DE102014202646A1

DE102014202646A1 - Verfahren zum Herstellen eines Objekts aus einem Werkstoff und/oder zum Bearbeiten eines Objekts

Info

Publication number: DE102014202646A1
Application number: DE102014202646.6A
Authority: DE
Inventors: Falk Schlaudraff; Thomas Locherer
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-08-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts (210) aus einem Werkstoff (205) und/oder zum Bearbeiten eines Objekts (210) sowie eine Vorrichtung zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Objekts, wobei das Objekt (210) im Zuge der Herstellung und/oder Bearbeitung mittels eines Laserstrahls (207) beaufschlagt wird, wobei der Laserstrahl (207) durch eine Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion (100) erzeugt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts aus einem Werkstoff und/oder zum Bearbeiten eines Objekts sowie eine Vorrichtung zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Objekts. Das Objekt wird dabei im Zuge der Herstellung und/oder Bearbeitung mittels eines Laserstrahls beaufschlagt.
Stand der Technik
Mittels bekannter generativer Fertigungsverfahren können zweckmäßige dreidimensionale Objekte hergestellt und bearbeitet werden. Dabei wird das Objekt aus einem Werkstoff bzw. aus einem Ausgangsmaterial schichtweise zusammengefügt. Derartige Werkstoffe liegen dabei zumeist in formlosem Zustand vor, insbesondere als Flüssigkeit oder Pulver. Für jede dieser Schichten wird der Werkstoff aufgetragen und in der gewünschten Form verfestigt. Schicht für Schicht wird das fertige Objekt somit aus dem Werkstoff aufgebaut bzw. zusammengesetzt.
Eine solche Technik ist beispielsweise als 3D-Druck bekannt, bei der ein flüssiges Bindemittel (wie Epoxidharz) auf ein Pulverbett über eine Düse gespritzt wird. Nach Verfestigung wird eine neue Pulverschicht aufgebracht, die wiederum selektiv verfestigt wird, usw, bis das dreidimensionale Objekt entstanden ist.
Der Werkstoff kann dabei auch mit einem zweckmäßigen Laserstrahl selektiv beaufschlagt bzw. behandelt werden. Mittels des Laserstrahls kann der Werkstoff beispielsweise verflüssigt bzw. aufgeschmolzen bzw. umgeschmolzen werden (selektives Laserschmelzen). Weiterhin kann ein bereits flüssiger Werkstoff mittels des Laserstrahls ausgehärtet werden (Stereolithographie). Mittels des Laserstrahls kann der Werkstoff auch gesintert werden (selektives Lasersintern). Beim Sintern wird ein pulverförmiger oder körniger Werkstoff in einer definierten Atmosphäre zunächst durch Erhitzen (und gegebenenfalls unter erhöhtem Druck) oberflächlich zum Schmelzen gebracht und anschließend ausgehärtet. Bei generativen Fertigungsverfahren wird üblicherweise ein CO₂-Laser, ein Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser genutzt, um diesen Laserstrahl zu erzeugen. Der Laserstrahl scannt dabei über den Objektquerschnitt in der aktuell zu erzeugenden Schicht.
Bei einem generativen Fertigungsverfahren werden keine speziellen Werkzeuge benötigt, welche eine Geometrie des fertigen Objekts gespeichert haben, wie beispielsweise Gussformen, in welche ein flüssiger Werkstoff eingeführt und ausgehärtet wird. Generative Fertigungsverfahren haben somit den Vorteil, dass kein aufwendiges Herstellen von Formen nötig ist. Weiterhin entsteht bei generativen Fertigungsverfahren kaum Materialverlust, wie es beispielsweise bei subtraktiven Fertigungsverfahren wie Schneiden, Drehen oder Bohren der Fall ist.
Generative Fertigungsverfahren können dabei im Zuge eines sogenannten "Rapid Prototyping" eingesetzt werden, wobei das jeweilige Objekt als ein Prototyp hergestellt wird. Weiterhin können im Zuge eines sogenannten "Rapid Tooling" Werkzeuge und Werkzeugbestandteile hergestellt werden. Weiterhin können im Zuge eines sogenannten "Rapid Manufacturing" bestimmte Bauteile hergestellt werden. Insbesondere im Bereich der Elektronik und Mikromechanik können mittels generativer Fertigungsverfahren Objektstrukturen mit Abmessungen von etwa 10 µm bis zu mehreren 100 µm mit hoher Wirtschaftlichkeit hergestellt werden. Weiterhin können mittels bekannter generativer Fertigungsverfahren zumeist nur Rauheitswerte von bis zu 1,5 µm erreicht werden.
