WO2017102700A1 - Verfahren und anordnungen zur verringerung der grenzflächenadhäsion bei der photopolymerisation - Google Patents

Verfahren und anordnungen zur verringerung der grenzflächenadhäsion bei der photopolymerisation Download PDF

Info

Publication number
WO2017102700A1
WO2017102700A1 PCT/EP2016/080751 EP2016080751W WO2017102700A1 WO 2017102700 A1 WO2017102700 A1 WO 2017102700A1 EP 2016080751 W EP2016080751 W EP 2016080751W WO 2017102700 A1 WO2017102700 A1 WO 2017102700A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical radiation
photopolymerizable material
irradiation
interface
radiation
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/080751
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sascha Engelhardt
Holger LEONARDS
Arnold Gillner
Andreas Hoffmann
Georg KÖNIG
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Publication of WO2017102700A1 publication Critical patent/WO2017102700A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/188—Processes of additive manufacturing involving additional operations performed on the added layers, e.g. smoothing, grinding or thickness control
    • B29C64/194—Processes of additive manufacturing involving additional operations performed on the added layers, e.g. smoothing, grinding or thickness control during lay-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to a method and to various arrangements for reducing the interfacial adhesion in the photopolymerization, in which a photopolymerizable material is irradiated with optical radiation in order to at least partially cure the photopolymerizable material by the irradiation.
  • Such a method is, for example, in the generative manufacturing application, in the hitherto the photopolymerizable material by optical
  • Radiation is cured in layers to produce the three-dimensional component.
  • CAD computer-aided design
  • the hither ⁇ alternate structural component is then divided into layers and digital (computer-aided manufacturing) then constructed layer in the CAM layer.
  • the individual layers of the component are characterized by local, photo-induced curing of the photopolymerizable material by a chemical
  • SLA stereolithography
  • SLM spatial light modulators
  • the irradiation is carried out by a transparent
  • the lateral resolution in SLA is determined by the laser focus and in SLM by the resolution of the micromirror array used and the image distance.
  • the absorption in the photoresin at the wavelength used for the irradiation mainly determines the vertical resolution (z-axis). This results in the hardening depth depending on
  • Beer's Law described intensity drop up to a threshold intensity.
  • the curing ⁇ deep at the interface technology is adjusted so that it is minimally larger than the layer distance between the component and the base plate.
  • Construction Material solidified at the bottom plate, since there the light intensity is greatest. This at the
  • Base plate adhering material prevents a continuous buildup process and caused by the necessary detachment a large part of the process times. Furthermore, this can also be done only a structure in discrete layers.
  • Base plate it is known to coat the bottom plate suitable or with a release film between
  • the process of photopolymerization usually begins with the absorption of a photon by a so-called photoinitiator.
  • the excited photoinitiator is then able to initiate crosslinking of the monomer by various reaction paths.
  • the object of the present invention is to provide a method for reducing the interfacial adhesion in the photopolymerization, which can be controlled well, does not introduce oxygen or other inhibiting substances into the polymerization and in particular allows a continuous build-up process in additive manufacturing processes.
  • the term photopolymerization means any photo- or radiation-induced transition of a liquid substance to a solid substance. This can be done by a
  • a photopolymerizable material is a material that can be hardened accordingly by the action of radiation.
  • a photopolymerizable material in particular a photo-resin
  • first optical radiation of a first central wavelength
  • first optical radiation of a first central wavelength
  • Irradiation of the photopolymerizable material takes place. If the radiation does not pass through the object, it does not have to be optically transparent. Depending on the application and the technique used, the irradiation for curing can be made site-selective or even over the entire area. Under a full-surface irradiation is to be understood that the entire or at least the largest part of the interface of the photopolymerizable material to the object
  • the interface is irradiated only locally at any time, for example via a guided laser beam or via the projection of an exposure pattern with the aid of a micromirror array.
  • the adhesion of the photopolymerizable material is decreased or on the object thereby completely prevented that a thin layer of the photopoly ⁇ merisierbaren material at the interface between the object and the photopolymerizable material, in which the irradiation is carried out simultaneously or during the curing is alternately irradiated for irradiation with the first optical radiation with second optical radiation of a different second central wavelength.
  • the photopolymerizable material, the second central shaft length and the intensity of the second optical radiation are thereby selected in a coordinated manner, that the excited by the first optical radiation photopolymerizable material in which the photopolymerization is completely prevented or at least partly is brought in adjacent to the boundary surface ⁇ thin layer with the second optical radiation in a state.
  • both the first optical radiation and the second optical radiation in each case amplitude modulated, for example.
  • pulsed radiation are used, then in each case a pulse of the second optical radiation offset in time to a pulse of the first optical radiation is directed onto the interface or through the interface into the photopolymerizable material.
  • the pulses can not overlap in time or even partially.
  • the irradiation with the second optical radiation is preferably carried out over the entire area or in a surface which encloses at least the area of the first irradiation.
  • location-selective irradiation with the first optical radiation however, a correspondingly location-selective irradiation with the second optical radiation is also possible.
  • the proposed method makes the photoinduced crosslinking at the interface with the
  • the proposed method can intervene directly after or during the absorption of the first optical radiation by the photopolymerizable material in the process, but also engage in later steps of the polymerization analogous to the prior art.
  • the basic idea of the proposed method is to use a second light source with a different wavelength, which reverses the excitation of the light used for curing. For example, when curing with UV light, visible light may be used as the second optical radiation
  • the energy introduced by the first optical radiation stands for one
  • Photopolymerization is, for example, already known from J. Fischer et al. , "Three-dimensional direct laser writing inspired by stimulated-emission-depletion microscopy", Optical Materials Express Vol., No. 4, 2011, pages 615-624, to thereby provide resolution in two-photon-induced crosslinking To use this technique to reduce interfacial adhesion or to achieve a
  • the technique of inhibiting photopolymerization used in the proposed method can be used, for example, with a photopolymerizable material containing a photoinitiator for the initiation of the polymerization chain reaction.
  • the photoinitiator is excited by the first optical radiation, for example, from a level S o into the level S i. After a change in the spin states, the excited photoinitiator can change to a triplet state ⁇ by a so-called intersystem crossing (ISC). From this state, initiation of the polymerization chain reaction is possible.
  • ISC intersystem crossing
  • the transition from S i to ⁇ be prevented by the photo-initiator is forced by the optical radiation of the second central wavelength, for example, to a stimulated emission and loses its energy by the release of a photon.
  • the polymerization can thus be inhibited by irradiation of the excited photoinitiator with the second central wavelength ⁇ .
  • the proposed method therefore preferably uses a photopolymerizable material with a suitable photoinitiator, which is excited by the first optical radiation, the photoinitiator excited by the first optical radiation then being brought into a state with the second optical radiation, in which he does not initiate photopolymerization. This can be done, for example, according to the mechanism described above. Depending on the photoinitiator used, however, other mechanisms are possible.
  • optical inhibition of the photopolymerization can also be carried out according to the proposed method.
  • the one used for optical inhibition can also be carried out according to the proposed method.
  • the one used for optical inhibition can also be carried out according to the proposed method.
  • the photo-polymerizable material ⁇ also contain a compound or a combination of compounds which are excited by the second optical radiation in a
  • Interfacial adhesion must initiate photopolymerization the interface can be reduced or prevented only in a thin layer having a smaller thickness than that with the first optical
  • the intensity of the second optical radiation is therefore chosen so that the at the interface
  • adjacent thin layer of the photopolymerizable material in which the photopolymerization is to be significantly reduced or prevented having a layer thickness of less than 20 ⁇ .
  • the proposed method uses the physika ⁇ metallic principle of optically initiated inhibition, to produce a thin zone or layer at the interface to the object, for example.
  • Photopolymerization takes place. This allows a continuous building process without layered structure to be implemented in generative manufacturing processes. This allows both a significant reduction of
  • Movement of a platform or otherwise configured carrier form for the components to be manufactured in other spatial directions, e.g. laterally, as there is no or only reduced adhesion to the ground.
  • the penetration depth of the second optical radiation into the photopolymerizable material which relates to the boundary surface, must be suitably adjusted in order to inhibit cross-linking only in the thin layer, but at a greater distance of, for example, about 10 to 100 ⁇ m from the interface, crosslinking to enable.
  • the penetration depth can, for example, on the Intensity of the second optical radiation to be controlled.
  • Irradiation with the second optical radiation is to use a bottom plate or building platform
  • the first optical radiation should be as transparent as possible.
  • an absorber can be used as an additive in the photopolymerizable material, which absorbs the second optical radiation stronger than the first optical radiation.
  • Base plate or building platform designed so that they are comparable to the second optical radiation
  • Penetration depth can also be controlled by the angle of incidence in the waveguiding structure and thus by the reflection angle at the interface.
  • the evanescent wave leads directly to the interface to an interaction with the excited photopolymerizable material and thus to the photochemical inhibition. It is then no further additive to
  • the evanescent wave should be generated as homogeneously as possible. Interference effects that could counteract homogenisation, can be minimized, for example, by the use of short-coherent light as the second optical radiation.
  • Construction platform prevents, allowing the object through
  • Movement of the construction platform in the z-direction and possibly also in other spatial directions is built from the bottom plate. In this way, the object is not moved and remains during construction on the
  • the material is constantly refilled in this design.
  • the construction platform may, for example, have a prismatic cross-section in order to enable the lateral coupling of the second optical radiation and the irradiation of the thin layer with the aid of an evanescent wave.
