DE2029325B2

DE2029325B2 - Verfahren zum Herstellen von Modellen, Gießformen oder Kernen mit komplizierter Oberflächengeometrie oder -struktur hoher Konturenschärfe und geringer Rauhigkeit

Info

Publication number: DE2029325B2
Application number: DE19702029325
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Strauch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-06-13
Filing date: 1970-06-13
Publication date: 1979-07-26
Also published as: DE2029325C3; DE2029325A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Modellen, Gießformen oder Kernen mit komplizierter Oberflächengeometrie oder -struktur hoher Konturenschärfe und geringer Rauhigkeit.

In der Gießtechnik für Abdrücke mit komplizierter Oberflächengeometrie ist es oft sehr schwierig, diese Oberfläche in der Gußform auszubilden. Ist die Oberfläche so gestaltet, daß eine Maschinenbearbeitung unmöglich ist, so liegt die erreichte Oberflächenrauhigkeit selten unter 10 μ. Nur mit aufwendigen und langwierigen Arbeitsprozessen kann dann die Oberflächenrauhigkeit herabgesetzt werden. Ebenso bereitet die Übertragung einer Feinstruktur auf Werkstücke erhebliche Schwierigkeiten, wie sie z. B. bei Membranträgern in Wärmeaustauschern, Dialysatoren und Oxygeneratoren benötigt wird.

In der Gießtechnik zur Wiedergabe der Oberflächenstruktur von Körpern ist das sogenannte Nylonprint-Verfahren bekannt, in: Technicalpapers, Nylonprint R₁BAST 1968. Desweiteren ist es bekannt, mittels keramischer Formgebung eine relativ genaue Oberflächenstruktur wiederzugeben. Ein derartiges Verfahren ist z. B. beschrieben von R. E. Greenwood in: »Precision Casting of Die Casting Dies and Components in Ceramic Molds«, Crans. 5 th Nat, Die Casting Congress Detroit, Mich. November, 4—7, 1968. Diese Verfahren sind jedoch nicht dazu geeignet, komplizierte Oberflä-"> chengeometrien und -strukturen wiederzugeben, insbesondere ist es mit diesen Verfahren nicht möglich, eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit zu erzielen. Desweiteren muß beim Keramik-Prozeß die Schrumpfung des keramischen Materials beim Brennen berücksichtigt

ΙΊ werden, was zusätzliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Genauigkeit und der formgetreuen Wiedergabe aufwirft

Desweiteren ist es möglich, eine komplizierte Oberflächenstruktur mittels eines Galvanisierprozesses zu übertragen. Dieses Verfahren ist jedoch wegen der Kompliziertheit der Modellherstellung sehr aufwendig und zeitraubend.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu

.'ο schaffen, welches Formen und Körper komplizierter Oberflächengeometrie und -struktur wiederzugeben im Stande ist, wobei bei der Übertragung der Oberflächen eine Genauigkeit von etwa 1 μ, also eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 1 μ erreicht werden soll.

-'. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß auf ein Substrat aus photopolymerem Material eine die gewünschte Oberflächengeometrie als Lochmuster enthaltende strahlungsundurchlässige Schablone gelegt wird, das photopolymere Material

'" bestrahlt und die nicht bestrahlten Stellen chemisch entfernt werden und sodann die entstandene Oberflächengeometrie oder -struktur als Urmodell in bekannter Weise weiterverwendet wird.
Unter »Substrat« werden dabei Filme, Platten, Blöcke

ü oder beliebig geformte Körper verstanden. Der Begriff »Urmodell« bedeutet, daß der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren konturierte Strukturkörper nunmehr zum Herstellen von Gießformen, Modellen u. dgl. dient.

·«> In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können zur Übertragung der Oberflächengeometrie oder -struktur ein oder mehrere Abgüsse (Positiv und Negativ) des als Kern dienenden photopolymeren Materials mittels Formmassen, wie keramischen Abdruckmassen, herge-

•f> stellt werden.

