WO2018032022A1 - Verfahren und vorrichtung zur lithographiebasierten generativen fertigung von dreidimensionalen formkörpern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur lithographiebasierten generativen fertigung von dreidimensionalen formkörpern Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for lithography-based generative production of three-dimensional moldings in which solidified by exposure to electromagnetic radiation material is present on an at least partially permeable Materialetzläge, a building platform is positioned at a distance from the Materialaufläge, between the build platform and the material support material is heated and is selectively irradiated and solidified in the heated state by a first radiation source, wherein the electromagnetic radiation is introduced from below through the for the radiation of the first radiation source at least partially permeable material support in the material.
  • the invention further relates to a device for carrying out such a method.
  • lithographic or stereolithographic additive manufacturing photopolymerizable starting material is processed layer by layer to form bodies.
  • the layer information is thereby locally and time selectively transmitted either by an optical mask, a projected image area or by scanning by laser beam on the material to be polymerized.
  • fundamental distinctions are made in the choice of the exposure and structuring methodology: on the one hand, a (dip) basin of a photopolymerizable material can be exposed from above, with the structured object successively immersed in the liquid material during production (SLA), or else it becomes a material reservoir (filled material tray) of illuminated at the bottom through a transparent tank bottom, wherein the object is taken from above from the material bath (DLP, laser stereolithography).
  • SLA liquid material during production
  • DLP laser stereolithography
  • the object is structured layer by layer, whereby the respective distance between the object and the material tray bottom guarantees a high-precision layer thickness.
  • this type of structuring can also be carried out continuously instead of in layers, in which case further special requirements must be imposed on the trough bottom.
  • Novel photopolymer systems for stereolithography processes which allow the production of molded articles with improved material quality, usually have a high viscosity and are therefore difficult to process.
  • the high viscosity makes it difficult, for example, the Materialnachtransport considerably. It is therefore currently desired to use materials whose dynamic viscosity in the processing stage does not exceed the range of a few Pa-s (pascal-seconds).
  • WO 2015/074088 A2 discloses a method in which the heat is supplied by means of an intransparent resistance heating at the edge of the exposure zones.
  • the disadvantage here is that large temperature gradients arise within the material trough, whereby the process control is considerably more difficult or no homogeneous material viscosity can be ensured.
  • WO 2016/078838 A1 discloses a method in which the heating takes place with the aid of a transparent coating of the tank bottom that is electrically conductive over the entire area and heats up in the current-carrying state. Although this succeeds in homogenizing the heating, however, possible heating power limits are reached quickly and temperatures above 60 ° C are difficult to maintain in continuous operation. To make matters worse, certain transparent electrical coatings (indium-tin-oxide, ITO) increasingly absorb visible light wavelengths below 450nm and near ultraviolet light already completely intransparent. However, it is precisely this near UV range that is a prerequisite for efficient stereolithographic processing of plastics. This applies in particular when undyed transparent plastics are to be processed.
  • ITO indium-tin-oxide
  • thermal radiation with infrared rays Another possibility of direct or indirect material heating is conceivable by thermal radiation with infrared rays.
  • An advantage of heating by means of thermal radiation is the at least theoretically possible, high heating power which can be delivered to the material.
  • the natural absorption of at least parts of the infrared spectrum by plastics and photopolymers can represent both the advantage just mentioned but also a decisive disadvantage:
  • a sufficient control of the heating rate, as well as the final temperature of the reactive photopolymer to be heated is difficult to impossible.
  • Penetrating infrared radiation is continuously absorbed by the photopolymer and thereby attenuated. In a material bath, the exposed surface and areas directly below it heat up strongly, while deeper regions remain cooler.
  • the poor thermal conductivity of the liquid starting materials contributes decisively to an inhomogeneous temperature distribution.
  • maintaining the process temperature is a problem again: A thin layer of material cools rapidly to ambient temperature due to its extremely large surface area in relation to its volume (heat conduction to ambient air and convection).
  • the constant infra-red irradiation of this surface which is necessary in this case, can also lead to a very rapid local increase in the layer temperature, as a result of which a temperature inductive effect is also achieved.
  • graced radical polymerization or other damage to the material can take place. Since the photopolymers to be processed also become considerably more reactive as a result of the temperature increase and thus perform individual reaction steps even in the unexposed state, at least a deterioration of the process quality over time is to be assumed.
  • stereolithography machines which perform the structuring process in a kind of furnace, whereby the entire process zone can be heated.
  • this solution is technically feasible, it requires a complex and expensive construction of the stereolithography system and requires high energy consumption during the process.
  • the aim of the present invention is therefore to provide a technical solution which can guarantee a controlled and homogeneous heating of the photopolymer to be processed during the process and which can be implemented as easily as possible in the existing process technology.
  • the invention provides in a method of the type mentioned above, that the heating of the material by irradiation of the material support with electromagnetic radiation of a second radiation source, wherein the Materialaufläge for the radiation of the second radiation source is substantially impermeable.
  • the invention thus provides that two separate radiation sources are used, wherein the first radiation source source of treatment for the polymerization or solidification of the Materialaufläge wetting, solidifiable material ensures and the second radiation source of heating the Materialaufläge serves in the sense of radiant heating.
  • the Materialaufläge is designed for this purpose so that it is transparent to the radiation of the first radiation source, so that the radiation enters the material to be solidified, and that it is substantially impermeable to the radiation of the second radiation source.
  • the radiation of the second radiation source is thus absorbed in the Materialaufläge and there ensures a heating of the Materialaufläge, wherein the material to be solidified is heated indirectly, namely by heat transfer by heat conduction from the Materialaufläge on the material to be solidified.
  • the selective permeability of the material supports is preferably achieved by virtue of the fact that the radiation of the first radiation source comprises a first wavelength range and the radiation of the second radiation source comprises a second wavelength range which differs from the first wavelength range and in particular does not overlap.
  • the radiation of the first radiation source is in the wavelength range of 200-900 nm, in particular 300-400 nm or 400-480 nm
  • the radiation of the second radiation source is in the infrared spectrum, in particular in the wavelength range of 900-15. OOOnm.
  • the Materialaufläge is designed so that it for the radiation of the first radiation source, in particular in the range below 500 nm (blue, violet spectrum) or for radiation of the near to medium UV range in the range 300nm OOnm, transparent or partially transparent.
  • This enables a location-selective and time-selective structuring of the photosensitive material through the material supports, thereby enabling the additive manufacturing process.
  • the selective exposure can take place by means of digital light processing (DLP, area exposure of a slice image), laser (scanning of the image) or other active or passive optical masks.
  • DLP digital light processing
  • laser scanning of the image
  • other active or passive optical masks other active or passive optical masks.
  • the controlled uniform heating of the solidifiable material should also take place mainly by heat conduction from the Materialaufläge on the material itself, whereby a tight-tempered process window can be maintained over a long period of time.
  • an infrared radiation source is preferably used to heat the Materialaufläge.
  • the material coating must then be largely opaque in the spectrum of the incident infrared radiation (> 900 nm) or at least absorb a region of the infrared spectrum between 900 nm and 15000 nm in order to experience significant heating.
  • the material supports used should preferably absorb or filter out as far as possible all areas of the infrared spectrum used for heating, whereby as little or no infrared radiation as possible can pass through and thus reach the photosensitive material itself ,
  • the material supports according to the invention is heated without contact and by radiation-induced energy transfer, it is avoided that the photosensitive (and parts always temperature-labile) starting material is irradiated directly with infrared radiation.
