DE19706846A1 - Vorrichtung zur lichtinitiierten chemischen Vernetzung von Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur licht­ initiierten chemischen Vernetzung von Material, das zur Bildung eines oder mehreren Formteile in eine optisch transparente Form eingeschlossen ist, mit mindestens einer Lichtquelle, durch welche das Material mit einem die Vernetzung auslösenden Licht beaufschlagbar ist.

Bei chemischer Vernetzung von Material wird die Molekül­ struktur des Materials verändert, indem Ketten von Molekülen verbunden werden. Das Material kann dabei makroskopische Veränderungen unterliegen, z. B. von einem Aggregatzustand in einen anderen übergehen, also beispiels­ weise von flüssigem Zustand in den festen Zustand. Die Vernetzung kann beispielsweise durch Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen (hier allg. als Licht bezeichnet) erfolgen. Zur Auslösung des Prozesses ist eine bestimmte Mindestenergie der Lichtquanten notwendig, so daß typischerweise Licht im ultravioletten (UV-) Wellenlängen­ bereich benutzt wird.

Wenn ein solches flüssiges Material in einem optisch transparenten Formwerkzeug eingeschlossen wird, kann also durch Belichtung ein chemischer Prozeß ausgelöst werden, welcher in dem Material eine Vernetzung bewirkt. Das Material wird dann fest und behält die Form des Formwerkzeugs bei. Das so geformte Material wird dann aus dem Formwerkzeug entfernt, wobei feste Formteile mit gewünschter Form erhalten werden.

Bei Verwendung einer Form, in welche mehrere Formteile hergestellt werden soll, ist es sinnvoll, wenn diese Formteile in der Form untereinander verbunden sind. Dann kann das flüssige, zu vernetzende Material an einer Stelle der Form eingegeben werden, wobei das Material sich dann verteilen und die gesamte Form ausfüllen kann. Probleme treten jedoch dann auf, wenn die einzelne Formteile nach dem Vernetzen voneinander getrennt werden sollen. Die Trennstellen müssen oft nachträglich bearbeitet, beispielsweise geschliffen werden. Das gleiche Problem tritt auch bei nur einem Formteil auf, da die Einfüllstelle des zu vernetzenden Materials oft Spuren an dem Formteil selbst hinterläßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Strahlengang bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß das die Vernetzung auslösende Licht zur Bildung der Kontur des Formteils bzw. der Formteile beiträgt.

Der Erfindung liegt speziell die Aufgabe zugrunde, den Strahlengang bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß die zur optischen Achse der Vorrichtung parallelen Flächen des Formteils bzw. der Formteile von dem Strahlengang des die Vernetzung auslösenden Lichtes bestimmt werden.

Der Erfindung liegt weiterhin speziell die Aufgabe zugrunde, den Strahlengang bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß die zur optischen Achse der Vorrichtung parallelen Flächen des Formteils bzw. der Formteile auch dann von dem Strahlengang des die Vernetzung auslösenden Lichtes bestimmt werden, wenn diese Flächen eine große Ausdehnung parallel zur optischen Achse der Vorrichtung besitzen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der zu vernetzende Bereich bzw. die zu vernetzende Bereiche in der Form wenigstens teilweise von strahlenbegrenzenden Elementen zwischen Lichtquelle und Form bestimmt wird. Dadurch kann der zu vernetzende Bereich bewußt gesteuert werden.

Ein solches strahlenbegrenzendes Element kann beispiels­ weise eine zwischen Lichtquelle und Form angeordnete Maske mit transparenten und nicht-transparenten Flächenteilen sein, wobei durch eine Abbildungsoptik die Maske auf das in der Form eingeschlossene Material abgebildet wird.

Durch die Maske wird ein bestimmtes gewünschtes Muster definiert. Dieses Muster legt dann die bezogen auf die optische Achse der Vorrichtung radiale Form des Formteils bzw. Formteile fest. Auch wenn die Form eine größere Abmessung in dieser radialen Richtung hat, wird das Material außerhalb dieses Musters nicht vernetzt und kann nach Herausnehmen des Formteils bzw. der Formteile aus der Form einfach von dem Formteil bzw. der Formteile abgespült werden.