In höchst vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können in das photopolymere Material leitende Stoffe oder biologisch aktive Stoffe eingearbeitet werden. Desweiteren kann die Oberflächengeometrie oder

■"><> -struktur des photopolymeren Materials galvanoplastisch, nach dem Elektro-Erosions-Verfahren oder mittels Funkenerosion auf ein Werkstück übertragen werden. Desweiteren kann das Lochmuster der selbst aus photopolymerem Material bestenenden Schablone

>") mittels einer punktförmigen, programmierten Strahlungsquelle erzeugt werden,

Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber herkömmlichen Wiedergabeverfahren hervorstechende Vorteile auf. Die Verwendung von photopolymerem

M) Material zur Wiedergabe von Oberflächengeometrien oder -strukturen gestattet eine genaueste Übertragung dieser Oberflächen. Nach dem Waschvorgang beträgt die Oberflächenrauhigkeit des photopolymeren Materials etwa 1 μ. Bei Übertragung dieser Oberflächen

b' mittels keramischen Abdruckmassen kann nun bei Verwendung von entsprechend feinem Korn eine Oberflächenrauhigkeit und damit eine Oberflächengenauigkeit des Abdrucks /on etwa 1 μ erreicht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in der Biologie bzw. in der Medizin höchst vorteilhaft eingesetzt werden. Denn erfindungsgemäß können dem photopolymeren Material beliebige Stoffe zugegeben werden, das Substrat kann also geimpft werden. Dadurch ist es möglich, eine Vielzahl von gewünschten, zusätzlichen Eigenschaften des photopolymeren Substrats zu erreichen, um das selbe, z. B. in biologischen Reaktionskammern als biologisch aktives Material einzusetzen. Dem photopolymeren Substrat kann Heparin oder Kohle oder Ionen-Austausch-Harze zugefügt werden, um so z. B. eine Antithrombogenetische Oberfläche des photopolymeren Substrats zu erzielen. Natürlich können auch weitere Trägersubstanzen oder Binde- und Härtemittel zugefügt werden.

Bei der direkten Bestrahlung des photopolymeren Substrats mittels einer punktförmigen, programmierten Strahlungsquelle entfällt in vorteilhafter Weise die Anwendung einer Schablone. Es lassen sich jo ebenfalls feinste und genaueste Muster im photopolymeren Material erzeugen, von denen Abdrücke für Membranträger in Dialysatoren oder Oxigeneratoren gemacht werden können.

In höchst vorteilhafter Weise kann die Tiefe der bestrahlten Stellen des photopolymeren Substrats durch Steuerung der Bestrahlungsstärke und der Bestrahlungsdauer gesteuert werden. Dadurch läßt sich in vorteilhafter Weise ebenfalls jede gewünschte Oberflächenstruktur reliefartig erzielen. Ebenso ist es möglich, in Hohlräumen oder Bohrungen von photopolymeren Substrat beliebig gelagerte Oberflächen herzustellen. Der Hohlraum oder die Bohrung kann dazu in vorteilhafter Weise mit einer die gewünschte Oberflächenstruktur als Lochmuster tragende gekrümmte Schablone ausgekleidet werden.

In höchst vorteilhafter Weise können dann von dem erfindungsgemäß behandelten Substrat Keramikformen und davon wiederum Metallabgüsse gemacht werden. Deshalb wird das gemäß dem Verfahren behandelte Substrat als Urmodell bezeichnet.

Desweiteren ist es in vorteilhafter Weise möglich, das erfindungsgemäß behandelte Substrat unmittelbar als Endprodukt zu verwenden. Es sind dann keine weiteren Formgebungs- oder Übertragungsverfahren mehr erforderlich.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand von in den Figuren dargestellten Beispielen näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Übertragen der Oberflächenstruktur mitteis keramischen oder plastischen Formgebungsverfahren,

F i g. 2 die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Übertragung einer beliebigen Oberflächenstruktur in einen Block aus photopolymerem Material,

F i g. 3 die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines biologisch aktiven photopolymeren Filmes,

F i g. 4 eine Zusammenfassung der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise anwendbaren Übertragungsmethoden der Oberflächenstruktur von photopolymerem Material auf ein Werkstück.

In Fig. 1 sind die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von keramischer Formgebung dargestellt.

Ein Original 1, z. B. eine Schablone, trägt die gewünschte Oberflächengeometrie- oder Struktur als

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gestanztes oder geprägtes Lochmuster. Das Original kann also für das nachfolgende Verfahren ein Negativ oder Positiv darstellen.

Die Schablone selbst muß für den nachfolgenden Bestrahlungsvorgang strahlungsundurchlässig sein. Das Lochmuster kann mittels programmierter Prägeautomaten hergestellt sein, wodurch sich feinste Oberflächenstrukturen erzielen lassen.

Es ist auch möglich, die Schablone selbst aus photopolymerem Material nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erzielen. Dann wird zuerst das Lochmuster mittels einer mechanisch geführten, punktförmigen oder programmierten Strahlungsquelle und anschließendem Waschen hergestellt Nach dem chemischen Waschprozeß der nicht auspolymerisierten, also der nicht bestrahlten Stellen, trägt die Schablone das Lochmuster als Negativ oder als Positiv.

