DE102014202646A1 - Method for producing an object from a material and / or for processing an object - Google Patents
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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.The present invention relates to a method for producing an object (210) from a material (205) and / or for processing an object (210) as well as an apparatus for producing and / or processing an object, wherein the object (210) in the course of Production and / or processing by means of a laser beam (207) is applied, wherein the laser beam (207) by a device for laser microdissection (100) is generated.
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. The present invention relates to a method for producing an object from a material and / or for processing an object, and to an apparatus for producing and / or processing an object. The object is applied in the course of production and / or processing by means of a laser beam.
Stand der Technik State of the art
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. Appropriate three-dimensional objects can be produced and processed by means of known generative manufacturing methods. In this case, the object is assembled from a material or from a starting material in layers. Such materials are usually in an informal state, especially as a liquid or powder. For each of these layers, the material is applied and solidified in the desired shape. Layer by layer, the finished object is thus constructed or assembled from the material.
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. Such a technique is known, for example, as 3D printing, in which a liquid binder (such as epoxy resin) is sprayed onto a powder bed via a nozzle. After solidification, a new powder layer is applied, which in turn is selectively solidified, etc., until the three-dimensional object is formed.
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. The material can also be selectively applied or treated with a suitable laser beam. By means of the laser beam, for example, the material can be liquefied or melted or remelted (selective laser melting). Furthermore, an already liquid material can be cured by means of the laser beam (stereolithography). By means of the laser beam, the material can also be sintered (selective laser sintering). During sintering, a powdery or granular material in a defined atmosphere is first melted by heating (and optionally under elevated pressure) and then cured. Generative manufacturing techniques typically use a CO 2 laser, an Nd: YAG laser, or a fiber laser to create this laser beam. The laser beam scans over the cross-section of the object in the layer currently to be generated.
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. In a generative manufacturing process, no special tools are needed that have stored geometry of the finished object, such as molds into which a liquid material is introduced and cured. Generative manufacturing processes thus have the advantage that no complicated production of molds is necessary. Furthermore, material loss hardly occurs in generative production processes, as is the case, for example, with subtractive production methods such as cutting, turning or drilling.
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. Generative manufacturing methods can be used in the course of a so-called "rapid prototyping", wherein the respective object is produced as a prototype. Furthermore, in the course of a so-called "rapid tooling" tools and tool components can be produced. Furthermore, in the course of a so-called "rapid manufacturing" certain components can be produced. In particular in the field of electronics and micromechanics, object structures with dimensions of about 10 μm to several 100 μm can be manufactured with high efficiency by means of generative manufacturing processes. Furthermore, generally only roughness values of up to 1.5 μm can be achieved by means of known generative manufacturing methods.
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. For processing an object, this can be exposed to a laser beam which cuts, liquefies or vaporizes the object at defined positions on the surface or, more generally, at the location of the absorption of the laser energy. With regard to the achievable dimensions of object structures, what has been said regarding generative production methods applies.
Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit bereitzustellen, um eine Herstellung und/oder Bearbeitung von Objekten mit höherer Genauigkeit und geringerer Rauheit durchführen zu können. It is therefore desirable to provide a way to perform production and / or processing of objects with higher accuracy and less roughness.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
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. According to the invention, a method for producing an object from a material and / or for processing an object as well as an apparatus for producing an object from a material and / or for processing an object with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
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. Suitable materials can be used in this case expedient materials, such as plastics, metals or ceramics. The materials are in particular informal, in particular as a liquid or as a powder. In particular, finely powdered granules or colloidal solutions of plastics, ceramics and / or metals can be used as material. In particular, epoxy resins can be used as a material.
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. In the course of production and / or processing, the object is subjected to a laser beam. According to the invention, this laser beam generated by a device for laser microdissection.
