiert. Das Harz 1 absorbiert die Strahlung des Strahles 3 und wird dabei durch den Strahl erhitzt. Die Erwärmung ist am Fleck 5 am größten. Durch selektives Erwärmungen von Abschnitten des Harzes 1 werden die ausge wählten Abschnitte des Harzes 1 verfestigt, um einen festen Gegenstand einer gewünschten Form zu erzeugen. Nicht ausgewählte Abschnitte des Harzes bleiben flüssig. Nachdem der Gegenstand abgebildet worden ist, kann der Gegenstand aus dem flüssigen Harz entfernt werden.

Der Strahl 3 kann durch einen Laser oder eine andere geeignete Strahlungsquelle erzeugt werden. Der Strahl 3 liegt vorzugsweise in dem IR-Teil des Spektrums. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Strahl 3 ein Strahl aus einer Laserdiode, welche bei einer Wellenlänge im Bereich von 800 nm bis 1200 nm, üblicherweise 830 nm arbeitet. Mehrere Punkte 5 können gleichzeitig aus einem einzelnen Strahl 3 durch die Verwendung eines Mehrkanalmodulators oder von Lichtventilen erzeugt werden. Wenn die Lichtventile verwendet werden, können sie 1-dimensional oder 2-dimensional sein.

Ein 3D-Gegenstand 7 wird durch Führen des Flecks bzw. Punktes 5 in drei Dimensionen relativ zu dem Volumen des Polymers 1 erzeugt. Wie in Fig. 2 gekennzeichnet ist, kann der Brennfleck bzw. Brennpunkt 5 entlang einer Linie geführt werden, welche sich entlang eines Weges erstreckt, der nicht nur an der Oberfläche des Harzes vorhanden ist, sondern Abschnitte in verschiedenen Tiefen innerhalb des Harzes 1 besitzt. Am Brennpunkt 5 wird die Strahlung sehr intensiv, so daß sich das Harz 1 schnell erwärmt. Wenn das Harz am Punkt 5 über seine Schwellwerttemperatur erwärmt worden ist, polymerisiert es (Quervernetzungen) und wird fest. Harzvolumina 1 außerhalb des Volumens des Gegenstandes 7 werden nicht über ihre Schwellwerttemperaturen erwärmt und daher nicht verfestigt. Bei diesen Volumina wird das Harz nur leicht durch den Durchgang des Strahles 3 erwärmt und anschließend abgekühlt. Sogar wenn ein Bereich mehrfach überfahren wird, tritt kein akkumulierender Effekt auf.

Fig. 3a zeigt ein Beispiel einer möglichen Temperaturverteilung innerhalb eines Harzes, bei der ein Laser 3 auf einen Punkt 5 innerhalb des Volumens des Harzes fokussiert wird. Infolge der hohen Konzentration des Lichtes am Punkt 5 erwärmt sich nur der Punkt 5 ausreichend, um das Harz 1 zu polymerisieren. Um ein sehr lokalisierte Belichtung zu erzeugen, sollte der Winkel des Konus des Lichtes, der durch die Linse 3 gebildet wird, groß sein, vorzugsweise im Bereich von 30° bis 90°. Dies erhöht darüber hinaus die optische Auflösung des Systems.

Die Fig. 3b ist ein Graph, welcher die Polymerisationsgeschwindigkeit als eine Funktion der Temperatur für ein wärmeempfindliches Material wiedergibt. Im allgemeinen besitzen nur solche Materialien, welche eine physikalische Änderung, wie Schmelzen, beinhalten, ein scharfes Schwellwertverhalten, wie es durch die Linie 13 gekennzeichnet ist. Die meisten wärmeempfindlichen Harze folgen dem Arrhenius-Gesetz, welches sagt, daß die Reaktionsgeschwindigkeit durch eine Exponentialfunktion auf die Temperatur bezogen ist, wie es in der Kurve 10 gezeigt ist. Das Arrhenius-Gesetz sagt, daß die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion generell der Gleichung folgt:

wobei R die Reaktionsgeschwindigkeit, R_o die Geschwindigkeitskonstante, E_a die Aktivierungsenergie für die Reaktion, k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur in Kelvin ist. Wenn E_a ausreichend hoch ist, steigt der Graph 10 sehr steil an und ist ausreichend nahe an dem idealen Graphen 13, dem das Harz folgt, wenn es eine scharfe Schwellwerttemperatur hätte. Für die meisten wärmeemp findlichen Harze wird ein Fall in der Temperatur um 50°C die Geschwindigkeit der Polymerisationsreaktion um einen Faktor 30 und ein Fall um 100°C um einen Faktor von ca. 1000 absenken.

