DE10207393A1

DE10207393A1 - Rapid Prototyping durch Drucken von organischen Substanzen und deren Verfestigung

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Publication number: DE10207393A1
Application number: DE10207393A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Rapid Prototyping ist eine Technologie, die es erlaubt, in sehr kurzer Zeit aus Rohsubstanzen Form und Funktionsmodelle von Produkten herzustellen. Diese Technologie zeichnet sich vor allem durch den Vorteil aus, auf komplizierte Herstellungsschritte des Formbaus verzichten zu können. So kann man CAD-gesteuert innerhalb kurzer Zeit aus einem polymerisierbaren Gemisch einen Festkörper herstellen. Die bisher bekannten Systeme haben unter anderem den Nachteil, dass keine Mikrostrukturen synthetisiert werden können. Die hier vorgestellte Technik erlaubt es, durch schichtweises Drucken und Verfestigen der aufgedruckten Substanzen, einen dreidimensionalen Aufbau durchzuführen, bei dem vor allem die Möglichkeit besteht, innere Strukturen, wie z. B. Mikrokanäle, ebenfalls zu erzeugen und evtl. mittels einer Opferkomponente auch in komplizierter Geometrie aufzubauen. Das Auftragen der strukturgenerierenden Polymeren erfolgt mittels geeigneter Druckverfahren, z. B. mit Hilfe von Nadeldruckern oder Tintenstrahldruckern. Wahlweise kann auch ein Powerjetverfahren angewandt werden. Ebenfalls vorstellbar ist ein Sinterverfahren, bei dem Partikel mit reaktiven Gruppen beschichtet sind. Schwierig zu druckende Strukturen können durch zusätzliche mechanische oder lichtinduzierte Bearbeitung während oder nach dem Herstellungsprozess erzeugt werden. Es kann so ein Prototyp der Dicke m*n durch n Durchgänge, bei denen jeweils eine Schicht der Dicke m aufgetragen und verfestigt wird, ...

Description

Gegenstand der Erfindung

Der Gegenstand der Erfindung ist eine Verfahren und ein Gerät zur Herstellung von Form- und Funktionsmustern aus Kunststoff, beispielsweise für mikrofluidische Anwendungen. Der Aufbau der Muster erfolgt über die Deposition von kleinen Mengen einer verfestigbaren Substanz und anschließendes Verfestigen dieser Substanz. Eine zusätzliche Strukturierung des Produktes kann durch die Verwendung von Opferschichten oder durch Abtragung während des Druckprozesses erfolgen.