Vorzugsweise sollte die Lichtquelle einen möglichst gleichförmigen Energiefluß durch das gewünschte Volumen des zu vernetzenden Materials liefern und die Gesamtenergie bzw. Intensität sollte so hoch sein, daß der chemische Prozeß innerhalb einer möglichst kurzen Zeit abgeschlossen wird, so daß eine gute wirtschaftliche Ausbeute innerhalb eines Fertigungsprozesses möglich ist.

Die Lichtquelle kann optisch annähernd punktförmig und zwischen Lichtquelle und Maske kann eine Kondensoroptik angeordnet sein. Dabei kann die Lichtquelle bzgl. der Kondensoroptik so angeordnet sein, daß eine weitgehend homogene Ausleuchtung der Maske erhalten wird. Diese Maßnahme ist bekannt und hier nicht näher ausgeführt.

Die Vorrichtung kann so gestaltet sein, daß die Abbildung der Maske auf das Material in einem telezentrischen Strahlengang erfolgt. Dabei kann der telezentrische Strahlengang entweder objektseitig oder bildseitig sein. Ein objektseitiger telezentrischer Strahlengang ist dadurch definiert, daß die Eintrittspupille des optischen Systems im Unendlichen liegt, d. h. die Austrittspupille fällt mit dem Bildbrennpunkt zusammen. Ein bildseitiger tele­ zentrischer Strahlengang ist dadurch definiert, daß die Austrittspupille des optischen Systems im Unendlichen liegt, d. h. die Eintrittspupille fällt mit dem Objektbrenn­ punkt zusammen. Wenn der telezentrische Strahlengang bildseitig ist, hängt die Bildgröße nicht von der Lage des Bildes ab. Bei der vorliegende Erfindung ist dies von großem Vorteil, da die zu bildenden Formteile eine gewisse Ausdehnung in Richtung der optischen Achse des Systems haben. Seitenflächen der Formteile, welche sich parallel zu der optischen Achse erstrecken, erfahren dadurch keine Krümmung bei der Vernetzung. Unschärfeeffekte durch variierten Abstand und Materialdicke werden minimiert.

Die Lichtquelle kann eine gepulste UV-Lichtquelle (Blitzlampe) sein. Die sonst typischerweise als Lichtquelle verwendeten, räumlich ausgedehnten cw-Hochleistungs­ bogenlampen (cw = "continuous wave") haben eine elektrische Leistung im Bereich von einigen kW und sind teuer, haben hohen Verschleiß, benötigen eine aufwendige elektrische Steuerung und haben geringe UV-Ausbeute. Eine gepulste Lichtquelle weist bei deutlich geringerer mittlerer elektrischer Leistung einen sehr hohen UV-Anteil auf. Dies rührt daher, daß der UV-Anteil eine Funktion der Plasmatemperatur des Bogens ist und die elektrische Gesamtleistung durch das Lampenmaterial begrenzt wird (thermische Grenzlast im Mittelwert). Bei gepulsten Lampen ist das leuchtende Plasma wesentlich heißer, d. h. innerhalb des einzelnen Lichtpulses liegen deutlich höhere Leistungen vor. Begrenzend für die Leistung im Einzelpuls ist hier nur die thermische Schockfestigkeit der Lampe. Die mittlere elektrische Leistung ist dagegen niedrig (beispielsweise einige Watt). Solche Lampen erfordern geringeren Aufwand für Ansteuerung und Schutzvorrichtungen. Diese Lampen sind zudem billiger. Typischerweise erzielen gepulste Lampen einen 200 bis 300-fachen UV-Anteil verglichen mit cw- betriebenen Lampen.

Ein weiterer Vorteil der gepulsten Lampen liegt darin, daß sie, bedingt durch die geringere elektrische Leistung, ein kleineres Bauvolumen aufweisen. Sie können dadurch leicht in einem optischen System integriert werden und zusammen mit dem optischen System räumlich eng in Gruppen angeordnet werden.