Zur Bearbeitung eines Objektes kann dieses einem Laserstrahl ausgesetzt werden, der an definierten Positionen auf der Oberfläche oder allgemeiner am Ort der Absorption der Laserenergie das Objekt beispielsweise schneidet, verflüssigt oder verdampft. Bezüglich der erzielbaren Abmessungen von Objektstrukturen gilt das bezüglich generativer Fertigungsverfahren Gesagte.
Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit bereitzustellen, um eine Herstellung und/oder Bearbeitung von Objekten mit höherer Genauigkeit und geringerer Rauheit durchführen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts aus einem Werkstoff und/oder zum Bearbeiten eines Objekts sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts aus einem Werkstoff und/oder zum Bearbeiten eines Objekts mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Als Werkstoffe können dabei zweckmäßige Materialien genutzt werden, beispielsweise Kunststoffe, Metalle oder Keramik. Die Werkstoffe liegen insbesondere formlos vor, insbesondere als Flüssigkeit oder als Pulver. Insbesondere können feinpulvrige Granulate bzw. kolloidale Lösungen aus Kunststoffen, Keramik und/oder Metallen als Werkstoff genutzt werden. Insbesondere können Epoxidharze als Werkstoff verwendet werden.
Im Zuge der Herstellung und/oder Bearbeitung wird das Objekt mittels eines Laserstrahls beaufschlagt. Erfindungsgemäß wird dieser Laserstrahl durch eine Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion erzeugt.
Vorrichtungen und Verfahren zur Laser-Mikrodissektion sind insbesondere aus dem Bereich der Medizintechnik bekannt. Im Zuge einer Laser-Mikrodissektion werden üblicherweise bestimmte Teilbereiche einer biologischen Probe ausgewählt und mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls als sogenanntes Dissektat aus der biologischen Probe herausgetrennt bzw. herausgeschnitten. Für eine detaillierte Erläuterung der Laser-Mikrodissektion sei auf die DE 100 18 255 A1 oder die EP 1 186 879 B1 derselben Anmelderin verwiesen.
Eine Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion weist insbesondere eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls, beispielsweise eines Infrarot- oder Ultraviolettlaserstrahls, auf. Weiterhin kann eine Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion auch ein Mikroskop aufweisen. Der Laserstrahl wird in einen Strahlengang des Mikroskops eingekoppelt. Der Laserstrahl wird durch ein zweckmäßiges Mikroskopobjektiv auf die Probe fokussiert. Die Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion umfasst dabei insbesondere eine Laserablenk- bzw. Laser-Scan-Einrichtung, die dazu eingerichtet sind, den Laserstrahl bzw. dessen Auftreffpunkt über die (feststehende) Probe zu bewegen. Hierdurch ist es in einfacher Weise möglich, die Probe während des Dissektionsvorgangs mikroskopisch zu beobachten. Dieser Aufbau ist auch im Rahmen vorliegender Erfindung bevorzugt. Zu Einzelheiten bezüglich Aufbau und Funktionsweise sei ausdrücklich auf die genannte EP 1 186 879 B1 verwiesen.
Vorteile der Erfindung
Im Zuge der Erfindung wurde erkannt, dass eine Verwendung einer Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion beim Herstellen und/oder Bearbeiten von Objekten erhebliche Vorteile mit sich bringt. In der Medizintechnik werden hohe Anforderungen an Laser bzw. Laserstrahlen gestellt, die im Zuge einer Laser-Mikrodissektion verwendet werden. Um eine möglichst präzise Schnittlinie zu gewährleisten, muss der Laserstrahl besonders präzise fokussiert und geführt werden. Durch die Erfindung können diese Vorteile der Laser-Mikrodissektion ebenfalls für die Herstellung bzw. Bearbeitung von Objekten genutzt werden.
Anstatt bestimmte Teilbereiche mittels des Laserstrahls aus einer biologischen Probe herauszuschneiden, wird der Laserstrahl der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion auf bestimmte Bereiche des Objekts fokussiert, welches hergestellt bzw. bearbeitet wird. Da der Laserstrahl der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion mit hoher Präzision auf Durchmesser von 0,4 bis über 20 µm (150x bis 4x Objektiv) fokussiert werden kann, kann das Objekt mit einer höheren Präzision bearbeitet werden, als es bei den eingangs erwähnten herkömmlichen Herstellungs- bzw. Bearbeitungsverfahren der Fall ist. Insbesondere kann dabei eine höhere Genauigkeit und eine geringere Rauheit des Objekts erreicht werden als bei herkömmlichen Herstellungs- bzw. Bearbeitungsverfahren. Insbesondere kann dabei eine Genauigkeit von unter 10 µm bis 1 µm erreicht werden und ein Rauheitswert von weniger als 0,5 µm. Durch die Erfindung können somit Objektstrukturen in einem zehnfach kleineren Maßstab erzeugt werden als bei herkömmlichen Herstellungs- bzw. Bearbeitungsverfahren.
