DE102019115780B4

DE102019115780B4 - Verfahren und Vorrichtungen zum Mehrphotonendruck und zur Inspektion dreidimensionaler Strukturen

Info

Publication number: DE102019115780B4
Application number: DE102019115780.3A
Authority: DE
Inventors: Robert KIRCHNER; Andreas Richter; Georgi Paschew
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: HETEROMERGE GMBH, DE
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2021-10-21
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: EP3983199A1; WO2020249171A1; US20220219388A1; CN113993690A; DE102019115780A1

Abstract

Druckkopfeinheit zur Ausführung eines Mehrphotonendruckverfahrens , zur additiven Herstellung dreidimensionaler Strukturen, folgende Komponenten umfassend:- eine Emissionseinheit (1), welche eine Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und Mittel zur Ausrichtung und Fokussierung der Strahlung auf einen Portionierungspunkt (6);- eine Materialzufuhr (9) mit zumindest zwei Materialausgängen (8), ausgebildet zur ortsselektiven, dosierbaren Zufuhr eines ersten und zumindest eines zweiten Druckmaterials (12) zum Portionierungspunkt (6) zur Ausbildung einer Druckportion (15);- eine Materialableitung (11) mit zumindest einem Materialeingang (10), ausgebildet zur ortsselektiven Ableitung von flüssigem und/oder pastösem Material vom Portionierungspunkt (6);- wobei die Materialzufuhr (9) mit einem Reservoir (13.1) eines photovernetzbaren Druckmaterials als erstem Druckmaterial (12.1) und mit einem Reservoir (13.2) eines weiteren Materials als zweitem Druckmaterial (12.2) in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen sowie damit ausführbare Verfahren zum Mehrphotonendruck zur additiven Herstellung dreidimensionaler Strukturen und der Inspektion solcher und anderer Strukturen mit vergleichbaren Größenverhältnissen unter Anwesenheit eines Immersionsmediums. Die für das Druckverfahren verwendeten Vorrichtungen weisen eine Materialzufuhr und eine Emissionseinheit mit einer Strahlungsquelle zur Emission elektromagnetischer Strahlung auf, wobei die Emissionseinheit ausgebildet ist für die ortsselektive, fokussierte Beleuchtung von photovernetzbaren Druckmaterialien im Verlauf einer Aufeinanderfolge von Strahlungsintervallen. In analoger Weise weist eine Vorrichtung zur Ausführung des Inspektionsverfahrens eine Materialzufuhr und eine Beobachtungseinheit mit einem Objektiv zum Empfang elektromagnetischer Strahlung auf.
Der Mehrphotonendruck ist zur Herstellung einstückiger komplexer 3D-Strukturen bekannt, deren Auflösung im Millimeter- bis Mikrometer und Submikrometerbereich liegt. Ein solches Druckverfahren verwendet photovernetzbare Druckmaterialien, die flüssige bis pastöse Konsistenz haben und in einer Arbeitsebene platziert werden, um dort mittels Mehrphotonenpolymerisation verfestigt zu werden. Die Verfestigung wird ortsselektiv im Fokuspunkt der elektromagnetischen Strahlung einer Strahlungsquelle initiiert, so dass im Fokuspunkt, jetzt auch als Arbeitspunkt zu bezeichnen, ein Strukturelement, die kleinste Einheit der dreidimensionalen Struktur, entsteht. Zur Herstellung der gesamten Struktur wechselt der Fokuspunkt Schritt für Schritt, indem dieser, regelmäßig jedoch nicht zwangsläufig schichtweise, einer Bewegungsbahn folgt und so die Struktur punktweise aufgebaut wird.
Zur Auslösung der Polymerisation wird langwellige Laserstrahlung erzeugt, so dass die am Auftreffort erzielte Strahlungsintensität ausreicht, um infolge einer Absorption von zwei oder mehr Photonen die Polymerisation im jeweiligen Druckmaterial zu erzeugen.
Die Zufuhr der Druckmaterialien, die räumliche und zeitliche Steuerung der Strahlungsemissionen und weitere für die Ausführung des Verfahrens benötigte Verfahrensschritte und Parameter werden mittels einer dafür konzipierten Steuereinheit realisiert bzw. bereitgestellt. Die Bewegungsbahnen des Fokuspunktes, die für den Aufbau der gesamten Struktur benötigt werden, werden regelmäßig mittels eines in der Steuereinheit hinterlegten, die Struktur abbildenden CAD-Datensatzes abgefahren.
Um verschiedene Materialien mit Multiphotonendruck herzustellen, mussten bisher aufwendige und sequentielle Prozessschritte durchgeführt werden. Zunächst wurde das Material A gedruckt. Danach wurde das überschüssige Material entfernt und die bereits gedruckte Struktur mit Material B bedeckt. Nachdem die aktuell geduckte Struktur in Material A visuell lokalisiert wurde und der Druckvorgang für Material B ausgerichtet wurde, konnte Material B gedruckt werden. Der Wechsel des Materials erforderte den Ausbau des Druckobjektes aus dem Drucker, die Spülung mit speziellen Chemikalien, den Rückbau in den Drucker sowie die genaue Positionierung des zweiten Druckbereiches in Material B zu dem bereits gedruckten Teilen in Material A mit einer sehr hohen Genauigkeit. Der Zeitaufwand, welcher für solch einen Materialwechsel notwendig ist, verhindert eine effektive Herstellung von Strukturen aus mehreren, auch schichtweise variierenden Materialien. Weiter ist zu beachten, dass die bereits aufgebauten Strukturen die Reinigung unbeschadet überstehen. Dafür müssen die Strukturen in sich stabil sein. Oftmals ist die Struktur erst nach der Fertigstellung stabil genug.