  • This has the Advantage that (in contrast to electrically conductive transparent films - eg ITO coating) high heat outputs can be achieved.
  • the indirect irradiation can preclude early thermally-induced and uncontrolled polymerization of the photosensitive material as a result of its own infrared absorption (and the resulting uncontrolled additional heating). Since the heat transfer between the material support and the photosensitive starting material takes place only via pure heat conduction as far as possible, the maximum temperature of the photosensitive starting material can be regulated very accurately via the temperature of the material supports.
  • a preferred embodiment provides that the radiation of the second radiation source is supplied to the material supports from the direction of the first radiation, so that the material support is heated from below.
  • the largest possible area of the material supports should be irradiated with the aid of the second radiation source, namely in particular at least that region of the material supports which wets the material to be solidified.
  • the radiation of the second radiation source is directed onto the region of the material supports which is transparent to the radiation of the first radiation.
  • the Materialaufläge can for example consist of an infrared-absorbing glass or glass laminate, which meets the above requirements and is optionally provided on the top and / or bottom with special coatings.
  • these coatings can serve the purpose of enhanced infrared reflection.
  • a coating of the material support may be provided, which supports the stereolithography process itself.
  • a coating which facilitates layer separation by reducing surface adhesion such as e.g. be provided a PTFE coating. Reduced pull-off forces can also be achieved with a silicone coating.
  • the radiation source of the second radiation is formed as an infrared radiation source with an emitter annealing temperature between 100 ° C and 5,000 ° C, preferably between 500 ° C and 3,000 ° C.
  • the solidifiable material can be uniformly heated in a simple manner to a temperature of at least 40 ° C.
  • the process according to the invention is particularly useful in the case of solidifiable materials which are at room temperature (20 ° C) have a viscosity of at least 15 Pa-s, preferably at least 20 Pa-s.
  • the inventively achieved heating of the solidifiable material the viscosity is significantly reduced, in particular to a dynamic viscosity of ⁇ 5 Pa-s.
  • a sinterable material e.g., ceramic or metal
  • a viscous photosensitive resin e.g., acrylic or metal
  • the cured polymer acts as a binder.
  • the remaining filler e.g., ceramic powder
  • solidifiable material pure polymers or polymer blends, as well as filled polymers (composites) in question.
  • Filled polymers green bodies
  • an unfilled or filled with filler material in particular ceramic or metal powder, photopolymerizable material is used.
  • the magnitude of the heat flow to the solidifiable material depends on the temperature difference between the material supports and the solidifiable material as well as on the thermal conductivity coefficients of the materials used.
  • the specific heat capacity and thermal conductivity, or the respective heat transfer coefficient of the material support and the solidifiable material are mentioned, and to take into account the total area available for heat exchange.
  • the process control can thus be done either by calculation and accurate knowledge of the heat flows within the system under consideration or simply by temperature measurement of the material Aufläge.
  • the required radiant energy of the second radiation source is controlled by a control system which uses, for example, the temperature of the material tray bottom as a manipulated variable.
  • the temperature measurement itself can be done either by means of temperature sensors in selected areas of the material support or by means of contactless infrared measurement.
  • the layer temperature of the solidifiable material itself can be measured and used as a manipulated variable.
  • the stereolithographic additive structuring process can therefore be performed as long as desired at a precisely defined material temperature.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention provides that the temperature of the material supports and / or the solidifiable material is measured and the radiation power of the second radiation source is regulated as a function of the temperature measured values.
  • the construction process is preferably carried out in layers.
  • the method can be carried out in such a way that shaped body layers are formed one above the other by forming a material layer of predetermined thickness on the material supports and lowering a building platform or the molded body, which is at least partially constructed on the construction platform, into the material layer, so that there is a contact between the construction platform or the building platform in that the molded body and the material supports form a layer to be consolidated of the material, which is solidified by irradiation to form the desired shape of the shaped body layer.
  • the Materialaufläge is preferably formed as the bottom of the solidifiable material receiving tub.
  • the material supports can also be designed as a foil.
  • the described Materialaufläge can also be designed to be movable, if this supports the layer application of the solidifiable material.
  • an apparatus for the lithography-based additive production of three-dimensional moldings, comprising a first radiation source of electromagnetic radiation, a material support permeable to the radiation of the first radiation source for a material which can be solidified by the action of the radiation, a construction platform which in FIG adjustable height is held above the material support, a first radiation source ⁇ sende first irradiation unit, the site-selective Irradiation of located between the build platform and the material support material from below through the material support is controlled, and a heater for heating the material located between the building platform and the material support material, characterized in that the heating device directed to the Materialaufläge second irradiation unit with a second radiation - Guelle electromagnetic radiation comprises and that the Materialaufläge for the radiation of the second Strahlungs guelle is substantially impermeable.
  • a preferred embodiment of the device provides that the radiation of the first radiation source comprises a first wavelength range and the radiation of the second radiation source comprises a second wavelength range which differs from the first wavelength range and in particular does not overlap.
  • the radiation of the first radiation source is, for example, in the wavelength range of 200-900 nm, in particular 300-400 nm or 400-480 nm
  • the radiation of the second radiation source is, for example, in the infrared spectrum, in particular in the wavelength range of 900-15. OOOnm.
  • a further preferred embodiment of the device provides that the second irradiation unit is arranged such that the radiation of the second radiation source is supplied to the material supports from the direction of the first radiation.
  • a preferred embodiment of the device provides that the radiation of the second radiation source on the for the Radiation of the first radiation is directed transparent area of the material Aufläge.
  • a preferred embodiment of the device provides that the material supports bear on the side wetted by the solidifiable material and / or on the side facing away from the solidifiable material a layer which at least partially absorbs the radiation of the second radiation source.
  • a preferred embodiment of the device provides that a temperature sensor for measuring the temperature of the material support and / or the solidifiable material is provided, which cooperates with a control unit for controlling the heating power of the second irradiation unit such that a predetermined temperature of the material Aufläge or the solidifiable material can be reached and / or held.
  • a layered structure of the molded body is preferably achieved in that a control unit cooperating with the first irradiation unit is prepared to solidify superimposed layers on the construction platform in each case with predetermined geometry by controlling the first irradiation unit and after each irradiation step for one layer the relative position To adapt the building platform to the bottom of the tub so as to successively build the shaped body in the desired shape.
  • a movably guided doctor blade and a drive unit are provided for moving the doctor back and forth under the construction platform in order to move between two irradiation chambers.
  • FIG. 1 to 3 show schematic lateral sectional views of a device according to the invention in successive phases of the process sequence
  • FIG. 4 shows the layer structure of the trough bottom.
  • FIGS. 1 to 3 show, with the exception of the heating of the solidifiable material, a device known per se from EP 2505341 A1.
  • the device located in air or another gas atmosphere has a trough 1, the trough bottom 2 of which forms a material support and is transparent or translucent at least in a partial region 3.
  • This subregion 3 of the trough bottom detects at least the extension of a first irradiation or exposure unit 4, which is arranged below the trough bottom 2.
  • the exposure unit 4 has a first Lichtguelle not shown in detail and a light modulator, with which the intensity can be controlled by a control unit and set location-selective to generate a Be ⁇ lichtungsfeld with the desired for the current layer to be formed geometry on the tub bottom 2 ,
  • a laser may also be used whose light beam is controlled by a movable mirror controlled by a control unit is scanned, the exposure field with the desired intensity pattern successively.
