Dispositivo y procedimiento para producir estructuras tridimensionales.

Dispositivo para producir estructuras tridimensionales a partir de un material que ha de ser solidificado

(6), especialmente a partir de un material que contiene organopolisiloxano, mediante la solidificación local selectiva del mismo como consecuencia de una reticulación orgánica fotoinducida, que presenta una fuente de láser (1), una óptica de focalización (3) móvil para formar uno o varios focos de láser (5) y un recipiente de material (10) para el material que ha de ser solidificado (6), y en el que la fuente de láser (1) y la óptica de focalización (3) están realizadas para producir impulsos láser o secuencias de impulsos láser que en su punto focal desencadenan una polimerización bifotónica o multifotónica del material que ha de ser solidificado, y en el que la óptica de focalización (3) presenta una apertura numérica >0,25, y en el que la óptica de focalización (3) es estanca frente al material que ha de ser solidificado (6) y está dispuesta de tal forma que se puede sumergir en el material que ha de ser solidificado (6) dentro del recipiente de material (10), de tal forma que una superficie de salida de rayo (13) de la óptica de focalización (3) misma forma la superficie límite definida ópticamente.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/057640.

Solicitante: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V..

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HANSASTRASSE 27C 80686 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: HOUBERTZ-KRAUSS,RUTH, STICHEL,THOMAS, STEENHUSEN,SÖNKE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS... > CONFORMACION O UNION DE LAS MATERIAS PLASTICAS; CONFORMACION... > B29C67/00 (Técnicas de conformación no cubiertas por los grupos B29C 39/00 - B29C 65/00, B29C 70/00 o B29C 73/00)

PDF original: ES-2543028_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Dispositivo y procedimiento para producir estructuras tridimensionales La presente invención se refiere a un dispositivo y un procedimiento para producir estructuras tridimensionales tales como cuerpos o estructuras superficiales, a partir de un material que ha de ser solidificado, especialmente a partir de un material que contiene organopolisiloxano, mediante la solidificación local selectiva del mismo como consecuencia de una reticulación orgánica fotoinducida.

Por el estado de la técnica es conocido el modo de producir cuerpos o estructuras superficiales tridimensionales, por ejemplo mediante procesos fotoinducidos, especialmente mediante reticulación orgánica, produciendo inicialmente siempre sólo una capa o un plano como componente bidimensional de la estructura que ha de ser creada y la formación tridimensional del cuerpo o de la estructura superficial se realiza mediante el procesamiento sucesivo de capas o planos bidimensionales sucesivos. Ejemplos de este tipo de procedimientos que trabajan de forma bidimensional son la estereolitografía, la sinterización láser selectiva (SLS) o la impresión 3D (3DP) . En los procedimientos bidimensionales resultan desventajosos los tiempos de producción relativamente largos, ya que los cuerpos que han de ser fabricados se generan por capas y después de cada solidificación de capa se ha de preparar una nueva capa que ha de ser solidificada. Estas desventajas pesan especialmente, si los cuerpos que han de ser fabricados se han de producir con tamaños hasta el rango milimétrico y centimétrico.

En una variante especial de la estereolitografía, la exposición se realiza a través del fondo transparente del recipiente de baño para evitar un efecto recíproco del cuerpo originado con la atmósfera de gas situada encima de la superficie del baño, por ejemplo una reacción de oxidación. El material líquido se solidifica directamente cerca del fondo del recipiente. Parea evitar la adhesión del material que se va solidificando al fondo, este debe estar cubierto de un líquido no polimerizable como capa de separación, véase el documento DE4102260A1, reivindicación 13. Esto hace que el procedimiento sea difícil de dominar, ya que durante el desplazamiento de la plataforma de soporte, el líquido solidificable debe entrar en el intersticio entre la capa de separación y la última capa solidificada sin que se arremoline el líquido de separación. Por lo tanto, el procedimiento apenas resulta adecuado para la fabricación de cuerpos a partir de materiales de partida altamente viscosos como lo son frecuentemente los organo-polisiloxanos, especialmente los que están exentos de disolventes.