Eine für das Verfahren verwendbare Druckvorrichtung weist neben der für das Verfahren geeigneten Strahlungsquelle für eine flächige oder ortsselektive Beleuchtung (Bestrahlung) eine Materialzufuhr auf, welche die benötigten flüssigen und pastösen Druckmaterialien in Abhängigkeit vom Umfang der Beleuchtung in der erforderlichen Menge und am erforderlichen Ort bereitstellt. Weiter ist eine Haltevorrichtung ausgebildet, welche die herzustellende 3D-Struktur einschließlich eventuell benötigter Stützmaterialien hält. Regelmäßig ist das eine Plattform, auf welcher die 3D-Struktur aufgebaut wird. Zur Positionierung der Materialausgänge, der Plattform und des Strahlungsausgangs der Strahlungsquelle relativ zueinander umfasst die Druckvorrichtung eine Positionierungsvorrichtung, welche die benannten Komponenten der Druckvorrichtung möglichst unabhängig voneinander bewegt, so dass eine Relativbewegung zumindest entlang der drei translatorischen Achsen X, Y und Z ausführbar ist. Auch eine Drehung einzelner Komponenten, beispielsweise des Materialausgangs, kann in einer oder mehreren Drehachsen ausführbar sein.
Hinsichtlich dieses Verfahrens wird beispielsweise auf die DE 10 2011 012 412 A1 verwiesen. Bei dem dort beschriebenen Verfahren werden 3D-Strukturen mit makroskopischen und mikroskopischen Unterstrukturen unter Verwendung von zwei Materialien mit unterschiedlichen Photoempfindlichkeiten hergestellt. Dabei werden die verschiedenen Materialien schichtweise verwendet. Um einen Materialwechsel innerhalb der Struktur vorzunehmen, wird die Struktur einem Reinigungsprozess in einem 5minütigem Ethanol-Bad unterzogen, um Reste des zuvor verwendeten Druckmaterials zu entfernen.
Aufgrund der mit dieser Technologie herstellbaren sehr kleinen Strukturgrößen, die im Bereich von kleiner als einem Mikrometer liegen können, stellt der verfügbare geringe Platz für den Aufbau der Struktur besondere Herausforderungen dar. Diese Herausforderungen bestehen sowohl für die Vorrichtung mit ihren Komponenten als auch für die Inspektion der Strukturen. Um die erforderliche Auflösung zu erzielen, werden Objektive mit hoher Vergrößerung und mit hoher numerischer Apertur verwendet. Diese Objektive haben einen Arbeitsabstand von weniger als 400 bis 500 µm.
Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik beschäftigt sich die Erfindung mit der Aufgabe, ein Mehrphotonendruckverfahren und eine dazu verwendbare Vorrichtung anzugeben, mit welchen 3D-Strukturen mit wechselnden Eigenschaften und/oder aus mehreren verschiedenen Druckmaterialien herstellbar sind. Solche Variationen in der Struktur sollen sowohl zwischen den Schichten als auch innerhalb einer Schicht möglich sein.
Weiter ist es wünschenswert, dass die Variabilität sowohl einen Wechsel der Druckmaterialien als auch eine Änderung der Eigenschaften desselben Materials einschließt.
Weiter ist es wünschenswert, dass die bekannten Stützmaterialien durch Stützstrukturen ersetzbar sind, welche besser in den Druckprozess integrierbar sind und dass die Stabilität und Formgenauigkeit während des Verfahrens verbessert wird.
Die 3D-Strukturen sollen auch im Mikrometer- und Submikrometerbereich herstellbar sein.
Zur Durchführung der Beobachtung der mit dem Druckverfahren herstellbaren Strukturelemente ist es weiter wünschenswert, ein Inspektionsverfahren und eine dafür verwendbare Inspektionsvorrichtung zur Verfügung zu haben, welche das Druckverfahren mit seinen erzielbaren Strukturgrößen unterstützt und dabei variabel auf die verwendeten Materialien abstimmbar ist.
Diese Aufgabe ist durch Vorrichtungen nach Anspruch 1, 3 und 7, sowie durch das Druckverfahren gemäß Anspruch 8 sowie das Inspektionsverfahren gemäß Anspruch 20 gelöst. Die sich jeweils auf die genannten Ansprüche beziehenden abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Gegenstände.
Das wesentliche Konzept der Erfindung beider Verfahren und beider Kopfeinheiten ist dahingehend zu beschreiben, dass die ortsselektive und separate Materialzufuhr von Portionen zumindest zweier Druckmaterialen, von denen nicht alle photovernetzbar sein müssen, zusammenwirkt mit einer ortsselektiven Materialableitung und einer ortsselektiven Beleuchtung, d. h. ortsselektiven Aushärtung des Druckmatierials bzw. der Druckmaterialien. Das lässt verschiedenste Variationen der am Fokuspunkt der Beleuchtung, der in Bezug auf die Herstellung der Druckportion eines einzelnen Strukturelements der dreidimensionalen Struktur hier auch als Portionierungspunkt bezeichnet ist, für das Verfahren zur Verfügung stehenden Materialien zu. Das betrifft insbesondere eine Änderung der Zusammensetzung der Druckportionen. Auch ein vollständiger Austausch des Druckmaterials während des Druckens sowie die Bereitstellung von Additiven zur Einstellung der Materialeigenschaften oder Hilfsstoffen, die das Verfahren unterstützen, sind möglich. Je nach Art und Umfang der am jeweiligen Portionierungspunkt benötigten Druckmaterialien kann eine Materialableitung an allen Portionierungspunkten einer dreidimensionalen Struktur oder einer Schicht davon erfolgen oder nur mehreren, gezielt ausgewählten Portionierungspunkten.
Dies ist punktweise, d. h. für jedes Strukturelement separat möglich, da ebenfalls altes Druckmaterial, insbesondere welches vom vorangegangenen Druck- bzw. Polymerisationsschritt in die Umgebung des aktuellen Portionierungspunktes gelangt ist, weggeführt und neues Material herangeführt werden kann. Aufgrund der ortsselektiv benötigten geringen Mengen ist das Druckmaterial nach kurzer Zeit modifizierbar und nach einer nur kurzen Wartezeit sogar vollständig austauschbar. Das trifft insbesondere für Unterstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich zu, die entsprechend kleine Portionen für ein Strukturelement benötigen.
In analoger Weise kann für das Inspektionsverfahren, was punktweise erfolgen soll, d. h. auf die Strukturelemente bezogen, das Immersionsmedium, in welches die Objektivoberfläche eintaucht, gezielt zu- und abgeführt sowie variiert werden. So ist die bestmögliche Auflösung zu erzielen und gleichzeitig die Optik und das Objekt vor schädlichen oder unerwünschten Einflüssen zu schützen.