  • a building platform 5 is provided above the tub 1, which is supported by a lifting mechanism, not shown, so that it is held in a height-adjustable manner above the tub bottom 2 in the area above the exposure unit 4.
  • the build platform 5 can also be transparent or translucent.
  • the material level 7 of the bath is defined by a suitable element, such as a doctor blade, which uniformly distributes the material in a certain material layer thickness a onto the tub bottom 2 bulk.
  • the tray 1 may for example be associated with a guide rail on which a carriage is guided displaceably in the direction of the double arrow 8.
  • a drive provides for the reciprocation of the carriage, which has a holder for a squeegee.
  • the holder has, for example, a guide and an adjusting device in order to adjust the doctor in the direction of the double arrow 9 in the vertical direction.
  • the distance of the lower edge of the doctor from the bottom 2 of the tub 1 can be adjusted.
  • the doctor blade is used when the construction platform is in the raised state as shown in FIG. 1 and serves to distribute the material 6 evenly while setting a predetermined layer thickness.
  • the resulting in the material distribution process layer thickness of the material 6 is by the distance of the lower edge of the doctor from the bottom 2 of Well 1, and defined by the crossing speed of the squeegee.
  • the resulting material layer thickness a is greater than the shaped body layer thickness b (FIG. 2).
  • the procedure is as follows. As shown in FIG. 2, the building platform 5, on which mold-body layers 10 ', 10' 'and 10' '' which form the shaped body 11 have already been formed, is lowered in a controlled manner by the lifting mechanism, so that the underside of the lowest mold body layer 10 '' 'the surface of the material bath 6 is first touched with height a, then immersed and the tub bottom 2 approaches so far that exactly the desired shape body layer thickness b remains between the bottom of the bottom mold body layer 10' '' and the tub bottom 2.
  • a heating of the material 6 is provided according to the invention, for which purpose one, preferably two, second radiation source (s) 12 (see FIG. 1) is arranged below the tub 1 or are, whose radiation is directed to the tub bottom 2.
  • second radiation source (s) 12 see FIG. 1
  • the at least one second radiation source 12 may be arranged next to or above the first exposure unit 4.
  • the radiation, in particular infrared radiation of the second radiation source 12 now causes a uniform Heating the trough bottom 2, where it is largely absorbed by this.
  • the photosensitive material 6 itself is heated only partially or not at all by residues of the infrared radiation passing through the trough bottom 2. These possibly occurring "radiation residues" can occur both in the form of individual IR spectral regions or else in the form of a strongly attenuated overall spectrum, but in the ideal case no longer lead to significant heating of the photosensitive material 6.
  • the relevant heating of the photosensitive material 6 takes place Therefore, directly via heat conduction between the tub bottom 2 and the photosensitive material 6 itself, of course, the higher-tempered trough bottom 2 gives off heat to the photosensitive material 6.
  • FIG. 4 shows an example of a possible layer structure of the trough bottom 2.
  • the base of the vat bottom 2 forms a semi-transparent plate 13 which has a largely transparent largely non-transparent for Strah ⁇ development of the second radiation source, in particular radiation of the infrared spectrum and for radiation of the light used for patterning of the photosensitive Mate ⁇ rials.
  • suitable materials for this partially transparent plate include special optical glasses (heat shield glasses, short-pass filters, etc.).
  • a silicone layer 14 defi ned ⁇ thickness may now be applied to the peel forces occurring during the construction process additi ⁇ ven adorn upon separation of the cured layers 10 from the tank bottom 2 to redu ⁇ .
  • a FEP or PTFE coating 15 or film may be placed on ⁇ 15 on this silicon layer 14 to the peel forces re- mentioned further turn.
  • further films may be incorporated into such a laminate to produce, for example, additional optical filter characteristics, or to enhance best ⁇ rising filter effects.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur lithographiebasierten generativen Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern (11), bei dem durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbares Material (6) auf einer zumindest bereichsweise durchlässigen Materialauflage vorliegt, eine Bauplattform (5) in Abstand von der Materialauflage positioniert wird, zwischen der Bauplattform (5) und der Materialauflage befindliches Material (6) erwärmt wird und im erwärmten Zustand ortsselektiv von einer ersten Strahlungsquelle bestrahlt und verfestigt wird, wobei die elektromagnetische Strahlung von unten durch die für die Strahlung der ersten Strahlungsquelle zumindest bereichsweise durchlässige Materialauflage in das Material (6) eingebracht wird, erfolgt die Erwärmung des Materials (6) durch Bestrahlung der Materialauflage mit elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Strahlungsquelle (12), wobei die Materialauflage für die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle (12) im Wesentlichen undurchlässig ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur lithographiebasierten generativen Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lithographiebasierten generativen Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern, bei dem durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbares Material auf einer zumindest bereichsweise durchlässigen Materialaufläge vorliegt, eine Bauplattform in Abstand von der Materialaufläge positioniert wird, zwischen der Bauplattform und der Materialauflage befindliches Material erwärmt wird und im erwärmten Zustand ortsselektiv von einer ersten Strahlungsquelle bestrahlt und verfestigt wird, wobei die elektromagnetische Strahlung von unten durch die für die Strahlung der ersten Strahlungsquelle zumindest bereichsweise durchlässige Materialauflage in das Material eingebracht wird.
Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
In der lithographischen oder stereolithographischen additiven Fertigung wird photopolymerisierbares Ausgangsmaterial schichtweise zu Formkörpern verarbeitet. Die SchichtInformation wird dabei orts- und zeitselektiv entweder durch eine optische Maske, eine projizierte Bildfläche oder durch Rastern mittels Laserstrahls auf das zu polymerisierende Material übertragen. Hierbei kommt es zu grundlegenden Unterscheidungen in der Wahl der Belichtungs- und Strukturie- rungsmethodik : Es kann einerseits ein (Tauch) Becken eines photopolymerisierbaren Materials von oben belichtet werden, wobei das strukturierte Objekt während der Herstellung sukzessive in das flüssige Material eintaucht (SLA), oder aber es wird ein Materialreservoir (gefüllte Materialwanne) von unten durch einen transparenten Wannenboden hindurch belichtet, wobei das Objekt von oben aus dem Materialbad entnommen wird (DLP, Laser-Stereolithographie) . In letzterem Fall wird das Objekt Schicht für Schicht strukturiert, wobei der jeweilige Abstand zwischen Objekt und Materialwannenboden eine hochpräzise Schichtdicke garantiert. In neuartigen Verfahren kann diese Art der Strukturierung statt schichtweise auch kontinuierlich erfolgen, wobei dann noch weitere spezielle Anforderungen an den Wannenboden gestellt werden müssen.
Allen genannten Prozessmethoden gemein ist die hohe geometrische Qualität der additiv strukturierten Erzeugnisse. Für technische Anwendungen, aber auch im Bereich von End-User Produkten ist neben der geometrischen Qualität eines Objekts zusätzlich auch dessen Materialqualität entscheidend. Bei additiv verarbeiteten Kunststoffen äußern sich bekannte Defizite vor allem bei der Temperaturfestigkeit (starker Verlust der Steifigkeit/E-Modul bei Temperaturerhöhung meist bereits ab 40-50°C) bzw. der Zähigkeit (Schlagzähigkeit/ Widerstand gegen fatalen Bruch oder Riss) bei Umgebungstemperatur .
