WO2018065093A1 - Zusammensetzung und verfahren zur herstellung eines formkörpers aus hochreinem, transparentem quarzglas mittels additiver fertigung - Google Patents

Zusammensetzung und verfahren zur herstellung eines formkörpers aus hochreinem, transparentem quarzglas mittels additiver fertigung Download PDF

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primary structure
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Definitions

  • the present invention relates to a composition and a method for producing a shaped body of high-purity, transparent quartz glass by means of additive manufacturing.
  • Processes for the additive production of three-dimensional structures have the advantage over conventional production processes that they require no prefabricated matrix which already geometrically predefines the body to be produced. Due to the freely selectable three-dimensional shape, specific customer requirements can be implemented cost-effectively in additive manufacturing as well as prototypes can be produced inexpensively and quickly. Therefore, the manufacturing processes used in additive manufacturing are also called Rapid Prototyping (RP) processes.
  • RP Rapid Prototyping
  • FDM Fused Deposition Modification
  • US 2015/0224575 A1 describes a 3D printing method in which a mixed thermoplastic matrix is used. This consists of two components, which can be thermally removed or decomposed at different temperatures. The procedure is based on the presentation of an organic binder in the form of a thermoplastic, which is selectively applied with photo-curing ink, whereby a local structuring is possible.
  • a disadvantage of this method is the fact that a very complex binder system is required (ie at least two thermoplastics are necessary in addition to the UV-curable ink) and that the disadvantages associated with classical 3D printing are high Roughness and poor optical transmission persist. The optical and mechanical quality of the substrates thus obtained is therefore low.
  • zone-pulling processes are described in the prior art, for example in US 2016/0083303 A1. These methods allow the production of high purity components with high optical transmission, but they are limited to relatively simple geometric structures. This is due to the nature of the process: In zoning, areas of the component are selectively liquefied in order to exploit the different solubility of foreign atoms in the solid or in the liquid state. Due to the partial liquefaction, however, the component locally loses its mechanical strength, causing filigree structures to collapse. In addition, zoning is a technically relatively complex process. Powder-based processes are known in the art in principle, even using methods such as 3D printing. As an example, US Pat. No. 8,991,211 is mentioned. Occasionally, during sintering, the manufactured components must be supported in an inert powder so that they do not lose their shape. These approaches are mostly described only for soda-lime glasses and thus not suitable for the production of transparent quartz glasses.
  • EP 0 653 381 A1 and EP 1 210 294 A1 each describe a method in which a slurry of quartz glass particles and water is prepared, which is poured into a suitable mold and then shaped. After extraction of the water, the crude body thus obtained can be sintered.
  • the method does not allow free forming in three dimensions and the slurry is not directly structurable. It is therefore a molding process that is not suitable for an RP process.
  • sol-gel approaches using SiO 2 precursors (alkoxy- or chlorosilanes).
  • the precursors are thereby condensed and the byproducts formed in the condensation - often a salt, alcohol, hydrochloric acid (HCl) or water - extracted.
  • HCl hydrochloric acid
  • the shrinkage of these approaches is usually significant, since large mass fractions are removed from the solution.
  • the glass components thus obtained have a low density, due to the porous cavity structure. In most cases, the components also do not achieve the optical and, above all, mechanical properties known from quartz glass.
  • very high temperatures in the range of 1500 to 2200 ° C must be sintered in order to give the glasses a sufficient density and corresponding mechanical and optical properties.
  • shafts Examples of such a sol-gel approach are described in US 5,236,483.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an additive manufacturing process, which should allow the production of a three-dimensionally free-formed body of high-purity, transparent quartz glass with high structural resolution and at the same time high optical and mechanical quality.
  • compositions and a method for producing a shaped body of high-purity, transparent quartz glass, the composition according to the invention comprising the following components:
  • At least one polymerizable organic binder which is in liquid form at room temperature
  • a polymerization initiator or crosslinker which initiates the polymerization or crosslinking of the at least one polymerisable organic binder by the addition of light or heat
  • the at least one polymerisable organic binder is in liquid form at room temperature (20 ° C.).
  • the presence in liquid form means that the at least one polymerisable organic binder either has a liquid state of aggregation or is present in a suitable organic state.
  • solvent is dissolved.
  • suitable solvents are aliphatic alcohols, ketones, ethers, dimethylformamide and comparable solvents known to those skilled in the art.
  • the at least one polymerizable organic binder can be cured by polymerization or crosslinking, whereby a solid binder matrix is obtained.
  • the at least one polymerisable organic binder has suitable functional groups which are amenable to polymerization. Such functional groups also include double bonds.
  • the at least one polymerizable organic binder has the property that it can be decomposed in the cured state at elevated temperature, typically in the range of 200 to 700 ° C. Otherwise, the at least one polymerizable organic binder according to the invention is subject to no further restrictions.
  • the at least one polymerizable organic binder preferably includes those organic compounds which give thermoplastic by polymerization.
  • the at least one polymerizable organic binder comprises those monomers which do not produce crosslinked polymers or copolymers.
  • polyolefins such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyvinylchloride, polymethylmethacrylate, polyhydroxymethylmethacrylate, polyhydroxymethylacrylate, polyhydroxyethylmethacrylate, polyhydroxyethylacrylate, polyhydroxypropylmethacrylate, polyhydroxypropylacrylate, polyhydroxybutylmethacrylate, polyhydroxybutylacrylate and acrylonitrile-butadiene-styrene, polycarbonates, polyesters such as polylactate and polyethylene terephthalate, Polyamides, polyurethanes, polyether ketones such as, for example, polyether ether ketone, polyethers and polyarylates. Accordingly, the at least one polymerizable organic binder may also consist of a plurality of monomer components.
  • the at least one polymerisable organic binder is a monomer having at least one polymerisable functional group, for example a monoacrylate and / or a diacrylate having any desired functionalization.
  • the composition for producing a shaped body of high-purity, transparent quartz glass comprises both a monoacrylate and a diacrylate, alternatively also a tri-, tetra-, penta-, hexa-, hepta- or Octaacrylate or a comparable monomer having a plurality of polymerizable functional groups, as at least one polymerizable organic binder, can be controlled by adjusting the mole fraction thereof, the extent of crosslinking in the cured binder matrix.
  • the composition according to the invention comprises a polymerization initiator or crosslinker which initiates the polymerization or crosslinking of the at least one polymerisable organic binder by supplying light or heat.
  • the polymerization initiator or crosslinker is subject to no particular limitation according to the invention.
  • the composition defined above may comprise any, preferably commercially available, polymerization initiator or crosslinker if it can generate polymerization- or crosslink-inducing molecules by photolytic or thermolytic cleavage.
  • polymerization initiators or crosslinkers in the form of radical initiators which can be activated by means of light are azobis (isobutyronitrile) and benzoyl peroxide, while, for example, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide , 2-hydroxy-4 '- (2-hydroxyethoxy) -2-methylpropiophenone and 2-hydroxy-2-methylpropiophenone are thermally activatable radical initiators. Since the supply of light can be spatially more precisely limited than the supply of heat, the composition according to the invention preferably comprises a light-activatable polymerization initiator or crosslinker.
  • the at least one polymerizable organic binder contained in the composition can be cured in a spatially dissolved state.
  • the wavelength or temperature necessary for the photolytic or thermolytic cleavage of the polymerization initiator or crosslinker can be deduced from the prior art, in particular in the case of commercially available polymerization initiators or crosslinkers.
  • the composition of the present invention for producing a molded body of high-purity, transparent quartz glass comprises at least one kind of spherical quartz glass particles dispersed in the at least one polymerizable organic binder which is liquid at room temperature and has a diameter in the range of 7 to 100 nm exhibit.
  • the in the Spherical quartz glass particles contained in the composition of the invention consist of highly pure, amorphous silicon dioxide, ie the SiO 2 mass fraction in the quartz glass particles is at least or> 90%, preferably at least or> 99% and particularly preferably at least or> 99.9%.
  • the term "spherical” is to be understood to include quartz glass particles having a spherical geometric shape, ie those quartz glass particles which are spheroidal
  • the diameter range defined above should be understood in such a way that the diameter of the quartz glass particles does not exceed Is substantially less than 7 nm and greater than 100 nm.
  • the composition of the invention for producing a shaped body of high-purity, transparent quartz glass may comprise further components.
  • the composition comprises a non-curable component which, after curing of the at least one polymerisable organic binder, is present as a mixed phase in the binder matrix.
  • a non-hardenable component is to be understood as meaning those substances which can not be polymerized by the addition of light or heat and are sufficiently viscous, ie a viscosity of at least or> 5 mPa ⁇ s, preferably of at least or> 15 mPa and especially preferably of at least or> 25 mPa.s at room temperature, measured in accordance with DIN 53019.
  • the non-curable component is therefore present in solid or viscous liquid form.
  • the chemical nature of the non-hardenable component is otherwise unrestricted.
  • the non-curable component are alcohols, ethers, silicone oils or comparable organic solvents or combinations thereof, which have a sufficiently high molecular weight and / or corresponding functionalizations to correspond to the aforementioned viscosity.
  • the non-curable component is an alkylaryl ether which is optionally functionalized with a hydroxy group, for example ethylene glycol monophenyl ether.
  • the substituted alkylaryl ether also referred to as phenoxyethanol, has a viscosity of 30 mPa.s at 20 ° C.
  • the non-curable component may be in solid form at room temperature.
  • the viscosity of solids is in Generally very high. If the composition according to the invention comprises a non-hardenable component in solid form, it can be assumed that its viscosity is at least or> 5 mPa ⁇ s.
  • the non-curable component in the form of a solid is soluble in the at least one polymerizable organic binder. According to the invention, the non-curable component further has the property that it can be separated from the binder matrix after curing of the at least one polymerisable organic binder.
  • the separation can be carried out, for example, by a thermal treatment, whereupon the non-hardenable component either evaporates or sublimates, alternatively it is also decomposed.
  • phenoxyethanol can be vaporized under atmospheric pressure at 242 ° C, wherein due to the vapor pressure even at temperatures above 150 ° C significant amounts of these are separated.
  • the composition according to the invention optionally comprises an absorber.
  • the absorber spatially limits the polymerization or crosslinking of the at least one polymerisable organic binder induced by the action of light or heat.
  • the underlying mechanism is based on the fact that the absorber locally breaks off or reduces the chemical reaction which leads to a polymerization or crosslinking.
  • only in the regions of the at least one polymerisable organic binder can a chemical reaction take place which is directly exposed to light or heat. In these areas, the effective light or heat input is sufficient so that a chemical reaction can be initiated and maintained by the polymerization initiator or crosslinker.
  • the rate of inhibition of the chemical reaction due to absorption of light or heat by the absorber is greater than the rate of initiation of new chemical reactions.
  • the at least one polymerizable organic binder in these regions is not solidified or only much less solid as a result of the chemical reaction.
  • the above-defined composition comprises at least one second type of spherical quartz glass particles. These have a significantly larger diameter, which is in the range of 2 to 40 ⁇ m compared to the first type of spherical quartz glass particles.
  • the second type of spherical quartz glass particles consists of highly pure, amorphous silicon dioxide, ie the SiO 2 mass fraction in the quartz glass particles is at least or> 90%, preferably at least or> 99% and particularly preferably at least or> 99.9%.
  • spherical is to be understood to include quartz glass particles having a spherical geometric shape, that is to say those quartz glass particles which are spheroidal
  • the diameter range defined above is to be understood in such a way that in no dimension is the diameter Quartz glass particle is substantially less than 2 pm and greater than 40 pm.
  • the present invention relates to a method for producing a shaped body of high-purity, transparent quartz glass using the inventive composition in an additive manufacturing, such as a 3D printing, the method comprising the following steps, preferably in this order :
  • step (d) optionally post-treating the primary structure by at least one method selected from the group consisting of patterning by means of a forming tool, high energy radiation and subsequent development, milling, drilling, laminating, bonding, grinding, polishing, lapping, engraving and treating with heat or laser light;
  • the inventive method using the composition of the invention allows the provision of a free-form body made of high-purity, transparent quartz glass, which overcomes the known in the prior art disadvantages of the additive production of quartz glass molded bodies.
  • the inventive method allows the production of a molded body made of high-purity, transparent quartz glass, which has both a high structural resolution and a high optical and mechanical quality.
  • filigree quartz glass structures which were previously unavailable with the RP processes described in the prior art can also be produced by the method according to the invention using the composition according to the invention.
  • the composition according to the invention which is the preparation of a shaped body of high-purity, trans- parent quartz glass, provided in a device.
  • the device is not subject to restrictions.
  • the device may be a plate, a tub, a fluidic chamber, a reservoir, a tubing or channel system, an elastic bag or tube, and any similar shape for storing a liquid such as a beaker.
  • the composition is not provided in a suitable vessel but is held in shape by the intrinsic surface tension of the components, for example in the form of a drop or a film.
  • a rigid geometric shape use The latter has a cavity structure, which corresponds to the shape of the glass component to be produced, and can thus be used in a replicative process, as described below.
  • the device additionally comprises a molding which consists of a solid or a liquid with a defined physical structure
  • a molding which consists of a solid or a liquid with a defined physical structure
  • the liquid drop thus formed is kept compact by its surface tension, thereby creating a kind of "floating" structure is obtained within the at least one polymerisable organic binder.
  • teardrop-shaped cavity structures can be produced, which is particularly interesting for jewelery production.
  • the solid or the liquid of the molding is accordingly immiscible with the at least one polymerisable organic binder.
  • the composition according to the invention is provided or arranged in a device comprising the above-described molding in step (a), so that the latter is at least partially enveloped by the composition.
  • a quartz glass molded body having a macroscopic cavity, which has the shape of the molded article is obtained.