  • the construction platform can also be designed so that it can move freely in the photopolymerizable material.
  • existing polymeric or metallic objects with a polymer structure can be
  • the first and the second optical radiation can also be directed by a light-conducting device whose exit surface (similar to an endoscope) is free to move in the photopolymerizable material.
  • the exposure also does not take place through the bottom plate but through a kind of movable, optical printing or exposure head, from the top of the photopolymerizable material dips, but on a fixed or
  • Movement of the build platform or the print head is built in all directions from the bottom plate.
  • a new form of generative manufacturing can be realized in which the user can directly write a structure without the need to go through a CAD / CAM process.
  • This embodiment also allows decoration of other components with polymeric structures.
  • the method can not only be used for the construction of 3D objects, but also allows, for example, the UV embossing of a surface with photocurable polymers.
  • the photopolymerizable material is irradiated through the embossing plate with the first optical radiation and at the same time prevents adhesion to the embossing plate by the second optical radiation.
  • the coupling of the second optical radiation can be carried out using the same techniques as explained above using the example of additive manufacturing. In this case, the adhesion to the embossing tool is reduced or prevented, so that an improved embossing is made possible.
  • the method can be used particularly advantageously for the generative production of plastic components as a prototype, small batch product, lost form or for other plastic parts.
  • the method can be used in all applications in which a photo-polymerisable material is irradiated through an at least partially optically transparent object which is in contact with the photopolymerizable material for hardening.
  • Preferred arrangements for generative production designed for carrying out the method have a building container for polymerisable ones
  • the assemblies are equipped with at least a first radiation ⁇ source, the first optical radiation of a first
  • Either the bottom plate or the construction platform are at least partially optically transparent, in order to allow irradiation of a photopolymerizable material filled in the construction container through the bottom plate or through the construction platform.
  • An optical arrangement allows the irradiation of a filled container in the structure ⁇ photo polymerizable material through the bottom plate or build platform through the first optical radiation and a thin layer of photopolymerizable material at an interface between the
  • Fig. 1 is a schematic representation of exemplary
  • Fig. 2 shows a first example of an arrangement for
  • Fig. 3 shows a second example of an arrangement for
  • Fig. 4 shows a third example of an arrangement for
  • Fig. 5 shows a fourth example of an arrangement for
  • Fig. 6 shows a fifth example of an arrangement for
  • Fig. 7 shows a sixth example of an arrangement for
  • Fig. 8 shows a seventh example of an arrangement for
  • photopolymerizable material for curing irradiated with first optical radiation of a first central wavelength, while simultaneously or alternately to the irradiation with the first optical radiation, a thin layer at the interface between the polymerizable material and the object through which
  • the photopoly ⁇ polymerization is at least partially inhibited by the thin in this layer.
  • the photopolymerizable material, the second central wavelength and the intensity of the second optical radiation must be selected adapted to each other. This can be done by choosing a suitable photoinitiator in the photopolymerizable material.
  • suitable photoinitiator is DETC (7-diethylamino-3-thenoylcoumarin), for example, for acrylic photo-resins (acrylate, methacrylate constituents)
  • the photoinitiator is excited by the first optical radiation from the ground state So in the excited energetic state S i.
  • the wavelength required for activation first
  • the second central wavelength must therefore be in the range between
  • the photoinitiator by means of UV light of a wavelength of, for example. 380 nm in an excited
  • Materials with the second optical radiation must be such that the photopolymerization is inhibited only in a thin layer to the interface with the object.
  • the first and second central wavelengths have to be suitably selected, since they determine the interaction with the photopolymerizable material or the photoinitiator through the predetermined energy gaps and the optical energy
  • crosslinking and inhibiting radiation are adapted in the above sense, in order to achieve the inhibition only in a thin layer at the interface.
  • inhibiting pulse affect the desired Have inhibition. Shorter pulses cause a higher intensity to be available for inhibition. However, when pulsed radiation is used, the time interval between the pulses and the respective lifetimes of the excited states must be determined
  • FIG. 2 shows a first example of a
  • Receptacle irradiated first optical radiation, with a layer between the building platform 1 and the component 2 and the bottom plate 5 exposed and
  • the construction platform 1 is first lowered for this purpose to the thickness of this layer to the bottom plate 5.
  • the cross-linking light beam 6 of the first optical radiation is generated via a suitable beam source 7 and guided over the layer to be crosslinked in accordance with the desired three-dimensional structure in order to cure it in a location-selective manner.
  • a thin layer at the interface with the bottom plate 5, hereinafter also referred to as inhibition zone 4 is illuminated at the same time with an inhibiting light beam 9 of the second optical radiation originating from a second beam source 8.
  • this inhibiting light beam 9 is chosen so that is influenced by this only a thin layer, thinner than the curing with the cross-linking light beam layer 6, with respect to the polymerization.
  • the inhibiting light beam 9 the polymerization is prevented in this thin layer or inhibition zone 4, so that the then hardened by the cross-linking light beam layer 6 does not adhere to the bottom plate 5 but only on the build platform 1 or the component 2.
  • the manufacturing process can thus be carried out in such a way that the construction platform 1 is continuously moved away from the base plate 5 in the z direction, while the 3D structure 2 is hardened in accordance with the desired geometry with the crosslinking light beam 6. This allows a continuous supply Ferti ⁇ process without the previously resulting layer ⁇ wise construction.
  • the inhibiting light radiation 9 can also be coupled in another way for the exposure of only a very thin layer at the interface to the bottom plate 5. This is shown with reference to FIG.
  • a bottom plate 5, 17 is used, e.g. a prismatic shape in cross-section
  • the inhibiting light beam 9 can be coupled so that it is guided in the bottom plate 5, 17 by total reflection along the interface.
  • ⁇ aresin (n2 / nl), where the refractive index nl of the bottom plate must be greater than the refractive index n2 of the photopolymerizable material.
  • n2 refractive index
  • Base plate 5, 17 should therefore be selected in this embodiment with the highest possible refractive index.
  • an evanescent wave 10 is formed at the interface to the photopolymerizable material whose penetration depth into the photopolymerizable
  • This embodiment has the advantage that the penetration depth of the radiation inhibit ⁇ 9 remains in the photo-polymerizable material 3 in each case very low, and does not have the intensity or additional absorber in the photopoly ⁇ merisierbaren material must be adjusted.
  • the proposed method also allows a generative manufacturing process in which the component does not adhere to the build platform, but to the bottom plate 5.
  • Such a technique is exemplified in FIG. In this case, the irradiation with the first and second optical
  • Example in the same manner as in Figure 2 coaxial with the cross-linking light beam 6, this time, however, through the building platform 16 therethrough, is irradiated to the bottom of the build platform 16 to achieve the inhibition of photopolymerization in a thin layer 4.
  • the structure of the component 2 is in turn carried out by continuous displacement of the
  • this region is irradiated simultaneously in the present example by means of a laterally irradiated one
  • lateral exposure can be in the form of a fanned laser beam ⁇ (Sheet radiation) take place.
  • ⁇ Sheet radiation
  • Figure 5 shows schematically a section of an arrangement in which the inhibiting light radiation 9 in the form of sheet radiation laterally, parallel to
  • Interface is irradiated to the bottom plate 5.
  • the structure of the component 2 takes place here in the same
  • the bottom plate 5 has a light-diffusing or light-deflecting structure or layer 14, for example a light-coupling film or
  • Base plate 5 coupled inhibiting radiation 9 across the interface in the photopolymerizable
  • Component 2 is again in the same manner, as already explained in connection with Figure 2.
  • Figure 7 shows schematically a section of an arrangement in which the inhibiting radiation is generated in the bottom plate 5 itself.
  • the base plate has at least one integrated light source, in the present example a partial one
  • This may be, for example, a layer of OLEDs.
  • the irradiation with the curing (first) 6 and inhibiting (second) optical radiation 9 takes place through a light-conducting device, as shown schematically in the example of FIG.
  • a light-conducting device as shown schematically in the example of FIG.
  • a movable and controllable light guide fiber or ⁇ endoscope apparatus 12 is used, also referred to as an exposure head via the output coupling element 13, in the present patent application ⁇ , the radiation in the photo-polymerizable material 3 is directed.
  • the decoupling surface of Auskoppel ⁇ element 13 is here by the example.
  • an inhibition zone 4 is prevented by the adhesion of hardened areas of the photopolymerizable material.
  • a component 2 can be constructed freely three-dimensionally by corresponding movement or guidance of the decoupling element 13.
  • the decoupling element 13 forms a type of movable, optical print head with which virtually any hardened structures can be written into the photopolymerizable material.
  • the UV embossing process is used to prevent the embossing tool from adhering to the cured structure.
  • the structure 2 is in this case embossed on a transparent bottom plate 5, through which the
  • Polymers are achieved, as they occur when using oxygen.
  • the inhibition can be very easily controlled in the process by the
  • inhibiting radiation is adjusted in intensity, dose or even chronological order (for example in the case of pulsed radiation).
  • intensity, dose or even chronological order for example in the case of pulsed radiation.
  • the penetration depth of the inhibiting light can be additionally adjusted by a variation of the angle of incidence.
  • the process can be easily converted into existing generative adversaries
  • Photoinitiator replaced and possibly an absorber is added.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Grenzflächenadhäsion bei der Photopolymerisation, bei dem ein photopolymerisierbares Material (3) mit erster optischer Strahlung (6) einer ersten Zentralwellenlänge bestrahlt wird, um das photopolymerisierbare Material (3) durch die Bestrahlung zumindest teilweise auszuhärten. Ein Objekt (1, 5) stehtdabei in Kontakt mit dem photopolymerisierbaren Material(3). Bei dem Verfahren wird eine dünne Schicht des photopolymerisierbaren Materials (3) an der Grenzfläche zu dem Objekt(1, 5) zusätzlich mit zweiter optischer Strahlung (9) einer zweiten Zentralwellenlänge bestrahlt, um mit dieser Bestrahlung das durch die erste optische Strahlung(6) angeregte photopolymerisierbare Material (3) in der an die Grenzfläche angrenzenden dünnen Schicht mit der zweiten optischen Strahlung (9) in einen Zustand zu bringen, in dem es keine oder eine verringerte Photopolymerisation startet. Das Verfahren ermöglicht damitbeispielsweise einen kontinuierlichen Aufbau der Bauteile bei der generativen Fertigungstechnik.