Nachfolgend werden zur Realisierung des Konzepts verwendete Merkmale beschrieben. Diese wird der Fachmann in verschiedenen Ausführungsformen verschieden miteinander kombinieren, soweit ihm das für einen Anwendungsfall sinnvoll und geeignet erscheint.
Der zur Erfindung verwendete Begriff „Druckmaterial“ bezeichnet sowohl die vernetzbaren Materialien, welche aushärtbar sind und damit die Strukturelemente bilden, als auch andere Materialien, die zur Herstellung des jeweiligen Strukturelements am Portionierungspunkt zur Verfügung stehen sollen.
Der Begriff „ortsselektiv“ bezeichnet hinsichtlich Materialauftrag und Beleuchtung ein Ausbringen des Druckmaterials und eine Beleuchtung zur Verfestigung des Druckmaterials, welche in Bezug auf die Lage gezielt variierbar ist und deren Ausdehnung auf ein Maß beschränkbar ist, welches mit den herzustellenden Strukturelementen als den kleinsten Einheiten der 3D-Struktur korreliert. Die Variabilität der Lage schließt ein, dass eine Relativbewegung zwischen dem betreffenden Materialausgang bzw. dem Strahlungsausgang der Emissionseinheit und der 3D-Struktur bzw. der Haltevorrichtung der 3D-Struktur realisierbar ist. Die ortsselektive Ausbringung eines Druckmateriales schließt auch ein, dass die damit gebildete Materialportion aufgrund einer Mischung beider Druckmateriale eine größere Ausdehnung hat. als der Fokuspunkt.
Der Begriff „pastös“ wird in Bezug auf die Erfindung dahingehend verstanden, dass ein Material dickflüssig, breiig bis pastenartig ist, so dass das Material fließfähig ist und unter Druckbeaufschlagung mittels Leitungen und Düsen des Materialzufuhr und Materialableitung transportierbar und als Portion ausbringbar sowie ableitbar ist. Die Viskosität der verwendeten pastösen Materialien kann in Abhängigkeit von der Größe der Strukturelemente und der verwendbaren Drücke und Flussgeschwindigkeiten für die Zu- und Ableitung im Bereich von 1 bis 500 mPa s, bevorzugt im Bereich von 1 bis 250 mPa s, weiter bevorzugt im Bereich von 1 bis 150 mPa s, weiter bevorzugt im Bereich von 1 bis 100 mPa s liegen. Damit können Flussgeschwindigkeiten des Materials im von kleiner 1 ml/min erzielt werden.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst die verwendeten Druckmaterialien bereitgestellt und jeweils eine Portion davon jenem Ort, d. h. ortsselektiv, zugeführt, auf welchen die Strahlung der Strahlungsquelle zur Initiierung der Polymerisation fokussiert wird.
Die Zuführung der beiden Druckmaterialien erfolgt derart, dass am Fokuspunkt bzw. am Portionierungspunkt, eine Druckportion erzeugt wird, welche zumindest ein photovernetzbares Druckmaterial umfasst. In der Druckportion oder am Portionierungspunkt steht erfindungsgemäß auch das zweite Druckmaterial zur Verfügung.
Der Portionierungspunkt stellt jenen, räumlich ausgedehnten, Bereich oder „Druckpunkt“ dar, in welchem ein Strukturelement gedruckt wird. Es ist augenscheinlich, dass die Größe des tatsächlichen Fokuspunkts der Strahlung nicht mit der Größe des Portionierungspunktes übereinstimmen muss.
Erfindungsgemäß werden zwei oder mehr Druckmaterialien zur Bildung einer Druckportion verwendet. Von diesen ist zumindest ein Druckmaterial photovernetzbar, so dass nach Fertigstellung der jeweiligen Druckportion diese mittels der Emissionseinheit ortsselektiv während eines Strahlungsintervalls beleuchtet und infolgedessen in einem solchen Umfang verfestigt wird, dass ein Strukturelement ausgebildet wird.
Eine solche Materialzufuhr schließt auch die Verwendung von zwei oder mehr photovernetzbaren Materialien in einer Druckportion ein. Alternativ oder ergänzend kann ein Druckmaterial ein weiteres photovernetzbares Druckmaterial sein, welches eine vom ersten Druckmaterial abweichende Photosensibilität aufweist.
Alternativ kann das zweite Druckmaterial ein Stoff sein, welcher die physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die optischen, elektrischen, magnetischen oder mechanischen Eigenschaften, oder die chemischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Kompatibilität gegenüber anderen Stoffen, beeinflusst. Solche Stoffe sind beispielsweise Füllstoffe oder Dotierungsmittel oder andere geeignete Additive. Die Verwendung von photoaktivierbaren Druckmaterialien, welche unter Beleuchtung ihre Bindungseigenschaften ändern oder durch Photozersetzung als neue Druckmaterialien zur Verfügung stehen, bietet weitere Variationsmöglichkeiten in der Druckportion.
Auch die Zufuhr von Hilfsmitteln, wie Spülmittel, Lösemittel, Haftvermittler oder anderen sind möglich. Beispielsweise kann ein Lösemittel zugeführt werden, welches nicht vernetztes Material auswäscht, bevor neues oder anderes Material eingebracht wird. So können auch nicht mischbare Materialien miteinander kombiniert werden. Die Spülung mit einem die Haftung des aufbauenden Druckmaterials verbessernden Hilfsmaterials in einem Zwischenschritt ist ebenso möglich.
Nach Beendigung der Beleuchtung am jeweiligen Portionierungspunkt wird das dort verbliebene nichtverfestigte Material der Druckportion auf geeignete Weise abgeleitet, beispielsweise mittels Absaugen. Auf diese Weise kann am benachbarten nächsten Portionierungspunkt eine gewünschte abweichende Materialzusammensetzung der Druckportion zugeführt werden.
Indem entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens gleichzeitig das verbliebene, alte, Material abgeleitet und neues Material dem benachbarten nächsten Portionierungspunkt zugeführt wird, kann die Wartezeit zwischen den Strahlungsintervallen weiter verkürzt werden. Zudem gestattet die gleichzeitige Materialzu- und Materialabfuhr, dass mittels des Verhältnisses zwischen Materialzufuhr und Materialableitung die Materialmenge des jeweiligen Druckmaterials fließend variiert werden kann. Auch eine kontinuierliche Materialzufuhr ist möglich.