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion ein Mikroskop mit mindestens einem Objektiv und eine Laserablenkeinheit bzw. Laser-Scan-Einrichtung. Der Laserstrahl wird durch einen zweckmäßigen Laser erzeugt und in das Mikroskop eingekoppelt. Der Laserstrahl wird mittel der Laser-Scan-Einrichtung unter variablen Winkeln durch das Objektiv auf den Werkstoff und/oder auf das Objekt auf vorwählbare Positionen gerichtet. Dadurch wird eine Struktur des Werkstoffs und/oder eine Struktur des Objekts in mikroskopischem Maßstab geändert. Dadurch wird das Objekt aus dem Werkstoff hergestellt oder bearbeitet.
Die Laser-Scan-Einrichtung kann beispielsweise durch relative Verdrehung zweier Glaskeilplatten zueinander die Position des Laserstrahls auf dem Objekt bzw. dem Werkstoff verschieben. Der Laserstrahl wird insbesondere mittels des Mikroskopobjektivs auf das Objekt bzw. auf den Werkstoff fokussiert. Diese Einstellung der Position kann dabei durch einen Benutzer oder auch automatisch erfolgen. Insbesondere kann das Objekt mittels dieses Mikroskops, welches Bestandteil der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion ist, vergrößert beobachtet werden. Somit kann eine Bearbeitung bzw. Veränderung des Objekts, welche durch Beaufschlagung mit dem Laserstrahl verursacht wird, sofort mittels des Mikroskops beobachtet und auf Qualität geprüft werden.
Bevorzugt wird mittels Steuermitteln eine Abfolge von Positionen auf dem Werkstoff und/oder auf dem Objekt vorgewählt. Diese Positionen werden sukzessive mit dem Laserstrahl angefahren. Somit wird das Objekt schrittweise hergestellt oder bearbeitet. Derartige Steuermittel sind beispielsweise eine Steuerungseinheit und eine Recheneinheit, welche der Laser-Scan-Einrichtung zugeordnet sind. Mittels der Recheneinheit, die beispielsweise als Computer ausgebildet ist, kann beispielsweise durch einen Benutzer die Abfolge an Positionen vorgewählt werden. Die Recheneinheit übermittelt die Abfolge an Positionen an die Steuerungseinheit. Die Steuerungseinheit erstellt entsprechende Steuersignale zur Ansteuerung eines Motors der Laser-Scan-Einrichtung, wodurch der Laserstrahl definiert abgelenkt und auf die entsprechenden Position gerichtet wird.
Weiter bevorzugt wird mit den Steuermitteln mindestens ein erstes optisches Bauteil verstellt, mit dem ein Winkel des Laserstrahls gegenüber einer optischen Achse des Objektivs variiert wird. Damit wird ein horizontaler Auftreffpunkt des Laserstrahls auf dem Werkstoff bzw. auf dem Objekt eingestellt. Als derartiges erstes optisches Bauteil werden insbesondere Glaskeilplatten oder Spiegel verwendet.
Alternativ oder zusätzlich wird mit den Steuermitteln weiter bevorzugt mindestens ein zweites optisches Bauteil verstellt, mit dem ein Abstand eines Laserfokus des Laserstrahls relativ zu dem Objektiv eingestellt wird. Damit wird ein vertikaler Auftreffpunkt des Laserstrahls auf dem Werkstoff bzw. auf dem Objekt eingestellt wird. Als derartiges zweites optisches Bauteil werden insbesondere axial verschiebbare (Fokussier-)Linsen verwendet.
Vorzugsweise beschreibt die Abfolge von Positionen eine zweidimensionale oder eine dreidimensionale Struktur auf dem Werkstoff bzw. auf dem Objekt. Somit kann beispielsweise eine bestimmte Fläche des Objekts als zweidimensionale Struktur bearbeitet oder hergestellt werden. Weiter insbesondere kann ein bestimmtes Volumen des Objekts als dreidimensionale Struktur bearbeitet oder hergestellt werden.