Unos procesos más rápidos los ofrecen los procedimientos tridimensionales en los que una radiación modificadora de materiales interacciona directamente en el volumen de un material de partida sólido o líquido, aún no tratado. Por el documento WO03/037606A1 se dio a conocer el uso de la polimerización bifotónica o multifotónica en la solidificación de materiales que contienen organopolisiloxano, (la polimerización se realiza por absorción bifotónica (TP) o multifotónica) . Se usa radiación de una longitud de ondas que en circunstancias normales no es absorbida en el material reactivo. Mediante el enfoque de impulsos láser con una longitud de femtosegundos al interior del material, en el punto focal de la óptica se produce una absorción multifotónica, por lo que modificaciones químicas similares se pueden inducir como si se utilizara radiación láser de longitudes de ondas sensiblemente más cortas. De esta manera, las modificaciones de material se pueden desencadenar de forma selectiva en el espacio tridimensional.

Una desventaja de los procedimientos tridimensionales conocidos y dispositivos para su realización es que especialmente en caso elevados requerimientos de precisión se pueden producir estructuras sólo con un tamaño limitado en el rango micrométrico. Esta desventaja se debe a la menor distancia de trabajo de la óptica, necesaria para conseguir una precisión suficiente, es decir, la distancia entre el plano focal y la lente de salida de la óptica que generalmente es variable y dependiente de la apertura numérica de la óptica empleada. Así, la distancia de trabajo para ópticas de alta resolución con una apertura numérica de AN = 0, 9 a 1, 4 es de aprox. 500m a 200m. En los procedimientos o dispositivos conocidos para la solidificación de materiales mediante polimerización multifotónica, el material que ha de ser solidificado se dispone por ejemplo en la cantidad de una gota entre dos placas ópticas como soporte de objeto o de forma adherida a un soporte de objeto abierto. Para permitir una exposición bajo condiciones definidas se ha de exponer a través de una superficie límite definida. En el caso de material dispuesto entre dos placas, la exposición se realiza desde arriba o desde abajo a través de una de las dos placas. En el caso de un soporte de objeto abierto, la exposición se realiza desde abajo a través del lado inferior del soporte de objeto. Resulta desventajoso que no se pueden solidificar estructuras más grandes, ya que a causa de la exposición por o a través del soporte de objeto, el material en el lado del mismo que está opuesto a la óptica puede ser solidificado sólo a una distancia limitada del soporte de objeto, determinada por la posición de trabajo de la óptica. En los procedimientos de solidificación tridimensionales conocidos en la actualidad, el tamaño de las estructuras que se pueden fabricar está limitado a entre aprox. 100m y 700m en función de la precisión que se ha de conseguir.

En el documento WO92/00185, una variante especial del dispositivo se refiere a una óptica de focalización móvil

verticalmente (es decir, a lo largo del eje óptico) con una alta apertura numérica que para evitar errores originados por superficies límite de líquido-aire se sumerge en un baño con el mismo material solidificable que está previsto como material de baño para la fabricación del cuerpo solidificable. El foco del dispositivo se encuentra fuera de dicho baño en un segundo baño.

El documento DE10111422A propone para un procedimiento similar disponer el recipiente de baño sobre una mesa desplazable en el plano X-Y y prever en esta una plataforma de construcción desplazable por control en la dirección Z para poder posicionar de manera variable y adecuada el foco (zona focal) . La exposición se realiza desde arriba al interior de la superficie de baño abierta. Alternativamente, se realiza un movimiento del foco en las direcciones X e Y con la ayuda de un dispositivo escáner, es decir, con uno o varios espejo (s) móviles. En este sistema no se puede usar una alta apertura numérica de la óptica y por tanto no se puede conseguir una alta resolución estructural a la vez de un tamaño de cuerpo de moldeo elegible libremente. Además, se producen errores por la exposición a través de la superficie de baño abierta que no representa una superficie óptica limpia.

En el documento FR2639948A1 se describen un procedimiento y un dispositivo para la solidificación de un material de baño con la ayuda de la irradiación de luz enfocada al interior de un material de baño polimerizable. Para evitar la desventaja de que el materia de baño se solidifique a lo largo de la trayectoria completa del rayo de luz se propone disponer entre la salida de los rayos de luz de la óptica de focalización y el foco un "volumen neutro V" que sin embargo también podría suprimirse.