Description

Verfahren und Anordnungen zur Verringerung der Grenzflächenadhäsion bei der Photopolymerisation
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie unterschiedliche Anordnungen zur Verringerung der Grenzflächenadhäsion bei der Photopolymerisation, bei denen ein photopolymerisierbares Material mit optischer Strahlung bestrahlt wird, um das photopolymerisierbare Material durch die Bestrahlung zumindest teilweise auszuhärten.
Ein derartiges Verfahren findet bspw. bei der generativen Fertigung Anwendung, bei der bisher das photopolymerisierbare Material durch optische
Bestrahlung schichtweise ausgehärtet wird, um das dreidimensionale Bauteil zu erzeugen. Ausgehend von einem CAD (computer-aided design) wird das herzu¬ stellende Bauteil dabei digital in Schichten zerteilt und im CAM (computer-aided manufacturing) dann Schicht für Schicht aufgebaut.
Die einzelnen Schichten des Bauteils werden dabei durch lokales, photoinduziertes Aushärten des photo- polymerisierbaren Materials durch eine chemische
Reaktion erzeugt. Die bekanntesten Verfahren hierfür sind die Stereolithographie (SLA) , bei denen das selektive Polymerisieren bzw. Härten mit Hilfe eines Laserstrahls erfolgt, und projizierende Verfahren mit räumlichen Lichtmodulatoren (SLM: spatial light
modulator) . Bei beiden Verfahren erfolgt der Aufbau in der Regel an einer Bauplattform in einem Monomer- /Präpolymerbad, in welchem von der Oberseite an der freien Oberfläche oder von der Unterseite durch eine Glasscheibe hindurch projiziert und aufgebaut wird. Für den photoinduzierten schichtweisen Aufbau von Polymerbauteilen behindern derzeit hauptsächlich zwei Einschränkungen den Einsatz der Produkte als Funktionsteile sowie den Fortschritt und die Einführung in die Sortenfertigung (gleiches Material, unterschiedliche Geometrie, Losgröße >>1) . Zum einen weisen die
erzeugten Bauteile häufig anisotrope und unzureichende mechanische Festigkeiten auf. Dies ist u.a. durch den schichtweisen Aufbau bedingt. Zum anderen sind die Prozessgeschwindigkeiten für den Aufbau der dreidimensionalen Bauteile für industrielle Anwendungen bisher nicht ausreichend. Der 3D-Druck eines typischen Bauteils benötigt bisher häufig mehrere Stunden. Für eine weitere Verbreitung sollte diese Prozesszeit jedoch im Bereich einiger Minuten liegen.
Stand der Technik
Die meisten der bisher bekannten generativen
Fertigungsverfahren auf Basis der Photopolymerisation arbeiten nach dem Prinzip eines schichtweisen Aufbaus. Bei der freien Oberflächentechnik wird hierbei Schicht für Schicht an der Oberfläche bestrahlt und dann die Bauplattform in das photopolymerisierbare Material, in der Regel ein Photoharz, abgesenkt. Für eine möglichst homogene Oberfläche muss die Harzoberfläche nach jeder Schicht allerdings z.B. mit einer Rakel glatt
gestrichen werden. Damit kann ein kontinuierlicher Aufbau (kontinuierlicher Vorschub der Bauplattform entlang der z-Achse) nicht erfolgen und die gesamte Prozesszeit wird durch das Glattstreichen bzw.
Auftragen einer dünnen Harzschicht von typischerweise 10 - 100 μιη Dicke um ein Vielfaches erhöht. Des
Weiteren wird für die freie Oberflächentechnik ein relativ großes Harzbad benötigt, da das Bauteil während des Aufbaus komplett in das Harzbad eingetaucht werden muss .
Bei der ebenfalls eingesetzten Grenzflächentechnik erfolgt die Bestrahlung durch eine transparente
Scheibe, die in der Regel aus Glas besteht und die
Bodenfläche des Aufbaubehältnisses bildet. Dabei liegt immer eine homogene Grenzfläche zwischen dem Harz und der transparenten Scheibe vor. Weiterhin kann dadurch vermieden werden, dass Sauerstoff die Vernetzungs- reaktion inhibiert. Die Grenzflächentechnik bietet den Vorteil, dass beim Aufbau des Bauteils kein Glättungs- schritt erforderlich ist und relativ kleine Harzbäder verwendet werden können. Allerdings ist auch bei dieser Technik kein kontinuierlicher Aufbau des Bauteils möglich, da das ausgehärtete Material nach Verfestigung jeder Schicht zunächst von der Bodenplatte gelöst und das Bauteil angehoben und dann wieder bis auf einen Abstand von der Bodenplatte abgesenkt werden muss, der in etwa der Schichtdicke der nächsten zu verfestigenden Schicht entspricht. Dieser Schritt ist erforderlich, um neues Harz an die Grenzfläche zu befördern und ist ebenfalls ein geschwindigkeitsbestimmender Arbeitsschritt .
Bei den oben genannten Verfahren der Bestrahlung mittels SLM und SLA wird die laterale Auflösung bei SLA durch den Laserfokus und bei SLM durch die Auflösung des eingesetzten Mikrospiegelarrays und den Bildabstand bestimmt. Die Absorption im Photoharz bei der für die Bestrahlung eingesetzten Wellenlänge bestimmt haupt- sächlich die vertikale Auflösung (z-Achse). Hierbei ergibt sich die Einhärtetiefe in Abhängigkeit von
Wellenlänge, Absorptionskoeffizient des verwendeten Photoharzes und der Ausgangsintensität der eingesetzten optischen Strahlung nach dem durch das Lambert
Beer 'sehe Gesetz beschriebenen Intensitätsabfall bis zu einer Schwellintensität. Im Prozess wird die Aushärte¬ tiefe bei der Grenzflächentechnik so eingestellt, dass sie minimal größer als der Schichtabstand zwischen Bauteil und Bodenplatte ist.
Bei der Grenzflächentechnik ist die Aushärtetiefe analog, wird jedoch bei jeder Schicht während des
Aufbaus Material an der Bodenplatte verfestigt, da dort die Lichtintensität am größten ist. Dieses an der
Bodenplatte anhaftende Material unterbindet einen kontinuierlichen Aufbauprozess und verursacht durch das erforderliche Ablösen einen Großteil der Prozesszeiten. Des Weiteren kann dadurch auch nur ein Aufbau in diskreten Schichten erfolgen.
Zur Verringerung der Materialhaftung an der
Bodenplatte ist es bekannt, die Bodenplatte geeignet zu beschichten oder mit einer Trennfolie zwischen
Bodenplatte und Polymermaterial zu arbeiten. Damit verringert sich zwar die Bodenhaftung. Ein Ablöse- prozess mit der damit verbundenen Verlängerung der Prozesszeiten ist aber dennoch erforderlich.
Aus J.R. Tumbleston et al . „Continuous liquid interface production of 3D objects", Science 2015, Vol. 347, Issue 6228, Seiten 1349 - 1352, ist ein Verfahren zur generativen Fertigung mittels Photopolymerisation bekannt, bei dem die Haftung des photopolymerisierbaren Materials an der Bodenplatte verhindert wird. Dabei wird die inhibierende Wirkung von Sauerstoff auf den Polymerisationsprozess genutzt. Durch eine Sauerstoff- permeable Bodenplatte wird ein Sauerstoffgradient im photopolymerisierbaren Material eingestellt, der die photoinduzierte Reaktion an der Grenzfläche zwischen Bodenplatte und Polymermaterial unterbindet. Der
Prozess der Photopolymerisation beginnt üblicherweise mit der Absorption eines Photons durch einen soge- nannten Photoinitiator. Der angeregte Photoinitiator ist dann in der Lage, durch verschiedene Reaktionswege eine Vernetzung des Monomers zu starten. Der am
weitesten verbreitete Reaktionsweg funktioniert über die Entstehung von Monomerradikalen, die in einer
Kettenreaktion zu einer Polymerisation führen. Bei dem in der Veröffentlichung beschriebenen Verfahren wird die inhibierende Wirkung von Sauerstoff genutzt, durch den aktivierte Photoinitator- und Monomerradikale zu reaktionsträgen Peroxiradikalen umgewandelt werden. Im Bereich hoher Sauerstoffkonzentration entsteht eine sog. Dead-Zone von einigen 10 μιη, in der keine oder nur geringe Polymerisation stattfindet. Hierdurch lässt sich die Adhäsion des Bauteils an der Bodenplatte verhindern, so dass auch die bisher erforderlichen Ablöseschritte entfallen. Dies ermöglicht einen
kontinuierlichen Aufbauprozess (Vorschub der Z-Achse) mit sehr kurzen Prozesszeiten, die um einen Faktor von 25 - 100 gegenüber den bisherigen Prozesszeiten
verkürzt sind. Dabei kann die Prozesszeit für ein typisches Bauteil von Stunden auf Minuten reduziert werden. Darüber hinaus wird das Bauteil nicht wie sonst üblich schichtweise aufgebaut. Allerdings benötigt diese Technik entsprechend semipermeable Bodenplatten, die Sauerstoffdiffusion in das photopolymerisierbare Material ist zudem nur schwer steuerbar und die
fortwährende Inhibierung führt zu prozessbedingten Nachteilen. Auch in den ausgehärteten Bereichen des Bauteils wird Sauerstoff als Copolymer eingebaut, was zum einen zu einer thermischen Instabilität und zum anderen zur Verkürzung der gebildeten Kettenlängen führt. Diese kurzkettigen Polymere liegen nach der Reaktion zudem gelöst im Photoharz vor, wodurch die verwendeten Photoharze nur begrenzt wiederverwendbar sind . Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verringerung der Grenzflächenadhäsion bei der Photopolymerisation anzugeben, das sich gut steuern lässt, keinen Sauerstoff oder andere inhibierenden Stoffe in die Polymerisation einbringt und insbesondere bei generativen Fertigungsverfahren einen kontinuierlichen Aufbauprozess ermöglicht. Unter dem Begriff Photopolymerisation ist dabei in der vorliegenden Patentanmeldung jeder photo- oder strahlungs- induzierte Übergang eines flüssigen Stoffs zu einem festen Stoff zu verstehen. Dies kann durch eine
Polymerisationsreaktion, eine sonstige Vernetzungs¬ reaktion oder auch eine andere chemische Reaktion erfolgen. In gleicher Weise stellt ein photopolymeri- sierbares Material ein Material dar, das sich durch Einwirkung von Strahlung entsprechend härten lässt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patent- anspruch 1 gelöst. Patentansprüche 16 und 17 geben
Anordnungen zur generativen Fertigung an, mit denen das vorgeschlagene Verfahren durchführbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Verringerung der Grenzflächenadhäsion wird ein photopolymerisier- bares Material, insbesondere ein Photoharz, mit erster optischer Strahlung einer ersten Zentralwellenlänge bestrahlt, um das photopolymerisierbare Material durch die Bestrahlung zumindest teilweise auszuhärten. Ein Objekt, an dem die Grenzflächenadhäsion verringert werden soll, steht dabei in Kontakt mit dem photo- polymerisierbaren Material. Es kann sich dabei bspw. um ein plattenförmiges Objekt aus Glas oder einem anderen optisch transparenten Material handeln, bspw. um eine Bodenplatte oder eine Bauplattform bei einer genera¬ tiven Fertigungstechnik oder auch um eine Prägeplatte beim UV-Prägen. Erfolgt die Bestrahlung mit der ersten optischen Strahlung durch das Objekt hindurch, so muss das Objekt nicht vollständig optisch transparent sein, sondern lediglich in dem Bereich, durch den die
Bestrahlung des photopolymerisierbaren Materials erfolgt. Erfolgt die Bestrahlung nicht durch das Objekt hindurch, so muss es auch nicht optisch transparent sein. Je nach Anwendung und eingesetzter Technik kann die Bestrahlung zur Aushärtung hierbei ortsselektiv oder auch vollflächig erfolgen. Unter einer voll- flächigen Bestrahlung ist dabei zu verstehen, dass die gesamte oder wenigstens der größte Teil der Grenzfläche des photopolymerisierbaren Materials zum Objekt