Die Hauptanwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung lassen sich in drei Bereiche einteilen: Erstens können Objekte schichtweise mittels eines generativen Fertigungsverfahrens aus einem Werkstoff unter Einsatz eines Laserstrahls hergestellt werden, wobei dieser Laserstrahl von einer Laser-Mikrodissektionseinrichtung bereitgestellt wird. Zweitens können insbesondere Objekte, die mittels eines generativen Fertigungsverfahrens schichtweise (mit oder ohne Einsatz eines Laserstrahls) hergestellt worden sind, aber auch andere Objekte mittels eines Laserstrahls bearbeitet oder nachbearbeitet werden, wobei letzterer Laserstrahl von einer Laser-Mikrodissektionseinrichtung bereitgestellt wird. Schließlich können auch drittens Objekte aus einem formneutralen Werkstoff, beispielsweise in Form einer Kugel oder eines Zylinders, dadurch hergestellt werden, dass dieser formneutrale Werkstoff mittels eines Laserstrahls bearbeitet wird, um durch Abtragen des Werkstoffs das Objekt zu erzeugen, wobei besagter Laserstrahl wiederum von einer Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion bereitgestellt wird. Diese drei Bereiche sollen im Folgenden ausführlicher dargestellt werden.
Im Zuge der Erfindung können beispielsweise (Mikro-)Funktionsbauteile bzw. mikrostrukturierte Bauteile hergestellt bzw. bearbeitet werden. Derartige Bauteile können beispielsweise in der Optik, Nachrichtentechnik, Kommunikationstechnik, Medizintechnik oder im Werkzeugbau genutzt werden. Beispielsweise können Wellenleiter, optische Gitter, Mikrospritzguss- und Prägeformen, Fresnellinsen, Druckköpfe, Mikroelektroden, Kathoden und mikrostrukturierte Formauswerfer als Objekte hergestellt bzw. bearbeitet werden. Auch Kunst- oder Schmuckobjekte können auf die Weise hergestellt bzw. bearbeitet werden. Beispielsweise können Tierkreiszeichen oder geometrische Formen als Objekte hergestellt werden, welche anschließend beispielsweise in Epoxidharz gegossen werden können und als Perlen verwendet werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Objekt mittels eines generativen Fertigungsverfahrens schichtweise aus dem Werkstoff zusammengefügt. Insbesondere wird dieser Werkstoff im Zuge des generativen Schichtbauverfahrens schichtweise aufgetragen und ausgehärtet. Dabei wird der Werkstoff bzw. das Objekt im Zuge dieses Auftragens und/oder Aushärtens mit dem Laserstrahl der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion beaufschlagt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Werkstoff für eine entsprechende Schicht aufgebracht und mittels des Laserstrahls aufgeschmolzen bzw. umgeschmolzen. Weiter bevorzugt wird der Werkstoff in flüssigem Zustand für eine entsprechende Schicht aufgebracht und mittels des Laserstrahls ausgehärtet. Weiter bevorzugt wird der Werkstoff insbesondere in pulverförmigen Zustand aufgebracht und mittels des Laserstrahls gesintert. Der Laserstrahl der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion wird dabei im Zuge der oben beschriebenen schichtweisen Herstellung des Objekts verwendet.
Der Laserstrahl der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion wird dabei in gleicher Weise verwendet wie herkömmliche Laserstrahlen (beispielsweise eines CO₂-Lasers oder eines Nd:YAG-Lasers) bei herkömmlichen generativen Schichtbauverfahren.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Objekt aus einem formneutralen Werkstoff hergestellt, insbesondere aus einem band-, draht- oder stabförmigen Werkstoff. Insbesondere ist der Werkstoff dabei als Stab aus UV-absorbierendem Material ausgebildet. Mittels der Erfindung können derartige band-, draht- oder stabförmige Werkstoffe besonders einfach und mit hoher Präzision zu (dreidimensionalen) Objekten verarbeitet werden. Dabei kann ein kleinerer Maßstab (insbesondere ein bis zu zehnfach kleinerer Maßstab) erreicht werden, als bei herkömmlichen generativen Schichtbauverfahren. Auch gemäß dieser Ausgestaltung wird das Objekt insbesondere schichtweise aus dem formneutralen Werkstoff hergestellt.
Vorzugsweise werden als generatives Schichtbauverfahren zur Herstellung eines Objekts ein 3D-Druckverfahren, ein selektives Lasersintern, ein Lasermikrosintern, ein selektives Laserschmelzen und/oder eine Laserlithographie eingesetzt.
Bei der Laserlithographie wird der (insbesondere flüssige) Werkstoff mittels des Laserstrahls ausgehärtet. Als Werkstoff wird insbesondere lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer), beispielsweise Epoxidharz, verwendet. Die Dicke der Schichten beträgt dabei üblicherweise zwischen 50 µm und 250 µm.