Die Verfahrensschritte von Materialzufuhr, Beleuchtung der Druckportion und Materialableitung werden an weiteren Portionierungspunkten vielfach wiederholt, und so sukzessive die dreidimensionale Struktur aufgebaut. Die Abfolge der räumlichen Lage der Portionierungspunkte wird dabei durch eine geeignete Steuereinheit vorgegeben, beispielsweise durch einen CAD-Datensatz, und der beschriebene Verfahrensschritt an jedem Portionierungspunkt mit der jeweils gewünschten Materialzusammensetzung ausgeführt.
Die jeweils benötigte Materialzusammensetzung kann durch eine oder mehrere der folgenden Änderungen zur jeweils vorherigen Zusammensetzung erzielt werden:

- Verwendung eines ersten oder zweiten Druckmateriales, welches sich vom vorherigen unterscheidet;
- Verwendung eines oder mehrerer weiterer Druckmaterialien, welche photovernetzbar sind;
- Verwendung eines oder mehrerer weiterer Druckmaterialien, welche nicht photovernetzbar sind;
- Änderung der Anteile (Volumen- oder Gewichtsprozent) von zwei oder mehr in das Strukturelement eingehenden Druckmaterialien in der Mischung der Druckportion, wobei die Gesamtmenge der Mischung der Druckportion erhalten oder geändert werden kann;
- Ergänzung eines weiteren photovernetzbaren Druckmateriales unter Änderung oder Erhaltung des Anteils (Volumen- oder Gewichtsprozent) des zweiten Druckmateriales zur Gesamtmenge der Mischung der Druckportion.

Weitere Varianten zur Zusammensetzung der Druckportionen sind möglich. Von Vorteil ist beispielsweise, dass ohne Materialaustausch sondern allein durch dynamische Variation der Konzentration von Füllstoffen innerhalb der Materialzusammensetzung Eigenschaften wie optischer Brechungsindex, Magnetisierungsstärke, Farbgebung, Fluoreszenz, Schrumpf- und Quellverhalten etc. variiert werden können. Auch Gradienten, d. h. eine gleichmäßige oder nahezu gleichmäßige, auch schrittweise Änderung einer Eigenschaft, sind in der Struktur herstellbar.
Sofern die Änderung der Materialzusammensetzung auch eine Änderung der Strahlungsparameter erfordert, wird diese augenscheinlich am betreffenden Portionierungspunkt adaptiert.
Entsprechend der oben dargelegten verschiedenen Verwendbarkeit der am jeweiligen Portionierungspunkt zugeführten Druckmaterialien ist es augenscheinlich, dass insbesondere die Verfahrensschritte der Materialzufuhr, Materialableitung und Beleuchtung in verschiedener Reihenfolge erfolgen kann. Auch Zwischenschritte, in welcher beispielsweise keine Beleuchtung erfolgt, wie bei einer ortsselektiven Spülung oder anderem, sind möglich.
Von Vorteil erweist es sich bei dem punktweisen Aufbau der dreidimensionalen Struktur unter Verwendung der beschriebenen Druckmaterialien und mittels ortsselektiver Materialzufuhr, ortsselektiver Materialableitung und ortsselektiver Beleuchtung, dass das Druckobjekt während seiner Herstellung nicht vorzeitig austrocknet und somit ein Strukturkollaps durch Kapillarkräfte vermieden werden kann. Eine hohe Strukturintegrität gestattet es zudem, dass Elemente aus einem neuen Material in die bestehende Matrix aus einem ersten Material eingebaut werden können, wenn diese offenporig genug ist, um die einzubringenden Druckmaterialien aufzunehmen. Besteht die Matrix aus einem photosensiblen Material, kann das neue Material eine abweichende Photosensibilität aufweisen. Die bestehende Matrix ist in einem solchen Fall transparent für die Strahlung zur Vernetzung des neuen Materials, so dass dessen Vernetzung auch innerhalb der bestehenden Matrix erfolgen kann.
Die beschriebene Materialzufuhr, Materialableitung und Beleuchtung gestattet eine Ausgestaltung des Verfahrens als Immersionsverfahren, bei welchem der Strahlungsausgang der Emissionseinheit während der Beleuchtung mit der Druckportion in physischem Kontakt steht. Ein Immersionsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jene Oberfläche der Optik, durch welche Strahlung ein- oder austritt in ein flüssiges oder pastöses Immersionsmedium soweit eintaucht, dass dieses den Raum zwischen Objektiv und Fokuspunkt ausfüllt. Durch den relativ zu Luft höheren Wert des Brechungsindexes des Immersionsmediums, kann eine höhere numerisch Apertur und eine höhere Auflösung des Objektivs der Emissionseinheit erzielt werden. Zu diesem Zweck taucht der Strahlungsausgang der Emissionseinheit soweit in die flüssige oder pastöse Druckportion, die damit als Immersionsmedium dient, ein, dass die der Druckportion zugewandte Oberfläche der Optik vom Material der Druckportion bedeckt ist.
Entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die dreidimensionale Struktur schichtenweise aufgebaut, wobei eine Schicht aus einer Vielzahl von Strukturelementen aufgebaut wird. Aufgrund des zuvor beschriebenen Zusammenwirkens von ortsselektiver Materialzufuhr und ortsselektiver Materialableitung, kann eine Änderung der Zusammensetzung von Druckportionen sowohl innerhalb einer Schicht als auch von Schicht zu Schicht erfolgen. Somit können dreidimensionale Strukturen mit lokal frei wählbarer Materialzusammensetzung erzielt werden.
Verfahrensseitig ist es ebenfalls möglich, dass zumindest eine Gruppe von Strukturelementen, d. h. ein zusammenhängender Bereich innerhalb der dreidimensionalen Struktur, gebildet wird, indem als erstes Druckmaterial zumindest ein Monomer und als zweiter Druckmaterial ein Vernetzer verwendet und gedruckt werden, optional mit einer Variation der Konzentration des Vernetzers. Ein solcher Bereich kann als Opferschicht fungieren, beispielsweise als Stütz- oder Füllbereich, der später wieder aufgelöst werden kann.