  • step (b) of the process according to the invention the at least one polymerizable organic binder which is contained in the composition provided in the device in step (a) is cured, whereby a green compact is obtained as the primary structure.
  • the curing of the at least one polymerisable organic binder takes place either by supplying light or by supplying heat, preferably by supplying light, since this can be cured with a higher structural resolution.
  • the wavelength or temperature necessary for the photolytic or thermolytic cleavage naturally depends on the particular polymerization initiator or crosslinker and, as already mentioned above, can be taken from the prior art.
  • the primary structure obtained in step (b) thus comprises a solid binder matrix of the cured, at least one polymerizable organic binder and, dispersed therein, the at least one type of spherical quartz glass particles having a diameter in the range of 7 to 100 nm.
  • the primary structure further components optionally included in the composition provided in step (a), such as a non-curable component, a second type of spherical silica glass particles and an absorber as described above.
  • the curing of the at least one polymerisable organic binder provided with the composition takes place completely or incompletely in step (b). Incomplete curing can be achieved by a limited supply of heat or light, preferably light.
  • the spatial resolution achievable during the exposure correlates with the beam profile of the light source used in this case. The smaller the beam diameter, the higher the contours of the primary structure can be resolved.
  • a laser light source or a high-resolution lithography using a mask or a dynamic light modulator, for example a micromirror array system is used for curing the at least one polymerisable organic binder. If the spatial resolution only has a minor significance, it can be completely cured in step (b).
  • the curing of the at least one polymerizable organic binder may also preferably be effected by the application of heat.
  • Complete curing takes place, for example, in a device with a rigid geometric shape, as described above, wherein precisely that rigid geometric shape and not the spatially limited supply of an external stimulus such as light or heat influences the shaping of the primary structure.
  • the curing by the addition of heat in this case even has the advantage that the at least one polymerizable organic binder can be cured in bulk, for example by heating the device.
  • step (c) of the process according to the invention the optionally uncured, at least one polymerisable organic binder, including the components contained therein, is separated from the primary structure.
  • the separation can be done for example by a solvent treatment.
  • the separation of the uncured, at least one polymerisable organic binder is not limited to a particular method.
  • the separation can be achieved for example by means of negative pressure or by evaporation as a result of a temperature increase.
  • the steps (a) to (c) of the process according to the invention are optionally repeated at least once, preferably several times.
  • the primary structure is successively expanded in each repetition cycle until the desired shaped body is obtained.
  • the composition according to the invention is suitably provided at each repetition cycle together with the primary structure obtained in the apparatus from the previous repetitive cycle in the apparatus.
  • cured and the optionally uncured, at least one polymerizable organic binder is separated together with the other components of the composition contained therein. If the steps (a) to (c) are repeated at least once, it is preferred that the curing of the at least one polymerisable organic binder takes place by means of light in order to ensure a correspondingly high structural resolution.
  • step (a) of the process according to the invention By adjusting the amount of composition presented or used in step (a) of the process according to the invention, the structure Depending on the requirements of the manufactured quartz glass molded body. If it requires a very high structural resolution, in step (a) only a small amount of the composition defined above is provided and cured in step (b). On the other hand, if the structural resolution is of minor importance, a larger amount of the composition may be provided in step (a) and cured in step (b), thereby correspondingly reducing the number of repetitive cycles and taking less time to produce the molded article.
  • step (c) need not be carried out in each repetition cycle. If the non-cured, at least one polymerisable organic binder is not separated, it is thus directly provided or arranged in step (a) for the subsequent structuring in step (b). This is particularly advantageous if a three-dimensional component is to be produced in a layered arrangement in the so-called "bath construction.” This configuration is known, for example, from stereolithography In this embodiment, omitting step (c) of iteration n effectively replaces the step (FIG. a) the iteration r> +1, where n represents the respective repetition cycle.
  • step (d) After optionally repeating steps (a) to (c) at least once, the primary structure thus obtained in step (d) is optionally post-treated by a suitable method. Since the primary structure consists essentially of the binder matrix, ie the cured, at least one polymerizable organic binder, a post-treatment, in particular a mechanical post-processing, is possible. According to the present invention, the post-treatment processes which are suitable in step (d) are not subject to any particular restrictions.
  • the aftertreatment is carried out by at least one process selected from the group consisting of structuring with the aid of a molding tool, irradiation with high-energy Radiation and subsequent development, milling, drilling, laminating, bonding, grinding, polishing, lapping, engraving and treatment with heat or laser light. Any other form of additive or subtractive surface treatment can also be used.
  • a post-treatment is particularly advisable if the primary structure has visible artifacts or other undesirable surface defects, which are due for example to the device used. If a rigid geometric shape, as described above, serves as a device, any unevenness of the respective surface thereof is found in the primary structure.
  • step (d) the aftertreatment takes place in step (d) with the aid of a molding tool which serves to structure the primary structure
  • the structuring of the primary structure using the molding tool is optionally carried out with simultaneous supply of heat in order to promote the transfer of structure to the binder matrix
  • step (h) a quartz glass molded body is obtained in this way Structure of the mold reflects.
  • the aftertreatment of the primary structure takes place in step (d) by irradiation with high-energy radiation and subsequent development.
  • X-radiation, etc. whereby the chemical and / or physical properties in the irradiated areas of the binder matrix of the primary structure are modified such that those areas become soluble in a suitable solvent and can eventually be developed, ie separated, instead of using a solvent
  • step (e) of the process according to the invention the non-curable component which is optionally present in the primary structure as a mixed phase is removed, as a result of which cavities are formed in the primary structure.
  • the removal of the non-hardenable component can be carried out, for example, by a thermal treatment.
  • the temperature range to be set depends on the boiling point or sublimation point, or on the decomposition point of the non-curable component.
  • the temperature of such a thermal treatment in step (e) is in the range of 50 to 300 ° C, with a range of 100 to 250 ° C being preferred for the temperature.
  • the duration of such thermal treatment in step (e) is not particularly limited and depends only on the dimensions of the primary structure and the amount of non-curable component contained in the composition.
  • the duration of the thermal treatment in step (e), if a non-curable component is present, is from 2 to 6 hours.
  • the heating rate is not subject to any restrictions. It is typically in the range of 0.4 to 0.6 K / min, for example 0.5 K / min.
  • a suitable thermal treatment in step (e) can also be carried out by stepwise increase in temperature.
  • the non-curable component may also be removed by extraction using solvents. Also possible is a removal of the non-curable component in vacuo, ie under application of a negative pressure.
  • the primary structure is then debinded in step (f), ie the cured, at least one polymerisable organic binder is removed.
  • the pyrolytic decomposition of the binder matrix takes place.
  • the gaseous decomposition products leave the primary structure.
  • the composition according to the invention contains a non-curable component which is removed in step (e)
  • the decomposition products of the binder matrix can quickly and efficiently leave the primary structure to be debindered by the cavities formed in step (e). Otherwise, ie in the absence of the cavities generated by the non-hardenable component, in step (f) the gas transport from the interior of the primary structure is made more difficult.
  • the porous secondary structure consists of high-purity quartz glass and has a large number of cavities. The cavities are distributed homogeneously over the porous secondary structure and can be found wherever previously the binder matrix and optionally the non-curable component were present as a mixed phase.
  • the quartz glass particles contained in the composition according to the invention are present in the porous secondary structure at locally defined positions.
  • composition according to the invention comprises two different types of spherical quartz glass particles, it is possible in this way to obtain a brown compact with increased density, since the gaps of one type of quartz glass particles are filled with the quartz glass particles of the other type. This results in a smaller shrinkage of the porous secondary structure during sintering in step (h).
  • the thermal treatment in step (f) is not particularly limited and preferably follows directly at step (e). If a thermal treatment for removing the non-hardenable component has been carried out in step (e), preferably no cooling to room temperature takes place before the implementation of step (f). Typically, the temperature of the thermal treatment in step (f) is in the range of 200 to 700 ° C, the temperature in step (f), as already mentioned above, being greater than the temperature in step (e). In a preferred embodiment of the present invention, the temperature in step (f) is in the range of 250 to 600 ° C.
  • the duration of the thermal treatment in step (f) is not particularly limited and depends only on the dimensions of the primary structure and consequently on the amount of organic binder to be decomposed.
  • the duration of the thermal treatment in step (f) is from 3 to 9 hours.
  • the heating rate is according to the invention subject to no restrictions. It is typically in the range of 0.2 to 5 K / min, for example 0.5 K / min, 1.0 K / min or 2.5 K / min.
  • the thermal treatment in step (f) can also be carried out by stepwise increase in temperature. After complete debindering, the resulting porous secondary structure can be cooled to room temperature, which is al- However, it is not absolutely necessary. It can also be sintered directly in step (h). If the porous secondary structure is to be cooled to room temperature, this can be done, for example, at a cooling rate of 5 K / min. Since quartz glass has a low thermal expansion coefficient and a high temperature change resistance, a comparatively high cooling rate can be selected here.
  • steps (e) and (f) of the process according to the invention can be carried out directly one after the other without intermediate cooling. Accordingly, there may be a smooth transition between removal of the non-curable component, if present and removed by a thermal treatment, and removal of the binder matrix, i. the delivery of the primary structure.
  • the device comprises a molding, as is the case in the process modification referred to as "lost-molding molding", it is removed in the above-described steps (e) and / or (f) of the process according to the invention Moldings can be removed from the primary structure by thermal decomposition, evaporation, sublimation or solvent extraction, for example, and sintered in step (h) to obtain structured quartz glass moldings having a macroscopic cavity structure low weight, both time and cost can be saved in this embodiment.
  • the porous secondary structure is optionally filled with at least one filler.
  • the filler must therefore necessarily have a suitable particle size so that it can be introduced into the cavities of the porous secondary structure.
  • the porosity of the secondary structure is reduced by densification, whereby in the subsequent sintering, ie in step (h) as described below, the Braunling is subject to a lower shrinkage.
  • the filling of the porous secondary structure with a filler thus serves to maintain the dimensional stability after sintering in step (h). Should fillers in the porous secondary structure are introduced, this is cooled after the thermal treatment in step (f) to room temperature, as described above.
  • the filler is subject to no restrictions according to the invention.
  • the filler is selected from the group consisting of inorganic pigments, silicon-based precursors and titanium-based precursors.
  • the cavities produced in steps (e) and (f) of the method according to the invention can be densified with quartz glass.
  • titanium-based precursors can be incorporated into the porous secondary structure, ultimately yielding glasses with very low thermal expansion.
  • To fill the cavities are basically all processes that are able to introduce fillers in the porous secondary structure. Examples which may be mentioned here are the vapor deposition and the liquid infiltration. Also, the combination with sol-gel processes is possible here.
  • step (g) of the process according to the invention can also be used above all to modify the optical and / or mechanical and / or thermal properties of the final molding obtained after sintering in step (h).
  • the quartz glass molded body can be given a color.
  • inorganic pigments are used as filler in step (g).
  • examples of inorganic pigments include gold (III) chloride AuC or chromium (III) nitrate Cr (NO 3) 3.
  • the incorporation of the inorganic pigments can be carried out, for example, by impregnating the porous secondary structure in a corresponding metal salt solution.
  • the process in step (g) is not limited to a single filler.
  • quartz glass precursors ie silicon-based precursors
  • in a first step by means of vapor deposition quartz glass precursors, ie silicon-based precursors, can be introduced into the porous secondary structure and, in a second step, inorganic pigments by liquid infiltration.
  • the porous secondary structure is subjected to sintering in step (h) of the method according to the invention, whereby the porous secondary structure is compacted into the final shaped body. This is highly transparent and no longer has a porous structure.
  • the sintering protocol depends on the pretreatment in step (g).
  • step (h) a multi-stage sintering process in step (h) is required in order to first thermally decompose the introduced precursors before the actual sintering takes place.
  • the brown compact is pretreated, for example, first for a period of 0.5 to 5 hours at a temperature in the range from 100 to 600 ° C. The heating rate is subject to no special restrictions in this pretreatment.
  • the actual sintering in step (h) is carried out stepwise in the range of 700 to 1500 ° C, initially at a temperature in the range of 700 to 1000 ° C for a period of 1 to 3 hours and then at a temperature in the range of 1000 sintered to 1500 ° C for a period of 1 to 2 hours.
  • the heating rate can be in the range of 2 to 15 K / min. Due to the low coefficient of thermal expansion and the high thermal shock resistance of quartz glass, a comparatively high heating rate can be selected here.
  • step (h) sintering may even take place below atmospheric pressure.
  • the sintering is carried out at a pressure of at most or ⁇ 0.1 mbar, preferably at most or ⁇ 0.01 mbar and particularly preferably at most or ⁇ 0.0001 mbar.
  • the resulting final molded body can be cooled to room temperature, which can also be done here typically with a relatively high cooling rate in the range of 2 to 6 K / min.
  • the process according to the invention for producing a shaped body of high-purity, transparent quartz glass, comprising the process steps (a) to (h), is illustrated in FIG. Further embodiments thereof are shown in Fig. 2 and in Fig. 3.
  • the final molded article obtained by the method according to the invention has, insofar as in step (g) only silicon-based precursors are introduced into the cavities of the porous secondary structure, a chemical composition which is indistinguishable from the conventionally produced quartz glass.
  • this also applies to the mechanical and optical properties of the molding.
  • the Vickers hardness, the biaxial flexural strength and the transmission are in accordance with the corresponding values of conventionally manufactured quartz glass.
  • the present invention relates to a molded article of high purity, transparent quartz glass, which can be obtained by the method according to the invention using the composition according to the invention.
  • the shaped body made of high-purity, transparent quartz glass has the following properties:
  • the inventive method allows the targeted production of three-dimensional quartz glass structures of any shape in an additive manufacturing, such as a 3D printing, by at least one repetition of the steps described above (a) to (c).