Um das Harz so empfindlich wie möglich zu machen, ist es im allgemeinen wünschenswert, die Schwellwerttemperatur so niedrig anzusetzen, wie es praktikabel ist (üblicherweise sollte die Schwellwerttemperatur immer oberhalb der Raumtemperatur liegen). Für die Harze des Arrheniustyps steht dies im Widerspruch mit dem Wunsch, daß die Rohmaterialien eine lange Lagerfähigkeit besitzen sollten.

Dieses Problem kann durch Einsatz eines 2-Komponentenharzes, wie einem Basisharz und einem Katalysator, und durch Mischen der beiden Komponenten unmittelbar vor dem Gebrauch gelöst werden. Das 2-Komponentenharz sollte langsam genug bei Temperaturen unterhalb der Schwellwerttemperatur aushärten, um dem Gegenstand 7 zu ermöglichen, abgebildet und aus den nicht ausgewählten Bereichen des Harzes 1 entfernt zu werden, bevor das Harz 1 in diesem nicht ausgewählten Bereich aushärtet.

Viele existierende 2-Komponentenkleber und Gießharze, wie Epoxid-, Polyurethan-, Polyester- und Silikonkautschukharze haben temperaturabhängige Reaktions geschwindigkeiten und können in dieser Erfindung als wärmeempfindliche Harze verwendet werden. Der GR EPOXY GLUE, der von Industrial Formulators of Vancouver, Kanada bezogen werden kann, kann als ein Harz verwendet werden. Dieses Harz besitzt eine geringe Viskosität in seinem nicht ausgehärteten Zustand, kann jedoch verfestigt werden, wenn seine Temperatur über einen Schwellwert angehoben wird. Bei bestimmten wärmeempfindlichen Harzen, die als Thermo- bzw. Wärmesäuregeneratoren bezeichnet werden, erzeugt oder setzt die Erwärmung eine Säure frei. Die Säure dient als ein Katalysator für die Polymerisa tion. Thermosäuregeneratoren sind ähnlich zu den bestehenden photosensitiven Harzen, welche Photosäuregeneratoren enthalten. Thermosäuregeneratoren können ebenfalls als Harze bei dieser Erfindung verwendet werden. Die Polymerisations reaktion ist exothermisch in vielen Harzen. Dies ist wünschenswert, da es die Empfindlichkeit erhöht.

Wo ein Katalysator verwendet wird, kann die Basisreaktionsgeschwindigkeit durch Veränderung des Betrages des verwendeten Katalysators eingestellt werden. Wenn nur eine geringe Menge des Katalysators verwendet wird, härten die unerwärmten Bereiche des Harzes nur langsam aus. Durch Hinzufügen eines Absorbierfarbstoffes und wahlweisen Erwärmen ausgewählter Volumina des Harzes mit einem fokussierten Energiestrahl, beispielsweise aus einem Laser, erfolgt die Härtung (Polymerisation) sehr schnell, jedoch nur an denjenigen Punkten, welche durch den fokussierten Strahl erhitzt worden sind.