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
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
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
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. In the course of the invention, it has been recognized that use of a device for laser microdissection during the manufacture and / or processing of objects brings about considerable advantages. In medical technology, high demands are placed on lasers or laser beams, which are used in the course of a laser microdissection. To ensure the most precise cutting line possible, the laser beam must be focused and guided with particular precision. By the invention, these advantages of laser microdissection can also be used for the production or processing of objects.
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. Instead of cutting out certain portions by means of the laser beam from a biological sample, the laser beam of the laser microdissection device is focused on specific areas of the object which are manufactured or processed. Since the laser beam of the laser microdissection apparatus can be focused with high precision on diameters of 0.4 to more than 20 μm (150x to 4x objective), the object can be processed with a higher precision than in the case of the conventional production mentioned above - or processing method is the case. In particular, a higher accuracy and a lower roughness of the object can be achieved than with conventional manufacturing or processing methods. In particular, an accuracy of less than 10 μm to 1 μm can be achieved and a roughness value of less than 0.5 μm. By means of the invention, object structures can thus be produced in a tenfold smaller scale than in conventional manufacturing or processing methods.
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. Advantageously, the laser microdissection device comprises a microscope with at least one objective and a laser deflection unit or laser scanning device. The laser beam is generated by a suitable laser and coupled into the microscope. The laser beam is directed by the laser scanning device at variable angles through the lens on the material and / or on the object to preselected positions. Thereby, a structure of the material and / or a structure of the object is changed on a microscopic scale. As a result, the object is made of the material or processed.
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. The laser scanning device, for example, by relative rotation of two glass wedge plates to each other to move the position of the laser beam on the object or the material. The laser beam is focused in particular by means of the microscope objective on the object or on the material. This setting of the position can be done by a user or automatically. In particular, the object can be observed by means of this microscope, which is part of the device for laser microdissection, enlarged. Thus, a processing or change of the object, which is caused by exposure to the laser beam, observed immediately by means of the microscope and checked for quality.
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. Preferably, a sequence of positions on the material and / or on the object is selected by means of control means. These positions are approached successively with the laser beam. Thus, the object is gradually produced or edited. Such control means are, for example, a control unit and a computing unit, which are associated with the laser scanning device. By means of the arithmetic unit, which is designed, for example, as a computer, the sequence of positions can be preselected by a user, for example. The arithmetic unit transmits the sequence of positions to the control unit. The control unit generates corresponding control signals for controlling a motor of the laser scanning device, whereby the laser beam deflected defined and directed to the appropriate position.
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. Further preferably, the control means at least a first optical component is adjusted, with which an angle of the laser beam with respect to an optical axis of the lens is varied. This sets a horizontal impact point of the laser beam on the material or on the object. As such a first optical component in particular glass wedge plates or mirrors are used.
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. Alternatively or additionally, the control means further preferably at least a second optical component is adjusted, with which a distance of a laser focus of the laser beam is adjusted relative to the lens. This sets a vertical point of incidence of the laser beam on the material or on the object. In particular axially displaceable (focusing) lenses are used as such a second optical component.
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. The sequence of positions preferably describes a two-dimensional or a three-dimensional structure on the material or on the object. Thus, for example, a particular area of the object can be edited or manufactured as a two-dimensional structure. In particular, a specific volume of the object can be processed or produced as a three-dimensional structure.
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. The main fields of application of the present invention can be divided into three areas: First, objects can be produced in layers by means of an additive manufacturing process from a material using a laser beam, this laser beam being provided by a laser microdissection device. Secondly, in particular, objects which have been produced in layers (with or without the use of a laser beam) by means of a generative manufacturing process, but also other objects can be processed or post-processed by means of a laser beam, the latter laser beam being provided by a laser microdissection device. Finally, thirdly, objects made of a shape-neutral material, for example in the form of a sphere or a cylinder, can be produced by machining this shape-neutral material by means of a laser beam in order to produce the object by ablation of the material, said laser beam in turn being produced by a device provided for laser microdissection. These three areas will be described in more detail below.