Der Pulsbetrieb erlaubt weiterhin eine exakte Dimensionerung der Bestrahlungsdosis in Vielfachen der Einzelpulse durch einfaches Abzählen der Pulse pro Projektor.

Von der Lichtquelle aus gesehen kann hinter der Form ein Umkehrreflektor angeordnet sein. Die Integration eines Umkehrreflektors in den Strahlengang nach Durchstrahlen des Wirkvolumens bewirkt den nochmaligen, abbildenden Durchgang des Lichtes durch das gewünschte Volumen. Da typischerweise nur ein geringer Anteil beim Einfachdurchgang absorbiert wird (d. h. die gewünschte chemische Reaktion auslöst), verdoppelt sich nahezu der Wirkungsgrad der Gesamt­ anordnung. Zudem erhöht die Rückwärtsabbildung in die Projektorlampe massiv die Plasmatemperatur der Entladung, was zu einer gewünschten Verstärkung des UV-Anteils im Emmisionsspektrum führt.

Zur Auswahl eines geeigneten Energiebereichs können sowohl optische Filter in die Maske integriert werden, als auch Kollimator, Projektionsoptik oder Formwerkzeug entsprechend selektiv trasparent ausgebildet sein.

Durch die vorliegende Erfindung wird also u. a. erreicht, daß die Belichtung homogen über größere Flächen ist und zudem in festen Teilgebieten der Gesamtfläche individuell veränderbar ist. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn im Mehrfachnutzen (d. h. denn mehrere Formteile neben­ einander in einer Form liegen) gearbeitet wird und kleine Formteile hergestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung und zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenen Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung und zeigt eine Anordnung der optischen Elemente zum Erzeugen eines bildseitigen telezentrischen Strahlengangs.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

In der Fig. 1 ist mit 10 ein Projektor bezeichnet. Der Projektor enthält eine Lichtquelle in Form einer Blitzlampe 12. Die Blitzlampe 12 ist über Leitungen 14 an einer elektrischen Steuerung 16 mit Pulszähler angeschlossen. In dem Projektor 10 ist im Strahlengang der Blitzlampe 12 nacheinander eine Kollimatoroptik 18, eine Maske 20 in Form eines Dias, eine Blende 22 und eine Projektionsoptik 24 angeordnet. Die Blende 22 ist in der Objektbrennebene der Projektionsoptik 24 angeordnet.

Der Projektor 10 ist so angeordnet, daß er ein Formwerkzeug 26 belichtet. In dem Formwerkzeug ist das zu belichtende und vernetzende Material 28 eingeschlossen.

Von dem Projektor 10 aus gesehen hinter dem Formwerkzeug 26 ist ein Umkehrreflektor 30 (Retroreflektor) angeordnet.

Die optische Achse der Vorrichtung ist mit 32 bezeichnet. Bei Verwendung von mehreren Projektoren wird jedem Projektor eine solche optische Achse 32 zugeordnet. Die Bezugnahme auf die optische Achse 32 gilt dann entsprechend für jeden einzelnen Projektor.

Die Blende 22 ist in dem Projektor 10 so angeordnet, daß sie die Eintrittspupille definiert. Die Blende 22 bildet die Aperturblende für die Projektionsoptik. Dadurch wird ein bildseitiger telezentrischer Strahlengang erzeugt. Dies hat zu Folge, daß auch dickeres Material 28, d. h. Material mit einer großen Ausdehnung parallel zur optischen Achse 32, ohne Verzerrung in der Tiefe gut belichtet werden kann. Weiterhin läßt dies einen größeren Spielraum bzgl. des Abstands zwischen Projektor 10 und Formwerkzeug 26 zu, ohne negative Auswirkung auf das Ergebnis der Vernetzung.

Durch die Steuerung 16 mit Pulszähler ist es auf einfacher Weise möglich, den Energiefluß durch das zu vernetzende Material 28 zu steuern.