Neuartige Photopolymersysteme für Stereolithographieprozesse, welche die Fertigung von Formkörpern mit verbesserter Materialqualität erlauben, weisen in der Regel eine hohe Viskosität auf und sind deshalb schwer zu verarbeiten. Die hohe Viskosität erschwert beispielsweise den Materialnachtransport erheblich. Es wird daher aktuell danach gestrebt, Materialien zu verwenden, deren dynamische Viskosität im Verarbeitungsstadium den Bereich von einigen Pa -s (Pascal- Sekunden) nicht übersteigt. Um dennoch Materialien mit höherer Viskosität zu verarbeiten, ist bereits vorgeschlagen worden, die Prozessführung bei erhöhter Temperatur vorzunehmen. Bereits bei einer geringen Erhöhung der Prozesstemperatur gegenüber normaler Raumtemperatur (20°C) vermindert sich die Viskosität der allermeisten Photopolymere deutlich. Es wird dadurch eine erhebliche Vergrößerung der zur Auswahl stehenden Ausgangspolymersubstanzen erreicht, welche im Weiteren zu neuartigen 3D-Druckmaterialien führen können.
Die Art der Prozessbeheizung im Stereolithographie-Bereich stellt vor allem bei der Prozessführung der von unten belichteten Materialwanne eine Herausforderung dar, wenn eine gleichmäßige Erwärmung des Wanneninhalts erreicht werden soll. In der WO 2015/074088 A2 ist ein Verfahren offenbart, bei dem die Wärmezufuhr mit Hilfe einer intransparenten Widerstandsheizung am Rand der Belichtungszonen erfolgt. Nachteilig ist hierbei, dass große Temperaturgradienten innerhalb der Materialwanne entstehen, wodurch die Prozesskontrolle erheblich erschwert wird bzw. keine homogene Materialviskosität gewährleistet werden kann.
In der WO 2016/078838 AI ist ein Verfahren offenbart, bei dem die Beheizung mit Hilfe einer transparenten, vollflächig elektrisch leitfähigen, sich im stromdurchflossen Zustand erwärmenden Beschichtung des Wannenbodens erfolgt. Damit gelingt zwar eine Homogenisierung der Erwärmung, jedoch sind mögliche Heizleistungsgrenzen rasch erreicht und Temperaturen über 60 °C sind nur schwer im Dauerbetrieb aufrecht zu erhalten. Erschwerend kommt hinzu, dass bestimmte transparente elektrische Beschichtungen (Indium-Zinnoxid, ITO) Wellenlängen des sichtbaren Lichts unterhalb von 450nm zunehmend absorbieren und im Bereich des nahen UV-Lichts bereits vollständig intransparent werden. Gerade dieser nahe UV-Bereich ist allerdings Voraussetzung für eine effiziente stereolithographische Verarbeitung von Kunststoffen. Insbesondere gilt dies, wenn ungefärbte transparente Kunststoffe verarbeitet werden sollen.
Eine weitere Möglichkeit der direkten oder indirekten Materialerwärmung ist durch Wärmestrahlung mit Infrarotstrahlen denkbar. Ein Vorteil der Beheizung mittels Wärmestrahlung ist die zumindest theoretisch mögliche, hohe Heizleistung welche an das Material abgegeben werden kann. Die natürliche Absorption von zumindest Teilen des infraroten Spektrums durch Kunststoffe und Photopolymere kann hier sowohl den eben genannten Vorteil, aber auch einen entscheidenden Nachteil darstellen: Eine hinreichende Kontrolle der Heizrate, sowie der finalen Temperatur des zu erwärmenden reaktiven Photopolymers ist dadurch schwierig bis unmöglich. Eindringende Infrarotstrahlung wird kontinuierlich durch das Photopolymer absorbiert und dadurch abgeschwächt . In einem Materialbad erwärmen sich dadurch die bestrahlte Oberfläche und direkt darunterliegende Bereiche stark, während tiefere Regionen kühler bleiben. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit der flüssigen Ausgangsstoffe trägt hierbei entscheidend zu einer inhomogenen Temperaturverteilung bei. Im Falle der Beheizung einer dünnen Polymerschicht durch Infrarotstrahlung ist nun wiederum das Aufrechthalten der Prozesstemperatur ein Problem: Eine dünne Materialschicht kühlt durch ihre extrem große Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen schnell auf Umgebungstemperatur ab (Wärmeleitung an Umgebungsluft und Konvektion) . Die dadurch notwendige ständige Infrarotbestrahlung dieser Oberfläche kann nun aber auch zu einer sehr schnellen lokalen Erhöhung der Schichttemperatur führen, wodurch auch eine temperaturindu- zierte radikalische Polymerisation oder sonstige Schädigung des Materials erfolgen kann. Da die zu verarbeitenden Photopolymere durch den Temperaturanstieg auch wesentlich reaktiver werden und dadurch bereits im unbelichteten Zustand einzelne Reaktionsschritte ausführen, ist zumindest von einer Verschlechterung der Prozessqualität über die Zeit auszugehen.
Ebenfalls bekannt sind Varianten von Stereolithographie- Maschinen, welche den Strukturierungsprozess in einer Art Ofen durchführen, wodurch die gesamte Prozesszone beheizt werden kann. Obwohl diese Lösung technisch umsetzbar ist, erfordert sie eine aufwendige und kostenintensive Konstruktion der Stereolithographieanlage und bedingt einen hohen Energieverbrauch während des Prozesses.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine technische Lösung zu bieten, welche eine kontrollierte und homogene Erwärmung des zu verarbeitenden Photopolymers während des Prozesses garantieren kann und welche möglichst leicht in die bestehende Prozesstechnologie implementiert werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannte Art im Wesentlichen vor, dass die Erwärmung des Materials durch Bestrahlung der Materialauflage mit elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Strahlungsquelle erfolgt, wobei die Materialaufläge für die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle im Wesentlichen undurchlässig ist.
Die Erfindung sieht somit vor, dass zwei gesonderte Strahlungsquellen zum Einsatz kommen, wobei die erste Strah- lungsquelle für die Polymerisation bzw. Verfestigung des die Materialaufläge benetzenden, verfestigbaren Materials sorgt und die zweite Strahlungsquelle der Erwärmung der Materialaufläge im Sinne einer Strahlungsheizung dient. Die Materialaufläge ist zu diesem Zweck derart ausgebildet, dass sie für die Strahlung der ersten Strahlungsquelle transparent ist, damit die Strahlung in das zu verfestigenden Material gelangt, und dass sie für die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle im Wesentlichen undurchlässig ist. Die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle wird somit in der Materialaufläge absorbiert und sorgt dort für eine Erwärmung der Materialaufläge , wobei das zu verfestigende Material indirekt, nämlich durch Wärmeübertragung durch Wärmeleitung von der Materialaufläge auf das zu verfestigende Material erwärmt wird.
Die selektive Durchlässigkeit der Materialaufläge wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Strahlung der ersten Strahlungsquelle einen ersten Wellenlängenbereich und die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle einen zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, insbesondere nicht überlappenden, Wellenlängenbereich umfasst.
Insbesondere liegt die Strahlung der ersten Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich von 200-900nm, insbesondere 300- 400nm oder 400-480nm, und die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle liegt im infraroten Spektrum, insbesondere im Wellenlängenbereich von 900-15. OOOnm.