Die Schablone 1 wird sodann auf einen photopolymeren Film 4 oder eine Platte gelegt und mittels einer UV-Strahiungsquelle 3 definiert bestrahlt.

Verwendet man eine programmierte, punktförmige Strahlungsquelle, deren gesteuerte Bestrahlungsdauer, Helligkeit und Art der gewünschten Oberflächengeometrie entspricht, kann die Verwendung einer Schablone gänzlich entfallen. Erwähnt sei nochmals, daß durch Steuerung der Helligkeit und der Bestrahlungsdauer jede gewünschte Relieftiefe erzielt werden kann.

Der bestrahlte photopolymere Film wird danach in ein chemisches Bad 5 gebracht und die nicht auspolymerisierten Schichten entfernt. Jetzt erscheint die gewünschte Oberflächenstruktur 6 positiv oder negativ je nach der Ausgangsposition. Der Film oder die Platte wird nun mit einer feinen Formgebungsmasse 7 bedeckt Diese kann z. B. eine keramische Masse oder eine kolloidale Gummimasse sein. Nach deren Aushärtung kann davon ein keramischer Abdruck und davon schließlich, wenn gewünscht, ein Metallabguß gemacht werden. Ebenso ist es möglich, bei vertauschter Ausgangsposition, positiv statt negativ, den Abdruck der Gummimasse wegzulassen. Man erhält so genaueste Keramikformen und deren Abdrücke 8,9,10.

In F i g. 2 ist die Herstellung und Übertragung einer beliebigen Oberflächenstruktur in einem beliebig geformten Körper wiedergegeben.

Ein Block 3 aus photopolymerem Material ist entsprechend dem später gewünschten Gußkern vorgeformt Die Oberfläche der Bohrungen 2 soll eine vorgegebene Oberflächenstruktur erhalten. Dazu wird in die Bohrung eine gekrümmte Schablone 1 eingelegt, die die Oberflächenstruktur in der gewünschten Weise entweder als Positiv oder Negativ enthält. Dabei kann die Schablone ebenso wie zu F i g. 2 beschrieben hergestellt werden. Nach Bestrahlen mittels der Strahlungsquelle S und Auswaschen der nicht belichteten Stellen kann der photopolymere Block als Gußkern verwendet werden. Es können nun ebenfalls keramische und metallische Abgüsse mit hoher Oberfläcbenwiedergabegenauigkeit gemacht werden.

In Fig.4 ist das erfindungsgetnäße Verfahren zur Herstellung von photopolymeren Platten mit z. B. einer antithrombogenetischen Oberfläche dargestellt, die z. B. in biologischen Reaktionskammern eingesetzt werden können.

Eiii photopolymeres Material wird zusammen mit einem Antikoagulans, z. B. Heparin 2 und Nylon-Mikrokapseln 3, die eingekapselte Kohle oder lonen-Austauschharze enthalten in eine Heizvorrichtung 4 zur Auslösung thermoplastischer Vorgänge gegeben. Die

einzelnen Stoffe können aber auch in einer kalten Mischkammer gemischt werden, wenn die Stoffe feinstufig geregelt erhitzt werden, was in einigen enzymatischen Mikrokapseln der Fall ist

Nach Verlassen der Heizvorrichtung 4 ist das photopolymere Material innig mit dem Heparin, der Kohle und den lonen-Austauschharzen vermischt und befindet sich in einem thermoplastischen Zustand. Es gelangt so in ein Walzwerk, welches aus zwei Preßwalzen 5 besteht und die thermoplastische Masse zu einem dünnen, endlosen Film preßt. Dieser Film ist also biologisch aktiv und besitzt z. B. eine antithrombogenetische, absorptionsfähige oder katalytische Oberfläche. Der Film wird dann über eine Reihe von Walzen geleitet, die die Emulsion abkühlen und festigen. Der gefestigte Film durchläuft nun eine Anordnung von zwei Walzen 7. Diese tragen auf ihrer Oberfläche die gewünschte Oberflächengeometrie- oder Struktur als Lochfolie. Im Innern der Walzen ist eine Strahlungsquelle 8 angeordnet. Der Film wird nun kontinuierlich unter Rotation der Walzen durch die Lochfolie bestrahlt und so eine fortlaufende Negativ-Aufnahme des Lochmusters hergestellt. Danach durchläuft der bestrahlte Film eine Waschkammer 9. In dieser Waschkammer wird nun das nicht bestrahlte photopolymere Material mittels einer chemischen Waschsubstanz weggewaschen. So entsteht fortlaufend auf dem Film als Positiv eine reliefartige Ausprägung der Oberfläche der Lochfolie. Anschließend wird der so belichtete und entwickelte Film durch eine Trocken- und Härtekammer tO geführt. Hier gewinnt der Film seine endgültige Festigkeit. Der Film wird nun mittels einer Schneidvorrichtung 12 in Platten 13 geschnitten. Die fertigen Platten können nun z. B. in einer biologischen Reaktionskammer Verwendung finden.