Die Laserlithographie wird insbesondere in einem Bad des (flüssigen) Werkstoffs durchgeführt. Nach Aushärten jeder Schicht wird das Objekt in dem Bad um die Dicke der Schicht abgesenkt. Der flüssige Werkstoff über dem Objekt kann mittels eines zweckmäßigen Wischers gleichmäßig verteilt werden. Der Laserstrahl wird mittels der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion über die aktuelle Schicht, die ausgehärtet werden soll, bewegt.
Im Gegensatz zu der Laserlithographie werden beim selektive Lasersintern (SLS) bzw. Lasermikrosintern insbesondere keine flüssigen, sondern pulverförmige Werkstoffe verwendet. Mittels des Laserstrahls wird beim selektive Lasersintern bzw. Lasermikrosintern keine photochemische Reaktion des Werkstoffs ausgelöst, sondern Körner bzw. Partikel des Werkstoffs werden gesintert bzw. verschmolzen. Eine neue Schicht des Werkstoffs wird dabei beispielsweise mittels einer Rakel oder einer Walze auf das Objekt aufgebracht. Die Dicke der Schichten beträgt dabei üblicherweise zwischen 1 µm und 20 µm. Insbesondere werden beim Lasersintern bzw. Lasermikrosintern Metalle, Keramik, Kunststoff und/oder Gießsand als Werkstoff verwendet.
Bei einem selektiven Laserschmelzen wird der Werkstoff (insbesondere als Pulver) nicht gesintert, sondern mittels des Laserstrahls aufgeschmolzen. Dadurch ist es mögliche, eine poren- und rissfreie Struktur aufzubauen. Der Werkstoff wird für jede Schicht aufgebracht und mittels des Laserstrahls aufgeschmolzen bzw. umgeschmolzen. Der auf- bzw. umgeschmolzene Werkstoff erstarrt und bildet eine feste Materialschicht des Objekts. Anschließend wird das Objekt um die Dicke dieser Schicht abgesenkt und eine neue Schicht des Werkstoffs wird aufgetragen, auf- bzw. umgeschmolzene und erstarrt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das Objekt schichtweise entstanden ist. Das fertige Objekt wird von überschüssigen (pulverförmigen) Werkstücken gereinigt und nach Bedarf mit dem Laser(nach-)bearbeitet. Die Schichten des Objekts weisen dabei insbesondere eine Dicke zwischen 50 µm und 300 µm auf.
Vorzugsweise werde mittels der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion eine Laserfrequenz, eine Laserenergie, eine Lasergeschwindigkeit, eine Laserapertur und/oder ein Laserfokus des Laserstrahls eingestellt bzw. variiert bzw. gesteuert. Insbesondere werden dabei diese Laserparameter, sprich die Laserfrequenz, die Laserenergie, die Laserapertur und/oder die Lasergeschwindigkeit, eingestellt, um die Herstellung bzw. die Bearbeitung des Objekts abhängig vom jeweiligen Werkstoff und den Objektstrukturen zu optimieren. Insbesondere umfasst die Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion eine Laser-Steuereinheit, welche diese Laserparameter steuert. Die Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion kann eine Autofokusvorrichtung für den Laserstrahl umfassen, die automatisch eine bestmögliche Fokussierung des Laserstrahls durchführt. Beispielsweise kann der Laserfokus über eine Optik bzw. das mindestens eine zweite optische Bauteil der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion bzw. eines entsprechenden Mikroskops eingestellt werden. Eine derartige Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion ist in der EP 1 186 879 B1 derselben Anmelderin beschrieben.
Insbesondere wird die Laserapertur der Laserstrahlung zweckmäßig eingestellt, wie es beispielsweise in der DE 100 18 255 A1 derselben Anmelderin beschrieben ist. Durch eine Verringerung der Laserapertur wird der Lichtkegel des Laserstrahls schlanker, was zu einer Vergrößerung der Schärfentiefe führt. Infolge dieser erhöhten Schärfentiefe können die Anforderungen an die Fokussiergenauigkeit verringert werden.
Bevorzugt wird dabei ein Laserfokus des Laserstrahls der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion mit einem Durchmesser von 0,4 µm bis 20 µm eingestellt. Insbesondere wird dabei ein Objektiv mit einer vierfachen bis 150-fachen Vergrößerung verwendet. Mit einem derartigen Laserfokus kann das Objekt viel präziser hergestellt bzw. bearbeitet werden als bei herkömmlichen Verfahren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zur Bearbeitung des Objekts Rauheitswerte des Objekts verringert, Unreinheiten beseitigt und/oder Feinheiten hinzugefügt. Somit kann das Objekt mittels des Laserstrahls insbesondere verfeinert, nachbearbeitet und/oder verziert werden. Beispielsweise können derartige Feinheiten in einem möglichen Auflösungsbereichen hinzugefügt werden. Derartige Feinheiten können beispielsweise Löcher sein, insbesondere Löcher im Mikrometerbereich. Weiterhin können beispielsweise spezifische Oberflächenstrukturen erzeugt werden. Weiterhin können Verbindungen von Subbauteilen, beispielsweise durch thermospannungsinduzierte Sollbruchstellen, erreicht werden. Insbesondere kann dabei das Objekt derart verfeinert bzw. nachbearbeitet bzw. verziert werden, dass ein Lotus-Effekt des Objekts erzeugt wird, beispielsweise durch zweckmäßiges Verändern der Oberflächenstruktur bzw. der Rauheit des Objekts.