Die mit dem beschriebenen Verfahren in den genannten Ausgestaltungen herstellbare dreidimensionale Struktur weist eine Variation in der Materialzusammensetzung und/oder in den Materialeigenschaft innerhalb der Struktur auf, die sich in einer horizontalen, entsprechend dem im dreidimensionalen Raum üblicherweise verwendeten Koordinatensystem der X-Y-Ebene, und/oder in der senkrecht dazu stehenden Richtung, der Z-Richtung, d. h. innerhalb der Struktur - theoretisch betrachtet - beliebig erstrecken kann. Auch eine Variation einer oder mehrerer Materialeigenschaften innerhalb der dreidimensionalen Struktur in Form von Gradienten ist möglich.
Die minimalen Wartezeiten während der Materialableitung erlauben es, das Material zu wechseln und gleichzeitig, insbesondere in der Variante des Immersionsverfahrens periodische Unterstrukturen mit höchster Ortsauflösung unterhalb von 500 nm, bevorzugt kleiner als 300 nm, weiter bevorzugt kleiner als 200 nm, selbst von kleiner als 100 nm zu realisieren. Es können Unterstrukturen im Submikrometerbereich gedruckt werden, die aus verschiedenen Materialien bestehen. Der repetitive Charakter dieser Unterstrukturen wird durch einen ständigen Wechsel des Druckmaterials unterstützt. Zusätzlich können Gradienten-Strukturen ausgebildet werden. In denen kann beispielsweise ein bestimmter Füllstoff möglichst dynamisch und kontinuierlich variiert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind aufgrund der Variabilität hinsichtlich des Drucks als auch der kombinierbaren Materialien verschiedene Bauelemente herstellbar. So sind beispielsweise Linsenstapel druckbar, die aus mehreren, optisch verschiedenen Materialien bestehen, oder mechanisch aktive Strukturen, wie beispielsweise mikromechanische Bauelemente.
Das oben beschriebene Prinzip des Immersionsverfahrens mittels ortsselektiver Materialzufuhr und Materialabfuhr bei fokussierter Beleuchtung lässt sich auch auf das Inspektionsverfahren anwenden. Bei diesem wird ein geeignetes Immersionsmedium mittels einer Materialzufuhr am Inspektionspunkt, der gleichzeitig der Fokuspunkt ist, portioniert. Die Portionierung erfolgt in dem Umfang, dass die dem Objekt zugewandte Oberfläche des Objektivs mit dem Immersionsmedium in physischem Kontakt steht, d. h. aufgrund der Fokussierung des Objektivs auf den gewünschten Inspektionspunkt und der damit verbundenen Einstellung des Abstandes zwischen Objektiv und Inspektionspunkt in das Immersionsmedium eintaucht, wie oben zum Immersionsdruckverfahren beschrieben. Zum Austausch des Mediums oder nach Beendigung der Inspektion kann das Immersionsmedium mittels einer ortsselektiven Materialableitung entfernt werden.
Auch hier ist eine gute Anpassung der Eigenschaften des Immersionsmediums an die Anforderungen der Inspektion aufgrund der Variation der verwendeten Materialien, wie oben zum Druckverfahren beschrieben, möglich. Auch eine Kombination beider Verfahren kann erfolgen, wenn die Emissionseinheit temporär durch eine Inspektionseinheit ersetzt wird und anstelle oder ergänzend zur Druckportion eine Portion eines auf das Objektiv der Inspektionseinheit abgestimmten Immersionsmediums zugeführt wird. Es ist auch möglich, dass die Druckmaterialien an sich mit dem Immersionsobjektiv kompatibel sind.
Auch die Verwendung eines bekannten Immersionsmediums, wie beispielsweise einem Immersionsöl, ist möglich. Die Fokussierung kann durch ein transparentes Substrat hindurch in das, gegebenenfalls wechselbare, Immersionsmedium erfolgen.
Eine zur Ausführung des Druckverfahrens verwendbare Druckkopfeinheit umfasst eine Emissionseinheit. Diese weist zumindest eine Strahlungsquelle auf, die ausgebildet ist für die Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, welche die erforderliche Strahlungsintensität im Fokuspunkt liefert. Derzeit sind insbesondere Laserquellen geeignet. Mit der fortschreitenden Entwicklung von Strahlungsquellen können jedoch auch andere Strahlungsquellen zur Verfügung stehen.
Die Emissionseinheit umfasst weiter Mittel zur Ausrichtung und Fokussierung der der Strahlung auf einen Portionierungspunkt. Dieser fällt mit dem zum Verfahren beschriebenen Fokuspunkt zusammen. Solche zur Weiterleitung, Umlenkung, Filterung und Fokussierung des Lichts geeignete Mittel sind optische Bauelemente, wie beispielsweise Spiegel, Linsen, Kollimatoren, Lichtleiter und andere.
Die Druckkopfeinheit umfasst weiter eine Materialzufuhr mit zumindest zwei Materialausgängen, regelmäßig einen für jedes Druckmaterial. Ein Druckmaterial kann auch durch eine Materialzusammensetzung gebildet sein, die im Verlauf des Druckens einer dreidimensionalen Struktur in ihrer Zusammensetzung unverändert bleibt. Diese Materialausgänge sind entsprechend der Konsistenz der Druckmaterialien derart ausgebildet, dass sie eine ortsselektive, dosierbare Zufuhr eines ersten und zumindest eines zweiten Druckmateriales zum Portionierungspunkt gestatten. Die ortsselektive Ausbringung schließt ein, dass der Materialausgang in der Nähe des Portionierungspunktes positionierbar ist, so dass der Fokuspunkt der Strahlungsquelle innerhalb der ausgebrachten Druckportion liegt.
Die Druckkopfeinheit umfasst weiter eine Materialableitung mit zumindest einem Materialeingang. Der zumindest eine Materialeingang ist entsprechend der erwarteten Konsistenz des Materialgemischs am Portionierungspunkt nach der Beleuchtung derart ausgebildet, dass eine ortsselektive Materialableitung des flüssigem bis pastösem Material vom Portionierungspunkt erfolgen kann. Auch hier schließt die ortsselektive Ableitung wiederum ein, dass der Materialausgang in der Nähe des Portionierungspunktes positionierbar ist. Die Position muss so nah am Portionierungspunkt liegen, dass jenes das Strukturelement umgebende restliche Material abgeleitet werden kann.