Ein geeigneter Absorbierfarbstoff kann dem Harz 1 hinzugefügt werden, um eine gewünschte Absorption zu erzielen. Der Farbstoff ist vorzugsweise ein IR- bzw. Infrarot-Absorbierfarbstoff. Geeignete IR-Absorbierfarbstoffe sind von Zeneca Ltd., Vereinigtes Königreich und anderen Lieferanten verfügbar. Wenn es erwünscht ist, Merkmale zu belichten, die sich tief im Harz 1 befinden, sollte eine geringere Farbstoffkonzentration verwendet werden, so daß die Strahlung des Strahles 3 in die gewünschte Tiefe eindringen kann. Die Menge des Katalysators und der Farbstoffe indem Harz werden wie folgt ausgewählt:

A) Nach Mischen des Katalysators sollte das Harz so lange flüssig bleiben, bis das Abbilden bzw. Imaging beendet ist, so daß es möglich wird, den flüssigen Teil des Harzes auszugießen. Dies erfordert üblicherweise, daß 1% bis 25% der Menge des Katalysators verwendet wird, die für das normale Aushärten bei Raumtemperatur eingesetzt wird. Die exakte Menge des Katalysators wird entsprechend der längsten Abbildungszeit, die erforderlich ist, ausgewählt. Mehr Katalysator ermöglicht eine geringere Zeit für die Handhabung und die Abbildung, erhöht jedoch die Sensitivität des Harzes.
B) Die Menge des Farbstoffes wird entsprechend der Tiefe des flüssigen Polymers ausgewählt. Übliche Absorptionsmaße sollten zwischen A = 0,3 bis A = 3 für die Gesamtdicke betragen (d. h., die Gesamtübertragung liegt vorzugsweise zwischen 50% und 1%). Eine geringere Absorption ermöglicht eine gleichförmigere Polymerisation in verschiedenen Tiefen, bietet jedoch eine geringere Sensitivität.
C) Für die besten Ergebnisse sollte das Harz, der Katalysator und der Farbstoff unmittelbar vor dem Gebrauch gemischt werden.
D) Es ist bevorzugt, sehr dicke Gegenstände aus wenigen Abschnitten auf zubauen, welche getrennt voneinander hergestellt und anschließend zusammengefügt werden können. Die Abschnitte können zusammengefügt werden unter Verwendung des gleichen Harzes als einen Kleber. Dies ermöglicht eine höhere zu verwendende Farbstoffkonzentration für eine größere Sensitivität bzw. Empfindlichkeit. Die Abschnitte können deutlich dicker als die sehr dünnen Oberflächenschichten sein, die bei den bekannten stereolithographischen Systemen verwendet werden.

Um eine gleichförmigere Polymerisation zu erzielen, ist es wünschenswert, das Harz 1 mit Licht zu belichten, welches aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Richtungen einfällt. Fig. 4 gibt einen Behälter 2 wieder, welcher einen Boden 8 besitzt, der für die Strahlung eines Strahls 3' durchlässig ist. Ein Strahl 3 fällt von oben ein, während ein zweiter Strahl 3' von unten einfällt. Das optische System, welches zur Erzeugung der Strahlen 3 verwendet wird und welches zum Abgeben der Lichtstrahlen 3, 3' an die Linsen 4, 4' eingesetzt wird, ist nicht gezeigt, da derartige Systeme im Stand der Technik des Laserabtastens bzw. Laserscanning gut bekannt sind. Die Strahlen 3, 3' sind jeweils durch Linsen 4, 4' auf den gleichen Fokalbereich 5 fokussiert. Der Fokalbereich 5 wird in drei Dimensionen relativ zu dem Harz 1 überstrichen, um einen 3D-Gegenstand zu erzeugen. Die Linsen 4, 4' können in üblicher Weise auf einem gemeinsamen Rahmen 9 so angebracht sein, daß sie auf einen gemeinsamen Bereich 5 fokussiert bleiben.