gleichzeitig bestrahlt wird. Für eine ortsselektive Bestrahlung wird wiederum die Grenzfläche lediglich zu jedem Zeitpunkt nur lokal bestrahlt, bspw. über einen geführten Laserstrahl oder über die Projektion eines Belichtungsmusters mit Hilfe eines Mikrospiegelarrays . Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird bei der Aushärtung die Adhäsion des photopolymerisierbaren Materials an dem Objekt dadurch verringert oder vollständig unterbunden, dass eine dünne Schicht des photopoly¬ merisierbaren Materials an der Grenzfläche zwischen dem Objekt und dem photopolymerisierbaren Material, an der die Bestrahlung erfolgt, gleichzeitig oder alternierend zur Bestrahlung mit der ersten optischen Strahlung mit zweiter optischer Strahlung einer unterschiedlichen zweiten Zentralwellenlänge bestrahlt wird. Das photo- polymerisierbare Material, die zweite Zentralwellen¬ länge und die Intensität der zweiten optischen Strah- lung werden dabei so aufeinander abgestimmt gewählt, dass das durch die erste optische Strahlung angeregte photopolymerisierbare Material in der an die Grenz¬ fläche angrenzenden dünnen Schicht mit der zweiten optischen Strahlung in einen Zustand gebracht wird, in dem die Photopolymerisation vollständig oder zumindest zum Teil unterbunden wird. Unter einer alternierenden Bestrahlung ist dabei zu verstehen, dass sowohl die erste optische Strahlung als auch die zweite optische Strahlung jeweils amplitudenmoduliert, bspw. in Form gepulster Strahlung, eingesetzt werden, wobei dann jeweils ein Puls der zweiten optischen Strahlung zeitlich versetzt zu einem Puls der ersten optischen Strahlung auf die Grenzfläche bzw. durch die Grenzfläche hindurch in das photopolymerisierbare Material gerichtet wird. Die Pulse können dabei zeitlich nicht oder auch teilweise überlappen. Die Bestrahlung mit der zweiten optischen Strahlung erfolgt dabei vorzugsweise vollflächig oder in einer Fläche die zumindest die Fläche der ersten Bestrahlung einschließt. Bei orts- selektiver Bestrahlung mit der ersten optischen Strahlung ist jedoch auch eine entsprechend ortsselektive Bestrahlung mit der zweiten optischen Strahlung
möglich, vorzugsweise koaxial oder leicht schräg zur ersten optischen Strahlung.
Durch das vorgeschlagene Verfahren wird die photoinduzierte Vernetzung an der Grenzfläche zum
Objekt, durch die oder an der die Bestrahlung mit der ersten optischen Strahlung erfolgt, durch eine optische Methode unterbunden oder zumindest stark verringert. Während bei dem vergleichbaren Verfahren des Standes der Technik der Sauerstoff erst die Entstehung der Kettenreaktion unterbindet, kann das das vorgeschlagene Verfahren schon direkt nach bzw. während der Absorption der ersten optischen Strahlung durch das photopolymeri- sierbare Material in den Prozess eingreifen, aber auch analog zum Stand der Technik bei späteren Schritten der Polymerisation eingreifen. Die Grundidee des vorgeschlagenen Verfahrens besteht dabei darin, eine zweite Lichtquelle mit anderer Wellenlänge zu nutzen, die die Anregung des zur Härtung verwendeten Lichtes rückgängig macht. So kann bei einer Härtung mit UV-Licht bspw. sichtbares Licht als zweite optische Strahlung
eingesetzt werden. Dadurch steht die durch die erste optische Strahlung eingebrachte Energie für eine
Vernetzung/Polymerisation nicht mehr zur Verfügung.
Die Technik der optischen Inhibierung der
Photopolymerisation ist bspw. bereits aus J. Fischer et al . , „Three-dimensional direct laser writing inspired by stimulated-emssion-depletion microscopy", Optical Materials Express Vol.l, No . 4, 2011, Seiten 615 - 624, bekannt, um dadurch die Auflösung bei der Zwei- Photonen-induzierten Vernetzung zu erhöhen. Auf eine Nutzung dieser Technik zur Verminderung der Grenzflächenadhäsion oder zur Verwirklichung eines
kontinuierlichen Prozesses geben diese Anwendungen jedoch keinerlei Hinweise.
Die bei dem vorgeschlagenen Verfahren genutzte Technik der Inhibierung der Photopolymerisation lässt sich bspw. mit einem photopolymerisierbaren Material nutzen, das einen Photoinitiator für die Initiierung der Polymerisationskettenreaktion enthält. Der
Photoinitiator wird dabei durch die erste optische Strahlung bspw. von einem Niveau S o in das Niveau S i angeregt. Nach einer Änderung der Spin-Zustände kann der angeregte Photoinitiator durch ein sog. Inter- system-Crossing (ISC) in einen Triplettzustand ΤΊ übergehen. Von diesem Zustand aus ist eine Initiierung der Polymerisationskettenreaktion möglich. Durch
Bestrahlung mit der optischen Strahlung der zweiten Zentralwellenlänge kann der Übergang von S i nach ΤΊ verhindert werden, indem der Photoinitiator durch die optische Strahlung der zweiten Zentralwellenlänge bspw. zu einer stimulierten Emission gezwungen wird und seine Energie durch die Abgabe eines Photons verliert. Die Polymerisation kann demnach durch Bestrahlung des angeregten Photoinitiators mit der zweiten Zentral¬ wellenlänge inhibiert werden. Vorzugsweise wird daher bei dem vorgeschlagenen Verfahren ein photopoly- merisierbares Material mit einem geeigneten Photo- initiator eingesetzt, der durch die erste optische Strahlung angeregt wird, wobei der durch die erste optische Strahlung angeregte Photoinitiator dann mit der zweiten optischen Strahlung in einen Zustand gebracht wird, in dem er keine Photopolymerisation initiiert. Dies kann bspw. nach dem oben beschriebenen Mechanismus erfolgen. In Abhängigkeit vom eingesetzten Photoinitiator sind jedoch auch andere Mechanismen möglich .
Auch wenn in den meisten Fällen ein photopolymeri- sierbares Material mit einem derartigen Photoinitiator eingesetzt wird, existieren auch photopolymerisierbare Materialien ohne Photoinitiator, bei denen eine
optische Inhibierung der Photopolymerisation ebenfalls gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren durchgeführt werden kann. Der für die optische Inhibierung genutzte
physikalische Prozess in dem photopolymerisierbaren Material ist dabei für das vorgeschlagene Verfahren nicht entscheidend. So kann beispielsweise das photo¬ polymerisierbare Material auch eine Verbindung oder eine Kombination von Verbindungen enthalten, die durch die zweite optische Strahlung in einen angeregten
Zustand gebracht wird, in dem sie die Photopolymeri¬ sation inhibiert.
Für die Verringerung oder Unterbindung der
Grenzflächenadhäsion muss die Photopolymerisation an der Grenzfläche lediglich in einer dünnen Schicht verringert oder verhindert werden, die eine geringere Dicke aufweist als die mit der ersten optischen
Strahlung jeweils ausgehärtete Schicht. Vorzugsweise wird die Intensität der zweiten optischen Strahlung daher so gewählt, dass die an die Grenzfläche
angrenzende dünne Schicht des photopolymerisierbaren Materials, in der die Photopolymerisation deutlich verringert oder verhindert werden soll, eine Schicht- dicke von weniger als 20 μιη aufweist.
Das vorgeschlagene Verfahren nutzt das physika¬ lische Prinzip der optisch initiierten Inhibierung, um eine dünne Zone bzw. Schicht an der Grenzfläche zum Objekt, bspw. der Bodenplatte oder einer Bauplattform bei einem generativen Fertigungsverfahren, zu erzeugen, in der keine oder nur eine deutlich reduzierte
Photopolymerisation stattfindet. Damit lässt sich bei generativen Fertigungsverfahren ein kontinuierlicher Bauprozess ohne geschichtete Struktur realisieren. Dies ermöglicht sowohl eine deutliche Verringerung der
Prozesszeiten, wie sie für die industrielle Fertigung erforderlich ist, als auch die Realisierung mechanisch stabilerer Bauteile. Des Weiteren kann auch eine
Bewegung einer Plattform oder anderweitig ausgestaltete Trägerform (z.B. Walze etc.) für die herzustellenden Bauteile in andere Raumrichtungen, z.B. seitlich erfolgen, da keine oder nur verringerte Haftung zum Boden vorliegt.
Die auf die Grenzfläche bezogene Eindringtiefe der zweiten optischen Strahlung in das photopolymerisier- bare Material muss geeignet eingestellt werden, um lediglich in der dünnen Schicht die Vernetzung zu inhibieren, in größerem Abstand von bspw. ca. 10 bis 100 μιη von der Grenzfläche jedoch eine Vernetzung zu ermöglichen. Die Eindringtiefe kann bspw. über die Intensität der zweiten optischen Strahlung gesteuert werden. Für die Einkopplung der zweiten optischen
Strahlung bestehen in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung und der Ausgestaltung des Objekts unter- schiedliche Möglichkeiten. Im Folgenden wird hierbei beispielhaft auf die Anwendung der generativen
Fertigung Bezug genommen, bei der die Bestrahlung mit der ersten optischen Strahlung durch die Bodenplatte hindurch oder - in einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens - durch die Bauplattform hindurch erfolgt.
Für die Bestrahlung mit der zweiten optischen Strahlung bieten sich dabei unterschiedliche Möglichkeiten. So kann eine flächige Bestrahlung mit der zweiten
optischen Strahlung koaxial oder parallel zur ersten optischen Strahlung durch die Bodenplatte oder
Bauplattform erfolgen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die dünne an die Grenzfläche angrenzende Schicht von der Seite, d.h. parallel zur Grenzfläche, mit der zweiten optischen Strahlung von einer oder mehreren Seiten gleichzeitig zu bestrahlen. Dies kann dann durch eine sog. Sheet-Strahlung erfolgen, d.h. durch
Auffächerung eines Laserstrahls in einer Ebene. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Absorption der zweiten optischen Strahlung durch das photopolymerisierbare Material nur in dem angeregten Bereich signifikant ist, so dass bei ortsselektiver Bestrahlung mit der ersten optischen Strahlung auch nur dort eine nennenswerte Absorption der zweiten optischen Strahlung stattfindet. Es besteht auch die Möglichkeit, die Bodenplatte oder Bauplattform mit einer aufgerauten Oberfläche oder alternativ einer Folie zur Lichtauskopplung und
seitlicher Einstrahlung der inhibierenden Wellenlänge (zweite optische Strahlung) auszustatten. Auf diese Weise lässt sich ebenfalls die zweite optische Strahlung gleichmäßig über einen größeren Flächenbereich verteilen. Eine weitere Möglichkeit der
Bestrahlung mit der zweiten optischen Strahlung besteht darin, eine Bodenplatte oder Bauplattform mit
selbstleuchtenden Eigenschaften zu wählen. Dies kann bspw. durch Integration von transparenten OLEDs
erreicht werden, die für die härtende Strahlung, d. h. die erste optische Strahlung möglichst gut transparent sein sollten. Um die Eindringtiefe der zweiten
optischen Strahlung stärker zu begrenzen, kann auch ein Absorber als Additiv in dem photopolymerisierbaren Material eingesetzt werden, der die zweite optische Strahlung stärker absorbiert als die erste optische Strahlung .
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die
Bodenplatte oder Bauplattform so ausgebildet, dass sie die zweite optische Strahlung vergleichbar einem
Wellenleiter mittels Totalreflexion entlang der
Grenzfläche führen kann. Dadurch entsteht an der
Grenzfläche eine evaneszente Welle, die eine geringe Eindringtiefe in das photopolymerisierbare Material hat. Typische Eindringtiefen dieser evaneszenten Welle liegen in der Größenordnung von einigen μτ . Die
Eindringtiefe lässt sich auch durch den Einstrahlwinkel in die wellenleitende Struktur und damit durch den Reflexionswinkel an der Grenzfläche steuern. Die evaneszente Welle führt unmittelbar an der Grenzfläche zu einer Wechselwirkung mit dem angeregten photopolymerisierbaren Material und damit zur photochemischen Inhibierung. Es ist dann kein weiteres Additiv zur
Kontrolle der Eindringtiefe der inhibierenden Strahlung mehr notwendig. Die evaneszente Welle sollte dabei möglichst homogen erzeugt werden. Interferenzeffekte, die einer Homogenisierung entgegen wirken könnten, lassen sich bspw. durch die Verwendung von kurzkohärentem Licht als zweiter optischer Strahlung minimieren .