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 the course of the invention, for example, (micro) functional components or microstructured components can be manufactured or processed. Such components can be used, for example, in optics, telecommunications, communications technology, medical technology or toolmaking. For example, waveguides, optical gratings, micro-injection and embossing molds, Fresnel lenses, printheads, microelectrodes, cathodes, and microstructured mold ejectors may be fabricated as objects. Also art or jewelry objects can be made or edited in the way. For example, signs of the zodiac or geometric shapes can be made as objects, which can then be cast, for example, in epoxy resin and used as beads.
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 an advantageous embodiment of the invention, the object is assembled in layers by means of a generative manufacturing process of the material. In particular, this material is applied in layers in the course of the generative layer construction process and cured. In the course of this application and / or curing, the material or the object is subjected to the laser beam of the laser microdissection device.
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. In a preferred embodiment of the invention, the material is applied for a corresponding layer and melted or remelted by means of the laser beam. More preferably, the material is applied in the liquid state for a corresponding layer and cured by means of the laser beam. More preferably, the material is applied in particular in a powdery state and sintered by means of the laser beam. The laser beam of the device for laser microdissection is used in the course of the above-described layer-by-layer production of the object.
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. The laser beam of the device for laser microdissection is used in the same way as conventional laser beams (for example, a CO 2 laser or a Nd: YAG laser) in conventional generative layer construction method.
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. In a further preferred embodiment of the invention, the object is made of a shape-neutral material, in particular of a band, wire or rod-shaped material. In particular, the material is designed as a rod made of UV-absorbing material. By means of the invention, such strip, wire or rod-shaped materials can be processed in a particularly simple manner and with high precision into (three-dimensional) objects. In this case, a smaller scale (in particular up to ten times smaller scale) can be achieved, than in conventional generative layer construction method. Also according to this embodiment, the object is in particular produced in layers of the form-neutral material.
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. Preferably, a 3D printing method, a selective laser sintering, a laser micro-sintering, a selective laser melting and / or a laser lithography are used as the generative layer construction method for producing an object.
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. In laser lithography, the (in particular liquid) material is cured by means of the laser beam. The material used is in particular light-curing plastic (photopolymer), for example epoxy resin. The thickness of the layers is usually between 50 microns and 250 microns.
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. The laser lithography is carried out in particular in a bath of the (liquid) material. After curing each layer, the object in the bath is lowered by the thickness of the layer. The liquid material over the object can be evenly distributed by means of a suitable wiper. The laser beam is moved by means of the laser microdissection device over the current layer to be cured.
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. In contrast to laser lithography, selective laser sintering (SLS) or laser micro-sintering, in particular, does not use liquid but powdery materials. By means of the laser beam, no photochemical reaction of the material is triggered during selective laser sintering or laser microsinternation, but grains or particles of the material are sintered or fused together. A new layer of the material is applied to the object, for example by means of a doctor blade or a roller. The thickness of the layers is usually between 1 .mu.m and 20 .mu.m. In particular, metals, ceramics, plastics and / or foundry sand are used as material in laser sintering or laser microsinternating.
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. In a selective laser melting of the material (especially as a powder) is not sintered, but melted by the laser beam. This makes it possible to build a pore-free and crack-free structure. The material is applied for each layer and melted or remelted by means of the laser beam. The melted up or remelted material solidifies and forms a solid material layer of the object. Subsequently, the object is lowered by the thickness of this layer and a new layer of the material is applied, melted or solidified and solidified. This cycle is repeated until the object has emerged in layers. The finished object is cleaned of excess (powdered) workpieces and (re) processed as required with the laser. The layers of the object in particular have a thickness of between 50 μm and 300 μm.
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
Insbesondere wird die Laserapertur der Laserstrahlung zweckmäßig eingestellt, wie es beispielsweise in der
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 this case, a laser focus of the laser beam of the laser microdissection device with a diameter of 0.4 μm to 20 μm is preferably set. In particular, while a lens with a fourfold to 150-fold magnification is used. With such a laser focus, the object can be manufactured and processed much more precisely than in conventional methods.