Die Materialaufläge ist dabei so konzipiert, dass sie für die Strahlung der ersten Strahlungsquelle, insbesondere im Bereich unter 500nm (blaues, violettes Spektrum) bzw. für Strahlung des nahen bis mittleren UV-Bereichs im Bereich 300nm- OOnm, transparent oder teiltransparent ist. Dies ermöglicht eine orts- und zeitselektive Strukturierung des photosensitiven Materials durch die Materialaufläge hindurch und ermöglicht dadurch den additiven Herstellungspro- zess. Die selektive Belichtung kann dabei mittels digital light processing (DLP, Flächenbelichtung eines Schichtbildes), Laser (Abrastern des Bildes) oder anderer aktiver oder passiver optischer Masken stattfinden.
Die kontrollierte gleichmäßige Erwärmung des verfestigbaren Materials soll darüber hinaus hauptsächlich durch Wärmeleitung von der Materialaufläge auf das Material selbst stattfinden, wodurch ein eng temperiertes Prozessfenster auch über längere Zeit hinweg aufrechterhalten werden kann. Hierbei wird bevorzugt eine InfrarotStrahlungsquelle benutzt, um die Materialaufläge zu erwärmen. Die Materialauflage muss dann im Spektrum der eintreffenden Infrarotstrahlung weitestgehend intransparent sein (>900nm) oder zumindest einen Bereich des InfrarotSpektrums zwischen 900nm und 15000nm absorbieren, um eine signifikante Erwärmung zu erfahren. Um die im Stand der Technik beschriebenen Probleme der Temperaturkontrolle des photosensitiven Materials zu umgehen, sollte die eingesetzte Materialaufläge bevorzugt möglichst alle Bereiche des zur Erwärmung eingesetzten Infrarotspektrums absorbieren bzw. herausfiltern, wodurch möglichst wenig oder gar keine Infrarotstrahlung passieren und somit das photosensitive Material selbst erreichen kann.
Dadurch, dass die Materialaufläge erfindungsgemäß berührungslos und durch strahlungsinduzierte Energieübertragung erwärmt wird, wird vermieden, dass das photosensitive (und zu Teilen auch stets temperaturlabile) Ausgangsmaterial direkt mit Infrarotstrahlung bestrahlt wird. Dies hat den Vorteil, dass (im Gegensatz zu elektrisch leitenden transparenten Folien - z.B. ITO Beschichtung) hohe Heizleistungen erreicht werden können. Im Weiteren kann durch die indirekte Bestrahlung eine frühzeitige thermisch indizierte und unkontrollierte Polymerisation des photosensitiven Materials in Folge eigener Infrarotabsorption (und dadurch entstehender unkontrollierter zusätzlicher Erwärmung) ausgeschlossen werden. Da der Wärmeübergang zwischen der Materialauflage und dem photosensitiven Ausgangsmaterial möglichst nur über reine Wärmeleitung erfolgt, kann die Maximaltemperatur des photosensitiven Ausgangsmaterials sehr genau über die Temperatur der Materialaufläge geregelt werden. Dies funktioniert umso besser, je dünner die dem Pro- zess zugeführten Schichten des Ausgangsmaterials sind. Darüber hinaus führt der Verzicht von intransparenten Widerstandsheizelementen (welche nur außerhalb der eigentlichen Belichtungszone eingesetzt werden können) vor allem auch dazu, dass eine homogene Prozesstemperatur über das gesamte Baufeld bzw. die gesamte Materialaufläge hinweg eingestellt und gehalten werden kann.
Eine bevorzuge Ausbildung sieht vor, dass die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle der Materialaufläge aus der Richtung der ersten Strahlung zugeführt wird, sodass die Materialauflage von unten erwärmt wird.
Um eine gleichmäßige Erwärmung der Materialaufläge über eine möglichst große Fläche zu erreichen, soll ein möglichst großer Flächenbereich der Materialaufläge mit Hilfe der zweiten Strahlungsquelle bestrahlt werden, nämlich insbesondere mindestens jener Bereich der Materialaufläge, den das zu verfestigende Material benetzt. Eine weitere bevorzugte Verfahrensweise sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle auf den für die Strahlung der ersten Strahlung transparenten Bereich der Materialaufläge gerichtet wird.
Die Materialaufläge kann beispielsweise aus einem infrarotabsorbierenden Glas oder Glaslaminat bestehen, welches die oben genannten Anforderungen erfüllt und gegebenenfalls an Ober- und/oder Unterseite mit speziellen Beschichtungen versehen ist. Diese Beschichtungen können beispielsweise dem Zweck einer verstärkten Infrarotreflexion dienen.
In bevorzugter Weise kann eine Beschichtung der Materialauflage vorgesehen sein, die den Stereolithogaphieprozess an sich unterstützt. Beispielsweise kann eine die Schichtabtrennung durch Reduzierung der Oberflächenhaftung erleichternde Beschichtung, wie z.B. eine PTFE-Beschichtung vorgesehen sein. Reduzierte Abzugskräfte können darüber hinaus auch durch eine Silikonbeschichtung erreicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Strahlungsquelle der zweiten Strahlung als Infrarotstrahlungsquelle mit einer Emitter-Glühtemperatur zwischen 100°C und 5.000°C, vorzugsweise zwischen 500°C und 3.000°C, ausgebildet.
Bevorzugt erfolgt die Bestrahlung der Materialaufläge mit der elektromagnetischen Strahlung der zweiten Strahlungsquelle zur Erwärmung der Materialaufläge auf eine Temperatur von 40°C-300°C, vorzugsweise 40°C-150°C. Dadurch kann das verfestigbare Material in einfacher Weise gleichmäßig auf eine Temperatur von mindestens 40 °C erwärmt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt besonders bei verfestigbaren Materialien zum Tragen, die bei Raumtemperatur (20°C) eine Viskosität von mindestens 15 Pa-s, vorzugsweise mindestens 20 Pa-s aufweisen. Durch die erfindungsgemäß erreichte Erwärmung des verfestigbaren Materials wird die Viskosität deutlich abgesenkt, insbesondere auf eine dynamische Viskosität von < 5 Pa-s.
Mit einer hohen Viskosität des Ausgangsmaterials ist man insbesondere bei der Verarbeitung von gefüllten verfestigbaren Materialien (Schlicker) konfrontiert. Hierbei wird ein sinterfähiges Material (z.B. Keramik oder Metall) in Pulverform einem zähflüssigen, lichtempfindlichen Kunstharz beigemengt. Beim Aushärten wirkt das ausgehärtete Polymer als Binder. Nachdem der Aufbau des Formkörpers beendet ist, kann das ausgehärtete Polymer thermisch entfernt und danach das übergebliebene Füllmaterial (z.B. Keramikpulver) zu einer festen Struktur zusammengesintert werden. Dieses Verfahren erlaubt es, alle Vorteile der generativen Fertigung auch für Materialien zu nützen, die grundsätzlich nicht für diese Verfahren geeignet wären. Der Füllgrad, d.h. der Anteil an Pulver im Schlicker, ist hierbei einer der wichtigsten Faktoren bezüglich Verarbeitbarkeit und Materialqualität .