Bevorzugt wird der Laserstrahl der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion als eine optische Pinzette (Laser Tweezer) verwendet. Eine derartige optische Pinzette dient zum Festhalten bzw. Bewegen kleinster, mikroskopischer Objekte. Somit können besonders präzise (Mikro-)Funktionsbauteile bzw. mikrostrukturierte Bauteile als Objekte hergestellt bzw. bearbeitet werden. Weiterhin können derartige Mikrofunktionsbauteile mittels einer derartigen optischen Pinzette derart bewegt werden, um als Werkzeuge zur Herstellung noch kleinerer Bauteile genutzt zu werden.
Die Funktion einer optischen Pinzette beruht auf der Tatsache, dass Licht auf mikroskopische Objekte Kraft ausübt und diese zum Fokus des (stark fokussierten) Laserstahls gezogen werden. Der Laserstrahl wird dabei durch die Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion auf das Objekt fokussiert. Das Objekt ist dabei insbesondere im Bereich der Wellenlänge des Laserstrahls transparent. Wenn der Laserstrahl auf das Objekt fokussiert ist, führt jede Lageabweichung des Laserstrahls dazu, dass das Objekt erneut in den Fokus gezogen wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts aus einem Werkstoff und/oder zum Bearbeiten eines Objekts sowie eine Verwendung einer Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion für ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts aus einem Werkstoff und/oder zum Bearbeiten von Objekten und eine Verwendung einer Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion für ein generatives Schichtbauverfahren zum Herstellen eines Objekts aus einem Werkstoff und/oder zum Bearbeiten von Objekten. Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung und dieser erfindungsgemäßen Verwendungen ergeben sich aus der obigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens in analoger Art und Weise.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Objekts im Zuge eines generativen Schichtbauverfahrens.
In der einzigen 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Objekts schematisch dargestellt und mit 1 bezeichnet. Die Vorrichtung 1 ist dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Die Vorrichtung 1 weist dabei einerseits einen Vorrichtung 200 auf, um ein Objekt mittels eines generativen Fertigungsverfahrens herzustellen. Dabei führt die Vorrichtung 200 in diesem Beispiel ein selektives Lasersintern (SLS) als generatives Fertigungsverfahren durch. Die Vorrichtung 200 wird daher im Folgenden als SLS-Vorrichtung 200 bezeichnet.
Die SLS-Vorrichtung 200 weist eine Werkstoffzuführeinheit 202 auf. Mittels dieser Werkstoffzuführeinheit 202 wird ein Werkstoff, insbesondere ein zweckmäßiges Pulver, einer Objektschichtbaueinheit 201 zugeführt. In der Objektschichtbaueinheit 201 wird ein Objekt 210 mittels eines generativen Schichtbauverfahrens hergestellt.
Die Werkstoffzuführeinheit 202 weist dabei einen Kolben 202a auf, mit dem der pulverförmige Werkstoff 205 auf eine Ebene 203 gefördert werden kann. Der Kolben 202a ist dabei in vertikaler Richtung auf und ab bewegbar, angedeutet durch den Doppelpfeil 202b. Eine Rakel 206 ist in horizontaler Richtung über die Ebene 203 bewegbar, angedeutet durch den Doppelpfeil 206a. Der von dem Kolben 202a geförderte Werkstoff 205 wird mittels der Rakel 206 zu einer Aussparung 207 in der Ebene 203 transportiert.
Die Objektschichtbaueinheit 201 weist ebenfalls einen Kolben 201a auf, der ebenfalls in vertikaler Richtung auf und ab bewegbar, angedeutet durch den Doppelpfeil 201b. Das Objekt 210 liegt auf diesem Kolben 201a auf. Der Kolben wird zweckmäßig derart bewegt, dass sich die Oberfläche des Objekts 210 in der Aussparung 207 befindet. Durch die horizontale Bewegung der Rakel 206 wird somit auf die Oberfläche des Objekts 210 eine Schicht 211 des Werkstoffs 205 aufgetragen.