Por el documento US2003/0013047A1 se dio a conocer la fabricación de un cuerpo de moldeo entre otras cosas mediante polimerización 2PP, según el que el cuerpo de moldeo por una parte debe poder fabricarse de manera rápida y por otra parte su superficie debe presentar una precisión... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo para producir estructuras tridimensionales a partir de un material que ha de ser solidificado (6) , especialmente a partir de un material que contiene organopolisiloxano, mediante la solidificación local selectiva del mismo como consecuencia de una reticulación orgánica fotoinducida, que presenta una fuente de láser (1) , una óptica de focalización (3) móvil para formar uno o varios focos de láser (5) y un recipiente de material (10) para el material que ha de ser solidificado (6) , y en el que la fuente de láser (1) y la óptica de focalización (3) están realizadas para producir impulsos láser o secuencias de impulsos láser que en su punto focal desencadenan una polimerización bifotónica o multifotónica del material que ha de ser solidificado, y en el que la óptica de focalización (3) presenta una apertura numérica >0, 25, y en el que la óptica de focalización (3) es estanca frente al material que ha de ser solidificado (6) y está dispuesta de tal forma que se puede sumergir en el material que ha de ser solidificado (6) dentro del recipiente de material (10) , de tal forma que una superficie de salida de rayo (13) de la óptica de focalización (3) misma forma la superficie límite definida ópticamente.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la óptica de focalización (3) es móvil al menos en el plano (X-Y) horizontal, preferentemente en las tres direcciones espaciales (X, Y, Z) .

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la óptica de focalización (3) presenta una apertura numérica >0, 5, preferentemente >1, 0.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la distancia de trabajo (9) entre un objetivo de la óptica de focalización (3) y el foco de láser correspondiente está comprendida entre 0, 1 y 100 mm, preferentemente entre 1 y 10 mm.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta una óptica para la división espacial del rayo láser (4a, 4b) para producir al menos dos focos de láser (5a, 5b) o máximos de intensidad situados a una distancia espacial entre ellos.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores que comprende además un sistema de detección óptico.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque el sistema de detección presenta una fuente de luz y un sistema de detección electrónico.

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque el sistema de detección detecta al menos en parte la topografía de una unidad de soporte (12) y está conectado a un sistema de regulación que detecta posibles puntos de superficie que se desvíen del valor teórico, de tal forma que estos son controlados ópticamente de manera correcta.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores que presenta además un sistema dispensador para la deposición in situ para el material que ha de ser solidificado (6) .

10. Procedimiento para producir estructuras tridimensionales a partir de un material que ha de ser solidificado (6) , especialmente a partir de un material que contiene organopolisiloxano, mediante la solidificación local selectiva del mismo como consecuencia de una reticulación orgánica fotoinducida a causa de una irradiación (4) mediante láser (1) , en el cual el material que ha de ser solidificado (6) está dispuesto o se dispone en un recipiente de material (10) , y un impulso láser o una secuencia de impulsos láser se posiciona en el interior del material que ha de ser solidificado, a través de una óptica de focalización (3) móvil con una apertura numérica >0, 25 y en al menos un foco de láser (5) , desencadenando el impulso láser o la secuencia de impulsos láser en su punto focal una polimerización bifotónica o multifotónica del material que ha de ser solidificado (6) , de tal forma que tan sólo en el entorno inmediato del al menos un foco de láser (5) , por la intensidad presente allí, se alcanzan condiciones de solidificación, de modo que durante la duración de la secuencia de impulsos láser se solidifica por cada foco un elemento de volumen del material que ha de ser solidificado (6) , estando sumergido o sumergiéndose la óptica de focalización (3) en el material que ha de ser solidificado (6) dentro del recipiente de material (10) , de tal forma que una superficie de salida (13) de la óptica de focalización (13) forma una superficie límite definida ópticamente, a través de la que el impulso láser o la secuencia de impulsos láser se introduce en el material que ha de ser solidificado (6) .

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque la óptica de focalización (3) es móvil al menos en un plano (X-Y) horizontal y, en el caso de una óptica de focalización (3) sumergida, preferentemente en las tres direcciones espaciales (X, Y, Z) .

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque un rayo láser (4) se divide en al menos dos rayos parciales (4a, 4b) y/o se producen al menos dos focos de láser (5a, 5b) o máximos de intensidad situados a una distancia espacial entre ellos.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque el material que ha de ser solidificado (6) se suministra in situ al recipiente de material (10) a través de un sistema dispensador.