DE10111422A1 - Photosensitive molding production by irradiating a liquid material in a bath, to solidify the material, using a multi-photon absorption process - Google Patents

Abstract

Producing a molding comprises irradiating a liquid material in a bath, to solidify the material. At least part of the molding (24) is formed by selectively increasing the radiation concentration in the bath volume, according to geometric data, especially the conditions for a multi photon absorption process. The radiation source is a laser, especially a titanium sapphire laser. Optical elements are used to focus the beam relative to the bath (12), and beam deflecting elements are controlled relative to the bath. The container that holds the bath is moved relative to the focus. The laser is a mode coupled laser.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem durch Bestrahlung zu verfestigenden flüssigen Material in einem Bad dieses Materials.The invention relates to a method for producing a shaped body from a liquid material to be solidified by irradiation in a bath of this material.

Derartige Verfahren sind unter dem Begriff Stereolithographieverfahren bekannt geworden. Zum Stand der Technik auf dem Gebiet der stereolitho­ graphischen Verfahren kann beispielsweise auf die WO 9525003 oder auf die WO 9308506 verwiesen werden.Such processes are called stereolithography processes known. State of the art in the field of stereolitho graphic methods can for example refer to WO 9525003 or WO 9308506 are referenced.

Bei diesen bekannten Verfahren wird ein Formkörper, also ein Gegenstand mit einer definierten Form, schichtweise in einem Bad einer durch Strah­ lungseinwirkung verfestigbaren Flüssigkeit aufgebaut, wobei eine jeweils zuletzt durch Bestrahlung an der Badoberfläche verfestigte Schicht des Objektes weiter in das Bad bewegt wird, um eine jeweils nachfolgend durch Bestrahlung zu verfestigende Flüssigkeitsschicht auf der zuletzt verfestigten Schicht an der Badoberfläche bereitzustellen. Bei der Flüssig­ keit handelt es sich um ein photosensitives Harz. Die Bestrahlung erfolgt bei den hier betrachteten konventionellen Verfahren vorzugsweise mittels elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich, wobei als Strahlungsquelle ein Laser herangezogen wird. Eine Strahlablenkeinrichtung in Form eines X- Y-Scanners lenkt den Laserstrahl nach Maßgabe von Geometriebeschrei­ bungsdaten, die der jeweils herzustellenden Schicht des Formkörpers zugeordnet sind, ab, so dass der Laserstrahl mit seinem Fokus die jeweils zu verfestigende Schicht an der Badoberfläche entsprechend abtasten kann. In these known methods, a shaped body, that is, an object with a defined shape, layer by layer in a bath one by beam lungs action solidifiable liquid, one each layer of the layer last hardened by irradiation on the bath surface Object is moved further into the bathroom, one at a time liquid layer to be solidified by irradiation on the last to provide solidified layer on the bath surface. With the liquid It is a photosensitive resin. The irradiation takes place in the conventional methods considered here, preferably by means of electromagnetic radiation in the UV range, being used as a radiation source a laser is used. A beam deflection device in the form of an X- Y scanners direct the laser beam in accordance with the geometry cry Exercise data, the layer of the molded body to be produced in each case are assigned, so that the laser beam with its focus each Scan the layer to be solidified on the bath surface accordingly can.  

Der schichtweise Aufbau eines Formkörpers erfolgt bei den konventionellen Stereolithographieverfahren dadurch, dass man eine Trägerplatte oder Bauplattform zunächst dicht unterhalb der Badoberfläche anordnet und die über der Trägerplatte liegende Schicht der Flüssigkeit nach Maßgabe des gewünschten Querschnitts des Objektes bestrahlt, um so eine Basisschicht des Objektes zu verfestigen, die auf der Trägerplatte oder ggf. auf einer vorher bereits präparierten Stützschicht aufliegt. Sodann wird die Träger­ platte mit der darauf verfestigten Schicht weiter in das Bad hineinbewegt, um eine nachfolgend zu verfestigende Flüssigkeitsschicht über der bereits verfestigten Schicht vorzusehen. Der sorgfältigen Schichtpräparation kommt bei den Verfahren nach dem Stand der Technik besondere Bedeu­ tung zu. So ist es mittlerweile gängige Praxis, dass nach jedem Absenken der zuletzt verfestigten Schicht ein Abstreifelement einer relativ aufwendi­ gen Einrichtung zur Glättung der flüssigen Schicht über die Badoberfläche gezogen wird. Das Auftragen und Glätten der neuen Flüssigkeitsschicht beansprucht in etwa die gleiche Zeit wie das Belichten der Flüssigkeitsober­ fläche bei der Verfestigung. Der Prozess der jeweiligen Präparation einer neuen Flüssigkeitsschicht an der Badoberfläche über der zuletzt verfestig­ ten Schicht kann nicht mehr nennenswert beschleunigt bzw. zeitlich ver­ kürzt werden und ist somit ein zeitlich limitierender Faktor. Auch die er­ reichbaren Formteilgenauigkeiten werden durch die Abstreifglättungstech­ nik limitiert. Ein kleiner Fokusdurchmesser würde zwar das Aushärten sehr kleiner Strukturen zulassen; die beim Glätten der Flüssigkeitsoberfläche entstehenden Scherkräfte stellen jedoch eine zu große Belastung für dünn­ wandige Formteile dar. Die zum Glätten benutzten Abstreifelemente oder Wischerklingen müssen außerdem individuell an die jeweiligen Eigenschaf­ ten der Flüssigkeit, wie Viskosität, angepasst werden, was einen flexiblen Einsatz verschiedener Materialien unmöglich macht.The layered structure of a shaped body takes place in the conventional Stereolithography process by using a carrier plate or First of all, arrange the construction platform just below the surface of the bathroom and the Layer of liquid lying over the carrier plate in accordance with the irradiated desired cross-section of the object so as to form a base layer solidify the object on the carrier plate or possibly on a previously prepared support layer. Then the carrier plate with the solidified layer moved further into the bathroom, in order to subsequently solidify a liquid layer over the already provide solidified layer. The careful layer preparation is of particular importance in the prior art processes tion to. So it is now common practice that after each lowering the last solidified layer a stripping element of a relatively complex gene device for smoothing the liquid layer over the bath surface is pulled. The application and smoothing of the new liquid layer takes about the same time as the exposure of the liquid top area during consolidation. The process of preparing each one new liquid layer on the bath surface over the last solidified The shift can no longer be accelerated or slowed down significantly be shortened and is therefore a time-limiting factor. He too achievable molded part accuracy is achieved by the wiping smoothing tech nik limited. A small focus diameter would make curing very much allow smaller structures; that when smoothing the liquid surface The resulting shear forces put too much strain on thin wall shaped parts. The wiping elements used for smoothing or Wiper blades also have to be customized to the respective properties th of the liquid, such as viscosity, can be adjusted, which is flexible Using different materials makes it impossible.