Um die zum Verfahren beschriebenen Materialvariationen ausführen zu können, steht die Materialzufuhr mit einem Reservoir eines photovernetzbaren Druckmaterials als erstem Druckmaterial und mit zumindest einem Reservoir eines weiteren Materials als zweitem Druckmaterial in Verbindung. Mittels der fluidischen Bauelemente werden die Druckmateriale vom Reservoir zum Portionierungspunkt befördert.
Wie zum Immersionsverfahren beschrieben, kann eine Immersionskopfeinheit, welche in Analogie zur Druckkopfeinheit eine Materialzufuhr mit zumindest einem Materialausgang und eine Materialableitung mit zumindest einem Materialeingang aufweist, zur Ausführung des Inspektionsverfahrens verwendet werden. Die Materialzufuhr und die Materialableitung der Immersionskopfeinheit sind ausgebildet zur ortsselektiven, dosierbaren Zufuhr bzw. zur ortsselektiven Ableitung eines Immersionsmediums zum bzw. vom Inspektionspunkt. Anstelle der Emissionseinheit ist in der Immersionskopfeinheit eine Beobachtungseinheit mit einem Objektiv zum Empfang elektromagnetischer Strahlung integriert.
Entsprechend einer Ausgestaltung der Druckkopfeinheit ist der Strahlungsausgang der Strahlungsquelle mit solch einem Abstand zum Portionierungspunkt positionierbar ist, dass der Strahlungsausgang innerhalb der Druckportion liegt, welche mittels der Materialzufuhr am Portionierungspunkt erzeugbar ist. Eine solche Ausgestaltung stellt Anforderungen hinsichtlich der Größe des Strahlungsausganges und bewirkt, dass der Strahlungsausgang zum Zeitpunkt der Emission innerhalb des Materials liegt. Auf diese Weise werden die Strahlung reduzierende Grenzflächen vermieden. Zudem werden die Materialzufuhr und die Materialableitung sehr nah an den Fokuspunkt der Strahlungsquelle herangebracht. Dadurch sind sehr kurze Totzeiten und schnelle Materialwechsel möglich.
Infolge der Ausführung des Druckkopfes als Immersionskopfeinheit kann der Bauraum zwischen Strahlungsausgang und Fokuspunkt soweit vergrößert werden, wie es eine begrenzt herstellbare Druckportion, gegebenenfalls mit ergänztem Immersionsmedium, zulässt. Weiterhin ist die Freiheit der verwendbaren Materialien und Geometrien wesentlich verbessert. Es kann auf solchen Materialien und/oder Geometrien von Trägersubstraten oder von bereits hergestellten Strukturen gedruckt werden, die eine Benetzung mit dem Druckmaterial zulassen. Ist die Druckkopfeinheit mittels einer geeigneten Positionierungsvorrichtung dreidimensional zuzüglich Winkelausrichtung beweglich, kann der Druck auch auf Freiformoberflächen, beispielsweise auf optischen Faserwellenleitern, erfolgen.
Eine solche Druckkopfeinheit und Immersionskopfeinheit, weisen einen Strahlungsausgang der Strahlungsquelle bzw. ein Objektiv der Beobachtungseinheit auf, welche ausgebildet sind, um mit solch einem Abstand zum Portionierungspunkt bzw. Inspektionspunkt positionierbar zu sein, dass der Strahlungsausgang bzw. die dem Inspektionspunkt zugewandte Oberfläche des Objektivs in physischem Kontakt mit einer Druckportion bzw. mit dem Immersionsmedium steht.
Sofern entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Kopfeinheit, gemeint sind sowohl die Druckkopfeinheit als auch die Inspektionskopfeinheit, zumindest einer der Materialausgänge der Materialzufuhr oder der Materialeingang der Materialableitung oder beide am Strahlungsausgang bzw. am Objektiv montiert sind, ist die Portion der Druckmaterialien bzw. die Portion des Immersionsmediums präzise zu portionieren und/oder die Materialableitung besonders effektiv zu gestalten, da der Materialeingang ebenfalls in der betreffenden Portion oder zumindest in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet ist. Auch diese Maßnahme verbessert und beschleunigt die Materialableitung.
Alternativ können zumindest ein Materialausgang und/oder der Materialeingang, auch ohne den Effekt der Immersion am Strahlungsausgang der Strahlungsquelle montiert sein, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Dieser Effekt kann für verschiedene Größen der Druckportion erzielt werden, wenn der zumindest eine Materialeingang und/oder ein Materialausgang lösbar oder variabel positionierbar oder auf beide Arten am Strahlungsausgang bzw. am Objektiv montiert sind. Damit ist zudem der Strahlungsausgang bzw. das Objektiv mit verschiedenen und mehreren Materialausgängen und Materialeingängen zu bestücken und kann beispielsweise als Druckkopf ausgebildet sein, welcher die für den Druck eines Typs eines Strukturelements oder der gesamten dreidimensionalen Struktur erforderlichen Strahlungs- und Materialkomponenten aufweist.
Aufgrund der mit der Druckkopfeinheit auch herstellbaren Mikro- und Submikrostrukturen können, entsprechend einer Ausgestaltung der Kopfeinheiten, die Materialzufuhr und die Materialableitung mikrofluidische Bauelemente aufweisen, wie beispielsweise Düsen, Kanäle, Ventile, Wandungsstrukturen, Pumpen und andere. Die Mikrofluidik ist ein spezielles Fachgebiet der Fluidik und befasst sich mit dem Verhalten, der präzisen Steuerung und Manipulation von Flüssigkeiten auf engstem Raum und kleinster Volumina, typischerweise im Submillimeterbereich. In diesem Größenbereich spielen andere physikalische Gesetze eine Rolle als in der Makrofluidik. Je kleiner die Abmessungen, desto größer ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Kapillarkräfte und Oberflächenladungen dominieren über die Gravitation und ermöglichen andere Flüssigkeitsantriebe. Außerdem ermöglichen kleine Kanäle wirbelfreie Strömungen. Aufgrund dieser Vorteile unterstützen die mikrofluidischen Bauelemente die dosierte Materialzufuhr und den Abtransport von Materialresten. Diese Effekte können in gleicher Weise für die Zu- und Ableitung sowohl von Druckmaterialien als auch von Immersionsmedien genutzt werden.