F i g. 4 zeigt eine Zusammenfassung der beispielsweise Übertragungsmethoden der Oberflächenstruktur von photopolymerem Material auf ein Werkstück.

1 bezeichnet jeweils das Original und 2 eine Zeichnung davon, a zeigt eine Variante des anhand von F i g. 1 erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach Belichten und Auswaschen des photopolymeren Materials wird dieses mit einer dünnen Wachsschicht 4 umgeben.

Über das Wachs wird eine keramische Masse gegossen und nach deren Härten das Wachs weggeschmolzen. In die so entstandene Keramikform kann Metall 5 gegossen werden. 6 bezeichnet den fertigen Abguß, b entspricht dem Verfahren gemäß Fig. 1. c zeigt eine weitere, hervorragend geeignete Übertragungsmethode von Oberflächenstrukturen auf ein Werkstück mittels Elektro-Erosion. Dabei wird eine photopolymere Platte 3 zuvor mit einer leitenden Graphitschicht 8 oder einem anderen leitenden Material bedeckt. Oder das photopolymere Material wird zuvor mit einem leitenden Stoff gänzlich vermischt um so die Kathode für ein galvanisches Verfahren zu erhalten.

Das Auflegen einer gemusterten Schablone, Belichten und Entfernen der nicht auspolymerisierten Stellen und damit auch der auf ihnen haftenden Graphitschicht, erfolgen wie zu den F i g. 1 und 2 beschrieben. Die so behandelte Platte wird zusammen mit einem Werkstück 9, der Anode, in ein galvanisches Bad getaucht. Aufgrund des Ladungsaustauschers zwischen dem Werkstück und den mit Graphit bedeckten Stellen der Platte bildet sich deren Oberflächengeometrie genauestens auf dem Werkstück ab.

d zeigt ein Elektro-Chemisches Übertragungsverfahren der gewünschten Oberflächenstruktur auf ein Werkstück. Es stellt die Umkehrung zu cdar. Hier ist ein leitender Stoff in das photopolymere Material zuvor eingearbeitet worden, welches die Anode darstellt. Das Werkstück 10 bildet hier die Kathode, e zeigt eine galvanoplastische Übertragungsmethode gemäß der Erfindung. 3 ist wiederum ein leitendes, photopolymeres Material, welches als Walze ausgebildet ist und die gewünschte Oberflächenstruktur trägt.

Diese wird nun in einem galvanischen Bad auf ein Werkstück 11 durch Ladungsaustausch übertragen. So können z. B. Walzenoberflächen mit Matrizen und dreidimensionalen Mustern z. B. für Druckvorgänge hergestellt werden, /deutet nochmals die erfindungsgemäße Verfahrensvariante gemäß der Beschreibung zu F i g. 3 an.

Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren ist hervorragend dazu geeignet, beliebig gestaltete Oberflächengeometrien- und Strukturen von beliebigen Körpern mit höchster Genauigkeit auf Werkstücke zu übertragen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Modellen, Gießformen oder Kernen mit komplizierter Oberflächengeometrie- oder struktur, hoher Konturenschärfe und geringer Rauhigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Substrat aus photopolymerem Material eine die gewünschte Oberflächengeometrie als Lochmuster enthaltende strahlungsundurchlässige Schablone gelegt wird, das photopolymere Material bestrahlt und die nicht bestrahlten Stellen chemisch entfernt werden und sodann die entstandene Oberflächengeometrie- oder struktur als Urmodell in bekannter Weise weiter verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Oberflächengeometrie- oder struktur ein oder mehrere Abgüsse (7, 8, 9) (Positiv und Negativ) des als Kern dienenden photopolymeren Materials mittels Formmassen, wie keramischen Abdruckmassen, hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das photopolymere Material leitende Stoffe oder biologisch aktive Stoffe eingearbeitet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächengeometrie oder -Struktur des photopolymeren Materials galvanopla stisch, nach dem Elektro-Erosions-Verfahren oder mittels Funkenerosion auf ein Werkstück übertragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lochmuster der selbst aus photopolymeren Material bestehenden Schablone mittels einer punktförmigen, programmierten Strahlungsquelle (3) erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Oberflächengeometrie oder -Struktur durch direkte Bestrahlung mittels einer punktförmigen, programmierten Strahlungsquelle (3) erzeugt wird.