Es ist zu bemerken, daß die Position, an der jeder Strahl fokussiert wird, durch die Tatsache beeinflußt wird, daß das Harz 1 üblicherweise einen Brechungsindex besitzt, welcher größer als der von Luft ist. Wenn der Strahl 3 durch ein Harz mit der Dicke d hindurchgeht, wird der Brennpunkt der Linse 4 verschoben werden um ca.:

wobei η der Brechungsindex des Harzes 1 ist. Der Brennpunkt der Linse 4' wird in ähnlicher Weise um einen Betrag verschoben, der gegeben ist durch:

wobei h die Tiefe des Harzes 1 ist. Die Summe dieser Verschiebungen ist unabhängig von d und ist durch die folgende Gleichung gegeben:

Daher werden beide Strahlen immer im Brennpunkt bleiben, solange der Abstand zwischen den Linsen 4, 4' eingestellt ist durch den Betrag:

Die Energiemenge, die den Punkt 5 erreicht, wird darüber hinaus durch die Absorption im Harz 1 beeinflußt. Wenn sich der Punkt 5 an der Oberseite oder dem Boden des Behälters 2 befindet, wird die Intensität der Strahlung, die den Punkt 5 erreicht, durch die folgende Gleichung gegeben sein:

wobei I die Intensität jedes der Strahlen 3, 3' und T eine Zahl in dem Bereich von 0 bis 1 ist, welche die Übertragung der vollen Dicke h des Harzes 1 wiedergibt (in diesem Beispiel weisen beide Strahlen die gleiche Energie auf). Die geringste Belichtung wird dann auftreten, wenn sich der Punkt 5 in der Mitte zwischen der oberen und der unteren Oberfläche des Harzes 1 befindet. Da die Transmission einer Schicht des Harzes, die eine Dicke von ½ T aufweist, √T ist, wird die Intensität an einem Punkt in der Mitte des Behälters 2 ungefähr gegeben sein durch:

Um eine gleichförmige Belichtung zu ermöglichen, würde es notwendig sein, daß T = 1 ist, so daß 1 + T = 2√T ist. Für T = 1 tritt keine Absorption der Strahlen 3, 3' und daher keine Erwärmung auf. Für geeignete Werte von T ist jedoch die Belichtung nahezu konstant, wenn zwei Strahlen verwendet werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Beispielsweise für T = 0,5 ist I + T = 1,5 und 2√T = 1,42, was nur ca. 5% weniger als 1,5 ist. Bei der Gestaltung der Fig. 2 wird sich im Gegensatz hierzu die Lichtintensität für T = 0,5 um 50% verändern.

Um eine bessere Gleichförmigkeit der Belichtung bereitzustellen, kann die Lichtintensität in den Strahlen 3, 3' automatisch eingestellt werden. Die dem Punkt 5 zugeführte Energie kann durch Berechnen der Gesamtabsorption jedes Strahles als eine Funktion der Tiefe des Punktes 5 und durch Steuern der Intensität des Strahls 3 oder des Strahls 3' oder beider Strahlen 3, 3' konstant gehalten werden, so daß die Intensität des Lichtes, welches den Punkt 5 erreicht, zuverlässig konstant bleibt, während der Punkt 5 über verschiedene Tiefen d in dem flüssigen Harz 1 geführt wird.

Obwohl die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt ist, ist sie insbesondere nützlich, wenn der zu erzeugende Gegenstand nahezu flach ist, da derartige Gegenstände in einem flacheren Körper des Harzes 1 hergestellt werden kann. Wenn d in angemessener Weise klein gehalten wird, ist der Vorgang gemäß der Erfindung effizienter, da höhere Absorption (pro Einheit Dicke) erreicht werden kann. Es können Druckplatten sowohl für den Buch- bzw. Hochdruck (steif) als auch den Flexodruck (flexibel) erzeugt werden. Obwohl der Hauptvorteil der Erfindung in dem wahren 3D Abtasten bzw. Überführen eines Volumens des Harzes besteht, hat die Verwendung eines Thermoresists sogar dann Vorteile, wenn das Überführen des Gegenstandes einer Schicht einmal stattfindet, da es den Gebrauch von billigen und leistungsfähigen Diodenlasern anstelle von teuren UV-Lasern ermöglicht, um die Strahlen 3, 3' zu erzeugen. Bei einem Wärmeprozess ist die Wellenlänge des Lasers nicht kritisch, da die Energie des Strahls in Wärme umgewandelt wird. Die Fähigkeit, billige Laser zu verwenden, plus die Freiheit von irgendwelchen Beeinträchtigungen, daß Streulicht oder Raumlicht eine un erwünschte Belichtung hervorrufen könnte, ist gegenüber der bekannten Stereolithographie sogar dann von Vorteil, wenn nur die obere Schicht des Harzes belichtet wird, wie es im Stand der Technik der Fall ist.