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich bei der generativen Fertigung auch eine inverse Anordnung realisieren. Dabei erfolgt die Belichtung nicht durch die Bodenplatte sondern durch die von oben eintauchende die Bauplattform hindurch. Durch die zweite optische Strahlung wird die Haftung an der Unterseite der
Bauplattform verhindert, so dass das Objekt durch
Bewegung der Bauplattform in z-Richtung sowie evtl. auch in andere Raumrichtungen von der Bodenplatte aus aufgebaut wird. Auf diese Weise wird das Objekt nicht bewegt und verbleibt während des Aufbaus an der
Bodenplatte. Das Material wird bei dieser Ausführung stetig nachgefüllt. Die Bauplattform kann dabei bspw. einen prismatischen Querschnitt aufweisen, um die seitliche Einkopplung der zweiten optischen Strahlung und die Bestrahlung der dünnen Schicht mit Hilfe einer evaneszenten Welle zu ermöglichen.
In einer Weiterbildung kann die Bauplattform dabei auch so gestaltet sein, dass sie sich frei in dem photopolymerisierbaren Material bewegen lässt. Auf diese Weise lassen sich bspw. vorhandene polymere oder metallische Objekte mit einer Polymerstruktur
dekorieren .
In einer weiteren Ausführung der inversen
Anordnung können die erste und die zweite optische Strahlung auch durch eine lichtleitende Einrichtung gelenkt werden, deren Austrittsfläche (ähnlich einem Endoskop) frei in dem photopolymerisierbaren Material beweglich ist. Dabei erfolgt die Belichtung ebenfalls nicht durch die Bodenplatte sondern durch eine Art beweglichen, optischen Druck- oder Belichtungskopf, der von oben in das photopolymerisierbare Material eintaucht, jedoch auf einer feststehenden oder
ebenfalls beweglichen Bauplattform polymerisiert . Durch die zweite optische Strahlung wird die Haftung an der Unterseite bzw. Lichtauskoppelfläche des beweglichen Druckkopfs verhindert, so dass das Objekt durch
Bewegung der Bauplattform oder des Druckkopfs in alle Raumrichtungen von der Bodenplatte aus aufgebaut wird. Hierdurch kann eine neue Form der generativen Fertigung realisiert werden, bei der der Benutzer direkt eine Struktur schreiben kann, ohne die Notwendigkeit, einen CAD/CAM-Prozess durchlaufen zu müssen. Diese Ausführungsform ermöglicht auch eine Dekoration anderer Bauteile mit polymeren Strukturen.
Die oben beschriebenen Möglichkeiten der
Beleuchtung mit der zweiten optischen Strahlung lassen sich selbstverständlich auch bei anderen Anwendungen bzw. Objekten einsetzen. So kann das Verfahren nicht nur zum Aufbau von 3D-Objekten genutzt werden, sondern ermöglicht bspw. auch das UV-Prägen einer Oberfläche mit photohärtbaren Polymeren. Dabei wird das photopoly- merisierbare Material durch die Prägeplatte hindurch mit der ersten optischen Strahlung bestrahlt und gleichzeitig durch die zweite optische Strahlung die Haftung an der Prägeplatte verhindert. Die Einkopplung der zweiten optischen Strahlung kann dabei mit den gleichen Techniken erfolgen, wie sie vorangehend am Beispiel der generativen Fertigung erläutert wurden. Dabei wird die Adhäsion zum Prägewerkzeug vermindert oder unterbunden, so dass ein verbessertes Prägen ermöglicht wird.
Das Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft für die generative Fertigung von Kunststoffbauteilen als Prototyp, Kleinserienprodukt, verlorene Form oder für sonstige Kunststoffteile einsetzen. Beispielhafte
Anwendungsgebiete sind die Schmuckindustrie sowie Dentallabore. Diese Anwendungen sind jedoch nur
beispielhaft zu verstehen. Das Verfahren lässt sich bei allen Anwendungen einsetzen, bei denen ein photopoly- merisierbares Material durch ein zumindest teilweise optisch transparentes Objekt hindurch, das in Kontakt mit dem photopolymerisierbaren Material steht, zur Aushärtung bestrahlt wird.
Bevorzugte für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Anordnungen zur generativen Fertigung, weisen ein Aufbaubehältnis für polymerisierbares
Material sowie eine in das Aufbaubehältnis absenkbare Bauplattform auf, die sich im Aufbaubehältnis in einer Richtung senkrecht zur Bodenplatte des Aufbaubehält- nisses, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als z- Richtung oder z-Achse bezeichnet, oder auch in andere Richtungen verfahren lässt. Weiterhin verfügen die Anordnungen über wenigstens eine erste Strahlungs¬ quelle, die erste optische Strahlung einer ersten
Zentralwellenlänge emittiert und wenigstens eine zweite Strahlungsquelle, die zweite optische Strahlung einer zweiten Zentralwellenlänge emittiert. Entweder die Bodenplatte oder die Bauplattform sind zumindest teilweise optisch transparent ausgebildet, um eine Bestrahlung eines in dem Aufbaubehältnis eingefüllten photopolymerisierbaren Materials durch die Bodenplatte oder durch die Bauplattform hindurch zu ermöglichen. Eine optische Anordnung ermöglicht die Bestrahlung eines in dem Aufbaubehältnis eingefüllten photo¬ polymerisierbaren Materials durch die Bodenplatte bzw. Bauplattform hindurch mit der ersten optischen Strahlung und einer dünnen Schicht des photopolymerisierbaren Materials an einer Grenzfläche zwischen der
Bodenplatte bzw. Bauplattform und dem photopolymerisierbaren Material mit der zweiten optischen Strahlung. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende Verfahren sowie für die
Durchführung des Verfahrens ausgebildete Anordnungen werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher
erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung beispielhafter
Prozesse bei der Aktivierung und optischen Inhibierung der Photopolymerisation in einem photopolymerisierbaren Material ;
Fig. 2 ein erstes Beispiel für eine Anordnung zur
Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens bei der generativen Fertigung;
Fig. 3 ein zweites Beispiel einer Anordnung zur
Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens bei der generativen Fertigung;
Fig. 4 ein drittes Beispiel einer Anordnung zur
Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens bei der generativen Fertigung;
Fig. 5 ein viertes Beispiel einer Anordnung zur
Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens bei der generativen Fertigung in einem
Ausschnitt ;
Fig. 6 ein fünftes Beispiel einer Anordnung zur
Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens bei der generativen Fertigung in einem
Ausschnitt ;
Fig. 7 ein sechstes Beispiel einer Anordnung zur
Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens bei der generativen Fertigung in einem
Ausschnitt ;
Fig. 8 ein siebtes Beispiel einer Anordnung zur
Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens bei der generativen Fertigung; und Fig. 9 ein Beispiel einer Anordnung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens beim UV- Prägen .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das
photopolymerisierbare Material zur Aushärtung mit erster optischer Strahlung einer ersten Zentralwellenlänge bestrahlt, während gleichzeitig oder alternierend zur Bestrahlung mit der ersten optischen Strahlung eine dünne Schicht an der Grenzfläche zwischen dem polymeri- sierbaren Material und dem Objekt, durch das die
Bestrahlung hindurch erfolgt, mit (zweiter) optischer Strahlung einer zweiten Zentralwellenlänge bestrahlt wird, durch die in dieser dünnen Schicht die Photopoly¬ merisation zumindest teilweise inhibiert wird. Hierzu müssen das photopolymerisierbare Material, die zweite Zentralwellenlänge sowie die Intensität der zweiten optischen Strahlung aufeinander angepasst gewählt werden. Dies kann über die Wahl eines geeigneten Photoinitiators in dem photopolymerisierbaren Material erfolgen. Ein für das vorgeschlagene Verfahren
geeigneter Photoinitiator ist DETC (7-Diethylamino-3- Thenoylcoumarin) der beispielsweise für acrylische Photoharze (Acrylat, Methacrylat Bestandteile)
eingesetzt werden kann. Der Photoinitiator wird dabei durch die erste optische Strahlung vom Grundzustand So in den angeregten energetischen Zustand S i angeregt. Die zur Aktivierung benötigte Wellenlänge (erste
Zentralwellenläge) liegt in einem Bereich von 350 - 500 nm. Ohne weitere Bestrahlung erfolgt dann ein Übergang in einen Triplettzustand ΤΊ, von dem aus die Photopoly¬ merisation initiiert wird. Durch Bestrahlung mit zweiter optischer Strahlung einer zweiten Zentral- Wellenlänge kann jedoch der angeregte Zustand S i des Photoinitiators entleert werden, so dass dann keine Übergänge in den Triplettzustand ΤΊ und somit keine Photopolymerisation mehr initiiert werden kann. Die Übergänge zwischen den einzelnen Zuständen sind in der Figur 1 schematisch dargestellt. Die Entleerung kann im Beispiel des obigen Photoinitiators mittels stimu¬ lierter Emission erfolgen. Die Energie zur stimulierten Emission liegt bei diesem Photoinitiator in einem
Wellenlängenbereich von 450 bis 600 nm. Die zweite Zentralwellenlänge muss daher in dem Bereich zwischen
>500 nm und 600 nm liegen. Bei einem photopolymerisier- baren Material mit diesem Photoinitiator ist es daher möglich, den Photoinitiator mittels UV-Licht einer Wellenlänge von bspw. 380 nm in einen angeregten
Zustand zu überführen und durch Verwendung von Licht einer Wellenlänge von bspw. 532 nm die Bildung eines reaktionsinitiierenden Tripletts zu unterbinden.
Die Bestrahlung des photopolymerisierbaren
Materials mit der zweiten optischen Strahlung muss dabei derart erfolgen, dass die Photopolymerisation lediglich in einer dünnen Schicht an die Grenzfläche zum Objekt inhibiert wird. Dabei müssen prinzipiell die erste und zweite Zentralwellenlänge geeignet gewählt werden, da sie die Wechselwirkung mit dem photopoly- merisierbaren Material bzw. dem Photoinitiator durch die vorgegebenen Energielücken und die optische
Eindringtiefe beeinflussen. Weiterhin müssen die
Leistungsdichten der ersten und zweiten optischen
Strahlung, im Folgenden auch als vernetzende und inhibierende Strahlung bezeichnet, im obigen Sinne angepasst werden, um die Inhibierung lediglich in einer dünnen Schicht an der Grenzfläche zu erreichen. Bei Einsatz von gepulster Strahlung kann auch der zeitliche Abstand zwischen dem vernetzenden Puls und dem
inhibierenden Puls Einfluss auf die gewünschte Inhibierung haben. Kürzere Pulse führen dazu, dass eine höhere Intensität für eine Inhibierung zur Verfügung steht. Allerdings muss bei der Verwendung gepulster Strahlung dann der zeitliche Abstand der Pulse auf die jeweiligen Lebensdauern der angeregten Zustände
angepasst werden, damit die Entleerung des angeregten Zustandes vor dem Übergang in den die Photopolymerisation initiierenden Zustand erfolgt. Bei Einsatz von cw-Strahlung (cw: continuous wave) zumindest für die zweite optische Strahlung wird dieses Problem umgangen.
Figur 2 zeigt ein erstes Beispiel für eine
mögliche Ausgestaltung einer Anordnung der generativen Fertigung, bei der das vorgeschlagene Verfahren zum Einsatz kommt. In der Figur ist das Behältnis mit dem flüssigen photopolymerisierbaren Material bzw. Photoharz 3 zu erkennen, in dem eine Bauplattform 1 in z- Richtung bewegt werden kann. Zur Erzeugung einer 3D- Struktur 2, d.h. dem dreidimensionalen Bauteil, wird durch die optisch transparente Bodenplatte 5 des
Behältnisses erste optische Strahlung eingestrahlt, mit der eine Schicht zwischen der Bauplattform 1 bzw. dem Bauteil 2 und der Bodenplatte 5 belichtet und