  • the curing of the composition of the invention takes place.
  • tion contained at least one polymerizable organic binder by supplying light in step (b) spatially resolved.
  • This embodiment is comparable to a stereolithographic RP process which has heretofore been used only for the production of polymer components.
  • any other RP process in which a primary structuring by means of exposure is carried out can be used.
  • a combined spotting method with subsequent exposure as is customary in 3D printing, can also be used.
  • moldings of high-purity, transparent quartz glass with an arbitrary shape can be produced according to the invention, whose structure resolution is comparable to that of polymer components due to the process.
  • the method according to the invention can also be used for the replication of shaped bodies.
  • the composition in step (a) of the process according to the invention is provided in a device with a rigid geometric shape and the at least one polymerisable organic binder contained in the composition by addition of light or heat, preferably heat, fully cured in step (b).
  • the method according to the invention is thus suitable for free three-dimensional shaping within the scope of an RP process, but on the other hand can also be used in an almost unchanged manner for replicating a given structure and thus as a replicative method for the production of quartz glass molded articles.
  • the inventive method allows the free three-dimensional shape for structures of quartz glass with high structural resolution and thus low surface roughness.
  • all the thermal method steps of the method according to the invention are not used for structuring. The latter takes place solely on lithographic phically, whereby a high spatial resolution can be achieved. Not least for this reason, the expenditure on equipment in the thermal treatment steps in the inventive method is significantly lower than, for example, in the above-mentioned selective laser sintering processes, which usually have to take place in a highly pure atmosphere or in a vacuum.
  • the method according to the invention produces shaped articles with outstanding optical, mechanical and structural properties. Due to the fact that all thermal treatment steps are not used for spatial structuring, the surface quality of the initial structure can be transferred virtually unadulterated to the final shaped body. If the structuring permits, for example, the production of reflecting surfaces, then the final shaped body also has reflecting surfaces with high optical quality. This is a significant advantage over the modified FDM approach and selective laser sintering, which provide both surfaces of only low optical quality.
  • Another advantage of the method according to the invention is that all thermal treatment steps, such as debinding and sintering, can be carried out without external pressure. In particular, no additional pressurization is necessary to produce molded articles having sufficient density and high optical transmission.
  • the quartz glass molded bodies produced by the process according to the invention can furthermore be processed without additional fixing. There are no special requirements for the device used in step (a).
  • the method according to the invention can be combined with sol-gel mixtures in order to recompress the porous secondary structure and optionally to modify it optically and / or mechanically and / or thermally.
  • the very essence of the process that is, the production of the primary structure, does not require the use of condensing precursors, thereby yielding moldings having significantly less shrinkage and greatly improved optical clarity and mechanical strength. Since the core process is not changed, the classical disadvantages of sol-gel approaches, ie fading as low density of the final molding, not in the process of the invention revealed.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention: (a) polymerizable organic binder (101) having dispersed therein quartz glass particles (102), (b) by structured exposure, i. spatially limited supply of light (103), the at least one polymerisable organic binder can be cured in a spatially dissolved state, wherein in the cured binder matrix (105) mixed phases of the non-hardenable component (104) are present, (c) after separation (120) of the non-curable component (b) by removal (107) of the non-hardenable component from the green compact, cavities (108), (e) are formed by thermal decomposition (121) of the hardened, organic Binder is the Braunling (109), (f) this can now be compacted by sintering (110) to the final shaped body (111), (g) or the cavities can be filled with a suitable method (112) to the optical and / or to modify the mechanical and / or thermal properties of the final molded article and / or to recompact the brown compact
  • FIG. 2 shows schematic representations of embodiments of the method according to the invention:
  • Method modification "polymer replication” The green compact (106) is optionally subjected to a thermal treatment and patterned by means of a molding tool (201), whereby the green compact of its inverse structure (202 After removal (107) of the non-hardenable component, debindering (121) and sintering (110), a structured quartz glass molded body (210) is obtained;
  • “Positive-resist” method modification The green compact (106) is formed locally high-energy radiation (220), which locally changes the chemical and / or physical structure of the cured organic binder (221).
  • FIG. 3 shows an organic binder (101) in which two types of spherical silica glass particles differing significantly in diameter are dispersed.
  • the quartz glass particles of the second type (201) form the cavities which fill the quartz glass particles of the first type (102). From such compositions, green compacts can be produced with significantly increased filling level and thus significantly increased density.
  • FIG. 4 shows the optical transmission of the quartz glass molded body obtained in Example 1 after sintering in comparison to conventionally obtained quartz glass and soda-lime glass.
  • Example 5 shows the optical transmission of the colored quartz glass molded body obtained in Example 2 by impregnating the brown product.
  • FIG. 6 shows the formation of the quartz glass molded body according to the inventive method starting from the composition according to the invention: (a) shows the organic binder and the quartz glass particles, (b) the suspension obtained therefrom with quartz glass particles dispersed in the organic binder, (c) the green compact, ( d) the Braunling, (e) the final quartz glass molded body (scale: 5 mm) from Example 1, and (f) the filling of the cavities of the brown compact to produce the colored quartz glass molded body from Example 2.
  • Example 7 shows the result of the method modification "polymer replication" used in Example 3: (a) shows the green compact, which was structured by means of a molding tool (nanoimprint system), and (b) the structured quartz glass molded body which emerges from this green compact (A) is a photomicrograph, while (b) is a scanning electron micrograph.
  • the composition was a slightly yellowish, highly viscous suspension and had a viscosity of about 2.82 Pa.s at a shear rate of 100 s- 1 and a temperature of 20 ° C.
  • the composition was prepared on a conventional RP system (Asiga Pico 2, a stereo lithography system, available from Asiga) using a suitable 3D model by supplying UV light with a Wavelength of 385 nm structured.
  • a conventional RP system Asiga Pico 2, a stereo lithography system, available from Asiga
  • the primary shaping was made into a green compact.
  • the green compact was then subjected to a multi-stage thermal treatment with the following temperature protocol:
  • Heating rate 0.5 K / min, 25 ° C 150 ° C, holding time: 4 h
  • Heating rate 0.5 K / min, 150 ° C 280 ° C, holding time: 4 h
  • Heating rate 1 K / min, 280 ° C 550 ° C, holding time: 2 h
  • Cooling rate 5 K / min, 550 ° C 25 ° C, end
  • the first thermal treatment step was to remove the non-hardenable component contained in the green compact, while the green compact was removed by the second and third thermal treatment steps, i. the cured, organic binder matrix was removed.
  • the thus obtained brown compact was sintered under vacuum at a pressure of about 0.1 mbar, thereby causing compaction of the brown compact and obtaining the final molded article.
  • the temperature protocol during sintering was as follows:
  • the molded article After completion of the above temperature protocol, the molded article had a minimum optical transmittance of 72% at a wavelength of 200 nm and an optical transmittance of greater than 72% in a wavelength region of 200 to 1000 nm.
  • the layer thickness of the molding was 1 mm.
  • the molded article thus had an optical transparency which was indistinguishable from conventional quartz glass ( Figure 4).
  • a UV / VIS spectrometer of the type Evolution 201 (Thermo Scientific, Germany) was used, which was operated in transmission mode.
  • the molded article had a Vickers hardness of 799 HV, measured in accordance with DIN EN ISO 6507 (system: Fischerscope HV 100, Helmut Fischer GmbH, Germany), and a biaxial flexural strength of 100 MPa, measured in accordance with DIN EN ISO 6872 (System: 10T, UTS, Germany), on.
  • the molded body was therefore also not to be distinguished from conventionally obtained, pure quartz glass in terms of its mechanical properties, for which a Vickers hardness of 799 HV and a biaxial flexural strength of 100 MPa are also common.
  • Example 2 Filling the porous secondary structure with inorganic pigments
  • Example 2 Under the same conditions as in Example 1, a Braunling was obtained. By filling the cavities in the Braunling with gold (III) chloride, a colloidal red color was obtained, while the filling with chromium (III) nitrate resulted in an ionic green color.
  • the Braunling was soaked for this purpose in an ethanolic solution with 0.1 mass% AuC or 0.5 mass% Cr (NO3) 3 and then dried for 1 hour at 50 ° C.
  • the sintering was carried out according to the temperature protocol from Example 1 under nitrogen atmosphere at a pressure of about 0.1 mbar.
  • the quartz glass molded bodies each obtained after sintering were colored, which was also evident in the transmission spectra (FIG. 5).
  • composition comprising the following components was placed in a 50 mL beaker:
  • thermoplastic green compact obtained in this way was embossed by means of a conventional nanoimprint system (type EVG HE510, available from EVG) at a temperature of 70 ° C., an embossing force of 1000 N and a holding time of 5 minutes.
  • the removal of the non-hardenable component, the debindering of the green compact and the sintering of the brown compact were carried out according to the temperature protocol from Example 1, as described above.
  • the structuring caused by the mold installed in the nanoimprint system is shown in FIG. 7 both for the green compact and for the final shaped quartz glass molded body.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung und ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas mittels additiver Fertigung. Die Zusammesetzung enthält Quarzglaspartikeln mit einem Durchmesser im Bereich von 7 bis 100 nm, einen polymerisierbaren organischen Binder, welcher bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegt, und einen Polymerisationsstarter bwz. Vernetzer.

Description

Zusammensetzung und Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas mittels additiver Fertigung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung und ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas mittels additiver Fertigung.
Verfahren zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Strukturen weisen gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren den Vorteil auf, dass sie keiner vorgefer- tigten Matrix bedürfen, welche den anzufertigenden Körper bereits geometrisch vorgibt. Durch die frei wählbare dreidimensionale Formgebung lassen sich in der additiven Fertigung spezifische Kundenwünsche kostengünstig umsetzen wie auch Prototypen preiswert und schnell herstellen. Daher werden die in der additiven Fertigung angewandten Herstellungsverfahren auch Rapid Prototyping-Prozesse (RP- Prozesse) genannt.
Die im Stand der Technik beschriebenen additiven Fertigungsverfahren sind vornehmlich für die Herstellung von Polymerbauteilen geeignet. Ausnahmen bilden Ansätze auf der Grundlage von selektivem Lasersintern, bei denen auch metallische und keramische Materialien wie Aluminiumoxid zum Einsatz kommen können. Was die Herstellung von frei strukturierbaren Glaskörpern anbelangt, ist beispielsweise ein selektives Lasersinterverfahren bekannt, welches das lokale Aufschmelzen von Quarzglasnanopartikeln in einem Pulverbad und deren Verdichten zu einem Glaskörper vorsieht, wie beispielsweise in US 2004/01 18158 A1 beschrieben. Nachteilig an diesem Verfahren sind jedoch die hierbei erforderlichen hohen Prozesstemperaturen und die hierdurch entstehenden apparativen Anforderungen. Darüber hinaus ist es mit diesem Verfahren nur bedingt möglich, Glasbauteile in Freiform herzustellen, da während des Fertigungsprozesses ein signifikanter Schrumpf auftritt, der sich punktuell auf das entstehende Glasbauteil auswirkt. Folglich weisen die so erhalte- nen Glasformkörper einen starken lokalen Verzug sowie hohe Eigenspannungen auf. Ferner ist die Oberflächenqualität der mit diesem Verfahren erhaltenen Glasbauteile meist unzureichend, da das selektive Lasersintern zu einer hohen Rauigkeit und damit zu einer geringen optischen Transparenz führt.
Ein anderer Ansatz zur additiven Fertigung von Glasbauteilen ist ein RP-Prozess, welcher an das als Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeiing, FDM) bekannte Verfahren angelehnt ist. Das für die Herstellung von Glasbauteilen modifizierte FDM- Verfahren, welches in US 2015/0307385 A1 beschrieben ist, verwendet als Substrat einen Glasstrang anstelle eines polymeren Filaments. In einer Hochtemperaturdüse wird der Glasstrang aufgeschmolzen und im Raum appliziert. Das Aufschmelzen des Glasstranges kann nach Luo et al. (Journal of Manufacturing Science and Engineering 2014, 136, 061024) dabei auch mittels eines Lasers erfolgen. Durch gezieltes räumliches Verfahren der Hochtemperaturdüse wird so eine dreidimensionale Glasstruktur geformt und schließlich das gewünschte Glasbauteil nach Abkühlung erhalten. Allerdings ist die ursprüngliche Fadenstruktur des Glasstranges im so erhaltenen Glasformkörper noch sichtbar. Ferner ist die mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren erreichbare Detailauflösung begrenzt, was eine hohe Oberflächenrauigkeit und somit eine geringe Oberflächengüte zur Folge hat.
Im Stand der Technik sind schließlich noch weitere Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Glas bekannt. Verschiedentlich wird hier auch die Strukturgebung des Glasformkörpers beschrieben. Nicht selten ist die Prozessierung von Glas dabei auf Hochtemperaturprozesse beschränkt, wobei technischen Gläsern zum Herabsetzen der Schmelztemperaturen große Mengen Kristallbildner zugemischt werden. Diese Gläser verlieren dadurch meist die hohe optische Transmission bis weit in den UV-Bereich, welche von Quarzgläsern bekannt ist.
In US 2015/0224575 A1 ist ein 3D-Druck-Verfahren beschrieben, bei dem eine gemischte thermoplastische Matrix zum Einsatz kommt. Diese besteht aus zwei Komponenten, welche bei unterschiedlichen Temperaturen thermisch entfernt bzw. zersetzt werden können. Das Vorgehen basiert hierbei auf der Vorlage eines organischen Binders in Form eines Thermoplaste, der selektiv mit photohärtender Tinte beaufschlagt wird, wodurch eine lokale Strukturierung möglich ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Tatsache, dass ein sehr komplexes Bindersystem benötigt wird (d.h. zusätzlich zur UV-härtenden Tinte sind mindestens zwei Thermoplaste notwendig) und dass die mit dem klassischen 3D-Druck einhergehenden Nachteile wie hohe Rauigkeit und schlechte optische Transmission bestehen bleiben. Die optische und mechanische Güte der so erhaltenen Substrate ist daher gering.