Die beschriebenen Kopfeinheiten, d. h. Druckkopfeinheit oder Inspektionskopfeinheit, sind an eine bestehende Vorrichtung, d. h. an eine Druckvorrichtung oder eine Inspektionsvorrichtung, welche vergleichbare Materialmengen verarbeitet, adaptierbar, wobei es keine Einschränkungen gegenüber dem bekannten Druck- oder Inspektionsprozess gibt.
Eine solche Vorrichtung, welche die jeweils beschriebene Kopfeinheit aufweist, umfasst ergänzend eine Haltevorrichtung, die ausgebildet ist zur Halterung der dreidimensionalen Struktur im Verlauf seiner Herstellung und/oder Inspektion. Eine solche Haltevorrichtung ist regelmäßig eine Arbeitsplattform, die gegebenenfalls eine seitliche Begrenzung aufweisen kann.
Eine Positionierungsvorrichtung der Vorrichtung ist ausgebildet zur Positionierung der Strahlungsquelle bzw. der Beobachtungseinheit, der Materialausgänge, der Materialeingänge und der Haltevorrichtung relativ zueinander. Dabei hängt es von verschiedenen Bedingungen ab, wie der herzustellenden bzw. zu inspizierenden Struktur, der Gestaltung der Materialzufuhr und Materialableitung, der verwendeten Materialien und anderen, welche der Komponenten bewegt wird. Im Ergebnis ist es erforderlich, sowohl den Fokuspunkt als auch die Orte der Materialzufuhr und Materialableitung Schritt für Schritt mit der gewünschte Präzision und Schrittlänge relativ zur Struktur neu zu positionieren. Die Positionierungsvorrichtung greift dazu auf die jeweils zu bewegenden Komponenten zu, welche die dafür möglichen Bewegungsfreiheiten aufweisen. Sind die Materialausgänge und der zumindest eine Materialeingang mit der Strahlungsquelle bzw. dem Objektiv derart verbunden, dass sie Teil einer Kopfeinheit sind, werden die Kopfeinheit und die Haltevorrichtung relativ zueinander positioniert.
Die zeitlich und räumliche exakte Positionierung, die Steuerung der Emissionseinheit, einschließlich deren Strahlungsquelle, bzw. der Beobachtungseinheit sowie die Steuerung der Materialzufuhr und der Materialableitung werden mittels einer Steuereinheit ausgeführt. Zu diesem Zweck ist die mit den betreffenden Komponenten der Vorrichtung kommunikativ verbunden.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Vorrichtungen so konzipiert sind, dass auch sehr kleine Materialvolumina verarbeitet werden können. Dadurch können die Austauschzeiten für die Materialen extrem kurzgehalten werden. Der gleiche konstruktive Aufbau erlaubt es, dynamisch die Konzentration von Materialien während deren Verarbeitung bzw. Verwendung zu variieren, Dabei kann die Vorrichtung auch ohne weiteres an verschiedenste Systeme adaptiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausgestaltungen der Vorrichtung näher erläutert. Zu diesem Zweck zeigt

1 eine Druckvorrichtung mit einem Druckkopf und
2 eine Inspektionsvorrichtung mit einem Inspektionskopf.

Die Figuren zeigen die Vorrichtungen nur schematisch in dem Umfang, wie es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist. Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Maßstäblichkeit.
Die Druckvorrichtung gemäß 1 umfasst eine Emissionseinheit 1 mit einer Strahlungsquelle 2 und einem Strahlungsausgang 3. Als Strahlungsquelle wird ein Laser verwendet. Der Strahlungsausgang 3 liegt einer Arbeitsplattform 4 gegenüber, auf welcher ein Trägersubstrat 5 zur Aufnahme der dreidimensionalen Struktur (nicht dargestellt) angeordnet ist. Der Fokuspunkt 6, der gleichzeitig auch Portionierungspunkt ist, liegt zwischen dem Strahlungsausgang 3 und dem Trägersubstrat 5.
Am Strahlungsausgang 3 der Strahlungsquelle 2 sind mittels geeigneter Haltemittel zwei Materialausgänge 8 einer Materialzufuhr 9 und ein Materialeingang 10 einer Materialableitung 11 montiert. Materialausgänge 8 und Materialeingang 10 sind als mikrofluidische Düsen ausgebildet. Sie realisieren die Zufuhr des ersten Druckmateriales 12.1 und des zweiten Druckmateriales 12.2 Die Haltemittel gestatten eine Montage und Demontage der Düsen sowie die Montage weiterer Düsen für weitere Druckmateriale und/oder einen weiteren Materialeingang 10. Die beiden Druckmateriale 12.1, 12.2 sind in jeweils einem Reservoir 13.1, 13.2 vorgehalten und mit den Düsen mittels mikrofluidischer Kanäle 14 verbunden.
Die Gestaltung der Emissionseinheit 1 mit Strahlungsquelle 2 und der Montage der Materialausgänge 8 und des Materialeingangs 10 am Strahlungsausgang 3 bewirkt, dass diese Komponenten gemeinsam einen Druckkopf 18 bilden, welcher an bestehenden Drucksystemen zum Einsatz kommen kann.
Die Abgabe der beiden Druckmaterialien 12.1, 12.2 auf das Trägersubstrat 5 bewirkt deren Mischung und die Ausbildung einer Druckportion 15. Die Druckportion 15 ist so groß, dass der Strahlungsausgang 3 der Strahlungsquelle 2 mit der Druckportion 15 in physischem Kontakt steht, im Ausführungsbeispiel innerhalb der Druckportion 15 liegt.
Eine Steuereinheit 16 der Druckvorrichtung steuert die Emissionseinheit 1, die Materialzufuhr 9 und die Materialableitung 11 sowie eine Positionierungsvorrichtung 17. Letztere führt die Bewegungen der Strahlungsquelle 2 relativ zur Arbeitsplattform 4 aus, indem die Emissionseinheit 1 bewegt wird.