ausgehärtet wird. Die Bauplattform 1 wird zu diesem Zweck zunächst bis auf die Dicke dieser Schicht an die Bodenplatte 5 abgesenkt. Der vernetzende Lichtstrahl 6 der ersten optischen Strahlung wird hierbei über eine geeignete Strahlquelle 7 erzeugt und entsprechend der gewünschten dreidimensionalen Struktur über die zu vernetzende Schicht geführt, um diese ortsselektiv auszuhärten. Beim vorgeschlagenen Verfahren wird nun gleichzeitig eine dünne Schicht an der Grenzfläche zur Bodenplatte 5, im Folgenden auch als Inhibierungszone 4 bezeichnet, vollflächig mit einem inhibierenden Lichtstrahl 9 der zweiten optischen Strahlung beleuchtet, der aus einer zweiten Strahlquelle 8 stammt. Die Intensität dieses inhibierenden Lichtstrahls 9 ist dabei so gewählt, dass durch diesen lediglich eine dünne Schicht, dünner als die mit dem vernetzenden Lichtstrahl 6 auszuhärtende Schicht, hinsichtlich der Polymerisation beeinflusst wird. Durch den inhibierenden Lichtstrahl 9 wird in dieser dünnen Schicht bzw. Inhibierungszone 4 die Polymerisation verhindert, so dass die durch den vernetzenden Lichtstrahl 6 dann ausgehärtete Schicht nicht an der Bodenplatte 5 sondern nur an der Bauplattform 1 oder dem Bauteil 2 haftet.
Der Fertigungsprozess kann damit so durchgeführt werden, dass die Bauplattform 1 kontinuierlich in z- Richtung von der Bodenplatte 5 weg bewegt wird, während die 3D-Struktur 2 entsprechend der gewünschten Geome- trie mit dem vernetzenden Lichtstrahl 6 ausgehärtet wird. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Ferti¬ gungsprozess ohne den bisher resultierenden schicht¬ weisen Aufbau.
Die inhibierende Lichtstrahlung 9 lässt sich auch in anderer Weise zur Belichtung lediglich einer sehr dünnen Schicht an der Grenzfläche zur Bodenplatte 5 einkoppeln. Dies ist anhand der Figur 3 dargestellt. In diesem Beispiel wird eine Bodenplatte 5, 17 verwendet, die z.B. eine im Querschnitt prismatische Form
aufweisen kann, wie dies in der Figur angedeutet ist. In diese Bodenplatte 5, 17 lässt sich der inhibierende Lichtstrahl 9 so einkoppeln, dass er in der Bodenplatte 5, 17 mittels Totalreflexion entlang der Grenzfläche geführt wird. Für den Grenzwinkel der Totalreflexion Θ gilt: Θ = aresin (n2 /nl ) , wobei der Brechungsindex nl der Bodenplatte größer als der Brechungsindex n2 des photopolymerisierbaren Materials sein muss. Für den Übergang einer Bodenplatte 5, 17 aus Glas zu einem Polymer mit n2 = 1,4 ergibt sich damit ein Grenzwinkel der Totalreflexion Θ von ca. 67°, der bei optisch dichteren Polymeren ansteigt. Das Material der
Bodenplatte 5, 17 sollte daher in dieser Ausgestaltung mit möglichst hohem Brechungsindex gewählt werden.
Auf diese Weise entsteht eine evaneszente Welle 10 an der Grenzfläche zum photopolymerisierbaren Material, deren Eindringtiefe in das photopolymerisierbare
Material sehr gering ist. Die Eindringtiefe lässt sich zusätzlich über den Einstrahlwinkel 11 und die Intensi¬ tät der inhibierenden Strahlung 9 in die Bodenplatte 5, 17 steuern, der größer oder gleich dem Totalreflexionswinkel sein muss. Die evaneszente Welle 10 ist in der Figur angedeutet. Auch bei dieser Ausgestaltung
entsteht somit eine Inhibierungszone 4, in der keine Photopolymerisation stattfindet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Eindringtiefe der inhibieren¬ den Strahlung 9 in das photopolymerisierbare Material 3 in jedem Falle sehr gering bleibt und nicht über die Intensität oder zusätzliche Absorber im photopoly¬ merisierbaren Material eingestellt werden muss.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht auch einen generativen Fertigungsprozess , bei dem das Bauteil nicht an der Bauplattform, sondern an der Bodenplatte 5 haftet. Eine derartige Technik ist in der Figur 4 beispielhaft dargestellt. In diesem Falle erfolgt die Bestrahlung mit der ersten und zweiten optischen
Strahlung durch die entsprechend optisch transparent ausgebildete Bauplattform 16. Beim Beginn des Aufbau¬ prozesses haftet dabei das ausgehärtete photopolymeri- sierte Material an der Bodenplatte 5 und wird
kontinuierlich auf dieser aufgebaut. Eine Haftung an der Unterseite der Bauplattform 16 wird durch die inhibierende Strahlung 9 vermieden, die in diesem
Beispiel in gleicher Weise wie bei Figur 2 koaxial zum vernetzenden Lichtstrahl 6, diesmal allerdings durch die Bauplattform 16 hindurch, eingestrahlt wird, um an der Unterseite der Bauplattform 16 die Inhibierung der Photopolymerisation in einer dünnen Schicht 4 zu erreichen. Der Aufbau des Bauteils 2 erfolgt dabei wiederum durch kontinuierliche Verschiebung der
Bauplattform 16 in z-Richtung, während gleichzeitig über den vernetzenden Lichtstrahl 6 die gewünschte dreidimensionale Struktur ausgehärtet wird. Um eine Aushärtung des photopolymerisierbaren Materials
oberhalb der in das Harzbad 3 eingetauchten Bauplatt- form 16 zu vermeiden, durch das hindurch in diesem
Beispiel die vernetzende Strahlung 6 eingestrahlt wird, wird dieser Bereich im vorliegenden Beispiel gleichzeitig mit Hilfe eines seitlich eingestrahlten
inhibierenden Lichtstrahls 9 unterbunden. Diese
seitliche Einstrahlung kann in Form eines aufge¬ fächerten Laserstrahls (Sheet-Strahlung) erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, die Bauplattform 16 so
auszugestalten, dass diese an der Rückseite einen geeignet ausgeformten Schacht aufweist, bspw. in Form eines Tubus, der ein Eindringen des photopolymerisierbaren Materials in den von der vernetzenden Strahlung eingenommenen Bereich hinter der Bauplattform 16 verhindert. Dadurch muss hinter bzw. oberhalb der
Bauplattform 16 keine Inhibierung mehr erfolgen, sondern lediglich in der Grenzfläche zwischen Bauplattform 16 und photopolymerisierbarem Material 3 oberhalb von Bodenplatte 5 bzw. Bauobjekt 2.
Figur 5 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Anordnung, bei der die inhibierende Lichtstrahlung 9 in Form von Sheet-Strahlung seitlich, parallel zur
Grenzfläche an der Bodenplatte 5 eingestrahlt wird. Der Aufbau des Bauteils 2 erfolgt hierbei in gleicher
Weise, wie bereits in Verbindung mit Figur 2 erläutert.
In Figur 6 ist eine weitere Möglichkeit der
Einkopplung der inhibierenden Lichtstrahlung 9 in das photopolymerisierbare Material 3 in einem Ausschnitt einer entsprechenden Anordnung gezeigt. In diesem
Beispiel weist die Bodenplatte 5 eine Licht streuende oder Licht ablenkende Struktur oder Schicht 14 auf, beispielsweise eine lichtauskoppelnde Folie oder
Membran oder eine aufgeraute Oberfläche. Durch diese Struktur oder Schicht 14 wird die seitlich in die
Bodenplatte 5 eingekoppelte inhibierende Strahlung 9 über die Grenzfläche in das photopolymerisierbare
Material 3 gelenkt oder gestreut. Der Aufbau des
Bauteils 2 erfolgt wiederum in gleicher Weise, wie bereits in Verbindung mit Figur 2 erläutert.
Figur 7 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Anordnung, bei der die inhibierende Strahlung in der Bodenplatte 5 selbst erzeugt wird. Die Bodenplatte weist hierzu wenigstens eine integrierte Lichtquelle auf, im vorliegenden Beispiel eine teilweise
transparente selbstleuchtende Oberfläche 15, die Licht der Inhibierungswellenlänge über die Grenzfläche in das photopolymerisierbare Material 3 abstrahlt. Hierbei kann es sich bspw. um eine Schicht aus OLEDs handeln. Der Aufbau des Bauteils 2 erfolgt wiederum in gleicher Weise, wie bereits in Verbindung mit Figur 2 erläutert.
In einer weiteren Ausführungsform des vorgeschla- genen Verfahrens sowie der zugehörigen Anordnung erfolgt die Bestrahlung mit der aushärtenden (ersten) 6 und inhibierenden (zweiten) optischen Strahlung 9 durch eine lichtleitende Einrichtung, wie dies schematisch im Beispiel der Figur 8 dargestellt ist. In diesem Bei- spiel wird eine bewegliche und steuerbare Lichtleit¬ faser oder Endoskopvorrichtung 12 eingesetzt, über deren Auskoppelelement 13, in der vorliegenden Patent¬ anmeldung auch als Belichtungskopf bezeichnet, die Strahlung in das photopolymerisierbare Material 3 geleitet wird. An der Auskoppelfläche des Auskoppel¬ elementes 13 wird hierbei durch die bspw. in einem äußeren Bereich der Endoskopvorrichtung 12 geführte inhibierende Strahlung 9 eine Inhibierungszone 4 erzeugt, durch die ein Anhaften ausgehärteter Bereiche des photopolymerisierbaren Materials verhindert wird. Dies kann hier auch mit der Technik der evaneszierenden Welle erfolgen. Mit dieser Ausführungsform kann somit ein Bauteil 2 durch entsprechende Bewegung bzw. Führung des Auskoppelelements 13 frei dreidimensional aufgebaut werden. Das Auskoppelelement 13 bildet dabei eine Art beweglichen, optischen Druckkopf, mit dem nahezu beliebige ausgehärtete Strukturen in das photopolymeri- sierbare Material geschrieben werden können.
Ein Beispiel für eine andere Anwendung des
vorgeschlagenen Verfahrens ist in Figur 8 schematisch dargestellt. In diesem Beispiel wird das Verfahren beim UV-Prägen eingesetzt, um ein Anhaften des Prägewerkzeugs an der ausgehärteten Struktur zu verhindern. Die Struktur 2 wird hierbei auf einer transparenten Bodenplatte 5 geprägt, durch die hindurch das
photopolymerisierbare Material vollflächig mit der aushärtenden UV-Lichtstrahlung 6 bestrahlt wird. Durch das ebenfalls optisch transparente Prägewerkzeug 18 hindurch erfolgt die vollflächige Einstrahlung der inhibierenden Lichtstrahlung 9. Durch diese inhibierende Lichtstrahlung 9 wird eine Inhibierungszone 4 an der Grenzfläche des Prägewerkzeugs 18 zum photo¬ polymerisierbaren Material erzeugt, die ein Anhaften der ausgehärteten Struktur 2 am Prägewerkzeug 18 verhindert .
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und den dargestellten Anordnungen lässt sich die Prozessgeschwindig¬ keit bei der generativen Fertigung durch einen
kontinuierlichen Aufbau des Bauteils drastisch erhöhen. Ein Schichtaufbau wie bei der typischen schichtweisen Verfestigung des Standes der Technik wird dadurch vermieden, so dass die erzeugten Bauteile eine hohe und isotrope mechanische Festigkeit aufweisen. Das
Verfahren erfordert keine Zugabe von Sauerstoff.
Dadurch können verbesserte mechanische Eigenschaften durch Unterbindung der Bildung von kurzkettigen
Polymeren erreicht werden, wie sie bei Einsatz von Sauerstoff auftreten. Die Inhibierung kann bei dem Prozess sehr leicht gesteuert werden, indem die
inhibierende Strahlung in Intensität, Dosis oder auch zeitlicher Abfolge (z.B. bei gepulster Strahlung) eingestellt bzw. verändert wird. Im Falle der
evaneszenten Beleuchtung kann die Eindringtiefe des inhibierenden Lichts zusätzlich durch eine Variation des Einstrahlwinkels angepasst werden. Das Verfahren lässt sich sehr leicht in bestehende generative
Fertigungsanlagen integrieren, die mit der hier eingesetzten Grenzflächentechnik arbeiten. Bestehende Photoharze müssen hierbei entweder nicht oder nur leicht modifiziert werden, indem lediglich der
Photoinitiator ersetzt und eventuell ein Absorber zugesetzt wird.
Bezugs zeichenliste
I Bauplattform
2 3D-Struktur bzw. Bauteil
3 Photoharz
4 Inhibierungszone
5 Bodenplatte
6 vernetzender Lichtstrahl
7 Strahlquelle für vernetzenden Lichtstrahl
8 Strahlquelle für inhibierenden Lichtstrahl
9 inhibierender Lichtstrahl
10 evaneszente Welle
II Einstrahlwinkel > Totalreflexionswinkel
12 bewegliche Lichtleitfaser/Endoskopvorrichtung
13 Auskoppelelement für vernetzende und inhibierende Strahlung
14 Licht streuende oder ablenkende Struktur/Schicht
15 selbstleuchtende Oberfläche
16 transparente Bauplattform
17 Bauplattform für evaneszente Welle
18 transparentes Prägewerkzeug
51 Grundzustand
52 angeregter Zustand
Ti Triplettzustand