Eine der wenigen Methoden transparente Gläser mittels eines pulverbasierten An- satzes herzustellen ist in US 6,829,908 beschrieben. Allerdings muss hier zum Erreichen ausreichender Dichten der Glaskörper während des Sinterns unter Druck gesetzt werden, was die freie Formgebung nahezu unmöglich macht. Mitunter muss hier die thermische Behandlung auch in einer kontrollierten Atmosphäre wie beispielsweise unter Wasserstoff, beschrieben in US 6,576,578, oder entfeuchtenden reaktiven Gasen, beschrieben in US 5,679,125, durchgeführt werden. In US 4,849,001 ist ferner eine Verfahrensmodifikation dieses Ansatzes beschrieben. Zusätzlich wird hier eine organische Bindermatrix verwendet.
Zur Herstellung optisch hochreiner Bauteile sind im Stand der Technik Zonenziehver- fahren beschrieben, beispielsweise in US 2016/0083303 A1. Diese Verfahren ermöglichen die Herstellung hochreiner Bauteile mit hoher optischer Transmission, allerdings sind sie auf relativ einfache geometrische Strukturen beschränkt. Dies liegt in der Natur des Verfahrens begründet: Beim Zonenziehen werden Bereiche des Bauteils selektiv verflüssigt, um die unterschiedliche Löslichkeit von Fremdatomen im festen bzw. im flüssigen Zustand auszunutzen. Durch die partielle Verflüssigung verliert das Bauteil lokal allerdings seine mechanische Festigkeit, wodurch filigrane Strukturen kollabieren. Darüber hinaus ist das Zonenziehen ein technisch vergleichsweise sehr aufwendiges Verfahren. Pulverbasierte Prozesse sind im Stand der Technik prinzipiell bekannt, auch unter Verwendung von Verfahren wie beispielsweise dem 3D-Druck. Als Beispiel hierfür sei US 8,991 ,21 1 genannt. Mitunter müssen die hergestellten Bauteile während des Sinterns in einem inerten Pulver gestützt werden, damit sie ihre Form nicht einbüßen. Diese Ansätze sind zumeist nur für Kalk-Natron-Gläser beschrieben und damit nicht zur Erzeugung transparenter Quarzgläser geeignet.
Zwar sind im Stand der Technik Verfahren bekannt, mit denen die Herstellung von Gläsern hoher optischer Güte möglich ist, allerdings sind diese nicht zur freien dreidimensionalen Formgebung geeignet. Beispiele hierfür sind US 2010/0041538 A1 und US 2006/0137398 A1 zu entnehmen. Ferner beschreiben Wozniak et al. (Journal of the European Ceramic Society 2009, 29, 2259-2265) einen pulverbasierten Ansatz, der mittels Replikation die Herstellung eines milchig opaken Glasbauteils unter Verwendung einer photohärtbaren organischen Bindermatrix vorsieht. In ähnlicher Weise beschreiben Kotz et al. (Advanced Materials 2016, 28, 4646-4650) ein Verfahren, mit dem sich optisch hochreines Quarzglas erzeugen lässt. Allerdings sind beide vorstehend genannten Verfahren replikativer Natur und eignen sich daher nicht zur freien dreidimensionalen Formgebung von Quarzglas.
Verschiedentlich sind im Stand der Technik Ansätze zur Herstellung von Quarzglaspartikeln und deren Verdichtung zu transparenten Gläsern beschrieben. Geeignete Herstellungsverfahren basieren dabei zumeist auf einer Flammerihydrolyse, wie beispielsweise in US 6,606,883 beschrieben. Solche Verfahren erlauben allerdings keine freie Formgebung.
US 2008/0196448 A1 , EP 0 653 381 A1 und EP 1 210 294 A1 beschreiben jeweils ein Verfahren, bei dem eine Aufschlämmung aus Quarzglaspartikeln und Wasser hergestellt wird, welche in eine geeignete Form gegossen und anschließend geformt wird. Nach Extraktion des Wassers kann der so erhaltene Rohkörper gesintert werden. Das Verfahren erlaubt jedoch keine freie Formgebung in drei Dimensionen und die Aufschlämmung ist nicht direkt strukturierbar. Es handelt sich somit um ein Abformverfahren, das sich nicht für einen RP-Prozess eignet.
Eine weitere wichtige Gruppe von Methoden zur Herstellung von hochreinem Quarzglas sind Sol-Gel-Ansätze, bei denen SiO2-Präkursoren (Alkoxy- oder Chlorsilane) Verwendung finden. Die Präkursoren werden dabei kondensiert und die bei der Kondensation entstehenden Nebenprodukte - oft ein Salz, Alkohol, Salzsäure (HCl) oder Wasser - extrahiert. Der Schrumpf dieser Ansätze ist meist erheblich, da große Massenanteile aus der Lösung entfernt werden. Häufig weisen die so erhaltenen Glasbauteile eine geringe Dichte auf, bedingt durch die poröse Hohlraumstruktur. Zumeist erreichen die Komponenten auch nicht die von Quarzglas bekannten optischen und vor allem auch mechanischen Eigenschaften. Häufig muss bei sehr hohen Temperaturen im Bereich von 1500 bis 2200 °C gesintert werden, um den Gläsern eine ausreichende Dichte sowie entsprechende mechanische und optische Eigen- Schäften zu verleihen. Beispiele eines solchen Sol-Gel-Ansatzes sind in US 5,236,483 beschrieben.
Den vorstehend genannten Verfahren ist somit gemeinsam, dass sie sich nicht zur Herstellung von dreidimensional freigeformten Quarzglaskörpern mit hoher Strukturauflösung sowie gleichzeitig hoher optischer und mechanischer Güte eignen. Bisher ist es noch nicht gelungen, hochreine, transparente Quarzglasformkörper im Rahmen eines additiven Fertigungsprozesses zufriedenstellend herzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein additives Fertigungsverfahren bereitzustellen, welches die Herstellung eines dreidimensional freigeformten Körpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas mit hoher Strukturauflösung sowie gleichzeitig hoher optischer und mechanischer Güte ermöglichen soll.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst.
Insbesondere werden erfindungsgemäß eine Zusammensetzung und ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas bereitgestellt, wobei die erfindungsgemäße Zusammensetzung die nachstehenden Komponenten umfasst:
mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder, welcher bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegt;
einen Polymerisationsstarter bzw. Vernetzer, der durch Zufuhr von Licht oder Wärme die Polymerisation oder Vernetzung des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders initiiert; und
mindestens eine Art von kugelförmigen Quarzglaspartikeln, die in dem mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder in dispergierter Form vorliegen und einen Durchmesser im Bereich von 7 bis 100 nm aufweisen.
Der mindestens eine polymerisierbare organische Binder liegt bei Raumtemperatur (20 °C) in flüssiger Form vor. In diesem Zusammenhang bedeutet das Vorliegen in flüssiger Form, dass der mindestens eine polymerisierbare organische Binder entweder einen flüssigen Aggregatszustand aufweist oder in einem geeigneten organi- sehen Lösungsmittel gelöst ist. Als Lösungsmittel kommen hierbei beispielsweise aliphatische Alkohole, Ketone, Ether, Dimethylformamid und vergleichbare, dem Fachmann bekannte Lösungsmittel in Frage. Durch Zufuhr von Licht oder Wärme kann der mindestens eine polymerisierbare organische Binder durch Polymerisation oder Vernetzung ausgehärtet werden, wodurch eine feste Bindermatrix erhalten wird. Entsprechend verfügt der mindestens eine polymerisierbare organische Binder über geeignete funktionelle Gruppen, die einer Polymerisation zugänglich sind. Solche funktionelle Gruppen schließen auch Doppelbindungen ein. Ferner weist der mindestens eine polymerisierbare organische Binder die Eigenschaft auf, dass er sich im ausgehärteten Zustand bei erhöhter Temperatur, typischerweise im Bereich von 200 bis 700 °C, zersetzen lässt. Ansonsten unterliegt der mindestens eine polymerisierbare organische Binder erfindungsgemäß keinen weiteren Einschränkungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung schließt der mindestens eine polymerisierbare organische Binder vorzugsweise solche organische Verbindungen ein, die durch Polymerisation Thermoplaste ergeben. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der mindestens eine polymerisierbare organische Binder solche Monomere, die keine vernetzten Polymere bzw. Copolymere erzeugen. Nicht einschränkend gehören hierzu Polyolefine wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat, Polyhydroxymethylmethacrylat, Polyhydroxymethylacrylat, Polyhydroxyethylmethacrylat, Polyhydroxyethylacrylat, Polyhydroxypropylmethacrylat, Polyhydroxypropylacrylat, Polyhydroxybutylmethac- rylat, Polyhydroxybutylacrylat und Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polycarbonate, Polyester wie beispielsweise Polylactat und Polyethylenterephthalat, Polyamide, Po- lyurethane, Polyetherketone wie beispielsweise Polyetheretherketon, Polyether und Polyarylate. Demgemäß kann der mindestens eine polymerisierbare organische Binder auch aus mehreren Monomerkomponenten bestehen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der mindestens eine poly- merisierbare organische Binder ein Monomer mit mindestens einer polymerisierbaren funktionellen Gruppe, beispielsweise ein Monoacrylat und/oder ein Diacrylat mit beliebiger Funktionalisierung. Umfasst die Zusammensetzung zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas sowohl ein Monoacrylat als auch ein Diacrylat, alternativ auch ein Tri-, Tetra-, Penta-, Hexa-, Hepta- oder Octaacrylat bzw. ein vergleichbares Monomer mit mehreren polymerisierbaren funktionellen Gruppen, als mindestens einen polymersierbaren organischen Binder, kann durch Einstellen der Stoffmengenanteile hiervon das Ausmaß von Vernetzungen in der ausgehärteten Bindermatrix kontrolliert werden.
Neben dem mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder umfasst die erfindungsgemäße Zusammensetzung einen Polymerisationsstarter bzw. Vernetzer, der durch Zufuhr von Licht oder Wärme die Polymerisation oder Vernetzung des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders initiiert.
Der Polymerisationsstarter bzw. Vernetzer unterliegt erfindungsgemäß keiner besonderen Einschränkung. Die vorstehend definierte Zusammensetzung kann einen beliebigen, vorzugsweise im Handel erhältlichen Polymerisationsstarter bzw. Vernetzer umfassen, sofern er durch photolytische oder thermolytische Spaltung polymerisati- ons- oder vernetzungsinduzierende Moleküle erzeugen kann. Beispiele für Polymerisationsstarter bzw. Vernetzer in Form von Radikalinitiatoren, die sich mittels Licht aktivieren lassen, sind Azobis(isobutyronitril) und Benzoylperoxid, während beispielsweise 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon, Phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl)- phosphinoxid, 2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenon und 2- Hydroxy-2-methylpropiophenon thermisch aktivierbare Radikalinitiatoren darstellen. Da sich die Zufuhr von Licht räumlich genauer begrenzen lässt als die Zufuhr von Wärme, umfasst die erfindungsgemäße Zusammensetzung vorzugsweise einen mittels Licht aktivierbaren Polymerisationsstarter bzw. Vernetzer. Hierdurch lässt sich der in der Zusammensetzung enthaltene mindestens eine polymerisierbare organi- sehe Binder räumlich aufgelöst aushärten. Die für die photolytische bzw. thermolytische Spaltung des Polymerisationsstarters bzw. Vernetzers notwendige Wellenlänge bzw. Temperatur lässt sich insbesondere bei im Handel erhältlichen Polymerisationsstartern bzw. Vernetzern dem Stand der Technik entnehmen. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Zusammensetzung zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas mindestens eine Art von kugelförmigen Quarzglaspartikeln, die in dem mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder, welcher bei Raumtemperatur flüssig ist, in dispergierter Form vorliegen und einen Durchmesser im Bereich von 7 bis 100 nm aufweisen. Die in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung enthaltenen kugelförmigen Quarzglaspartikel bestehen aus hochreinem, amorphem Siliziumdioxid, d.h. der Si02-Massenanteil in den Quarzglaspartikeln ist mindestens bzw. > 90%, bevorzugt mindestens bzw. > 99% und besonders bevorzugt mindestens bzw. > 99,9%. In diesem Zusammenhang ist der Begriff„kugelförmig" so aufzufassen, dass auch Quarzglaspartikel mit kugelartiger geometrischer Form mit eingeschlossen sind, also solche Quarzglaspartikel, die sphäroid sind. Der vorstehend definierte Durchmesserbereich ist dabei so zu verstehen, dass in keiner Dimension der Durchmesser der Quarzglaspartikel im Wesentlichen kleiner als 7 nm und größer als 100 nm ist.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas noch weitere Komponenten umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Zusammensetzung eine nicht-aushärtbare Komponente, welche nach dem Aushärten des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders als Mischphase in der Bindermatrix vorliegt. Unter einer nicht-aushärtbaren Komponente sind erfindungsgemäß solche Substanzen zu verstehen, die sich durch Zufuhr von Licht oder Wärme nicht polymerisieren lassen sowie ausreichend viskos sind, d.h. eine Viskosität von mindestens bzw. > 5 mPa-s, bevorzugt von mindestens bzw. > 15 mPa-s und besonders bevorzugt von mindestens bzw. > 25 mPa-s bei Raumtemperatur aufweisen, gemessen in Übereinstimmung mit DIN 53019. Erfindungsgemäß liegt die nicht-aushärtbare Komponente demnach in fester oder in zähfließend flüssiger Form vor. Die chemische Natur der nicht-aushärtbaren Komponente ist ansonsten keinen weiteren Einschränkungen unterworfen. Beispiele für die nicht- aushärtbare Komponente sind Alkohole, Ether, Silikonöle oder vergleichbare organische Lösungsmittel oder Kombinationen hiervon, die ein ausreichend hohes Molekulargewicht und/oder entsprechende Funktionalisierungen aufweisen, um der vorstehend genannten Viskosität zu entsprechen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die nicht-aushärtbare Komponente ein Alkylarylether, der gegebenen- falls mit einer Hydroxygruppe funktionalisiert ist, beispielsweise Ethylenglycolmono- phenylether. Der auch als Phenoxyethanol bezeichnete substituierte Alkylarylether weist eine Viskosität von 30 mPa-s bei 20 °C auf und liegt somit bei Raumtemperatur als zähfließende Flüssigkeit vor. Alternativ kann die nicht-aushärtbare Komponente bei Raumtemperatur in fester Form vorliegen. Die Viskosität von Feststoffen ist im Allgemeinen sehr hoch. Umfasst die erfindungsgemäße Zusammensetzung eine nicht-aushärtbare Komponente in fester Form, so ist davon auszugehen, dass deren Viskosität mindestens bzw. > 5 mPa-s beträgt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die nicht-aushärtbare Komponente in Form eines Feststoffes in dem mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder löslich. Erfindungsgemäß weist die nicht-aushärtbare Komponente ferner die Eigenschaft auf, dass sie nach dem Aushärten des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders aus der Bindermatrix abgetrennt werden kann. Die Abtrennung kann beispielsweise durch eine thermische Behandlung erfolgen, woraufhin die nicht-aushärtbare Komponente entweder verdampft oder sublimiert, alternativ auch zersetzt wird. Beispielsweise lässt sich Phenoxyethanol unter Atmosphärendruck bei 242 °C verdampfen, wobei auf Grund des Dampfdrucks bereits bei Temperaturen ab 150 °C signifikante Mengen hiervon abgetrennt werden.