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. In an advantageous embodiment of the invention, roughness values of the object are reduced for processing the object, impurities are eliminated and / or subtleties are added. Thus, the object can be refined, reworked and / or decorated in particular by means of the laser beam. For example, such subtleties may be added in a possible range of resolution. Such subtleties may be, for example, holes, especially holes in the micrometer range. Furthermore, for example, specific surface structures can be generated. Furthermore, compounds of subcomponents, for example by thermo-voltage-induced predetermined breaking points, can be achieved. In particular, the object can be refined or reworked or decorated in such a way that a lotus effect of the object is generated, for example, by appropriately changing the surface texture or the roughness of the object.
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. Preferably, the laser beam of the laser microdissection device is used as an optical tweezer (Laser Tweezer). Such optical tweezers serve to hold or move smallest, microscopic objects. Thus, particularly precise (micro) functional components or microstructured components can be manufactured or processed as objects. Furthermore, such microfunction components can be moved by means of such optical tweezers so as to be used as tools for producing even smaller components.
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. The function of optical tweezers is based on the fact that light exerts force on microscopic objects and these are drawn to the focus of the (highly focused) laser beam. The laser beam is focused on the object by the device for laser microdissection. The object is transparent in particular in the region of the wavelength of the laser beam. When the laser beam is focused on the object, any deviation in the position of the laser beam causes the object to be retracted into focus.
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. The invention further relates to a device for producing an object from a material and / or for processing an object and to a use of a device for laser microdissection for a method for producing an object from a material and / or for processing objects and a use of a Device for laser microdissection for a generative layer construction method for producing an object from a material and / or for processing objects. Embodiments of this device according to the invention and these uses according to the invention will become apparent from the above description of the method according to the invention in an analogous manner.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
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. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.
Figurenbeschreibung figure description
In der einzigen
Die Vorrichtung
Die SLS-Vorrichtung
Die Werkstoffzuführeinheit
Die Objektschichtbaueinheit
Diese Schicht
Zum Erzeugen des Laserstrahls
Die Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion
Die Einstellung der Laser-Scan-Einrichtung
Der Motor
Durch die beschriebene Ansteuerung der Laser-Scan-Einrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Vorrichtung zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Objekts Device for producing and / or processing an object
- 100 100
- Vorrichtung zur Laser-Mikrodissektion Device for laser microdissection
- 101 101
- Mikroskop microscope
- 106 106
- Laser laser
- 107 107
- Laserstrahl laser beam
- 109 109
- Objektiv lens
- 112 112
- Okular eyepiece
- 113 113
- Strahlteiler beamsplitter
- 116 116
- Rechner, Steuermittel Calculator, control means
- 117 117
- Kamera camera
- 118 118
- Monitor monitor
- 120 120
- Beleuchtungsstrahlengang Illumination beam path
- 121 121
- Abbildungsstrahlengang Imaging beam path
- 131 131
- Laser-Scan-Einrichtung Laser scanning device
- 132 132
- Motor engine
- 133 133
- Steuerungseinheit, Steuermittel Control unit, control means
- 200 200
- Vorrichtung zum selektiven Lasersintern Device for selective laser sintering
- 201 201
- Objektschichtbaueinheit Objektschichtbaueinheit
- 201a 201
- Kolben piston
- 201b 201b
- Doppelpfeil double arrow
- 202 202
- Werkstoffzuführeinheit Werkstoffzuführeinheit
- 202a 202a
- Kolben piston
- 202b 202b
- Doppelpfeil double arrow
- 203 203
- Ebene level
- 205 205
- Werkstoff material
- 206 206
- Rakel doctor
- 206a 206a
- Doppelpfeil double arrow
- 207 207
- Aussparung recess
- 210 210
- Objekt object
- 211 211
- Schicht des Werkstoffs Layer of the material
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1186879 B1 [0012, 0013, 0033] EP 1186879 B1 [0012, 0013, 0033]
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