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Verringerung der Grenzflächenadhäsion bei der Photopolymerisation, bei dem ein photo- polymerisierbares Material (3) mit erster optischer Strahlung (6) einer ersten Zentralwellenlänge bestrahlt wird, um das photopolymerisierbare
Material (3) durch die Bestrahlung zumindest teilweise auszuhärten,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine dünne Schicht des photopolymerisierbaren Materials (3) an einer Grenzfläche zwischen einem Objekt (1, 5), das in Kontakt mit dem photopoly¬ merisierbaren Material (3) steht, und dem photo¬ polymerisierbaren Material (3) gleichzeitig oder alternierend zur Bestrahlung mit der ersten
optischen Strahlung (6) mit zweiter optischer
Strahlung (9) einer zweiten Zentralwellenlänge bestrahlt wird,
wobei das photopolymerisierbare Material (3) , die zweite Zentralwellenlänge und eine Intensität der zweiten optischen Strahlung (9) so aufeinander abgestimmt gewählt werden, dass das durch die erste optische Strahlung (6) angeregte photopolymerisierbare Material (3) in der dünnen Schicht mit der zweiten optischen Strahlung (9) in einen Zustand gebracht wird, in dem es keine oder eine verrin¬ gerte Photopolymerisation startet.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Objekt (1, 5) zumindest teilweise optisch transparent ist und die Bestrahlung des photo¬ polymerisierbaren Materials (3) mit der ersten optischen Strahlung (6) durch das Objekt (1,
5) und die Grenzfläche hindurch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das photopolymerisierbare Material (3) eine Verbindung oder eine Kombination von Verbindungen zur Initiierung der Photopolymerisation enthält, die durch die erste optische Strahlung (6) angeregt wird, wobei die durch die erste optische Strahlung
(6) angeregte Verbindung oder Kombination von
Verbindungen mit der zweiten optischen Strahlung
(9) in einen Zustand gebracht wird, in dem sie keine Photopolymerisation initiiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das photopolymerisierbare Material (3) eine Verbindung oder eine Kombination von Verbindungen enthält, die durch die zweite optische Strahlung (6) in einen angeregten Zustand gebracht wird, in dem sie die Photopolymerisation inhibiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Intensität der zweiten optischen Strahlung (9) so gewählt wird, dass die an die Grenzfläche angrenzende dünne Schicht des photopolymerisier- baren Materials (3) eine geringere Schichtdicke aufweist als eine Schicht, die durch die Bestrah¬ lung mit der ersten optischen Strahlung (6) zumindest teilweise ausgehärtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung des photopolymerisierbaren Materials (3) mit der ersten optischen Strahlung (6) ortsselektiv erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestrahlung der Grenzfläche zwischen dem Objekt (1, 5) und dem photopolymerisierbaren
Material (3) mit der zweiten optischen Strahlung (9) vollflächig oder zumindest in einer Fläche erfolgt, die die Bestrahlungsfläche der ersten optischen Strahlung (6) einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein zumindest teilweise optisch transparentes Objekt (1, 5) eingesetzt wird, das im Bereich der Grenzfläche eine Licht streuende oder ablenkende Struktur oder Schicht (14) aufweist und die
Bestrahlung mit der zweiten optischen Strahlung (9) über die Licht streuende oder ablenkende Struktur oder Schicht (14) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestrahlung mit der zweiten optischen Strahlung (9) mit einer oder mehreren Lichtquellen (15) erfolgt, die in das Objekt (1, 5) integriert sind .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestrahlung mit der zweiten optischen Strahlung (9) koaxial zur Bestrahlung mit der ersten optischen Strahlung (6) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestrahlung mit der zweiten optischen Strahlung (9) mit einem aufgefächerten Laserstrahl parallel zur Grenzfläche erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass ein zumindest teilweise optisch transparentes Objekt (1, 5) eingesetzt wird, das eine über
Totalreflexion Licht leitende Schicht oder Platte (17) an der Grenzfläche aufweist oder bildet, wobei die zweite optische Strahlung (9) mittels
Totalreflexion in der Licht leitenden Schicht oder Platte (17) geführt wird und die Bestrahlung mit der zweiten optischen Strahlung (9) über eine sich durch die Totalreflexion an der Grenzfläche
ausbildende evaneszente Welle (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12
bei der generativen Fertigung von Bauteilen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem als Objekt eine Bodenplatte (5) oder eine Seitenwand oder eine Abdeckung eines das photopolymerisierbare Material (3) enthaltenden Behältnisses oder eine
Bauplattform (1) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12
bei der Prägung einer Schicht des photo- polymerisierbaren Materials (3) , insbesondere bei der UV-Prägung, wobei das Objekt eine Prägeplatte (18) darstellt.
Anordnung zur generativen Fertigung, die
- ein Aufbaubehältnis für polymerisierbares
Material (3) mit einer zumindest teilweise optisch transparenten Bodenplatte (5) ,
- eine in das Aufbaubehältnis absenkbare
Bauplattform (1), die sich im Aufbaubehältnis verfahren lässt,
- wenigstens eine erste Strahlungsquelle (7), die erste optische Strahlung (6) einer ersten
Zentralwellenlänge emittiert und wenigstens eine zweite Strahlungsquelle (8), die zweite optische Strahlung (9) einer zweiten Zentralwellenlänge emittiert, und
- eine optische Anordnung aufweist, mit der eine Bestrahlung eines in dem Aufbaubehältnis
eingefüllten photopolymerisierbaren Materials (3) durch die Bodenplatte (5) hindurch mit der ersten optischen Strahlung (6) und einer dünnen Schicht des photopolymerisierbaren Materials (3) an einer Grenzfläche zwischen der Bodenplatte (5) und dem photopolymerisierbaren Material (3) mit der zweiten optischen Strahlung (9) erfolgen kann.
Anordnung zur generativen Fertigung, die
- ein Aufbaubehältnis für polymerisierbares
Material (3),
- eine in das Aufbaubehältnis absenkbare
Bauplattform (16) oder einen in das Aufbaubehältnis absenkbaren Belichtungskopf (13), die/der zumindest teilweise optisch transparent ist und sich im
Aufbaubehältnis verfahren lässt,
- wenigstens eine erste Strahlungsquelle (7), die erste optische Strahlung (6) einer ersten Zentralwellenlänge emittiert und wenigstens eine zweite Strahlungsquelle (8), die zweite optische Strahlung (9) einer zweiten Zentralwellenlänge emittiert, und
- eine optische Anordnung aufweist, mit der eine Bestrahlung eines in dem Aufbaubehältnis
eingefüllten photopolymerisierbaren Materials (3) durch die Bauplattform (16) hindurch oder über den Belichtungskopf (13) mit der ersten optischen
Strahlung (6) und einer dünnen Schicht des
photopolymerisierbaren Materials (3) an einer
Grenzfläche zwischen der Bauplattform (1) oder einer Lichtaustrittsfläche des Belichtungskopfes (13) und dem photopolymerisierbaren Material (3) mit der zweiten optischen Strahlung (9) erfolgen kann .
Anordnung zur generativen Fertigung nach Anspruch
16, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bodenplatte (5) eine über Totalreflexion Licht leitende Schicht oder Platte (17) an der Grenzfläche aufweist oder bildet, in die die zweite optische Strahlung (9) eingekoppelt und entlang der Grenzfläche geführt wird.
Anordnung zur generativen Fertigung nach Anspruch
17, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bauplattform (1) oder der Belichtungskopf (13) eine über Totalreflexion Licht leitende
Schicht oder Platte an der Grenzfläche aufweist oder bildet, in die die zweite optische Strahlung (9) eingekoppelt und entlang der Grenzfläche geführt wird.
PCT/EP2016/080751 2015-12-15 2016-12-13 Verfahren und anordnungen zur verringerung der grenzflächenadhäsion bei der photopolymerisation WO2017102700A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015225300.7A DE102015225300A1 (de) 2015-12-15 2015-12-15 Verfahren und Anordnungen zur Verringerung der Grenzflächenadhäsion bei der Photopolymerisation
DE102015225300.7 2015-12-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017102700A1 true WO2017102700A1 (de) 2017-06-22