Allgemein kommen als verfestigbares Material reine Polymere oder Polymergemische, sowie gefüllte Polymere (Komposite) in Frage. Gefüllte Polymere (Grünkörper), welche als Ausgangsobjekte zur Fertigung von keramischen oder metallischen Erzeugungen dienen, sind dabei ebenfalls erfasst. Vorzugsweise kommt ein ungefülltes oder mit Füllmaterial, insbesondere Keramik- oder Metallpulver, gefülltes photopolyme- risierbares Material zum Einsatz. Die Größe des Wärmestroms an das verfestigbare Material hängt vom Temperaturunterschied zwischen der Materialaufläge und dem verfestigbaren Material sowie von den Wärmelei- tungskennzahlen der eingesetzten Materialien ab. Hierbei sind die spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit, bzw. der jeweilige Wärmeübergangskoeffizient der Materialauflage sowie des verfestigbaren Materials zu nennen, sowie die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Gesamtfläche zu berücksichtigen. Bei der Beheizung von dünnen Schichten des verfestigbaren Materials ist zudem von einer raschen weitest gehenden Angleichung an die Temperatur der Materialauflage auszugehen. Die Prozesskontrolle kann demzufolge entweder durch Berechnung und genaue Kenntnis der Wärmeströme innerhalb des betrachteten Systems oder einfacher durch Temperaturmessung der Materialaufläge erfolgen. Die benötigte Strahlungsenergie der zweiten Strahlungsquelle wird durch ein Regelsystem gesteuert, welches beispielsweise die Temperatur des Materialwannenbodens als Stellgröße benutzt. Die Temperaturmessung selbst kann entweder mittels Temperatursensoren in ausgewählten Bereichen der Materialauflage oder mittels kontaktloser Infrarotmessung erfolgen. Ebenso kann die Schichttemperatur des verfestigbaren Materials selbst gemessen werden und als Stellgröße dienen. Der stereolithographische additive Strukturierungsprozess kann demzufolge beliebig lang bei genau definierter Materialtemperatur geführt werden.
Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die Temperatur der Materialaufläge und/oder des verfestigbaren Materials gemessen wird und die Strahlungsleistung der zweiten Strahlungsquelle in Abhängigkeit von den Temperaturmesswerten geregelt wird. Wie bereits erwähnt, wird der Bauprozess in bevorzugter Weise schichtweise vorgenommen. Das Verfahren kann hierbei so durchgeführt werden, dass nacheinander Formkörperschichten übereinander ausgebildet werden, indem jeweils auf der Materialaufläge eine Materialschicht vorgegebener Dicke ausgebildet wird und eine Bauplattform oder der an der Bauplattform zumindest teilweise aufgebaute Formkörper in die Materialschicht abgesenkt wird, sodass sich zwischen der Bauplattform bzw. dem Formkörper und der Materialaufläge eine zu verfestigende Schicht des Materials ausbildet, die durch Bestrahlung zur Ausbildung der gewünschten Form der Formkörperschicht verfestigt wird.
Die Materialaufläge ist bevorzugt als Boden einer das verfestigbare Material aufnehmenden Wanne ausgebildet. Alternativ kann die Materialaufläge auch als Folie ausgeführt sein .
Die beschriebene Materialaufläge kann zudem auch beweglich ausgeführt sein, falls dies den Schichtauftrag des verfestigbaren Materials unterstützt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur lithographiebasierten generativen Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern vorgesehen, umfassend eine erste Strahlungsquelle elektromagnetischer Strahlung, eine zumindest bereichsweise für die Strahlung der ersten Strahlungsquelle durchlässige Materialaufläge für ein durch Einwirkung der Strahlung verfestigbares Material, eine Bauplattform, die in einstellbarer Höhe über der Materialauflage gehalten ist, eine die erste Strahlungsquelle umfas¬ sende erste Bestrahlungseinheit, die zur ortsselektiven Bestrahlung von zwischen der Bauplattform und der Materialauflage befindlichen Materials von unten durch die Materialauflage ansteuerbar ist, und eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des zwischen der Bauplattform und der Materialauflage befindlichen Materials, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung eine auf die Materialaufläge gerichtete zweite Bestrahlungseinheit mit einer zweiten Strahlungs- guelle elektromagnetischer Strahlung umfasst und dass die Materialaufläge für die Strahlung der zweiten Strahlungs- guelle im Wesentlichen undurchlässig ist.
Eine bevorzugte Ausbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die Strahlung der ersten Strahlungsquelle einen ersten Wellenlängenbereich und die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle einen zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, insbesondere nicht überlappenden, Wellenlängenbereich umfasst.
Die Strahlung der ersten Strahlungsquelle liegt beispielsweise im Wellenlängenbereich von 200-900nm, insbesondere 300-400nm oder 400-480nm, und die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle liegt beispielsweise im infraroten Spektrum, insbesondere im Wellenlängenbereich von 900-15. OOOnm.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die zweite Bestrahlungseinheit derart angeordnet ist, dass die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle der Materialaufläge aus der Richtung der ersten Strahlung zugeführt ist.
Eine bevorzugte Ausbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle auf den für die Strahlung der ersten Strahlung transparenten Bereich der Materialaufläge gerichtet ist.
Eine bevorzugte Ausbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die Materialaufläge auf der vom verfestigbaren Material benetzten Seite und/oder auf der dem verfestigbaren Material abgewandten Seite eine die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle zumindest teilweise absorbierende Schicht trägt .
Eine bevorzugte Ausbildung der Vorrichtung sieht vor, dass ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Materialauflage und/oder des verfestigbaren Material vorgesehen ist, der mit einer Steuereinheit zur Regelung der Heizleistung der zweiten Bestrahlungseinheit derart zusammenwirkt, dass eine vorgegebene Temperatur der Materialaufläge oder des verfestigbaren Materials erreicht und/oder gehalten werden kann.
Ein schichtweiser Aufbau des Formkörpers wird bevorzugt dadurch erreicht, dass eine mit der ersten Bestrahlungseinheit zusammenwirkende Steuereinheit dazu vorbereitet ist, in aufeinanderfolgenden Bestrahlungsschritten übereinanderliegende Schichten auf der Bauplattform jeweils mit vorgegebener Geometrie durch Steuerung der ersten Bestrahlungseinheit zu verfestigen und nach jedem Bestrahlungsschritt für eine Schicht die Relativposition der Bauplattform zum Wannenboden anzupassen, um so sukzessive den Formkörper in der gewünschten Form aufzubauen.
Bevorzugt sind eine bewegbar geführte Rakel und eine Antriebseinheit zum Hin- und Herbewegen der Rakel unter der Bauplattform hindurch vorgesehen, um zwischen zwei Bestrah- lungsschritten jeweils eine Schicht vorgegebener Dicke des verfestigbaren Materials auszubilden, oder aber es ist die gesamte Materialaufläge bewegbar gegenüber einer stehenden Rakel-/Beschichtungseinheit ausgeführt .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 bis 3 schematische seitliche Schnittansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in aufeinanderfolgenden Phasen des Verfahrensablaufs und Fig. 4 den Schichtaufbau des Wannenbodens.
Die Funktionsweise einer Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben, welche mit Ausnahme der Beheizung des verfestigbaren Materials eine für sich gesehen bereits aus der EP 2505341 AI bekannte Vorrichtung zeigen. Die in Luft oder einer anderen Gasatmosphäre befindliche Vorrichtung weist eine Wanne 1 auf, deren Wannenboden 2 eine Materialaufläge bildet und zumindest in einem Teilbereich 3 durchsichtig oder durchscheinend ist. Dieser Teilbereich 3 des Wannenbodens erfasst zumindest die Ausdehnung einer ersten Bestrahlungs- bzw. Belichtungseinheit 4, die unter dem Wannenboden 2 angeordnet ist. Die Belichtungseinheit 4 weist eine nicht näher dargestellte erste Lichtguelle und einen Lichtmodulator auf, mit dem die Intensität von einer Steuereinheit gesteuert und ortsselektiv eingestellt werden kann, um ein Be¬ lichtungsfeld mit der für die momentan zu bildende Schicht gewünschten Geometrie an dem Wannenboden 2 zu erzeugen. Alternativ kann in der ersten Belichtungseinheit auch ein Laser verwendet werden, dessen Lichtstrahl über einen beweglichen Spiegel, der von einer Steuereinheit gesteuert wird, das Belichtungsfeld mit dem gewünschten Intensitätsmuster sukzessive abtastet.