Diese Schicht 211 des Werkstoffs 205 wird nun mit einem Laserstrahl 107 beaufschlagt. Mittels des Laserstrahls 107 wird die Schicht 211 des Werkstoffs 205 gesintert.
Zum Erzeugen des Laserstrahls 107 weist die Vorrichtung 1 eine Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion 100 auf. Mittels der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion 100 kann der Laserstrahl 107 mit hoher Präzision fokussiert werden und präzise über das Objekt 210 bzw. über die Schicht 211 des Werkstoffs 205 bewegt werden.
Die Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion 100 weist ein Mikroskop 101 auf. Von einem Laser 106, in diesem Beispiel ein UV-Laser, geht ein Laserstrahl 107 aus, der in einen Auflicht-Beleuchtungsstrahlengang 120 eingekoppelt wird. Der Laserstrahl 107 durchläuft die Laser-Scan-Einrichtung 131 und gelangt über einen Strahlteiler 113 zu einem Objektiv 109, das den Laserstrahl 107 auf das Objekt 210 fokussiert. Ein von dem Objekt 210 durch das Objektiv 109 ausgehender Abbildungsstrahlengang 121 gelangt durch den Strahlteiler 113 zu einem Okular 112.
Die Einstellung der Laser-Scan-Einrichtung 131 und damit die Verstellung des Laserstrahls 107 auf dem Objekt 210 erfolgt in diesem Beispiel mit einem der Laser-Scan-Einrichtung 131 zugeordneten Motor 132, einer Steuerungseinheit 133 und einem Rechner 116. Die Steuerungseinheit 133 und der Rechner 116 werden dabei als Steuermittel verwendet, um eine Abfolge von Positionen auf dem Objekt 210 bzw. auf einer Schicht 211 des Werkstoffs 205 vorab zu definieren, die anschließend sukzessive mit dem Laserstrahl 107 angefahren werden. Die zur schichtweisen Herstellung des Objekts 210 hierzu notwendigen Positionen werden von dem Rechner 116 bestimmt. Der Rechner 116 steuert seinerseits die Steuerungseinheit 133 des Motors 132 der Laser-Scan-Einrichtung 131 an. Der Motor 132 verstellt (nicht dargestellte) Glaskeilplatten, um den Winkel des Laserstrahls 107 gegenüber der optischen Achse des Objektivs 109 zu variieren. Hierdurch wird eine Verschiebung des Auftreffpunkts des Laserstrahls 107 in horizontaler Richtung, also senkrecht zur optischen Achse des Objektivs 109, erzielt. Um den Auftreffpunkt des Laserstrahls in vertikaler Richtung einzustellen, kann es sinnvoll sein, eine axial verschiebbare Linse im Laserstrahl 107 anzuordnen, die ihrerseits definiert verstellt werden kann, um den Auftreffpunkt des Laserstrahls 107 in Richtung der optischen Achse des Objektivs 109 zu verschieben. Für den Fall, dass die jeweils beaufschlagte Schicht 211 im Laserstrahlfokus liegen soll, kann eine an sich bekannte Autofokuseinheit für den Laserstrahl 107 vorhanden sein.
Der Motor 132 ist mit der Steuerungseinheit 133 verbundenen, welche die Steuersignale zur Ansteuerung des Motors 132 liefert. Die Steuerungseinheit 133 ist mit dem Rechner 116 verbunden, an den ein Monitor 118 angeschlossen ist. Auf dem Monitor 118 wird das von einer Kamera 117 aufgenommene Bild des Objekts 210 dargestellt. Der Rechner 116 ist insbesondere auch mit der Laserlichtquelle 106 verbunden und steuert diese mit einem zweckmäßigen Triggersignal zum Auslösen von Laserimpulsen an.