Stand der Technik

Bei den bislang bekannten Rapid Prototyping Anwendungen werden große Strukturen (typischerweise mit Abmessungen im Zentimeterbereich) durch das gezielte Polymerisieren von Monomeren in einer Großanlage hergestellt. Weitere Techniken sehen die mechanische Bearbeitung von dünnen Platten vor, um dann durch Verkleben dieser dünnen Schichten zu einem Prototyp zu erreichen. Die Auflösung dieser Methode ist durch die Dickenbeschränkung der einzelnen Platten gegeben.
Bei den bislang beschriebenen Verfahren kommt es vor allem darauf an, Formmuster zu erzeugen. Kleine und komplexe Strukturen und Funktionsmuster lassen sich mit den bislang üblichen Fertigungsverfahren nicht in einfacher Weise herstellen. Eine Übersicht zu den verschiedenen Fertigungsverfahren beim rapid prototyping bzw. Anwendungen der Verfahren sind zu finden in z. B. Webb, PA: A review of rapid prototyping (RP) techniques in the medical and biomedical sector, Journal of medical engineering & technology 2000, Vol. 24, Iss 4, pp 149-153 oder Calvert, P: Freeforming of polymers, Current opinion in solid state & materials science, 1998, Vol 3 Iss 6, pp 585-588.
Verfestigbare Substanzen im Sinne dieser Erfindung sind neben den herkömmlichen polymerisierbaren bzw. vernetzungsfähigen Substanzen und thermoplastischen Polymeren, die durch Abkühlen bzw. Vernetzen verfestigt werden können, auch alle Arten von beschichteten Partikeln, die für Verfestigungsreaktionen über interpartikuläre Vernetzung geeignet sind. Als Beispiel für solche Partikel sei mit einem benzophenongruppenhaltigen Polymeren beschichtete Mikroglaskugeln genannt.
Erfindungsgemäß werden verfestigbare Substanzen auf einen Träger in Form von Tropfen, Linien oder dünnen Schichten aufgebracht. Dabei ist nicht die Art der Aufbringung von Relevanz, sondern die Tatsache, daß ein Aufbau durch Verfestigen von Kunststofflagen stattfindet. Diese Schichten werden verfestigt, vorzugsweise durch Polymerisieren oder Vernetzung. Anschließend wird die nächste Schicht aufgebracht. Vorzugsweise sind diese Schichten sehr dünn (1 nm bis 100 µm) um so eine möglichst exakte Strukturierung des Produktes zu gewährleisten. Bei der Verwendung von Hochgeschwindigkeitsdrucksystemen, wie z. B. Continuous Jet Printern, ist es auch möglich im Produktionsstil mit dieser Technik zu arbeiten. Nach dem Aufbringen der Schicht wird das jeweilige Material verfestigt, z. B. durch thermische oder lichtinduzierte Polymerisation beziehungsweise durch Vernetzten oder durch Abkühlen eines thermoplastisch verformbaren Polymeren. Der Prozess wird solange wiederholt, bis die gewünschte Dicke des Objektes erreicht ist.
Werden Strukturen benötigt, die keine selbsttragende Aufbauweise ermöglichen, so wird eine zweite Substanz mit aufgebracht, die anschließend durch Auflösen oder chemische Degradation, wieder entfernt werden kann (Opferschicht). Eine solche Substanz kann z. B. ein thermisch instabiler Kunststoff, ein photochemisch degradierbares Polymer oder einfach nur eine wasserlösliche Substanz sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist die Herstellung eines mikrofluidischen Systems aus einem inerten Polymer polymethylmethacrylat (PMMA) durch lichtinduzierte Polymerisation von aufgedruckten Methylmethacrylattröpfchen. Als Opferschicht für die Herstellung von Kanälen wird Polydimethylacrylamid eingesetzt. Nach Abschluss der Herstellung des Bauteils wird das Opferpolymer ausgewaschen. Bei der Polymerisation des Methylmethacrylats wird jedoch dabei an den Rändern der mikrofluidischen Kanäle eine monomolekulare Schicht des hydrophile Polydimethylacrylamids an die formgebende Komponente (PMMA) chemische gebunden. Da Diese Monolage chemisch mit dem strukturgebenden Polymeren verknüpft ist, kann sie nicht mit den restlichen Molekülen der Opferschicht ausgespült werden, so dass direkt Kanäle mit einer hydrophilen Oberfläche resultieren. Bei anderen Ausführungen ist es möglich, besonders hydrophobe Monomere zur Ausbildung der Opferkomponente zu verwenden. Da diese ebenso an den Kontaktstellen mit eingebaut werden können, wird so eine gezielte Hydrophobisierung der (inneren) Oberflächen erzeugt.
Bei Prozessen, die exakte Kanten oder geringe Rauhigkeiten voraussetzen, kann zudem während des Herstellungsprozesses eine Aufarbeitung durch Laserablation (oder eine äquivalente Technik) erfolgen. Die Printabfolge der Substanzen wird durch ein computergesteuertes System gewährleistet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Formgebung auf einem Halbprodukt, z. B. elektrische Kontakte und Elektroden durchgeführt, so dass mit dieser Methode auch z. B. Kapillarelektrophoreseeinheiten etc. hergestellt werden können.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung erlaubt es, in bisher nicht möglicher Art und Geschwindigkeit, Klein- und Kleinstteile aus Kunststoffen herzustellen. Insbesondere die Möglichkeiten zur äußeren und inneren Strukturierung, sowie die Option zur gezielten chemischen Maßschneiderung von Oberflächen erlauben es, mit Hilfe dieser Technik komplizierte Bauteile, z. B. für fluidische Systeme herzustellen und direkt zu testen.