Als weitere Komponente umfasst die erfindungsgemäße Zusammensetzung gegebenenfalls einen Absorber. Der Absorber grenzt die durch die Licht- oder Wärmeeinwirkung induzierte Polymerisation bzw. Vernetzung des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders räumlich ein. Der hierbei zugrundeliegende Mechanismus beruht darauf, dass der Absorber die chemische Reaktion, die zu einer Polymerisation oder Vernetzung führt, örtlich abbricht bzw. reduziert. Dies hat zur Folge, dass nur in den Bereichen des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders eine chemische Reaktion erfolgen kann, die unmittelbar der Licht- o- der Wärmeeinwirkung ausgesetzt sind. In diesen Bereichen ist der effektive Lichtoder Wärmeeintrag ausreichend, so dass eine chemische Reaktion durch den Polymerisationsstarter bzw. Vernetzer initiiert und aufrechterhalten werden kann. In den Bereichen des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders, die der Licht- oder Wärmeeinwirkung nicht oder nicht direkt ausgesetzt sind, ist die Rate der Hemmung der chemischen Reaktion in Folge der Absorption von Licht oder Wärme durch den Absorber größer als die Rate der Initiierung neuer chemische Reaktionen. Infolgedessen wird der mindestens eine polymerisierbare organische Binder in diesen Bereichen nicht oder nur sehr viel geringer infolge der chemischen Reaktion verfestigt. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die vorstehend definierte Zusammensetzung mindestens eine zweite Art von kugelförmigen Quarzglaspartikeln auf. Diese haben im Vergleich zur ersten Art von kugelförmigen Quarzglaspartikeln einen deutlich größeren Durchmesser, welcher im Bereich von 2 bis 40 pm liegt. Bei Anwesenheit mindestens einer zweiten Art von kugelförmigen Quarzglaspartikeln mit dem vorstehend genannten Durchmesserbereich wird eine dichtere Packung erzielt, da nun die Quarzglaspartikel mit dem kleinerem Durchmesser die Lücken zwischen den Quarzglaspartikeln mit dem größeren Durchmesser auffüllen. Alle für die kugelförmigen Quarzglaspartikel mit einem Durchmesser im Bereich von 7 bis 100 nm genannten Definitionen und Einschränkungen gelten in analoger Weise auch für die kugelförmigen Quarzglaspartikel mit einem Durchmesser im Bereich von 2 bis 40 pm. Insbesondere besteht auch die zweite Art von kugelförmigen Quarzglaspartikeln aus hochreinem, amorphem Siliziumdioxid, d.h. der Si02-Massenanteil in den Quarzglaspartikeln ist mindestens bzw. > 90%, bevorzugt mindestens bzw. > 99% und besonders bevorzugt mindestens bzw. > 99,9%. Ebenfalls ist auch in diesem Zusammenhang der Begriff „kugelförmig" so aufzufassen, dass auch Quarzglaspartikel mit kugelartiger geometrischer Form mit eingeschlossen sind, also solche Quarzglaspartikel, die sphäroid sind. Der vorstehend definierte Durchmesserbereich ist dabei so zu verstehen, dass in keiner Dimension der Durchmesser der Quarzglaspartikel im Wesentlichen kleiner als 2 pm und größer als 40 pm ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung im Rahmen einer additiven Fertigung, wie beispielsweise einem 3D-Druck, wobei das Verfahren die nachstehenden Schritte, vorzugsweise in dieser Reihenfolge, umfasst:
(a) Bereitstellen der erfindungsgemäßen, vorstehend gekennzeichneten Zusammensetzung zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas in einer Vorrichtung;
(b) Aushärten des in der Zusammensetzung enthaltenen mindestens einen poly- merisierbaren organischen Binders durch Zufuhr von Licht oder Wärme, wodurch ein Grünling als Primärstruktur erhalten wird;
(c) Abtrennen des gegebenenfalls nicht-ausgehärteten, mindestens einen poly- merisierbaren organischen Binders einschließlich der darin enthaltenen Korn- ponenten von der Primärstruktur; und gegebenenfalls mindestens einmal Wiederholen der Schritte (a), (b) und gegebenenfalls (c);
(d) gegebenenfalls Nachbehandeln der Primärstruktur durch mindestens ein Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Strukturieren mit Hilfe eines Formwerkzeuges, Bestrahlen mit hochenergetischer Strahlung und anschließendem Entwickeln, Fräsen, Bohren, Laminieren, Bonden, Schleifen, Polieren, Läppen, Gravieren und Behandeln mit Wärme oder Laserlicht;
(e) Entfernen der gegebenenfalls in der Primärstruktur vorhandenen nicht- aushärtbaren Komponente;
(f) Entbindern der Primärstruktur durch thermische Behandlung, wodurch ein Braunling als poröse Sekundärstruktur erhalten wird;
(g) gegebenenfalls Auffüllen der porösen Sekundärstruktur mit mindestens einem Füllstoff; und
(h) Sintern der porösen Sekundärstruktur, wodurch der finale Formkörper erhalten wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung erlaubt die Bereitstellung eines freigeformten Körpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas, welcher die im Stand der Technik bekannten Nachteile der additiven Fertigung von Quarzglasformkörpern überwindet. Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas, der sowohl eine hohe Strukturauflösung als auch eine hohe optische und mechanische Güte aufweist.
Insbesondere lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung auch filigrane Quarzglasstrukturen herstellen, die mit den im Stand der Technik beschriebenen RP-Prozessen bislang nicht erhältlich waren.
Die vorstehend aufgeführten Schritte (a) bis (h) des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dabei wie folgt gekennzeichnet:
In Schritt (a) des vorstehend definierten Verfahrens wird die erfindungsgemäße Zusammensetzung, welche die Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, trans- parentem Quarzglas erlaubt, in einer Vorrichtung bereitgestellt bzw. angeordnet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung keinen Einschränkungen unterworfen. Beispielsweise kann es sich bei der Vorrichtung um eine Platte, eine Wanne, eine fluidische Kammer, einen Vorratsbehälter, ein Rohrleitungs- oder Kanalsystem, einen elastischen Beutel oder Schlauch sowie um jede vergleichbare Form zur Aufbewahrung einer Flüssigkeit wie etwa ein Becherglas handeln. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Zusammensetzung nicht in einem geeigneten Gefäß bereitgestellt, sondern durch die intrinsische Oberflächenspannung der Komponenten in Form gehalten, beispielsweise in Form eines Tropfens oder eines Films. Auch kann als Vorrichtung eine starre geometrische Form Verwendung finden. Letztere weist eine Hohlraumstruktur auf, welche der Form des herzustellenden Glasbauteils entspricht, und kann so in einem replikativen Verfahren eingesetzt werden, wie weiter unten beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform, welche einer als„Lost-Form-Molding" bezeichneten Verfahrensmodifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht, umfasst die Vorrichtung zusätzlich einen Formling, welcher aus einem Feststoff oder einer Flüssigkeit mit definierter physikalischer Struktur besteht. Im Falle eines Feststoffes kann der Formling beispielsweise mittels 3D-Druck oder Stereolithographie hergestellt werden. Bei Verwendung einer Flüssigkeit als Formling wird diese in den mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder beispielsweise mit Hilfe einer Spritze appliziert. Der so entstehende Flüssigkeitstropfen wird dabei durch seine Oberflächenspannung kompakt gehalten, wodurch eine Art„schwebende" Struktur innerhalb des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders erhalten wird. Auf diese Weise können tropfenförmige Hohlraumstrukturen hergestellt werden, was insbesondere für die Schmuckherstellung interessant ist. Der Feststoff bzw. die Flüssigkeit des Formlings ist demnach mit dem mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder nicht mischbar. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung wird hierbei in Schritt (a) in einer Vorrichtung, umfassend den vorstehend beschriebenen Formling, bereitgestellt bzw. derart angeordnet, so dass Letzterer zumindest teilweise von der Zusammensetzung umhüllt ist. Hierdurch wird nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Quarzglasformkörper mit einem makroskopischen Hohlraum, welcher die Form des Formlings aufweist, erhalten. In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der mindestens eine polymeri- sierbare organische Binder, welcher in der in Schritt (a) in der Vorrichtung bereitgestellten Zusammensetzung enthalten ist, ausgehärtet, wodurch ein Grünling als Primärstruktur erhalten wird. Je nach Beschaffenheit des Polymerisationsstarters bzw. Vernetzers erfolgt das Aushärten des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders entweder durch Zufuhr von Licht oder durch Zufuhr von Wärme, vorzugsweise durch Zufuhr von Licht, da hierdurch mit einer höheren Strukturauflösung ausgehärtet werden kann. Die zur photolytischen bzw. thermolytischen Spaltung notwendige Wellenlänge bzw. Temperatur hängt naturgemäß vom jeweiligen Poly- merisationsstarter bzw. Vernetzer ab und kann, wie bereits vorstehend erwähnt, dem Stand der Technik entnommen werden.
Die in Schritt (b) erhaltene Primärstruktur umfasst somit eine feste Bindermatrix aus dem ausgehärteten, mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder und, darin dispergiert, die mindestens eine Art von kugelförmigen Quarzglaspartikeln mit einem Durchmesser im Bereich von 7 bis 100 nm. Darüber hinaus kann die Primärstruktur weitere Komponenten umfassen, die gegebenenfalls in der in Schritt (a) bereitgestellten Zusammensetzung enthalten sind, wie beispielsweise eine nicht- aushärtbare Komponente, eine zweite Art von kugelförmigen Quarzglaspartikeln und einen Absorber, wie vorstehend beschrieben.
Das Aushärten des mit der Zusammensetzung bereitgestellten mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders erfolgt in Schritt (b) vollständig oder unvollständig. Ein unvollständiges Aushärten kann durch eine räumlich begrenzte Zufuhr von Wärme oder Licht, vorzugsweise von Licht, erzielt werden. Die bei der Belichtung erreichbare Ortsauflösung korreliert dabei mit dem Strahlprofil der hierbei zum Einsatz kommenden Lichtquelle. Je kleiner deren Strahldurchmesser ist, desto höher lassen sich die Konturen der Primärstruktur auflösen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher eine Laserlichtquelle oder eine hochauflösende Lithographie unter Verwendung einer Maske oder eines dynamischen Lichtmodulators, beispielsweise eines Mikrospiegelarraysystems, zum Aushärten des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders verwendet. Kommt der Ortsauflösung lediglich eine untergeordnete Bedeutung zu, kann in Schritt (b) vollständig ausgehärtet werden. In diesem Fall kann das Aushärten des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders auch vorzugsweise durch Zufuhr von Wärme erfolgen. Ein vollständiges Aushärten erfolgt beispielsweise in einer Vorrichtung mit starrer geometrischer Form, wie vorstehend beschrieben, wobei eben jene starre geometrische Form und nicht die räumlich begrenzte Zufuhr eines externen Stimulus wie Licht oder Wärme die Formgebung der Primärstruktur be- einflusst. Das Aushärten durch Zufuhr von Wärme hat hierbei sogar den Vorteil, dass der mindestens eine polymerisierbare organische Binder im Bulk ausgehärtet werden kann, beispielsweise durch Erwärmen der Vorrichtung.
In Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gegebenenfalls nicht- ausgehärtete, mindestens eine polymerisierbare organische Binder einschließlich der darin enthaltenen Komponenten von der Primärstruktur abgetrennt. Das Abtrennen kann beispielsweise durch eine Lösungsmittelbehandlung erfolgen. Erfindungsgemäß ist das Abtrennen des nicht-ausgehärteten, mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders jedoch nicht auf eine bestimmte Methode beschränkt. So kann das Abtrennen beispielsweise auch mittels Unterdruck oder durch Verdampfung infolge einer Temperaturerhöhung erreicht werden.