Der ersten Belichtungseinheit 4 gegenüber ist über der Wanne 1 eine Bauplattform 5 vorgesehen, die von einem nicht dargestellten Hubmechanismus getragen wird, so dass sie in höhenverstellbarer Weise über dem Wannenboden 2 im Bereich über der Belichtungseinheit 4 gehalten wird. Die Bauplattform 5 kann ebenfalls durchsichtig oder durchscheinend sein .
In der Wanne 1 befindet sich ein Bad aus durch Strahlungseinwirkung verfestigbarem, insbesondere photopolymerisier- barem Material 6. Der Materialspiegel 7 des Bades wird durch ein geeignetes Element definiert, wie z.B. eine Rakel, welche das Material in einer bestimmten Materialschichtdicke a gleichmäßig auf den Wannenboden 2 aufträgt. Der Wanne 1 kann beispielsweise eine Führungsschiene zugeordnet sein, auf der ein Schlitten in Richtung des Doppelpfeils 8 verschieblich geführt ist. Ein Antrieb sorgt für die Hin- und Herbewegung des Schlittens, der eine Halterung für eine Rakel aufweist. Die Halterung weist beispielsweise eine Führung und eine Versteileinrichtung auf, um die Rakel in Richtung des Doppelpfeils 9 in Höhenrichtung zu verstellen. Damit kann der Abstand der Unterkante der Rakel vom Boden 2 der Wanne 1 eingestellt werden. Die Rakel kommt zum Einsatz, wenn sich die Bauplattform wie in Fig. 1 dargestellt im angehobenen Zustand befindet, und dient dazu, das Material 6 gleichmäßig unter Einstellung einer vorgegebenen Schichtdicke zu verteilen. Die sich beim Materialverteilungsvorgang ergebende Schichtdicke des Materials 6 ist durch den Abstand der Unterkante der Rakel vom Boden 2 der Wanne 1, sowie durch die Überfahrtgeschwindigkeit der Rakel definiert .
Die so entstandene Materialschichtdicke a ist dabei größer als die Formkörperschichtdicke b (Fig. 2). Zur Definition einer Schicht aus photopolymerisierbarem Material wird in folgender Weise vorgegangen. Die Bauplattform 5, an der bereits Formkörperschichten 10', 10'' und 10''', die den Formkörper 11 bilden, ausgebildet wurden, wird, wie in Fig. 2 dargestellt, durch den Hubmechanismus in gesteuerter Weise abgesenkt, sodass die Unterseite der untersten Formkörperschicht 10''' die Oberfläche des Materialbads 6 mit Höhe a zunächst berührt, dann eintaucht und sich dem Wannenboden 2 soweit nähert, dass zwischen der Unterseite der untersten Formkörperschicht 10''' und dem Wannenboden 2 genau die gewünschte Formkörperschichtdicke b verbleibt. Während dieses Eintauchvorgangs wird photopolymerisierbares Material aus dem Zwischenraum zwischen der Unterseite der Bauplattform 5 und dem Wannenboden 2 verdrängt. Sobald sich die Formkörperschichtdicke b eingestellt hat, erfolgt die für diese Formkörperschicht spezifische ortsselektive Belichtung, um die Formkörperschicht 10'''' in der gewünschten Form zu verfestigen. Nach der Bildung der Formkörperschicht 10' ' ' ' wird die Bauplattform 5 mittels des Hubmechanismus wieder angehoben, was den in Fig. 3 gezeigten Zustand herbeiführt. Das photopolymerisierbare Material 6 ist im belichteten Bereich nicht mehr vorhanden.
Diese Schritte werden nachfolgend mehrfach wiederholt, um weitere Formkörperschichten 10 aus photopolymerisierbarem Material zu erhalten. Der Abstand der Unterseite der zuletzt gebildeten Formkörperschicht 10 zum Wannenboden 2 wird auf die gewünschte Formkörperschichtdicke b einge- stellt und daraufhin das photopolymerisierbare Material in der gewünschten Weise ortsselektiv ausgehärtet.
Nach Anheben der Bauplattform 5 nach einem Belichtungsschritt liegt im belichteten Bereich ein Materialdefizit vor, wie in Fig. 3 angedeutet. Dies ist dadurch bedingt, dass nach Verfestigung der eingestellten Schicht mit der Dicke a das Material aus dieser Schicht verfestigt und mit der Bauplattform 5 und dem daran bereits gebildeten Teil des Formkörpers angehoben wird. Das damit fehlende photopolymerisierbare Material zwischen der Unterseite des bereits gebildeten Formkörperteils und dem Wannenboden 2 muss aus der Füllung des photopolymerisierbaren Materials 6 aus dem Umgebungsbereich des belichteten Bereichs aufgefüllt werden. Aufgrund der hohen Viskosität des Materials fließt dieses jedoch nicht von selbst wieder in den belichteten Bereich zwischen der Unterseite des Formkörperteils und dem Wannenboden zurück, so dass hier Materialsenken oder "Löcher" zurückbleiben können. Das Nachführen von Material in die Materialsenke erfolgt durch die von der oben beschriebenen Rakel bewirkte Materialverteilung.
Um das Nachführen von photopolymerisierbarem Material 6 in die Materialsenken zu erleichtern, ist erfindungsgemäß eine Erwärmung des Materials 6 vorgesehen, zu welchem Zweck eine, bevorzugt zwei, zweite Strahlungsquelle (n) 12 (siehe Fig. 1) unterhalb der Wanne 1 angeordnet ist bzw. sind, deren Strahlung auf den Wannenboden 2 gerichtet ist.
Die wenigstens eine zweite Strahlungsquelle 12 kann neben oder oberhalb der ersten Belichtungseinheit 4 angeordnet sein. Die Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung der zweiten Strahlungsquelle 12 bewirkt nun eine gleichmäßige Erwärmung des Wannenbodens 2, wobei sie zu größten Teilen durch diesen absorbiert wird. Das photosensitive Material 6 selbst wird nur teilweise oder gar nicht von Resten der durch den Wannenboden 2 passierenden Infrarotstrahlung er- wärmt. Diese ggf. passierenden „Strahlungsreste" können sowohl in Form von einzelnen IR-Spektralbereichen oder aber in Form eines stark abgeschwächten Gesamtspektrums auftreten, führen aber im Idealfall selbst nicht mehr zu einer signifikanten Erwärmung des photosensitiven Materials 6. Die relevante Erwärmung des photosensitiven Materials 6 erfolgt daher direkt über Wärmeleitung zwischen dem Wannenboden 2 und dem photosensitiven Material 6 selbst, wobei natürlich der höhertemperierte Wannenboden 2 Wärme an das photosensitive Material 6 abgibt.
In Fig. 4 ist ein Beispiel eines möglichen Schichtaufbaus des Wannenbodens 2 dargestellt. Die Basis der Wannenbodens 2 bildet eine teiltransparente Platte 13, welche für Strah¬ lung der zweiten Strahlungsquelle, insbesondere Strahlung des infraroten Spektrums weitgehend intransparent und für Strahlung des zur Strukturierung des photosensitiven Mate¬ rials verwendeten Lichts weitgehend transparent ausgeführt ist. Als geeignete Materialien dieser teiltransparenten Platte sind beispielsweise spezielle optische Gläser (Wär- meschut zgläser, Kurzpassfilter, etc.) zu nennen.