Beispiele

Einfacher Aufbau ohne Innenstruktur

Mittels eines Piezostackprinters (z. B. Typ GeSiM) wird ein Formteil von 10 × 10 × 2 mm × mm × mm aufgebaut, in dem im Abstand von 1 mm (Mitte zu Mitte) Vertiefungen von 1 mm generiert werden. Dazu wird ein polymerisierbares Gemisch aus Styrol und Benzophenon (1000 : 1 Mol/Mol) in Tröpfchen von 1 nl gedruckt. Da die Mikropipette aus Silizium ist, kann während des Druckvorganges die Polymerisation mittels UV-Licht (300 nm) induziert werden. Die Tropfen werden dabei so eng gedruckt, dass sie einander nicht berühren, sondern ca. 0,8 Tropfendurchmesser Abstand haben. Die fohlenden Tropfen zum Aufbau der Lage werden in einem zweiten Durchgang gedruckt um das Ineinanderfließen der flüssigen Monomere zu verhindern. Nach Aufbau einer Schicht von 1 mm wird an den Stellen, an denen die Vertiefungen auftreten kein Monomer mehr gedruckt. Nach Erreichen von 2 mm Schichtdicke ist der Vorgang beendet.

Aufbau mit Innenstruktur

Mittels eines Piezostackprinters (z. B. Typ GeSiM) wird ein Formteil von der Größe 10 × 10 × 3 mm × mm × mm realisiert, in dem in der Mitte ein Kanal mit den Dimensionen 10 × 3 × 1 mm × mm × mm eingebaut wird. Dazu wird ein polymerisierbares Gemisch aus Styrol und Benzophenon (1000 : 1 Mol/Mol) in Tröpfchen von 1 nl gedruckt. Da die Mikropipette aus Silizium ist, kann während des Druckvorganges die Polymerisation mittels UV-Licht (300 am) induziert werden. Nach Aufbau einer Schicht von 1 mm Dicke wird eine zweite Mikropipette an den Stellen, wo der Mikrokanal entstehen soll, ein zweites Gemisch, bestehend aus Dimethylacrylamid und Benzophenon (1000 : 1 Mol/Mol) in Tröpfchen von 1 nl gedruckt. Nach Erreichen der Schichtdicke von 0,2 mm wird nur noch mit dem Styrol/Benzophenon gedruckt, bis eine 1 mm dicke Schicht auf dem hydrophilen Polymer gedruckt ist. Nach dem Aushärten der Polymere, wird das Polydimethylacrylamid durch Auflösen in Wasser entfernt. Der Auflösevorgang wird durch 1 h Ultraschallbehandlung in Wasser, dem ein Tensid zugesetzt wurde, beschleunigt.

Claims

1. Methode cum Herstellen von Form- und Funktionsbauteilen aus Kunststoff bestehend aus:

a) Aufbringen einer ersten Schicht bestehend aus einer oder mehreren verfestigbaren Substanzen auf einen Träger

b) Verfestigen des Gemisches

c) Aufbringen der nächsten Schicht des verfestigbaren Substanz

d) Wiederholen der Schritte (b) und (c) bis zur Fertigstellung des Aufbaus

2. Methode nach Anspruch 1 wobei mindestens zwei Polymere verwendet werden, von denen eines nach Fertigstellung des Aufbaus chemisch oder physikalisch wieder entfernt werden kann.

3. Methode nach Anspruch 1 und 2 bei denen die verfestigbaren Substanzen mit einem Drucker auf den Träger aufgebracht werden.

4. Methode nach Claim 3 bei denen die einzelnen Tropfen ein Volumen von < 1 µl haben.

5. Methode nach Claim 3 bei denen die einzelnen Tropfen ein Volumen von < 1 nl haben.

6. Methode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei denen die verfestigbaren Substanzen mit einem Nadeldrucker aufgebracht werden.

7. Methode nach Ansprüchen 1 bis 5 bei denen die verfestigbaren Substanzen mit einem kontaktfreien Verfahren aufgebracht werden.

8. Methode nach Anspruch 7 bei der die verfestigbaren Substanzen mit einem kontaktfreien Tintenstrahldrucker aufgebracht wird.

9. Methode nach den Ansprüchen 1 bis 8 bei der die Verfestigung mit Hilfe von Licht hervorgerufen wird.

10. Methode nach den Ansprüchen 1 bis 8 bei der die Verfestigung thermisch induziert wird.

11. Methode nach den Ansprüchen 1 bis 10, bei der durch die Verwendung einer weiteren Substanzkomponente während des Druckprozesses und der Bindung dieser Substanz an eine Oberfläche des Bauteils ein gezieltes Maßschneidern der Oberflächeneigenschaften des Bauteils möglich ist.

12. Gerät zur Durchführung einer Methode laut Ansprüchen 1 bis 11 bestehend aus

a) Steuereinheit

b) Drucksystem

c) Träger

d) Einrichtung zum Verfestigen der gedruckten Substanzen.