Es hat auch bereits Vorschläge gegeben, unter der Oberfläche des Bades, also im Badvolumen, das photosensitive Harz bzw. einen entsprechenden Photopolymer-Kunststoff im Überschneidungsbereich zweier Laserstrahlen zu verfestigen, die von unterschiedlichen Seiten her in das Photopolymer­ bad gerichtet sind. Durch entsprechende Bewegung der Laserstrahlen kann ihr Überschneidungsbereich im Badvolumen verschoben werden, um so zusammenhängende Bereiche eines Objektes zu verfestigen. Der letztge­ nannte Vorschlag scheint eher theoretischer Art zu sein und hat sich in der Praxis nicht durchgesetzt. Dies wohl auch, weil es sehr schwierig ist, die zwei einander kreuzenden Laserstrahlen exakt koordiniert so zu bewegen, dass der Kreuzungspunkt mit hinreichend großer Präzision die zu verfesti­ genden Strukturen im Badvolumen abtastet.There have also been suggestions, under the surface of the bathroom, in the bath volume, the photosensitive resin or a corresponding one Photopolymer plastic in the intersection of two laser beams  to solidify from different sides in the photopolymer bad directed. By appropriate movement of the laser beams can their area of overlap in the bathroom volume are shifted, so solidify contiguous areas of an object. The last one The proposed proposal appears to be of a more theoretical nature and has been Practice not enforced. This is probably also because it is very difficult to move two intersecting laser beams exactly coordinated so that the crossing point is to be solidified with sufficient precision structures in the bathroom volume.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches ohne die herkömmliche und aufwendige Präparation von Schichten an der Badoberfläche auskommt, einen schnelleren Bauprozess zulässt und zuverlässig funktioniert.The present invention has for its object a method of Specify the type mentioned above, which without the conventional and elaborate preparation of layers on the bathroom surface allows for a faster construction process and works reliably.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, das man zumindest einen Teil des Formkörpers dadurch bildet, dass man innerhalb des Badvolumens ortsselektiv nach Maßgabe von Geometriedaten des herzustellenden Form­ körpers die Bestrahlungsbedingungen zur Verfestigung des flüssigen Mate­ rials, insbesondere die Bedingungen für einen die Verfestigung induzieren­ den Mehrphotonenabsorptionsprozess, durch ortsselektiv erhöhte Intensi­ tätskonzentration der Strahlung erfüllt.Based on a method of the type mentioned at the beginning, this is Task solved according to the invention that one at least a part of the shaped body by forming within the bath volume location-selective according to the geometry data of the shape to be produced body the radiation conditions to solidify the liquid mate rials, especially the conditions for inducing the solidification the multiphoton absorption process, due to location-selective increased intensi concentration of radiation is met.

Insbesondere strahlt man dazu mit einem fokussierten Laserstrahl in das Bad ein, wobei die Bestrahlungsbedingungen zur Verfestigung des flüssigen Materials, insbesondere die Bedingungen für einen die Verfestigung aus­ lösenden Mehrphotonenabsorptionsprozess, nur in unmittelbarer Umgebung des Fokus erfüllt sind, wobei man den Fokus des Strahls nach Maßgabe der Geometriedaten des herzustellenden Formkörpers innerhalb des Badvolu­ mens zu den zu verfestigenden Stellen führt. In particular, one uses a focused laser beam to irradiate it Bath, the irradiation conditions to solidify the liquid Material, especially the conditions for a solidification dissolving multiphoton absorption process, only in the immediate vicinity of the focus are met, taking the focus of the beam according to the Geometry data of the molded body to be produced within the bath volume leads to the points to be consolidated.  