Durch die beschriebene Ansteuerung der Laser-Scan-Einrichtung 131 erscheint der Laserstrahl 107 am Ausgang der Laser-Scan-Einrichtung 131 unter verschiedenen Ablenkwinkeln. Dabei kann der Laserstrahl 107 durch Variation des Ablenkwinkels auf beliebige Positionen auf dem Objekt 210 geführt werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine neu aufgetragene Schicht auf dem Objekt 210 mittels des Laserstrahls 107 zu sintern und auf diese Weise das Objekt schichtweise aufzubauen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Objekts
100: Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion
101: Mikroskop
106: Laser
107: Laserstrahl
109: Objektiv
112: Okular
113: Strahlteiler
116: Rechner, Steuermittel
117: Kamera
118: Monitor
120: Beleuchtungsstrahlengang
121: Abbildungsstrahlengang
131: Laser-Scan-Einrichtung
132: Motor
133: Steuerungseinheit, Steuermittel
200: Vorrichtung zum selektiven Lasersintern
201: Objektschichtbaueinheit
201a: Kolben
201b: Doppelpfeil
202: Werkstoffzuführeinheit
202a: Kolben
202b: Doppelpfeil
203: Ebene
205: Werkstoff
206: Rakel
206a: Doppelpfeil
207: Aussparung
210: Objekt
211: Schicht des Werkstoffs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10018255 A1 [0012, 0034]
EP 1186879 B1 [0012, 0013, 0033]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Objekts (210) aus einem Werkstoff (205) und/oder zum Bearbeiten eines Objekts (210), wobei das Objekt (210) im Zuge der Herstellung und/oder Bearbeitung mittels eines Laserstrahls (107) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (107) durch eine Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion (100) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (107) eines Lasers (106) in ein Mikroskop (101) mit mindestens einem Objektiv (109) eingekoppelt wird, wobei der Laserstrahl (107) mittel einer Laser-Scan-Einrichtung (131) unter variablen Winkeln durch das Objektiv (109) auf den Werkstoff (205) und/oder auf das Objekt (210) auf vorwählbare Positionen gerichtet wird, wobei dadurch eine Struktur des Werkstoffs (205) und/oder eine Struktur des Objekts (210) in mikroskopischem Maßstab geändert und dadurch das Objekt (210) hergestellt oder bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Steuermitteln (116, 133) eine Abfolge von Positionen auf dem Werkstoff (205) und/oder auf dem Objekt (210) vorgewählt wird, wobei diese Positionen sukzessive mit dem Laserstrahl (107) angefahren werden und somit das Objekt (210) schrittweise hergestellt oder bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Steuermitteln (166, 133) mindestens ein erstes optisches Bauteil verstellt wird, mit dem ein Winkel des Laserstrahls (107) gegenüber einer optischen Achse des Objektivs (109) variiert wird und damit ein horizontaler Auftreffpunkt des Laserstrahls (107) auf dem Werkstoff (205) oder auf dem Objekt (210) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Steuermitteln (166, 133) mindestens ein zweites optisches Bauteil verstellt wird, mit dem ein Abstand eines Laserfokus des Laserstrahls (107) relativ zu dem Objektiv (109) eingestellt wird und damit ein vertikaler Auftreffpunkt des Laserstrahls (107) auf dem Werkstoff (205) oder auf dem Objekt (210) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge von Positionen eine zweidimensionale oder eine dreidimensionale Struktur auf dem Werkstoff (205) und/oder auf dem Objekt (210) beschreiben.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (210) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens schichtweise aus dem Werkstoff (205) zusammengefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (205) mittels des Laserstrahls (107) aufgeschmolzen wird oder wobei der Werkstoff (205) in flüssigem Zustand vorliegt und mittels des Laserstrahls (107) ausgehärtet wird oder wobei der Werkstoff (205) mittels des Laserstrahls (107) gesintert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (210) aus einem formneutralen Werkstoff, insbesondere aus einem band-, draht- oder stabförmigen Werkstoff, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Objektes (210) ein 3D-Druckverfahren, ein selektives Lasersintern, ein Lasermikrosintern, ein selektives Laserschmelzen und/oder eine Laserlithographie durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion (100) eine Laserfrequenz, eine Laserenergie, eine Lasergeschwindigkeit, eine Laserapertur und/oder ein Laserfokus des Laserstrahls (107) eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfokus des Laserstrahls (107) mit einem Durchmesser von 0,4 µm bis 20 µm eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bearbeitung des Objekts (210) Rauheitswerte des Objekts (210) verringert, Unreinheiten beseitigt und/oder Feinheiten hinzugefügt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (107) der Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion (100) als eine optische Pinzette verwendet wird.
Vorrichtung (1) zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Objekts (210) mit einer Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion (100), dazu eingerichtet, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Verwendung einer Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion (100) für ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts (210) aus einem Werkstoff (205) und/oder zum Bearbeiten eines Objekts (210), wobei – das Objekt (210) im Zuge der Herstellung und/oder Bearbeitung mittels eines Laserstrahls (107) beaufschlagt wird und – der Laserstrahl (107) durch die Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion (100) erzeugt wird.
Verwendung einer Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion (100) für ein generatives Schichtbauverfahren zum Herstellen eines Objekts (210) aus einem Werkstoff (205) und/oder zum Bearbeiten eines Objekts (210), wobei – das Objekt (210) schichtweise aus einem Werkstoff (205) zusammengefügt wird, – das Objekt (210) im Zuge der Herstellung und/oder Bearbeitung mittels eines Laserstrahls (107) beaufschlagt wird und – der Laserstrahl (107) durch die Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion (100) erzeugt wird.