Über dieser Platte 13 kann nun eine Silikonschicht 14 defi¬ nierter Dicke aufgebracht sein, um die während des additi¬ ven Bauprozesses auftretenden Ablösekräfte, bei Trennung der ausgehärteten Schichten 10 vom Wannenboden 2 zu redu¬ zieren. Ebenfalls kann auf dieser Silikonschicht 14 auch eine FEP- oder PTFE-Beschichtung 15 oder eine Folie 15 auf¬ gebracht sein, um die genannten Ablösekräfte weiter zu re- duzieren. Zusätzlich können noch weitere Folien in ein solches Laminat eingebracht sein, um beispielsweise zusätzliche optische Filtereigenschaften hervorzurufen, oder beste¬ hende Filtereffekte zu verstärken.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur lithographiebasierten generativen Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern, bei dem durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbares Material auf einer zumindest bereichsweise durchlässigen Materialauflage vorliegt, eine Bauplattform in Abstand von der Materialaufläge positioniert wird, zwischen der Bauplattform und der Materialaufläge befindliches Material erwärmt wird und im erwärmten Zustand ortsselektiv von einer ersten Strahlungsquelle bestrahlt und verfestigt wird, wobei die elektromagnetische Strahlung von unten durch die für die Strahlung der ersten Strahlungsquelle zumindest bereichsweise durchlässige Materialaufläge in das Material eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Materials durch Bestrahlung der Materialaufläge mit elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Strahlungsquelle erfolgt, wobei die Materialaufläge für die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle im Wesentlichen undurchlässig ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der ersten Strahlungsquelle einen ersten Wellenlängenbereich und die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle einen zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, insbesondere nicht überlappenden, Wellenlängenbereich umfasst, wobei die Strahlung der ersten Strahlungsquelle vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 200- 900nm, insbesondere 300-400nm oder 400-480nm, liegt und die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle vorzugsweise im infraroten Spektrum, insbesondere im Wellenlängenbereich von 900-15. OOOnm liegt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle der Materialaufläge aus der Richtung der ersten Strahlung zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle auf den für die Strahlung der ersten Strahlung transparenten Bereich der Materialaufläge gerichtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialaufläge auf der vom Material benetzten Seite und/oder auf der dem Material abgewandten Seite eine die Strahlung der zweiten Strahlungs- quelle zumindest teilweise absorbierende oder reflektierende Schicht trägt, oder aber die Materialaufläge selbst aus einem Material mit einer solchen Absorptionseigenschaft besteht .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung der Materialaufläge mit der elektromagnetischen Strahlung der zweiten Strah¬ lungsquelle zur Erwärmung der Materialaufläge auf eine Tem¬ peratur von 40°C-300°C, vorzugsweise 40°C-150°C erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das verfestigbare Material bei Raumtemperatur (20°C) eine Viskosität von mindestens 15 Pa -s aufweist .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das verfestigbare Material auf eine Temperatur von mindestens 40°C erwärmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Materialaufläge und/oder des verfestigbaren Materials gemessen wird und die Strahlungsleistung der zweiten Strahlungsquelle in Abhängigkeit von den Temperaturmesswerten geregelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper schichtweise aufgebaut wird, wobei nacheinander Formkörperschichten übereinander ausgebildet werden, indem jeweils auf der Materialaufläge eine Materialschicht vorgegebener Dicke ausgebildet wird und eine Bauplattform oder der an der Bauplattform zumindest teilweise aufgebaute Formkörper in die Materialschicht abgesenkt wird, sodass sich zwischen der Bauplattform bzw. dem Formkörper und der Materialaufläge eine zu verfestigende Schicht des Materials ausbildet, die durch Bestrahlung zur Ausbildung der gewünschten Form der Formkörperschicht verfestigt wird.
11. Vorrichtung zur lithographiebasierten generativen Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend eine erste Strahlungsquelle elektromagne¬ tischer Strahlung, eine zumindest bereichsweise für die Strahlung der ersten Strahlungsquelle durchlässige Materialauflage für ein durch Einwirkung der Strahlung verfestigbares Material, eine Bauplattform, die in einstellbarer Höhe über der Materialaufläge gehalten ist, eine die erste Strahlungsquelle umfassende erste Bestrahlungseinheit, die zur ortsselektiven Bestrahlung von zwischen der Bauplatt¬ form und der Materialaufläge befindlichen Materials von unten durch die Materialaufläge ansteuerbar ist, und eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des zwischen der Bauplattform und der Materialaufläge befindlichen Materials, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung eine auf die Materialauflage gerichtete zweite Bestrahlungseinheit mit einer zweiten Strahlungsquelle (12) elektromagnetischer Strahlung umfasst und dass die Materialaufläge für die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle (12) im Wesentlichen undurchlässig ist .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der ersten Strahlungsquelle einen ersten Wellenlängenbereich und die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle (12) einen zweiten, vom ersten Wellenlängenbereich verschiedenen, insbesondere nicht überlappenden, Wellenlängenbereich umfasst, wobei die Strahlung der ersten Strahlungsquelle vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 200-900nm, insbesondere 300-400nm oder 400-480nm, liegt und die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle (12) vorzugsweise im infraroten Spektrum, insbesondere im Wellenlängenbereich von 900-15. OOOnm liegt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bestrahlungseinheit derart angeordnet ist, dass die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle (12) der Materialaufläge aus der Richtung der ersten Strahlung zugeführt ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle (12) auf den für die Strahlung der ersten Strahlung transparenten Bereich der Materialaufläge gerichtet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialaufläge auf der vom verfestigbaren Material benetzten Seite und/oder auf der dem verfestigbaren Material abgewandten Seite eine die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle (12) zumindest teilweise absorbierende oder reflektierende Schicht trägt, oder aber die Materialaufläge selbst aus einem Material mit einer solchen Absorptionseigenschaft besteht.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Materialaufläge und/oder des verfestigbaren Material vorgesehen ist, der mit einer Steuereinheit zur Regelung der Heizleistung der zweiten Bestrahlungseinheit derart zusammenwirkt, dass eine vorgegebene Temperatur der Materialaufläge oder des verfestigbaren Materials erreicht und/oder gehalten werden kann.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der ersten Bestrah¬ lungseinheit zusammenwirkende Steuereinheit dazu vorbereitet ist, in aufeinanderfolgenden Bestrahlungsschritten übereinanderliegende Schichten auf der Bauplattform (5) jeweils mit vorgegebener Geometrie durch Steuerung der ersten Bestrahlungseinheit zu verfestigen und nach jedem Be¬ strahlungsschritt für eine Schicht die Relativposition der Bauplattform (5) zum Wannenboden (2) anzupassen, um so sukzessive den Formkörper (11) in der gewünschten Form aufzu¬ bauen .
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine bewegbar geführte Rakel und eine Antriebseinheit zum Hin- und Herbewegen der Rakel unter der Bauplattform (5) hindurch vorgesehen sind, um zwischen zwei Bestrahlungsschritten jeweils eine Schicht vorgegebener Dicke des verfestigbaren Materials (6) auszubilden, oder aber die Wannenauflage selbst beweglich unter einer stationären Rakel- oder Beschichtungseinheit geführt werden kann.
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