Bei der Flüssigkeit handelt es sich vorzugsweise um ein photosensitives Harz, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung ein direktes Polymerisieren des Harzes ortsselektiv innerhalb des Badvolumens, also auch ggf. weit unterhalb der Badoberfläche, stattfindet, um einen Formkörper herzustellen, der nach seiner Fertigstellung aus dem Bad herausgenommen werden kann.The liquid is preferably a photosensitive one Resin, wherein according to the present invention direct polymerization of the resin location-selective within the bath volume, so also possibly far below the bath surface, takes place to produce a shaped body, which can be removed from the bathroom after its completion.

Es wird Strahlung aus einem Spektralbereich verwendet, der normalerweise nicht von der photosensitiven Flüssigkeit unter Hervorrufung des Verfesti­ gungseffektes absorbiert wird. Bei nicht zu hohen Strahlungsintensitäten ist die Flüssigkeit somit für die verwendete Strahlung im Wesentlichen trans­ parent. Erfindungsgemäß wird mit Strahlung bestrahlt, deren Wellenlänge λ in etwa n × λ₀ beträgt, wobei, λ₀ die Wellenlänge bezeichnet, bei der das flüssige Material Strahlung absorbieren würde und der Absorptionsvorgang mit einer optischen Anregung unter Auslösung des Materialverfestigungs­ prozesses einherginge. n ist eine ganze Zahl größer als 1. In der Praxis ist n üblicherweise 2. Erzeugt man nun durch Intensitätskonzentration der Strahlung innerhalb des Flüssigkeitsbades eine Intensitätserhöhung, bei der Mehrphotonenabsorption, nämlich n-Photonenabsorption stattfindet, so kann in dem Bereich dieser lokal erhöhten Intensität die energetische Anre­ gung des Materials zur Induzierung des Verfestigungseffektes durch Be­ strahlung mit Licht der Wellenlänge λ erfolgen, wobei diese Strahlung außerhalb der genannten Zone erhöhter Strahlungsintensität die Flüssigkeit in der bereits angesprochenen Weise durchdringt, ohne den Verfestigungs­ effekt auszulösen.Radiation from a spectral range is used, which is normally not absorbed by the photosensitive liquid, causing the solidification effect. If the radiation intensities are not too high, the liquid is essentially transparent to the radiation used. According to the invention, radiation is irradiated, the wavelength λ of which is approximately n × λ ₀ , where λ ₀ denotes the wavelength at which the liquid material would absorb radiation and the absorption process would be accompanied by an optical excitation, triggering the material solidification process. n is an integer greater than 1. In practice, n is usually 2. If the intensity concentration of the radiation within the liquid bath produces an increase in intensity at which multiphoton absorption, namely n-photon absorption, takes place, then in the area of this locally increased intensity energetic excitation of the material for inducing the solidification effect by radiation with light of wavelength λ, which radiation outside the above-mentioned zone of increased radiation intensity penetrates the liquid in the manner already mentioned without triggering the solidification effect.

Unter einem Gesichtspunkt kann die Erfindung mit dem Titel: "Herstellung von dreidimensionalen Modellen durch Polymerisation eines Monomers, induziert durch die Mehrphotonenabsorption von Laserstrahlung im Volu­ men eines flüssigen Harzes bzw. flüssigen Monomers" umschrieben wer­ den. In one aspect, the invention can be titled: "Manufacture three-dimensional models by polymerizing a monomer, induced by the multi-photon absorption of laser radiation in the volu men of a liquid resin or liquid monomer "who the.  

Die oben genannte Zone erhöhter Intensität kann mit relativ einfachen Mitteln dadurch realisiert werden, dass man den Strahl - ggf. nach vor­ ausgegangener Strahlaufweitung - fokussiert, so dass nur in unmittelbarer Umgebung des Fokus die Intensität hoch genug ist, um Zweiphotonen­ absorption (n = 2) oder Mehrphotonenabsorption (n = 3. . .) in dem flüssigen Material zu erreichen. Zur Herstellung eines Formkörpers in dem Bad kann dann der Fokus nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers innerhalb des Badvolumens zu den zu verfestigenden Stellen geführt werden.The above zone of increased intensity can be done with relatively simple Means can be realized by moving the beam - possibly forward outgoing beam expansion - focused, so that only in immediate Surrounding the focus the intensity is high enough to be two-photons absorption (n = 2) or multiphoton absorption (n = 3...) in the liquid To achieve material. Can be used to produce a shaped body in the bathroom then the focus according to the geometry description data of the Shaped body within the bath volume to the points to be solidified be performed.

Die Positionierung dieser Stellen relativ zum Ort des Fokus kann durch Bewegen des Badbehälters oder/und durch Bewegen einer gegebenenfalls innerhalb des Badbehälters vorhandenen Bauplattform für den Formkörper oder/und durch Bewegen des Fokus erfolgen.The positioning of these points relative to the location of the focus can be done by Moving the bath container and / or by moving one if necessary Construction platform for the molded body present within the bath container or / and by moving the focus.