Family

ID=57796290

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/080751 WO2017102700A1 (de) 2015-12-15 2016-12-13 Verfahren und anordnungen zur verringerung der grenzflächenadhäsion bei der photopolymerisation

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102015225300A1 (de)
WO (1) WO2017102700A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108454100A (zh) * 2018-04-09 2018-08-28 常州轻工职业技术学院 基于全反射原理提高成型效果的光固化成型设备
WO2019214552A1 (zh) * 2018-05-05 2019-11-14 宁波市石生科技有限公司 阻粘元件、三维打印装置及三维打印方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019206367A1 (de) * 2019-05-03 2020-11-05 Audi Ag 3D-Druckvorrichtung zur Photopolymerisation eines photosensitiven Kunstharzes durch ein Belichtungsmuster

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5236326A (en) * 1990-07-05 1993-08-17 E. I. Du Pont De Nemours And Company Solid imaging system using photohardening inhibition

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5971266B2 (ja) * 2014-01-22 2016-08-17 トヨタ自動車株式会社 光造形装置及び光造形方法
US10166725B2 (en) * 2014-09-08 2019-01-01 Holo, Inc. Three dimensional printing adhesion reduction using photoinhibition

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5236326A (en) * 1990-07-05 1993-08-17 E. I. Du Pont De Nemours And Company Solid imaging system using photohardening inhibition

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. FISCHER ET AL.: "Three-dimensional direct laser writing inspired by stimulated-emssion-depletion microscopy", OPTICAL MATERIALS EXPRESS, vol. 1, no. 4, 2011, pages 615 - 624
J.R. TUMBLESTON ET AL.: "Continuous liquid interface production of 3D objects", SCIENCE, vol. 347, no. 6228, 2015, pages 1349 - 1352, XP055247221, DOI: doi:10.1126/science.aaa2397

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108454100A (zh) * 2018-04-09 2018-08-28 常州轻工职业技术学院 基于全反射原理提高成型效果的光固化成型设备
CN108454100B (zh) * 2018-04-09 2024-04-02 常州工业职业技术学院 基于全反射原理提高成型效果的光固化成型设备
WO2019214552A1 (zh) * 2018-05-05 2019-11-14 宁波市石生科技有限公司 阻粘元件、三维打印装置及三维打印方法
US11938678B2 (en) 2018-05-05 2024-03-26 Luxcreo (Beijing) Inc. Adhesion blocking element, three-dimensional printing device, and three-dimensional printing method

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015225300A1 (de) 2017-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3071394B1 (de) Vorrichtung zum verarbeiten von photopolymerisierbarem material zum schichtweisen aufbau eines formkörpers
DE102014108633B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mittels Rapid-Prototyping
DE10111704B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils
EP2083992B1 (de) Kontinuierliches generatives verfahren und vorrichtung zur herstellung eines dreidimensionalen objekts
DE60012667T2 (de) Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen laminierten Gegenstandes aus einer lichthärtenden Flüssigkeit
DE112005001411T5 (de) Systeme und Verfahren zum Herstellen von 3D-Objekten
EP3445567B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur steigerung der anhaftung einer bauteilschicht an einem trägerobjekt
DE102014221480B4 (de) Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Struktur
WO2015075094A1 (de) Vorrichtung zum verarbeiten von photopolymerisierbarem material zum schichtweisen aufbau eines formkörpers
EP3825105A1 (de) Verfahren zur erzeugung eines dreidimensionalen körpers
EP1250997A1 (de) Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
EP3093123B1 (de) Verfahren zum herstellen einer dreidimensionalen struktur
DE102014108634A1 (de) Effizienteres Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mittels Rapid-Prototyping
DE10111422A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers aus einem durch Bestrahlung zu verfestigenden flüssigen Material
Mckee et al. Microfabrication of polymer microneedle arrays using two-photon polymerization
WO2017102700A1 (de) Verfahren und anordnungen zur verringerung der grenzflächenadhäsion bei der photopolymerisation
WO2018114590A1 (de) Verfahren zur herstellung von mikrostrukturen
EP3774284B1 (de) Vorrichtung zur herstellung von 3d-gedruckten wirkstofffreisetzungssystemen mit wirkstoffdepots, sowie verfahren zur herstellung von 3d-gedruckten wirkstofffreisetzungssystemen
DE102010028815A1 (de) Verfahren zum Verkapseln eines Chips
DE10143218A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Drucken 3D-modellierter Objekte
DE102014111559B4 (de) Verfahren zur Herstellung von Schichtenfolgen und Formkörpern aus einer Anzahl von Schichten
DE102018127451A1 (de) Vorrichtung sowie Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils
DE102020124546B4 (de) 3D-Druckverfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines 3D-Bauteils
DE102020126432A1 (de) Verfahren zur herstellung eines bauelements und bauelement
AT510345A2 (de) Struktur-herstellungsverfahren und struktur

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16826013

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16826013

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1