Der besseren Übersicht halber ist in der Fig. 1 nur ein einziger Projektor 10 dargestellt. Es sei jedoch ausdrücklich erwähnt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung eines einzigen Projektors 10 beschränkt ist. Vielmehr wird es sinnvoll sein, mehrere Projektoren einzusetzen. Wenn beispielsweise eine Anordnung von 4×5 Formteile in einem transparenten Formwerkzeug scharfrandig belichtet werden sollen, können beispielsweise 20 identisch aufgebaute Projektoren mit gepulsten Lichtquellen und ca. 10 W mittlere elektrische Leistung eingesetzt werden. Die zu erzeugende Formteile können identisch sein und beispielsweise einen Durchmesser radial zu der optischen Achse von je 15 mm haben. Die Vorrichtung kann so betrieben werden, daß die Intensität im Mittel 10 mW/cm² über einen Zeitraum von einigen Sekunden erreicht. Als Masken 20 können Metallmasken dienen, welche in das Formwerkzeug abgebildet werden. Eine Abschätzung der Belichtungsintensität ergibt folgende Werte:

Die gesamte notwendige elektrische Leistung in diesem Beispiel beträgt maximal 200 W aus 20 einzelnen Lampen mit je 10 W. Zum Erfüllen dieser Anforderungen mit bekannter Schattenwurf-Technik und cw-Lampen, müssen Lampen mit einer elektrischen Leistung von <2,5 kW eingesetzt werden.

Anhand von Fig. 2 soll nun der bildseitige telezentrische Strahlengang erläutert werden. Entsprechende Teile sind in Fig. 2 mit den gleichen Bezugzeichen wie in Fig. 1 versehen.

Auf der optischen Achse 32 sind nacheinander die Lichtquelle 12, die Kollimatoroptik 18, die Maske 20 die Aperturblende 22 und die Projektionsoptik 24 angeordnet. Die Aperturblende 22 ist in der Objektbrennebene der Projektionsoptik 24 angeordnet. Dadurch entsteht ein bildseitiger telezentrischer Strahlengang. Zwei Strahlen sind mit 36 bzw. 38 bezeichnet. Die Projektionsoptik 24 bildet die Maske 20 in einer Bildebene 40 ab. In dieser Bildebene 40 erhält man ein scharfes Bild der Maske 20. Aufgrund des telezentrischen Strahlengangs erhält man auch vor und hinter dieser Bildebene 40 ein Bild der Maske 20, welches zwar nicht scharf ist, dessen Größe sich jedoch nicht oder nur unwesentlich von der Größe des Bildes in der Bildebene 40 unterscheidet.

Die Kollimatoroptik 18 bildet die Lichtquelle 12 in der Ebene der Aperturblende 22 ab. Dies ist durch einen kleinen Kreis 34 angedeutet. Man erhält so einen sog. verketteten oder verflochtenen Strahlengang. Dies bewirkt eine gute Ausleuchtung der Maske 20.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur lichtinitiierten chemischen Vernetzung von Material (28), das zur Bildung eines oder mehrerer Formteile in einer optisch transparenten Form (26) eingeschlossen ist, mit mindestens einer Lichtquelle (12), durch welche das Material (28) mit einem die Vernetzung auslösenden Licht beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zu vernetzende Bereich in der Form (26) wenigstens teilweise von strahlenbegrenzenden Elementen (20; 22) zwischen Lichtquelle (12) und Form (26) bestimmt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) zwischen Lichtquelle (12) und Form (26) eine Maske (20) mit transparenten und nicht-transparenten Flächenteilen angeordnet ist und
• (b) durch eine Abbildungsoptik (24) die Maske (20) auf das in der Form (26) eingeschlossene Material (28) abgebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) die Lichtquelle (12) optisch annähernd punktförmig ist und
• (b) zwischen Lichtquelle (12) und Maske (20) eine Kondensoroptik (18) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung der Maske (20) auf das Material (28) in einem telezentrischen Strahlengang erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) eine gepulste UV-Lichtquelle ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der Lichtquelle (12) aus gesehen hinter der Form (26) ein Umkehrreflektor (30) angeordnet ist.