Als Strahlungsquelle kommt vorzugsweise ein Laser zur Anwendung, der Strahlungspulse kleiner Pulsdauer und hoher Strahlungsleistung pro Puls emittiert. Die hier genutzten ultrakurzen Laserpulse besitzen bereits bei vergleichsweise kleinen und mittleren Laserleistungen hinreichend große Photonendichten, um Zweiphotonenprozesse oder ggf. Mehrphotonen­ prozesse zu initialisieren. Werden also solche ultrakurze Laserpulse mit einer Pulsdauer von beispielsweise 10^-14 s bis 10^-10 s der Wellenlänge λ in ein flüssiges photosensitives Harz fokussiert, welches für Aushärtung bei Bestrahlung mit Licht der Wellenlänge λ₀ = λ/2 ausgelegt ist, so findet im Fokus mittels Zweiphotonenabsorption der Polymerisationsprozess statt. Wie bereits erwähnt, ist das Harz normalerweise für Strahlung der Wellen­ länge, λ transparent. Durch Bewegen des fokussierten Laserstrahls durch das Badvolumen eines solchen Harzes findet daher die Polymerisation entlang der Spur des Fokus statt. Durch Verfahren der Fokusebene sowie durch Scannen der Ablenkung des Laserstrahls können mit dem Verfahren nach der Erfindung beliebige Objekte gebaut werden. A laser is preferably used as the radiation source, which emits radiation pulses of short pulse duration and high radiation power per pulse. The ultrashort laser pulses used here already have sufficiently high photon densities at comparatively small and medium laser powers to initialize two-photon processes or possibly multi-photon processes. If such ultrashort laser pulses with a pulse duration of, for example, 10 ^-14 s to 10 ^-10 s of the wavelength λ are focused in a liquid photosensitive resin which is designed for curing when irradiated with light of the wavelength λ ₀ = λ / 2, then in Focus using two-photon absorption instead of the polymerization process. As already mentioned, the resin is normally transparent to radiation of the wavelength, λ. Therefore, by moving the focused laser beam through the bath volume of such a resin, the polymerization takes place along the track of the focus. By moving the focus plane and scanning the deflection of the laser beam, any objects can be built with the method according to the invention.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung erlaubt ein hoch präzises und insbesondere vergleichsweise schnelles Herstellen von festen Objekten im Bad der photosensitiven Flüssigkeit. Auf die aufwendige Schichten­ präparation, wie sie bei der konventionellen Stereolithographie erforderlich ist, kann bei der Vorgehensweise nach der vorliegenden Erfindung ver­ zichtet werden. Die Prozessdauer bei der Herstellung eines Formkörpers wird dadurch erheblich reduziert. Die zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Vorrichtungen können einfacher und unkomplizierter als konventionelle Stereolithographiemaschinen sein, da Schichtenpräpara­ tionsbaugruppen entfallen können. Im Vergleich zur herkömmlichen Stereo­ lithographie dürfte der erfindungsgemäße Herstellungsprozess auch im Hinblick auf die Prozessführung einfacher durchzuführen sein.The method according to the present invention allows a highly precise one and in particular comparatively fast manufacture of solid objects in the bath of the photosensitive liquid. On the elaborate layers preparation as required in conventional stereolithography is ver can in the procedure according to the present invention to be waived. The process time in the production of a molded body is significantly reduced. The one to carry out the procedure Devices used can be easier and less complicated than be conventional stereolithography machines, since layer preparation tion modules can be omitted. Compared to conventional stereo lithography the manufacturing process according to the invention should also in Be easier to carry out in terms of process control.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des hier vorgeschlagenen neuen Verfahrens, wobei die Vorrichtung durch eine Laserstrahlungsquelle, die zur Emission hoch intensiver Strahlungspulse kurzer Dauer von z. B. 10^-14 s bis 10^-10 s eingerichtet ist, eine Einrichtung zur Fokussierung der Laserstrahlung in einem Fokalbereich, eine Behälter­ einrichtung zur Aufnahme eines Bades einer durch Bestrahlung verfestig­ baren Flüssigkeit und eine Einrichtung zur Führung des Fokalbereichs zu den nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers zu verfestigenden Stellen innerhalb des Bades gekennzeichnet ist.The invention further relates to a device for carrying out the new method proposed here, the device being provided by a laser radiation source which is used to emit high-intensity radiation pulses of short duration, e.g. B. 10 ^-14 s to 10 ^-10 s is set up, a device for focusing the laser radiation in a focal area, a container device for receiving a bath of a liquid which can be hardened by irradiation, and a device for guiding the focal area to the according to geometry description data of the molded body to be solidified is marked within the bath.