Die Schritte (a) bis (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden gegebenenfalls mindestens einmal, vorzugsweise mehrmals, wiederholt. Hierdurch wird die Primärstruktur in jedem Wiederholungszyklus sukzessiv erweitert, bis der gewünschte Formkörper erhalten wird. Hierzu wird die erfindungsgemäße Zusammensetzung bei jedem Wiederholungszyklus zusammen mit der aus dem vorherigen Wiederholungszyklus erhaltenen Primärstruktur in der Vorrichtung geeigneterweise bereitgestellt bzw. angeordnet. Anschließend wird, wie vorstehend beschrieben, ausgehärtet und der gegebenenfalls nicht-ausgehärtete, mindestens eine polymerisierbare organische Binder zusammen mit den darin enthaltenen anderen Komponenten der Zusammen- setzung abgetrennt. Werden die Schritte (a) bis (c) mindestens einmal wiederholt, ist es bevorzugt, dass das Aushärten des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders durch Licht erfolgt, um eine entsprechend hohe Strukturauflösung zu gewährleisten. Durch Einstellen der in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgelegten bzw. eingesetzten Menge der Zusammensetzung kann die Strukturauf- lösung je nach den Erfordernissen des herzustellenden Quarzglasformkörpers ange- passt werden. Bedarf es einer sehr hohen Strukturauflösung, wird in Schritt (a) lediglich eine geringe Menge der vorstehend definierten Zusammensetzung bereitgestellt und in Schritt (b) ausgehärtet. Ist die Strukturauflösung hingegen von untergeordneter Bedeutung, kann eine größere Menge der Zusammensetzung in Schritt (a) bereitgestellt und in Schritt (b) ausgehärtet werden, wodurch sich die Anzahl der Wiederholungszyklen entsprechend verringern lässt und die Herstellung des Formkörpers weniger Zeit in Anspruch nimmt.
Erfindungsgemäß muss Schritt (c) nicht in jedem Wiederholungszyklus ausgeführt werden. Wird der nicht-ausgehärtete, mindestens eine polymerisierbare organische Binder nicht abgetrennt, ist er so in Schritt (a) für die nachfolgende Strukturierung in Schritt (b) direkt bereitgestellt bzw. angeordnet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein dreidimensionales Bauteil in schichtweiser Anordnung in der sogenannten„Badbauweise" hergestellt werden soll. Diese Konfiguration ist beispielsweise von der Stereolithographie bekannt. In dieser Ausführungsform ersetzt gewissermaßen das Auslassen des Schrittes (c) der Iteration n den Schritt (a) der Iteration r>+1 , wobei n den jeweiligen Wiederholungszyklus darstellt.
Je nach Art des Aushärtens, ob durch Zufuhr von Licht oder durch Zufuhr von Wärme, wird der Fachmann einen geeigneten im Stand der Technik bekannten Polymerisationsstarter bzw. Vernetzer in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung auswählen und im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzen.
Nach gegebenenfalls mindestens einmaligem Wiederholen der Schritte (a) bis (c) wird die so erhaltene Primärstruktur in Schritt (d) gegebenenfalls durch ein geeignetes Verfahren nachbehandelt. Da die Primärstruktur im Wesentlichen aus der Bindermatrix, d.h. dem ausgehärteten, mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder besteht, ist eine Nachbehandlung, insbesondere eine mechanische Nachbearbeitung, möglich. Erfindungsgemäß sind die in Schritt (d) in Frage kommenden Nachbehandlungsverfahren keinen besonderen Einschränkungen unterworfen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Nachbehandeln durch mindestens ein Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Strukturieren mit Hilfe eines Formwerkzeuges, Bestrahlen mit hochenergetischer Strahlung und anschließendem Entwickeln, Fräsen, Bohren, Laminieren, Bonden, Schleifen, Polieren, Läppen, Gravieren und Behandeln mit Wärme oder Laserlicht. Auch kann jede andere Form der additiven oder subtraktiven Oberflächenbehandlung Anwendung finden. Eine solche Nachbehandlung ist insbesondere dann ratsam, wenn die Primärstruktur sichtbare Artefakte oder sonstige unerwünschte Oberflächendefekte aufweist, welche beispielsweise auf die verwendete Vorrichtung zurückzuführen sind. Dient eine starre geometrische Form, wie vorstehend beschrieben, als Vorrichtung, finden sich jedwede Unebenheiten der betreffenden Oberfläche hiervon in der Primärstruktur wieder.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche als„Polymer- replikation" bezeichnet wird, erfolgt in Schritt (d) die Nachbehandlung unter Zuhilfenahme eines Formwerkzeuges, welches der Strukturierung der Primärstruktur dient. Das Formwerkzeug stellt ein geeignet strukturiertes Substrat dar, welches beispielsweise in einer Nanoimprintanlage verbaut werden kann. Die Strukturierung der Primärstruktur unter Verwendung des Formwerkzeuges erfolgt gegebenenfalls bei gleichzeitiger Zufuhr von Wärme, um die Strukturübertragung auf die Bindermatrix zu begünstigen. Nach dem Sintern in Schritt (h) wird auf diese Weise ein Quarzglasformkörper erhalten, in dem sich die Struktur des Formwerkzeuges widerspiegelt.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche als„Positiv- Resist" bezeichnet wird, erfolgt in Schritt (d) die Nachbehandlung der Primärstruktur durch Bestrahlen mit hochenergetischer Strahlung und anschließendem Entwickeln. Die Primärstruktur wird dabei räumlich aufgelöst hochenergetischer Strahlung (Elektronenstrahlung, lonenstrahlung, Röntgenstrahlung, etc.) ausgesetzt, wodurch die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften in den bestrahlten Bereichen der Bindermatrix der Primärstruktur so modifiziert werden, dass jene Bereiche in einem geeigneten Lösungsmittel löslich werden und schließlich entwickelt, d.h. abgetrennt werden können. Anstelle der Verwendung eines Lösungsmittels ist auch ein Entwickeln der bestrahlten Bereiche durch thermische Einwirkung oder durch Anlegen eines Unterdrucks möglich. Ähnlich wie in der vorstehend beschriebenen Verfahrensmodifikation der„Polymerreplikation" wird hier nach dem Sintern in Schritt (h) ein Quarzglasformkörper erhalten, der in den in Schritt (d) nachbehandelten Bereichen eine entsprechende Strukturierung aufweist. In Schritt (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gegebenenfalls in der Primärstruktur als Mischphase vorhandene nicht-aushärtbare Komponente entfernt, wodurch in der Primärstruktur Hohlräume entstehen. Das Entfernen der nicht- aushärtbaren Komponente kann beispielsweise durch eine thermische Behandlung erfolgen. Der hierbei einzustellende Temperaturbereich hängt vom Siedepunkt bzw. Sublimationspunkt, oder aber vom Zersetzungspunkt der nicht-aushärtbaren Komponente ab. Typischerweise liegt die Temperatur einer solchen thermischen Behandlung in Schritt (e) im Bereich von 50 bis 300 °C, wobei ein Bereich von 100 bis 250 °C für die Temperatur bevorzugt ist. Die Dauer einer solchen thermischen Behandlung in Schritt (e) unterliegt keiner besonderen Einschränkung und hängt lediglich von den Abmessungen der Primärstruktur und der Menge der in der Zusammensetzung enthaltenen nicht-aushärtbaren Komponente ab. Typischerweise beträgt die Dauer der thermischen Behandlung in Schritt (e), sofern eine nicht-aushärtbare Komponente vorhanden ist, von 2 bis 6 Stunden. Die Heizrate ist dabei keinen Einschränkungen unterworfen. Sie liegt typischerweise im Bereich von 0,4 bis 0,6 K/min, beispielsweise beträgt sie 0,5 K/min. Eine geeignete thermische Behandlung in Schritt (e) kann ferner auch durch schrittweise Temperaturerhöhung ausgeführt werden. Alternativ kann die nicht-aushärtbare Komponente auch unter Verwendung von Lösungsmitteln durch Extraktion entfernt werden. Ebenfalls möglich ist eine Entfernung der nicht-aushärtbaren Komponente im Vakuum, d.h. unter Anlegen eines Unterdrucks.
Durch thermische Behandlung wird nun in Schritt (f) die Primärstruktur entbindert, d.h. der ausgehärtete, mindestens eine polymerisierbare organische Binder wird entfernt. Bei ausreichend hoher Temperatur, d.h. bei einer Temperatur größer als in Schritt (e), findet die pyrolytische Zersetzung der Bindermatrix statt. Hierbei treten die gasförmigen Zersetzungsprodukte aus der Primärstruktur aus. Enthält die erfindungsgemäße Zusammensetzung eine nicht-aushärtbare Komponente, welche in Schritt (e) entfernt wird, können die Zersetzungsprodukte der Bindermatrix durch die in Schritt (e) entstehenden Hohlräume schnell und effizient die zu entbindernde Primärstruktur verlassen. Anderenfalls, d.h. bei Abwesenheit der durch die nicht-aushärtbare Komponente erzeugten Hohlräume, ist in Schritt (f) der Gastransport aus dem Inneren der Primärstruktur erschwert. Infolgedessen könnte es zu einem Riss der Primärstruktur kommen, da die bei der Pyrolyse entstehenden gasförmigen Zersetzungsprodukte der Bindermatrix nicht schnell genug diffusiv aus dem Inneren der Primärstruktur entfernt werden könnten. Durch das Entbindern der Primärstruktur wird schließlich ein Braunling als poröse Sekundärstruktur erhalten. Die poröse Sekundärstruktur besteht aus hochreinem Quarzglas und weist eine Vielzahl von Hohlräumen auf. Die Hohlräume sind dabei homogen über die poröse Sekundärstruktur verteilt und finden sich überall dort, wo vorher die Bindermatrix und gegebenenfalls die nicht-aushärtbare Komponente als Mischphase vorlagen. Die in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung enthaltenen Quarzglaspartikel liegen in der porösen Sekundärstruktur an örtlich definierten Positionen vor. Umfasst die erfindungsgemäße Zusammensetzung zwei verschiedene Arten von kugelförmigen Quarzglaspartikeln, kann auf diese Weise ein Braunling mit erhöhter Dichte erhalten werden, da die Lücken der einen Art von Quarzglaspartikeln mit den Quarzglaspartikeln der anderen Art gefüllt sind. Hierdurch kommt es beim Sintern in Schritt (h) zu einem geringeren Schrumpf der porösen Sekundärstruktur.
Die thermische Behandlung in Schritt (f) unterliegt keiner besonderen Einschränkung und schließt sich vorzugsweise direkt an Schritt (e) an. Ist in Schritt (e) eine thermische Behandlung zum Entfernen der nicht-aushärtbaren Komponente durchgeführt worden, findet demnach vor der Durchführung des Schrittes (f) vorzugsweise keine Abkühlung auf Raumtemperatur statt. Typischerweise liegt die Temperatur der thermischen Behandlung in Schritt (f) im Bereich von 200 bis 700 °C, wobei die Temperatur in Schritt (f), wie bereits vorstehend erwähnt, größer ist als die Temperatur in Schritt (e). In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Temperatur in Schritt (f) im Bereich von 250 bis 600 °C. Die Dauer der thermischen Behandlung in Schritt (f) unterliegt keiner besonderen Einschränkung und hängt lediglich von den Abmessungen der Primärstruktur und folglich von der Menge des zu zersetzenden organischen Binders ab. Typischerweise beträgt die Dauer der thermischen Behandlung in Schritt (f) von 3 bis 9 Stunden. Die Heizrate ist dabei erfindungsgemäß keinen Einschränkungen unterworfen. Sie liegt typischerweise im Bereich von 0,2 bis 5 K/min, beispielsweise beträgt sie 0,5 K/min, 1,0 K/min oder 2,5 K/min. Die thermische Behandlung in Schritt (f) kann ferner auch durch schrittweise Temperaturerhöhung ausgeführt werden. Nach vollständigem Entbindern kann die so erhaltene poröse Sekundärstruktur auf Raumtemperatur abgekühlt werden, was al- lerdings nicht zwingend erforderlich ist. Sie kann auch direkt in Schritt (h) gesintert werden. Soll die poröse Sekundärstruktur auf Raumtemperatur abgekühlt werden, kann dies beispielsweise bei einer Abkühlrate von 5 K/min erfolgen. Da Quarzglas einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie eine hohe Tempera- turwechselbeständigkeit aufweist, kann hierbei eine vergleichsweise hohe Abkühlrate gewählt werden.
Wie vorstehend erwähnt, können die Schritte (e) und (f) des erfindungsgemäßen Verfahrens direkt nacheinander ohne zwischenzeitliches Abkühlen durchgeführt wer- den. Entsprechend kann dabei ein fließender Übergang zwischen dem Entfernen der nicht-aushärtbaren Komponente, falls diese vorhanden ist und durch eine thermische Behandlung entfernt wird, und dem Entfernen der Bindermatrix, d.h. dem Entbindem der Primärstruktur vorliegen. Umfasst die Vorrichtung einen Formling, wie dies in der als„Lost-Form-Molding" bezeichneten Verfahrensmodifikation der Fall ist, wird dieser in den vorstehend beschriebenen Schritten (e) und/oder (f) des erfindungsgemäßen Verfahrens entfernt. Je nach chemischer Natur des Formlings kann dieser beispielsweise durch thermische Zersetzung, Verdampfung, Sublimation oder Lösungsmittelextraktion aus der Primärstruktur entfernt werden. Durch das Entfernen des Formlings lassen sich nach dem Sintern in Schritt (h) strukturierte Quarzglasformkörper mit makroskopischer Hohlraumstruktur erhalten. Bedarf der Quarzglasformkörper keiner massiven Struktur, sondern vielmehr eines geringen Gewichts, lassen sich in dieser Ausführungsform sowohl Zeit als auch Kosten einsparen.