In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, dem Harz 1 zu ermöglichen, teilweise zu polymerisieren (so daß sich das Harz von einer Flüssigkeit zu einem weichen Gel ändert), bevor das Abtasten erfolgt. Dies ermöglicht beispielsweise, eine Flexodruckplatte durch Beschichten eines hinsichtlich der Dimensionen stabilen Substrats, wie einer Metallplatte oder einer Polyesterplatte, mit einem Gel eines teilweise polymerisierten Harzes, durch Formen des Substrats in einen Zylinder und anschließend durch weiter vollständiges Polymerisieren ausgewählter Bereiche innerhalb des Gels durch Erhitzen dieser ausgewählten Bereiche herzustellen, wie es vorstehend erläutert worden ist. Das Überstreichen eines Strahles einer Strahlung über das Volumen einer zylindrischen Hülse des Gels kann verhältnis mäßig einfach durch Drehen der Hülse um ihre Achse und durch Bewegen des Strahls axial entlang der Hülse bewirkt werden. Das in Gelform überführte Harz besitzt eine Konsistenz in der Gestalt, daß es nicht unter der Wirkung der Schwerkraft tropft, während das Überstreichen stattfindet. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Gels ist die erhöhte Sensitivität bzw. Empfindlichkeit, da ein Teil der Polymerisation bereits stattgefunden hat. Ein Nachteil in der Verwendung eines Gels gegenüber einem flüssigen Harz besteht darin, daß unbelichtetes Material nicht einfach abgegossen werden kann, sondern durch Waschen, Schrubben etc. entfernt werden muß.

Eine flache Flexodruckplatte kann aus ausgewählten Erwärmungsabschnitten eines flachen Bades geringer Tiefe aus flüssigem Harz erzeugt werden. Ein einzelner Strahl kann verwendet werden, um ausgewählte Volumina des flüssigen Harzes zu erhitzen oder eine Reihe von Strahlen können unterschiedliche Volumina innerhalb des flüssigen Harzes gleichzeitig erwärmen. Mehrere Strahlen können beispiels weise durch eine Reihe von Laserdioden oder durch Verwenden eines Lichtventiles erzeugt werden, um viele unabhängige, steuerbare Flecken bzw. Punkte aus dem Licht eines einzelnen Laserstrahles zu gewinnen.

In einigen Fällen ist ein Nachhärteschritt wünschenswert, um den Vorgang zu verbessern. Nachhärteschritte werden üblicherweise ausgeführt, nachdem unverfestigte Abschnitte des Harzes entfernt worden sind (oder wiederverwendet wurden). Das Nachhärten kann die nachfolgenden Schritte enthalten, ist jedoch hierauf nicht beschränkt: Backen (d. h. Erwärmen des 3D-Gegenstandes), UV- Belichten, Waschen, Oberflächenbehandeln, Färben usw. In bestimmten Fällen kann ein Vorhärteschritt, wie beispielsweise die Aktivierung des flüssigen Materials durch UV-Belichtung oder durch Erwärmen unterhalb des Schwellwertes eingesetzt werden.

"Härten" kann jeder Vorgang sein, der eine Verfestigung bewirkt. Das Härten wird üblicherweise durch Quervernetzung oder Polymerisation erzielt, jedoch sollte die Erfindung soweit interpretiert werden, daß jede Art der Verfestigung einer Flüssigkeit oder eines Gels enthalten ist, welche durch Erwärmen der Flüssigkeit oder des Gels initiiert wird.