Bei der Laserstrahlungsquelle handelt es sich vorzugsweise um einen schnell repetierenden, modengekoppelten Laser, der ultrakurze Laserpulse emittiert. Als Beispiel für einen solchen Laser kann ein modengekoppelter Titan-Saphir-Laser mit einer Wellenlänge von etwa 780 nm genannt wer­ den. Die Fokussiereinrichtung umfasst optische Fokussierelemente, ins­ besondere Linsensysteme, die den Strahl der Laserstrahlungsquelle ins Innere der Behältereinrichtung fokussieren. Die Einrichtung zur Führung des Fokalbereiches zu den nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers zu verfestigenden Stellen innerhalb des Bades wird von einer Steuereinrichtung gesteuert, um den Fokus innerhalb des Badvolumens zu den Stellen zu bewegen, an denen Verfestigung stattfinden soll. Die Steuerung erfolgt auf der Basis von CAD-Daten des herzustellenden Formkörpers bzw. von aus solchen CAD-Daten abgeleite­ ten und für den Prozess angepassten Geometriebeschreibungsdaten. Sofern mit einer Strahlablenkeinrichtung eine Ablenkung des Laserstrahls in einer zur Badoberfläche parallelen Ebene mit Schrägeinfall des Strahls an der Badoberfläche erfolgt, kann es zweckmäßig sein, dass die Daten zur Steue­ rung der Einrichtung zur Führung des Fokalbereichs korrigiert werden, und zwar hinsichtlich des Strahlbrechungseffektes aufgrund der unterschiedli­ chen Brechungsindizes zwischen Luft und flüssigem Material.The laser radiation source is preferably one rapidly repeating, mode-locked laser, the ultra-short laser pulse emitted. An example of such a laser is a mode-locked Titan-sapphire laser with a wavelength of about 780 nm the. The focusing device comprises optical focusing elements, ins special lens systems that insulate the beam of the laser radiation source Focus inside the container device. The facility for managing the Focal area to the according to geometry description data  of the molded body to be solidified within the Bades is controlled by a control device to keep the focus within of the bath volume to the places where solidification to be held. The control is based on CAD data from the Shaped body to be produced or derived from such CAD data and geometry description data adapted for the process. Provided with a beam deflecting device a deflection of the laser beam in a plane parallel to the bath surface with the beam at an angle Bath surface takes place, it may be appropriate that the data on the tax correction of the device for guiding the focal area are corrected, and with respect to the beam refraction effect due to the differ indices of refraction between air and liquid material.

Die Einrichtung zur Führung des Fokalberichs umfasst vorzugsweise Mittel, die dazu eingerichtet sind, optische Elemente der Einrichtung zur Fokussie­ rung des Strahles relativ zu dem Bad zu bewegen oder/und optische Strahl­ ablenkelemente zur Ablenkung des Strahls relativ zu dem Bad zu bewegen oder/und die Behältereinrichtung relativ zu dem Fokalbereich zu bewegen oder/und eine ggf. vorhandene Bauplattform für den Formkörper innerhalb des Bades relativ zu dem Laser bzw. relativ zu dem Fokalbereich zu bewe­ gen.The device for guiding the focal area preferably comprises means which are set up, optical elements of the device for focusing tion of the beam to move relative to the bath and / or optical beam deflecting elements to deflect the beam relative to the bath or / and to move the container device relative to the focal area or / and a possibly existing building platform for the molded body within of the bath relative to the laser or relative to the focal area gene.

So kann z. B. die Einrichtung zur Fokussierung des Strahls so gesteuert werden, dass der Fokus in Z-Richtung bewegt wird. Alternativ oder zusätz­ lich kann es vorgesehen sein, dass der Badbehälter in Z-Richtung gesteuert verfahrbar ist, um eine Relativbewegung zwischen Bad und Fokus in Z- Richtung zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann es ferner vorgesehen sein, dass eine ggf. vorhandene Bauplattform innerhalb des Badbehälters in Z-Richtung verfahrbar ist. Die Positionierung des Fokus in X- und in Y- Richtung kann sowohl durch Scannen des Laserstrahls als auch durch Bewegen des Harzbehälters erfolgen. So z. B. controlled the device for focusing the beam that the focus is moved in the Z direction. Alternatively or additionally Lich it can be provided that the bath container is controlled in the Z direction is movable to a relative movement between bath and focus in Z Direction to reach. Alternatively or additionally, it can also be provided be that any existing construction platform within the bath container in Z direction is movable. Positioning the focus in X- and Y- Direction can be done by scanning the laser beam as well Move the resin container.  

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the figures explained.

Fig. 1 zeigt in einer stark vereinfachten schematisierten Darstellung eine Vorrichtung nach der Erfindung zur Durchführung des vorgeschlagenen neuen Verfahrens. Fig. 1 shows a highly simplified schematic representation of a device according to the invention for performing the proposed new method.