In Schritt (g) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die poröse Sekundärstruktur gegebenenfalls mit mindestens einem Füllstoff aufgefüllt. Der Füllstoff muss daher notwendigerweise eine geeignete Partikelgröße aufweisen, so dass er in die Hohlräume der porösen Sekundärstruktur eingebracht werden kann. Durch das Auffüllen mit einem Füllstoff wird die Porosität der Sekundärstruktur durch Nachverdichtung verringert, wodurch im anschließenden Sintern, d.h. in Schritt (h) wie weiter unten beschrieben, der Braunling einem geringeren Schrumpf unterliegt. Das Auffüllen der porösen Sekundärstruktur mit einem Füllstoff dient folglich dem Erhalt der Formstabilität nach dem Sintern in Schritt (h). Sollen Füllstoffe in die poröse Sekundärstruktur eingebracht werden, wird diese nach der thermischen Behandlung in Schritt (f) auf Raumtemperatur, wie vorstehend beschrieben, abgekühlt.
Der Füllstoff unterliegt erfindungsgemäß keinen Einschränkungen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Füllstoff aus der Gruppe, bestehend aus anorganischen Pigmenten, siliziumbasierten Präkursoren und titanbasierten Präkursoren, ausgewählt.
Bei Verwendung von siliziumbasierten Präkursoren lassen sich die in den Schritten (e) und (f) des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Hohlräume mit Quarzglas nachverdichten. In ähnlicher Weise können titanbasierte Präkursoren in die poröse Sekundärstruktur eingebracht werden, wodurch schließlich Gläser mit sehr geringer thermischer Ausdehnung erhalten werden. Zur Auffüllung der Hohlräume eignen sich grundsätzlich alle Prozesse, die in der Lage sind, Füllstoffe in die poröse Sekundärstruktur einzubringen. Als Beispiele seien hier die Gasphasenabscheidung sowie die Flüssigkeitsinfiltration genannt. Auch ist hier die Kombination mit Sol-Gel- Prozessen möglich.
Neben der Nachverdichtung kann Schritt (g) des erfindungsgemäßen Verfahrens vor allem auch dazu genutzt werden, die optischen und/oder mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des nach dem Sintern in Schritt (h) erhaltenen finalen Formkörpers zu modifizieren. Beispielsweise kann durch Einbringen von Metallsalzlösungen dem Quarzglasformkörper eine Farbe verliehen werden. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden daher in Schritt (g) anorganische Pigmente als Füllstoff verwendet. Beispiele für anorganische Pigmente sind unter anderem Gold(lll)chlorid AuC oder Chrom(lll)nitrat Cr(N03)3. Das Einbringen der anorganischen Pigmente kann beispielsweise durch Tränken der porösen Sekundärstruktur in einer entsprechenden Metallsalzlösung erfolgen. Erfindungsgemäß ist das Verfahren in Schritt (g) nicht auf einen einzigen Füllstoff beschränkt. Beispielsweise können in einem ersten Schritt durch Gasphasenabscheidung Quarzglaspräkursoren, also siliziumbasierte Präkursoren, in die poröse Sekundärstruktur eingebracht werden und in einem zweiten Schritt anorganische Pigmente durch Flüssigkeitsinfiltration. Im Weiteren wird die poröse Sekundärstruktur in Schritt (h) des erfindungsgemäßen Verfahrens einem Sintern unterzogen, wodurch die poröse Sekundärstruktur zum finalen Formkörper verdichtet wird. Dieser ist hochtransparent und weist keine poröse Struktur mehr auf. Das Sinterprotokoll richtet sich dabei nach der Vorbehandlung in Schritt (g). Werden in diesem beispielsweise thermisch zersetzbare Präkursoren in die poröse Sekundärstruktur eingebracht, ist ein mehrstufiger Sinterprozess in Schritt (h) erforderlich, um zunächst die eingebrachten Präkursoren thermisch zu zersetzen, bevor das eigentliche Sintern erfolgt. Bedarf es einer solchen thermischen Zersetzung von gegebenenfalls in die poröse Sekundärstruktur eingebrachten Präkursoren, wird der Braunling beispielsweise zunächst für eine Dauer von 0,5 bis 5 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 600 °C vorbehandelt. Die Heizrate unterliegt bei dieser Vorbehandlung keinen besonderen Einschränkungen. Typischerweise erfolgt das eigentliche Sintern in Schritt (h) schrittweise im Bereich von 700 bis 1500 °C, wobei zunächst bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 1000 °C für eine Dauer von 1 bis 3 Stunden und anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1500 °C für eine Dauer von 1 bis 2 Stunden gesintert wird. Die Heizrate kann hierbei im Bereich von 2 bis 15 K/min liegen. Durch den geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie die hohe Temperaturwechselbeständigkeit von Quarzglas kann hierbei eine vergleichsweise hohe Heizrate gewählt werden.
Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Lasersinterverfahren erfolgt das Sintern im erfindungsgemäßen Verfahren durch Zufuhr von Wärme. Es handelt sich demnach um einen thermischen Sinterprozess.
Das erfindungsgemäße Verfahren bedarf keiner Druckbeaufschlagung. Daher sind die apparativen Anforderungen an das erfindungsgemäße Verfahren deutlich geringer. Stattdessen kann in Schritt (h) das Sintern sogar unterhalb des Atmosphärendrucks stattfinden. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Sintern bei einem Druck von höchstens bzw. < 0,1 mbar, bevorzugt von höchstens bzw. < 0,01 mbar und besonders bevorzugt von höchstens bzw. < 0,0001 mbar. Nach dem Sintern kann der so erhaltene finale Formkörper auf Raumtemperatur abgekühlt werden, was auch hier typischerweise mit einer vergleichsweise hohen Abkühlrate im Bereich von 2 bis 6 K/min erfolgen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas, umfassend die Verfahrensschritte (a) bis (h), ist in Fig. 1 veranschaulicht. Weitere Ausführungsformen hiervon sind in Fig. 2 und in Fig. 3 dargestellt.
Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene finale Formkörper weist, sofern in Schritt (g) lediglich siliziumbasierte Präkursoren in die Hohlräume der porösen Sekundärstruktur eingebracht werden, eine chemische Zusammensetzung auf, die von der herkömmlich gefertigter Quarzgläser nicht zu unterscheiden ist. In gleicher Weise gilt dies auch für die mechanischen und optischen Eigenschaften des Formkörpers. Insbesondere die Vickers Härte, die biaxiale Biegefestigkeit sowie die Transmission stimmen mit den entsprechenden Werten von herkömmlich gefertigten Quarzgläsern überein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Formkörper aus hochreinem, transparentem Quarzglas, welcher durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung erhalten werden kann. Erfindungsgemäß weist der Formkörper aus hochreinem, transparentem Quarzglas folgende Eigenschaften auf:
• eine optische Transmission von mindestens bzw. > 70% bei einer Wellenlänge von 200 nm sowie eine optische Transmission von größer bzw. > 70% in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 000 nm bei einer Schichtdicke von 1 mm;
• eine Vickers Härte von 799 HV, gemessen in Übereinstimmung mit DIN EN ISO 6507; und
• eine biaxiale Biegefestigkeit von 100 MPa, gemessen in Übereinstimmung mit DIN EN ISO 6872. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die gezielte Herstellung dreidimensionaler Quarzglasstrukturen beliebiger Gestalt im Rahmen einer additiven Fertigung, wie beispielsweise einem 3D-Druck, durch das mindestens einmalige Wiederholen der vorstehend beschriebenen Schritte (a) bis (c). In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Aushärten des in der erfindungsgemäßen Zusammen- setzung enthaltenen mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders durch Zufuhr von Licht in Schritt (b) räumlich aufgelöst. Diese Ausführungsform ist mit einem stereolithographischen RP-Prozess vergleichbar, der bislang nur für die Herstellung von Polymerbauteilen Anwendung gefunden hat. In gleicher Weise lässt sich jedoch in Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens jeder andere RP-Prozess heranziehen, in dem eine Primärstrukturierung mittels Belichtung vorgenommen wird. So kann in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch ein kombiniertes Spotting-Verfahren mit anschließender Belichtung, wie es im 3D-Druck üblich ist, angewendet werden.
Durch Bereitstellen eines dreidimensionalen Formmodells in digitaler Form, beispielsweise durch eine CAD-Software, lassen sich so erfindungsgemäß Formkörper aus hochreinem, transparentem Quarzglas mit beliebiger Form herstellen, deren Strukturauflösung verfahrensbedingt mit der von Polymerbauteilen vergleichbar ist.
In gleicher Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich der erfindungsgemäßen Zusammensetzung auch zur Replikation von Formkörpern verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Zusammensetzung in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Vorrich- tung mit starrer geometrischer Form bereitgestellt und der in der Zusammensetzung enthaltene mindestens eine polymerisierbare organische Binder durch Zufuhr von Licht oder Wärme, vorzugsweise von Wärme, in Schritt (b) vollständig ausgehärtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit einerseits zur freien dreidimensi- onalen Formgebung im Rahmen eines RP-Prozesses, kann aber andererseits in nahezu unveränderter Weise auch zur Replikation einer vorgegebenen Struktur und somit als replikatives Verfahren zur Herstellung von Quarzglasformkörpern Verwendung finden. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die freie dreidimensionale Formgebung für Strukturen aus Quarzglas bei hoher Strukturauflösung und somit geringer Oberflächenrauigkeit. Im Gegensatz zu dem eingangs erwähnten modifizierten FDM-Verfahren dienen sämtliche thermischen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht der Strukturgebung. Letztere erfolgt allein lithogra- phisch, wodurch eine hohe räumliche Auflösung erzielt werden kann. Nicht zuletzt aus diesem Grund ist der apparative Aufwand bei den thermischen Behandlungsschritten im erfindungsgemäßen Verfahren signifikant geringer als beispielsweise bei den eingangs erwähnten selektiven Lasersinterprozessen, die zumeist in hochreiner Atmosphäre oder im Vakuum stattfinden müssen.
Im Vergleich zum selektiven Lasersintern erzeugt das erfindungsgemäße Verfahren Formkörper mit hervorragenden optischen, mechanischen und strukturellen Eigenschaften. Bedingt durch die Tatsache, dass alle thermischen Behandlungsschritte nicht der räumlichen Strukturierung dienen, kann die Oberflächenqualität der initialen Strukturgebung nahezu unverfälscht auf den finalen Formkörper übertragen werden. Erlaubt die Strukturgebung beispielsweise die Herstellung von spiegelnden Oberflächen, so weist der finale Formkörper ebenso spiegelnde Oberflächen bei hoher optischer Güte auf. Dies ist ein signifikanter Vorteil gegenüber dem modifizierten FDM- Ansatz und dem selektiven Lasersintern, welche beide Oberflächen von lediglich geringer optischer Qualität bereitstellen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin begründet, dass sich sämtliche thermische Behandlungsschritte, wie das Entbindern und Sintern, ohne externen Druck durchführen lassen. Insbesondere ist keine zusätzliche Druckbeaufschlagung notwendig, um Formkörper mit ausreichender Dichte und hoher optischer Transmission zu erzeugen. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Quarzglasformkörper können ferner ohne zusätzliche Fixierung prozessiert werden. Es liegen keine speziellen Anforderungen an die in Schritt (a) verwendete Vorrichtung vor.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren, wie vorstehend erwähnt, mit Sol- Gel-Ansätzen kombiniert werden, um die poröse Sekundärstruktur nachzuverdichten sowie gegebenenfalls optisch und/oder mechanisch und/oder thermisch zu modifizieren. Der eigentliche Kern des Verfahrens, d.h. die Herstellung der Primärstruktur, kommt allerdings ohne die Verwendung kondensierender Präkursoren aus, wodurch Formkörper mit deutlich geringerem Schwund und stark verbesserter optischer Klarheit und mechanischer Festigkeit erhalten werden. Da der Kernprozess nicht verändert wird, treten die klassischen Nachteile von Sol-Gel-Ansätzen, d.h. Schwund so- wie geringe Dichte des finalen Formkörpers, im erfindungsgemäßen Verfahren nicht zutage.
Die Figuren zeigen:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens: (a) polymerisierbarer organischer Binder (101 ) mit darin dispergierten Quarzglaspartikeln (102), (b) durch strukturierte Belichtung, d.h. räumlich begrenzte Zufuhr von Licht (103) kann der mindestens eine polymerisierbare organische Binder räumlich aufgelöst ausgehärtet werden, wobei in der ausgehärteten Bindermatrix (105) Mischphasen der nicht-aushärtbaren Komponente (104) vorliegen, (c) nach Abtrennen (120) des nicht-ausgehärteten, organischen Binders liegt der finale Grünling (106) vor, (d) durch Entfernen (107) der nicht-aushärtbaren Komponente aus dem Grünling entstehen Hohlräume (108), (e) durch thermische Zersetzung (121 ) des ausgehärte- ten, organischen Binders entsteht der Braunling (109), (f) dieser kann nun mittels Sintern (110) zum finalen Formkörper (111 ) verdichtet werden, (g) oder aber dessen Hohlräume können mit einem geeigneten Verfahren (112) aufgefüllt werden, um die optischen und/oder mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des finalen Formkörpers zu modifizieren und/oder den Braunling vor dem Sintern nachzuverdich- ten (113), (h) der mittels eines geänderten Sinterprotokolls (114) aus dem nachbehandelten Braunling hergestellte finale Formkörper (115) weist verringerten Schrumpf und/oder gezielt modifizierte Eigenschaften auf.