In einigen Fällen, wo der Gegenstand sehr dünn ist und keine vertikale Auflösung erfordert, kann ein 3D Gegenstand durch eine 2D-Überstreichung unter Ver wendung der Abbildungstiefe des Scann- bzw. Überstreichungssystems erzeugt werden, um die dritte Dimension herzustellen. Dünne Flexodruckplatten können auf diese Weise gefertigt werden. Beispielsweise kann eine 1 mm dicke Platte mit 0,5 mm Vertiefung mit einer Auflösung von besser als 20 µm als Abbildungstiefe eines 830 nm-Laserstrahls erzeugt werden, wenn es mit einem 15 µm Fleck, der 0,5 mm überschreitet, fokussiert wird. Für eine genauere vertikale Profilierung kann ein kleinerer Fleck mit einer geringeren Abbildungstiefe verwendet werden und über das Harz in drei Dimensionen geführt werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines 3-dimensionalen Gegenstandes innerhalb eines Harzvolumens, wobei das Verfahren die Schritte enthält:

a) Bereitstellen eines Harzvolumens und Überstreichen von zumindest einem Teil des Volumens des Harzes mit einem Lichtstrahl, wobei das Licht einen Brennpunkt im Inneren des Volumens des Harzes aufweist,
b) schnelles Anheben der Temperatur eines Teils des Harzes an dem Brennpunkt, um den Teil des Harzes verfestigen zu lassen,
c) Aufbauen eines 3-dimensionalen Gegenstandes durch Wiederholen des Schrittes (b) mit dem Brennpunkt an verschiedenen Positionen innerhalb des Volumens des Harzes, und
d) Entfernen derjenigen Bestandteile von dem Gegenstandharz, welche nicht verfestigt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Lichtstrahl auf den Fokalpunkt mit einem Winkel im Bereich von 30° bis 90° konvergiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches weiterhin den Schritt enthält: Bereitstellen von zwei oder mehr Lichtstrahlen, wobei der Brennpunkt den beiden oder mehreren Lichtstrahlen gemeinsam ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, welches weiterhin die Schritte enthält: Führen eines der zwei oder mehr Lichtstrahlen in dem Harz von oberhalb des Harzes und Führen eines zweiten Lichtstrahls der zwei oder mehr Lichtstrahlen in dem Harz von unterhalb des Harzes.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches weiterhin die Schritte enthält: Bewegen des Brennpunktes in unterschiedlichen Tiefen innerhalb des Volumens des Harzes und Einstellen der Energie des Lichtstrahles in der Weise, daß eine Identität des Licht strahles an dem Brennpunkt im wesentlichen konstant bleibt, wenn sich die Tiefe des Brennpunktes ändert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Harz eine Flüssigkeit ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Harz ein Gel ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Harzes das Mischen zweier Bestandteile enthält, um das Harz zu erzeugen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin den Schritt enthält: gleichzeitiges Erwärmen mehrerer Punkte innerhalb des Volumens des Harzes durch Verwenden eines Lichtventils und zumindest einer Laserdiode.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Überstreichen durch eine Reihe von Laserdioden ausgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Wellenlänge des Lichtes im Bereich von 800 nm bis 1100 nm liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Gegenstand eine Flexodruckplatte ist, die eine Schicht des Harzes auf einem dimensionsstabilen Substrat enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Flexodruckplatte eine zylindrische Schicht eines ein Gel bildendes Harzes enthält, wobei das Verfahren den Schritt des Über streichens des Brennpunktes an verschiedenen Stellen auf der Flexodruck platte durch Drehen des Zylinders enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 1, welches den Schritt des Überstreichens des Brennpunktes über eine obere Fläche des Harzes enthält und den Schritt des Aufbauens des 3-dimensiona len Gegenstandes Schicht um Schicht durch Bereitstellen neuen flüssigen Harzes an der oberen Fläche nach jedem Überstreichen enthält.

15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches den Schritt des Nachhärtens des Gegenstandes enthält.

16. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Gegenstand eine dünne Flexodruckplatte ist und bei dem das Überstreichen als ein 2-dimensionales Überstreichen ausgeführt wird.

17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Harz einen lichtabsorbierenden Farbstoff enthält.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Farbstoff im Infrarotbereich absorbiert.

19. Verfahren zum Erzeugen eines 3-dimensionalen Gegenstandes in der hier im wesentlichen erläuterten Weise.