Fig. 2 zeigt in einer Erläuterungsskizze das Strahlprofil eines fokus­ sierten Laserstrahls in der Umgebung des Fokalbereichs und ein Diagramm zur Erläuterung der räumlichen Intensitätsver­ teilung innerhalb des gezeigten Strahlbereichs. Fig. 2 shows an explanatory sketch of the beam profile of a focussed laser beam in the vicinity of the focal area and a diagram for explaining the spatial intensity distribution within the beam area shown.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung nach der Erfindung schematisch und stark vereinfacht gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen Laser 2 als Strahlungs­ quelle, die ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse mit einer Pulsdauer im Bereich von beispielsweise 10^-10 s bis 10^-14 s, und mit einer hohen Repeti­ tionsrate sowie mit vergleichsweise hoher Pulsenergie emittiert. Der emit­ tierte Strahl ist in Fig. 1 mit 4 gekennzeichnet. Es kann sich bei dem Laser 2 zum Beispiel um einen modengekoppelten Ti:Sa-Laser handeln, dessen Emissionswellenlänge bei, λ = 780 nm liegt. Zur gesteuerten Ablenkung des Laserstrahls 4 in Bezug auf die orthogonal zur Z-Richtung liegende X-Y- Ebene ist eine Galvano-Scanner-Einrichtung 6 vorgesehen.In Fig. 1, a device according to the invention is shown schematically and in a highly simplified manner. The device comprises a laser 2 as a radiation source, which emits ultrashort laser pulses, ie laser pulses with a pulse duration in the range from, for example, 10 ^-10 s to 10 ^-14 s, and with a high repetition rate and with a comparatively high pulse energy. The emitted beam is identified by 4 in FIG. 1. The laser 2 can, for example, be a mode-locked Ti: Sa laser, the emission wavelength of which is λ = 780 nm. A galvano-scanner device 6 is provided for the controlled deflection of the laser beam 4 with respect to the XY plane orthogonal to the Z direction.

Eine Fokussiereinrichtung 8 dient zur Fokussierung des Laserstrahls 4 in einem Punkt innerhalb des Behälters 10. Der Behälter 10 enthält ein photo­ sensitives flüssiges Harz 12, welches bei Bestrahlung mit Licht der Wellen­ länge λ₀ verfestigbar ist. Im Fall der Fig. 1 entspricht λ₀ in etwa der halben Wellenlänge des Lasers 2.A focusing device 8 is used to focus the laser beam 4 at a point within the container 10 . The container 10 contains a photosensitive liquid resin 12 which can be solidified when irradiated with light of wavelength λ ₀ . In the case of FIG. 1, λ ₀ corresponds approximately to half the wavelength of the laser 2 .

In dem Behälter 10 ist eine Bauplattform 14 vorgesehen, welche in Z- Richtung gesteuert verfahrbar ist. Insgesamt steht der Behälter 10 auf einem Verschiebetisch 16, der ggf. in Z-Richtung oder/und in der X-Y- Ebene gesteuert verfahrbar ist.In the container 10 , a construction platform 14 is provided which can be moved in a controlled manner in the Z direction. Overall, the container 10 is on a sliding table 16 , which can be moved in a controlled manner in the Z direction and / or in the XY plane.

Die Bewegungssteuerung der Elemente 6, 8, 14, 16 erfolgt mittels der Steuereinrichtung 20, welche wenigstens einen Mikrocomputer umfasst. Die Steuerleitungen zwischen der Steuereinrichtung 20 und den betreffen­ den Elementen sind in Fig. 1 mit 22 bezeichnet. Die jeweiligen Antriebsein­ heiten für die bewegbaren Komponenten 6, 8, 14, 16 sind aus Gründen der vereinfachten Darstellung nicht gezeigt.The movement control of the elements 6 , 8 , 14 , 16 takes place by means of the control device 20 , which comprises at least one microcomputer. The control lines between the control device 20 and the relevant elements are designated by 22 in FIG. 1. The respective drive units for the movable components 6 , 8 , 14 , 16 are not shown for the sake of the simplified illustration.

Fig. 1 repräsentiert eine Momentaufnahme bei der Herstellung eines Form­ körpers 24 durch ortsselektive, lichtinduzierte Verfestigung (Photopolymeri­ sation) des Harzes 12. Verfestigung des Harzes 12 findet jeweils in un­ mittelbarer Umgebung des Fokus 26 des Strahls 4 statt, da nur in einer räumlich eng begrenzten Fokalzone 26 die Intensität des Laserstrahls 4 ausreicht, um einen Zweiphotonenabsorptionsprozess (oder ggf. einen Dreiphotonenabsorptionsprozess bzw. Mehrphotonenabsorptionsprozess) zur Anregung des Verfestigungseffektes in dem Material ausreicht. Fig. 1 represents a snapshot in the manufacture of a molded body 24 by location-selective, light-induced solidification (photopolymerization) of the resin 12th Solidification of the resin 12 takes place in each case in the immediate vicinity of the focus 26 of the beam 4 , since the intensity of the laser beam 4 is only sufficient in a spatially narrowly limited focal zone 26 in order to excite the two-photon absorption process (or possibly a three-photon absorption process or multi-photon absorption process) Solidification effect in the material is sufficient.

In Fig. 2 sind ein Ausschnitt aus dem Strahlprofil des Laserstrahls 4 mit der Fokalzone 26 und ein dem Strahlprofilausschnitt zugeordnetes Orts-Inten­ sitätsdiagramm dargestellt, welches den Intensitätsverlauf des Strahlprofils in Z-Richtung wiedergibt. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, wird die Schwellwertintensität S nur in dem Fokalbereich 26 überschritten. Nur in dem lokalen Bereich 26, in dem die Intensität I des Stahls 4 die Schwell­ wertintensität S überschreitet, sind die Strahlungsbedingungen zur Ver­ festigung des flüssigen Materials erfüllt. Außerhalb der Zone 26 ist das Harz 12 für den Laserstrahl 4 im Wesentlichen transparent.In Fig. 2, a section of the beam profile of the laser beam 4 with the focal zone 26 and an associated with the beam profile section location intensity diagram is shown, which reflects the intensity profile of the beam profile in the Z direction. As can be seen from the diagram, the threshold value intensity S is only exceeded in the focal region 26 . Only in the local area 26 , in which the intensity I of the steel 4 exceeds the threshold intensity S, are the radiation conditions for solidifying the liquid material fulfilled. Outside zone 26 , resin 12 is essentially transparent to laser beam 4 .

Mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1 kann nun dieser Fokalbereich 26 innerhalb des Volumens des Bades 12 auch mit nennenswertem Abstand von der Badoberfläche bewegt werden, um entsprechend der von ihm abgetasteten Spur die ortsselektive Verfestigung des flüssigen Harzes auszulösen.By means of the device according to Fig. 1 of this focal region can now be moved within the volume 26 of bath 12 at a significant distance from the bath surface in order according to the track scanned by it initiate the site-selective solidification of the liquid resin.

Die Steuerung der Bewegung des Fokalbereichs 26 und der Bewegung der Bauplattform 14 bzw. der Bewegung des Behälters 10 relativ zueinander erfolgt mittels der Steuereinrichtung 20 nach Maßgabe von Geometriebe­ schreibungsdaten des Formkörpers 24. Diese Geometriebeschreibungs­ daten sind aus 3D-CAD-Daten des Formkörpers abgeleitet worden.The control of the movement of the focal region 26 and the movement of the building platform 14 or the movement of the container 10 relative to one another is carried out by means of the control device 20 in accordance with geo-transmission writing data of the molded body 24 . This geometry description data has been derived from 3D CAD data of the molded body.

Eine Möglichkeit der Verfahrensführung mit der Vorrichtung nach Fig. 1 besteht darin, dass der Fokus 26 unbewegt an seiner Stelle relativ zum Raum bei Einstrahlung senkrecht zur Badoberfläche verbleibt, wobei der Verschiebetisch 16 oder/und die Bauplattform 14 im X-Y-Z-Raum in der Weise relativ zum feststehenden Fokus 26 bewegt werden, dass der Fokal­ bereich 26 die zu verfestigenden Stellen des Formkörpers 24 erreicht.One possibility of carrying out the method with the device according to FIG. 1 is that the focus 26 remains motionless in its position relative to the room when it is irradiated perpendicular to the bathroom surface, the sliding table 16 and / or the construction platform 14 in the XYZ room being relatively relative be moved to the fixed focus 26 that the focal region 26 reaches the points of the shaped body 24 to be solidified.

Andererseits kann es vorgesehen sein, dass der Behälter 10 im Raum feststeht und der Fokalbereich 26 durch gesteuerte Bewegung der opti­ schen Elemente 6, 8 zu den zu verfestigenden Stellen innerhalb des Badvo­ lumens 12 geführt wird. Die Z-Verschiebung des Fokalbereichs 26 kann mittels entsprechender Bewegung der fokussierenden Optik 8 erfolgen. Innerhalb der X-Y-Ebene erfolgt die Strahlablenkung mittels der Scanner­ einrichtung 6.On the other hand, it can be provided that the container 10 is fixed in space and the focal region 26 is guided by controlled movement of the optical elements 6 , 8 to the points to be solidified within the Badvo lumen 12 . The Z-shift of the focal region 26 can take place by means of a corresponding movement of the focusing optics 8 . The beam deflection takes place within the XY plane by means of the scanner device 6 .

Weiterhin ist es möglich, die Z-Verschiebung des Fokalbereichs 26 durch Bewegung der Bauplattform 14 in Z-Richtung vorzunehmen.Furthermore, it is possible to carry out the Z displacement of the focal region 26 by moving the construction platform 14 in the Z direction.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem durch Be­ strahlung zu verfestigenden flüssigen Material in einem Bad dieses Materials, dadurch gekennzeichnet, dass man zumindest einen Teil des Formkörpers (24) dadurch bildet, dass man innerhalb des Badvo­ lumens (12) ortsselektiv nach Maßgabe von Geometriebeschrei­ bungsdaten des herzustellenden Formkörpers (24) die Bestrahlungs­ bedingungen zur Verfestigung des flüssigen Materials, insbesondere die Bedingungen für einen die Verfestigung induzierenden Mehrpho­ tonenabsorptionsprozess, durch erhöhte Intensitätskonzentration der Strahlung erfüllt.1. A process for the production of a molded body from a liquid material to be solidified by radiation in a bath of this material, characterized in that at least a part of the molded body ( 24 ) is formed by locating within the Badvo lumen ( 12 ) in accordance with the requirements geometry description data of the molded body ( 24 ) to meet the irradiation conditions for solidifying the liquid material, in particular the conditions for a hardening inducing multiphoton absorption process by increased intensity concentration of the radiation. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man mit einem fokussierten Laserstrahl (4) in das Bad (12) einstrahlt, wobei die Bestrahlungsbedingungen zur Verfestigung des flüssigen Materi­ als, insbesondere die Bedingungen für einen die Verfestigung aus­ lösenden Mehrphotonenabsorptionsprozess, nur in unmittelbarer Umgebung des Fokus erfüllt sind, und dass man den Fokus des Strahls nach Maßgabe der Geometriebeschreibungsdaten des herzu­ stellenden Formkörpers (24) innerhalb des Badvolumens (12) zu den verfestigenden Stellen führt.2. The method according to claim 1, characterized in that one irradiates with a focused laser beam ( 4 ) in the bath ( 12 ), the irradiation conditions for solidifying the liquid material as, in particular the conditions for a solidification from dissolving multi-photon absorption process, only in the immediate vicinity of the focus are met, and that the focus of the beam is guided to the solidifying points within the bath volume ( 12 ) in accordance with the geometry description data of the molded body ( 24 ) to be produced. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man als Strahlungsquelle einen Laser (2) ver­ wendet, der Strahlungspulse kleiner Pulsdauer und hoher Strahlungs­ leistung pro Puls emittiert.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a laser ( 2 ) is used as the radiation source, which emits radiation pulses of short pulse duration and high radiation power per pulse. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein modengekoppelter Laser, insbesondere ein Titan-Saphier-Laser ist. 4. The method according to claim 3, characterized in that the laser a mode-locked laser, in particular a titanium sapphire laser is.   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, dass man den Fokus (26) des Strahls (4) gemäß einer oder mehrerer der folgenden Maßnahmen zu den zu verfestigenden Stel­ len innerhalb des Bades (12) führt:

• - optische Elemente (8) zur Fokussierung des Strahls (4) wer­ den relativ zu dem Bad (12) gesteuert bewegt,
• - optische Strahlablenkelemente (6) zur Ablenkung des Strahls (4) werden relativ zu dem Bad (12) gesteuert bewegt,
• - der das Bad (12) beinhaltende Behälter (10) wird relativ zum Fokus (26) gesteuert bewegt,
• - eine innerhalb des Badbehälters (10) gegebenenfalls vorhan­ dene Bauplattform (14) wird in dem Bad (12) relativ zum Fokus (26) gesteuert bewegt.

5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the focus ( 26 ) of the beam ( 4 ) according to one or more of the following measures leads to the Stel len to be solidified within the bath ( 12 ):

• - Optical elements ( 8 ) for focusing the beam ( 4 ) who moves the controlled relative to the bath ( 12 ),
• optical beam deflection elements ( 6 ) for deflecting the beam ( 4 ) are moved in a controlled manner relative to the bath ( 12 ),
• the container ( 10 ) containing the bath ( 12 ) is moved in a controlled manner relative to the focus ( 26 ),
• - An inside the bath container ( 10 ) possibly existing building platform ( 14 ) is moved in the bathroom ( 12 ) relative to the focus ( 26 ) in a controlled manner.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
eine Laserstrahlungsquelle (2), die zur Emission hoch intensiver Strahlungspulse kurzer Dauer eingerichtet ist,
eine Einrichtung zur Fokussierung der Laserstrahlung (4) in einem Fokalbereich (26),
eine Behältereinrichtung (10) zur Aufnahme eines Bades (12) einer durch Bestrahlung verfestigbaren Flüssigkeit und
eine Einrichtung (6, 8, 14, 16) zur Führung des Fokalbereiches (26) zu den nach Maßgabe von Geometriedaten des herzustellenden Formkörpers (24) zu verfestigenden Stellen innerhalb des Bades (12).6. Device for performing the method according to one of the preceding claims, characterized by
a laser radiation source ( 2 ) which is set up to emit highly intense radiation pulses of short duration,
a device for focusing the laser radiation ( 4 ) in a focal area ( 26 ),
a container device ( 10 ) for receiving a bath ( 12 ) of a liquid which can be hardened by radiation and
a device ( 6 , 8 , 14 , 16 ) for guiding the focal area ( 26 ) to the locations within the bath ( 12 ) to be solidified in accordance with the geometric data of the molded body ( 24 ) to be produced. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (2) ein modengekoppelter Laser, insbesondere Titan-Saphir- Laser, ist. 7. The device according to claim 6, characterized in that the laser ( 2 ) is a mode-locked laser, in particular titanium-sapphire laser. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Führung des Fokalbereichs steuerbare Mittel (6, 8, 14, 16) umfasst, die dazu eingerichtet sind,
optische Elemente der Einrichtung (8) zur Fokussierung des Strahls (4) relativ zu dem Bad (12) zu bewegen oder/und
optische Strahlablenkelemente (6) zur Ablenkung des Strahls (4) relativ zu dem Bad (12) zu bewegen oder/und
die Behältereinrichtung (10) relativ zu dem Fokalbereich (26) zu bewegen oder/und gegebenenfalls
eine Bauplattform (14) für den Formkörper (24) innerhalb des Bades (12) relativ zu dem Fokalbereich (26) zu bewegen.8. The device according to claim 6 or 7, characterized in that the device for guiding the focal area comprises controllable means ( 6 , 8 , 14 , 16 ) which are set up to
to move optical elements of the device ( 8 ) for focusing the beam ( 4 ) relative to the bath ( 12 ) or / and
to move optical beam deflection elements ( 6 ) for deflecting the beam ( 4 ) relative to the bath ( 12 ) or / and
to move the container device ( 10 ) relative to the focal area ( 26 ) and / or if necessary
to move a construction platform ( 14 ) for the molded body ( 24 ) within the bath ( 12 ) relative to the focal region ( 26 ).