Fig. 2 zeigt schematische Darstellungen von Ausführungsformen des erfindungsge- mäßen Verfahrens: (a) Verfahrensmodifikation „Polymerreplikation": Der Grünling (106) wird gegebenenfalls einer thermischen Behandlung unterzogen und mittels eines Formwerkzeuges (201 ) strukturiert, wodurch der Grünling dessen inverse Struktur (202) annimmt. Nach Entfernen (107) der nicht-aushärtbaren Komponente, Entbindern (121 ) und Sintern (110) wird ein strukturierter Quarzglasformkörper (210) erhalten; (b) Verfahrensmodifikation„Positiv-Resist": Der Grünling (106) wird lokal mit hochenergetischer Strahlung (220) beaufschlagt, wodurch sich die chemische und/oder physikalische Struktur des ausgehärteten, organischen Binders lokal verändert (221 ). Nach Entwicklung (222) der bestrahlten Stelle, Entfernen (107) der nicht-aushärtbaren Komponente, Entbindern (121 ) und Sintern (110) wird ein struktu- rierter Quarzglasformkörper (230) erhalten; (c) Verfahrensmodifikation „Lost-Form- Molding": Vor dem Aushärten des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders zum Grünling wird ein Formling aus einem/einer mit dem organischen Binder nicht-mischbaren Feststoff/Flüssigkeit (240) in den organischen Binder eingebracht. Der Formling ist somit im Grünling (106) nach dem Aushärten eingeschlossen. Beim Entfernen (107) der nicht-aushärtbaren Komponente, spätestens beim Entbindern (121 ), wird der Formling (241 ) durch Zersetzung, Verdampfung, Sublimation oder Lösungsmittelextraktion entfernt, wodurch ein dem Formling entsprechender Hohlraum (242) innerhalb des Braunlings zurückbleibt. Nach dem Sintern (110) wird ein strukturierter Quarzglasformkörper (251 ) mit eben jenem Hohlraum erhalten.
Fig. 3 zeigt einen organischer Binder (101 ), in dem zwei Arten von kugelförmigen Quarzglaspartikeln, die sich signifikant in ihrem Durchmesser unterscheiden, disper- giert sind. Die Quarzglaspartikel der zweiten Art (201 ) bilden dabei die Hohlräume aus, welche die Quarzglaspartikel der ersten Art (102) auffüllen. Aus solchen Zusammensetzungen lassen sich Grünlinge mit signifikant erhöhtem Füllgrad und damit signifikant erhöhter Dichte erzeugen.
Fig. 4 zeigt die optische Transmission des in Beispiel 1 erhaltenen Quarzglasform- körpers nach dem Sintern im Vergleich zu herkömmlich erhaltenem Quarzglas und Kalk-Natron-Glas.
Fig. 5 zeigt die optische Transmission des in Beispiel 2 durch Tränken des Braunlings erhaltenen eingefärbten Quarzglasformkörpers.
Fig. 6 zeigt die Entstehung des Quarzglasformkörpers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehend von der erfindungsgemäßen Zusammensetzung: (a) zeigt den organischen Binder sowie die Quarzglaspartikel, (b) die hieraus erhaltene Suspension mit im organischen Binder dispergierten Quarzglaspartikeln, (c) den Grünling, (d) den Braunling, (e) den finalen Quarzglasformkörper (Maßstab: 5 mm) aus Beispiel 1 , sowie (f) das Auffüllen der Hohlräume des Braunlings zur Erzeugung des eingefärbten Quarzglasformkörpers aus Beispiel 2. Fig. 7 zeigt das Ergebnis der in Beispiel 3 angewandten Verfahrensmodifikation„Po- lymerreplikation": (a) zeigt den Grünling, der mittels eines Formwerkzeuges (Nano- imprintanlage) strukturiert wurde, und (b) den strukturierten Quarzglasformkörper, der aus diesem Grünling nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde. Bei (a) handelt es sich um eine lichtmikroskopische Aufnahme, während es sich bei (b) um die Aufnahme aus einem Rasterelektronenmikroskop handelt.
Beispiele
Die nachstehenden Beispiele dienen als weitere Erläuterung der vorliegenden Erfindung, ohne darauf beschränkt zu sein.
Beispiel 1
In einem 50 mL-Becherglas wurde eine Zusammensetzung, umfassend die nachstehenden Komponenten, bereitgestellt:
• 8,25 ml_ Hydroxyethylmethacrylat und 3 ml_ Tetraethylenglycoldimethacrylat als polymerisierbare organische Binder;
• 3,75 ml_ Phenoxyethanol als nicht-aushärtbare Komponente;
• 0,6 g 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon als mittels Licht aktivierbarer Radikalinitiator;
• 6 mg Sudan Orange G als Absorber; und
• 25 g Quarzglaspartikel mit einem Durchmesser im Bereich von 10 bis 100 nm, wobei der mittlere Durchmesser 40 nm betrug.
Die Zusammensetzung war eine leicht gelbliche, hochviskose Suspension und wies eine Viskosität von etwa 2,82 Pa s bei einer Scherrate von 100 s_1 und einer Temperatur von 20 °C auf.
In einem nächsten Schritt wurde die Zusammensetzung auf einem konventionellen RP-System (Asiga Pico 2, einem Stereolithographiesystem, erhältlich von Asiga) unter Verwendung eines geeigneten 3D-Modells durch Zufuhr von UV-Licht mit einer Wellenlänge von 385 nm strukturiert. Infolge der Strukturierung erfolgte die primäre Formgebung zum Grünling.
Der Grünling wurde sodann einer mehrstufigen thermischen Behandlung mit nachstehendem Temperaturprotokoll unterzogen:
Heizrate: 0,5 K/min, 25 °C 150 °C, Haltezeit: 4 h
Heizrate: 0,5 K/min, 150 °C 280 °C, Haltezeit: 4 h
Heizrate: 1 K/min, 280 °C 550 °C, Haltezeit: 2 h
Abkühlrate: 5 K/min, 550° C 25 °C, Ende
Hierbei diente der erste thermische Behandlungsschritt dem Entfernen der im Grünling enthaltenen nicht-aushärtbaren Komponente, während durch den zweiten und dritten thermischen Behandlungsschritt der Grünling entbindert, d.h. die ausgehärtete, organische Bindermatrix entfernt wurde.
Im nächsten Schritt wurde der so erhaltene Braunling unter Vakuum bei einem Druck von etwa 0,1 mbar gesintert, wodurch es zu einer Verdichtung des Braunlings kam und der finale Formkörper erhalten wurde. Das Temperaturprotokoll während des Sinterns war dabei wie folgt:
• Heizrate: 5 K/min, 25 °C 800 °C, Haltezeit: 2 h
• Heizrate: 3 K/min, 800 °C 1300 °C, Haltezeit: 1 ,5 h
• Abkühlrate: 5 K/min, 1300° C -> 25 °C, Ende
Nach Abschluss des vorstehenden Temperaturprotokolls wies der Formkörper eine minimale optische Transmission von 72% bei einer Wellenlänge von 200 nm sowie eine optische Transmission von größer 72% in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 1000 nm auf. Bei den Transmissionsmessungen betrug die Schichtdicke des Formkörpers 1 mm. Der Formkörper wies somit eine optische Transparenz auf, die von herkömmlichem Quarzglas nicht zu unterscheiden war (Fig. 4). Bei den Messungen kam ein UV/VIS-Spektrometer des Typs Evolution 201 (Thermo Scientific, Deutschland) zum Einsatz, welches im Transmissionsmodus betrieben wurde. Des Weiteren wies der Formkörper eine Vickers Härte von 799 HV, gemessen in Übereinstimmung mit DIN EN ISO 6507 (System: Fischerscope HV 100, Helmut Fischer GmbH, Deutschland), sowie eine biaxiale Biegefestigkeit von 100 MPa, gemessen in Übereinstimmung mit DIN EN ISO 6872 (System: 10T, UTS, Deutschland), auf. Der Formkörper war somit auch hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften nicht von herkömmlich erhaltenem, reinem Quarzglas zu unterscheiden, für das ebenfalls eine Vickers Härte von 799 HV sowie eine biaxiale Biegefestigkeit von 100 MPa üblich sind. Beispiel 2: Auffüllen der porösen Sekundärstruktur mit anorganischen Pigmenten
Unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wurde ein Braunling erhalten. Durch Auffüllen der sich im Braunling befindlichen Hohlräume mit Gold(lll)chlorid wurde eine kolloidale Rotfärbung erhalten, während das Auffüllen mit Chrom(lll)nitrat zu einer ionischen Grünfärbung führte. Der Braunling wurde zu diesem Zweck in eine ethanolische Lösung mit 0,1 Massen-% AuC bzw. 0,5 Massen-% Cr(NO3)3 getränkt und anschließend für 1 Stunde bei 50 °C getrocknet. Das Sintern erfolgte nach dem Temperaturprotokoll aus Beispiel 1 unter Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von etwa 0,1 mbar. Die nach dem Sintern jeweils erhaltenen Quarzglasformkörper waren farbig, was sich auch in den Transmissionsspektren zeigte (Fig. 5).
Die Entstehung des Quarzglasformkörpers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehend von der erfindungsgemäßen Zusammensetzung, wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben, ist in Fig. 6 wiedergegeben.
Beispiel 3: Verfahrensmodifikation„Polymerreplikation"
In einem 50 mL-Becherglas wurde eine Zusammensetzung, umfassend die nachstehenden Komponenten, vorgelegt:
• 12,8 mL Hydroxyethylmethacrylat als polymerisierbarer organischer Binder;
• 4,3 mL Phenoxyethanol als nicht-aushärtbare Komponente;
• 0,6 g 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon als mittels Licht aktivierbarer Radikalinitiator; und • 25 g Quarzglaspartikel mit einem Durchmesser im Bereich von 10 bis 100 nm, wobei der mittlere Durchmesser 40 nm betrug.
Die vorstehende Zusammensetzung wurde durch Zufuhr von UV-Licht bei einer Wel- lenlänge von 365 nm ausgehärtet. Der so erhaltene thermoplastische Grünling wurde mittels einer herkömmlichen Nanoimprintanlage (Typ EVG HE510, erhältlich von EVG) bei einer Temperatur von 70 °C, einer Prägekraft von 1000 N und einer Haltezeit von 5 Minuten geprägt. Das Entfernen der nicht-aushärtbaren Komponente, das Entbindern des Grünlings und das Sintern des Braunlings erfolgten nach dem Tem- peraturprotokoll aus Beispiel 1 , wie vorstehend beschrieben. Die durch das in der Nanoimprintanlage verbaute Formwerkzeug hervorgerufene Strukturierung ist in Fig. 7 sowohl für den Grünling als auch für den finalen Quarzglasformkörper dargestellt.

Claims

Patentansprüche
Zusammensetzung zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas, umfassend die nachstehenden Komponenten:
mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder, welcher bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegt;
einen Polymerisationsstarter bzw. Vernetzer, der durch Zufuhr von Licht oder Wärme die Polymerisation oder Vernetzung des mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders initiiert; und
mindestens eine Art von kugelförmigen Quarzglaspartikeln, die in dem mindestens einen polymerisierbaren organischen Binder in dispergierter Form vorliegen und einen Durchmesser im Bereich von 7 bis 100 nm aufweisen.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , wobei der mindestens eine polymerisier- bare organische Binder ein Monoacrylat und/oder ein Diacrylat ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend eine nicht- aushärtbare Komponente, welche bei Raumtemperatur in fester oder in zähfließend flüssiger Form vorliegt.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend mindestens eine zweite Art von kugelförmigen Quarzglaspartikeln mit einem Durchmesser im Bereich von 2 bis 40 pm.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas, umfassend die nachstehenden Schritte:
(a) Bereitstellen der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer Vorrichtung; (b) Aushärten des in der Zusammensetzung enthaltenen mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders durch Zufuhr von Licht oder Wärme, wodurch ein Grünling als Primärstruktur erhalten wird;
(c) Abtrennen des gegebenenfalls nicht-ausgehärteten, mindestens einen polymerisierbaren organischen Binders einschließlich der darin enthaltenen Komponenten von der Primärstruktur; und gegebenenfalls mindestens einmal Wiederholen der Schritte (a), (b) und gegebenenfalls (c);
(d) gegebenenfalls Nachbehandeln der Primärstruktur durch mindestens ein Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Strukturieren mit Hilfe eines Formwerkzeuges, Bestrahlen mit hochenergetischer Strahlung und anschließendem Entwickeln, Fräsen, Bohren, Laminieren, Bonden, Schleifen, Polieren, Läppen, Gravieren und Behandeln mit Wärme oder Laserlicht;
(e) Entfernen der gegebenenfalls in der Primärstruktur vorhandenen nicht- aushärtbaren Komponente;
(f) Entbindern der Primärstruktur durch thermische Behandlung, wodurch ein Braunling als poröse Sekundärstruktur erhalten wird;
(g) gegebenenfalls Auffüllen der porösen Sekundärstruktur mit mindestens einem Füllstoff; und
(h) Sintern der porösen Sekundärstruktur, wodurch der finale Formkörper erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Entfernen der gegebenenfalls in der Primärstruktur vorhandenen nicht-aushärtbaren Komponente in Schritt (e) durch thermische Behandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 300 °C, durch Anlegen eines Unterdrucks oder durch Lösungsmittelextraktion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Entbindern der Primärstruktur in Schritt (f) bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 700 °C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Sintern der porösen Sekundärstruktur in Schritt (h) bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 1500 °C und bei einem Druck von höchstens 0,1 mbar erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der mindestens eine Füllstoff in Schritt (g) aus der Gruppe, bestehend aus anorganischen Pigmenten, siliziumbasierten Präkursoren und titanbasierten Präkursoren, ausgewählt wird.
0. Formkörper aus hochreinem, transparentem Quarzglas, erhältlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9.
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