Zur Ausführung des Verfahrens wird der Druckkopf 18 dem Trägersubstrat-5 gegenüber liegend positioniert und in dieser Position eine Druckportion 15 auf das Trägersubstrat 5-abgegeben. In der Druckportion 15 wird mittels eines fokussierten Laserstrahls 19 eine Polymerisation initiiert und infolge dessen ein Strukturelement (nicht dargestellt) gebildet. Anschließend wird der Druckkopf 18 in eine benachbarte Position gefahren und ein zweites Strukturelement gebildet, welches mit dem ersten verbunden ist. Dieser Vorgang wird zunächst zur Ausbildung einer ersten Schicht der dreidimensionalen Struktur wiederholt ausgeführt und nachfolgend wird auf die gleiche Weise jede weitere Schicht der dreidimensionalen Struktur hergestellt.
Die Inspektionsvorrichtung gemäß 1 weist einen vergleichbaren Aufbau auf. Dabei ist die Emissionseinheit durch eine Beobachtungseinheit 1, der Strahlungsausgang durch ein Objektiv 3 der Beobachtungseinheit 1, zumindest ein Druckmaterial durch ein Immersionsmedium 12, welches in einem Reservoir 13 vorgehalten wird, die Druckportion durch eine Portion 15 des Immersionsmediums und die Druckkopfeinheit durch eine Immersionskopfeinheit 18 ersetzt. Der Inspektionspunkt 6 einer Inspektionsvorrichtung liegt im Unterschied zum Fokuspunkt der Druckvorrichtung auf der Oberfläche der dreidimensionalen Struktur 5. Im Übrigen wir auf die Darlegungen zu 1 verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Emissionseinheit; Beobachtungseinheit
2: Strahlungsquelle
3: Strahlungsausgang, Objektiv
4: Arbeitsplattform
5: Trägersubstrat
6: Fokuspunkt, Portionierungspunkt, Inspektionspunkt
8: Materialausgang
9: Materialzufuhr
10: Materialeingang
11: Materialableitung
12 , 12.1, 12.2: Druckmaterialien, Immersionsmedium
13 , 13.1, 13.2: Reservoir
14: Kanäle
15: Druckportion, Portion des Immersionsmediums
16: Steuereinheit
17: Positionierungsvorrichtung
18: Druckkopfeinheit, Immersionskopfeinheit
19: fokussierter Laserstrahl

Claims

Druckkopfeinheit zur Ausführung eines Mehrphotonendruckverfahrens , zur additiven Herstellung dreidimensionaler Strukturen, folgende Komponenten umfassend: - eine Emissionseinheit (1), welche eine Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und Mittel zur Ausrichtung und Fokussierung der Strahlung auf einen Portionierungspunkt (6); - eine Materialzufuhr (9) mit zumindest zwei Materialausgängen (8), ausgebildet zur ortsselektiven, dosierbaren Zufuhr eines ersten und zumindest eines zweiten Druckmaterials (12) zum Portionierungspunkt (6) zur Ausbildung einer Druckportion (15); - eine Materialableitung (11) mit zumindest einem Materialeingang (10), ausgebildet zur ortsselektiven Ableitung von flüssigem und/oder pastösem Material vom Portionierungspunkt (6); - wobei die Materialzufuhr (9) mit einem Reservoir (13.1) eines photovernetzbaren Druckmaterials als erstem Druckmaterial (12.1) und mit einem Reservoir (13.2) eines weiteren Materials als zweitem Druckmaterial (12.2) in Verbindung steht.
Druckkopfeinheit nach Anspruch 1, wobei der Strahlungsausgang (3) der Strahlungsquelle (2) ausgebildet ist, um mit solch einem Abstand zum Portionierungspunkt (6) positionierbar zu sein, dass der Strahlungsausgang (3) in physischem Kontakt mit einer Druckportion (15) steht.
Inspektionskopfeinheit zur Inspektion eines Objekts, insbesondere von Strukturelementen einer dreidimensionalen Struktur, welche mit einem Mehrphotonendruckverfahren hergestellt sind,, folgende Komponenten umfassend: - eine Beobachtungseinheit (1) mit einem Objektiv (3) zum Empfang elektromagnetischer Strahlung; - eine Materialzufuhr (9) mit zumindest einem Materialausgang (8), ausgebildet zur ortsselektiven, dosierbaren Zufuhr eines Immersionsmediums (12) zum Inspektionspunkt (6); - eine Materialableitung (11) mit zumindest einem Materialeingang (10), ausgebildet zur ortsselektiven Ableitung eines Immersionsmediums (12) vom Inspektionspunkt (6), - wobei das Objektiv (3) ausgebildet ist, um mit solch einem Abstand zum Inspektionspunkt (6) positionierbar zu sein, dass die dem Inspektionspunkt (6) zugewandte Oberfläche des Objektivs (3) in physischem Kontakt mit dem Immersionsmedium (12) steht.
Kopfeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Materialeingang (10) und/oder ein Materialausgang (8) am Strahlungsausgang (3) bzw. am Objektiv (3) montiert sind.
Kopfeinheit nach Anspruch 4, wobei der Materialeingang (10) und/oder ein Materialausgang (8) lösbar und/oder variabel positionierbar montiert sind.
Kopfeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Materialzufuhr (9) und die Materialableitung (11) mikrofluidische Bauelemente aufweist.
Vorrichtung, ausgebildet zur Ausführung eines Mehrphotonendruckverfahrens, zur additiven Herstellung dreidimensionaler Strukturen, oder eines Verfahrens zur Inspektion eines Objekts, insbesondere von Strukturelementen einer dreidimensionalen Struktur, welche mit einem Mehrphotonendruckverfahren hergestellt sind folgende Komponenten umfassend: - eine Kopfeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche; - eine Haltevorrichtung, ausgebildet zur Halterung der dreidimensionalen Struktur und des Strahlungsausgangs (3) bzw. des Objekts (3) im Verlauf der Ausführung des Verfahrens; - eine Positionierungsvorrichtung, ausgebildet zur Positionierung des Strahlungsausgangs (3) bzw. des Objektivs (3), der Materialausgänge (8) bzw. des Materialausgangs (8), des Materialeingangs (10) und der Haltervorrichtung relativ zueinander; - eine Steuereinheit welche ausgebildet ist zur Steuerung der Emissionseinheit (1) bzw. der Beobachtungseinheit (1), der Materialzufuhr (9), der Materialableitung (11) und der Positionierungsvorrichtung und welche mit diesen Komponenten kommunikativ verbunden ist.
Mehrphotonendruckverfahren zur additiven Herstellung dreidimensionaler Strukturen unter Verwendung einer Druckkopfeinheit (18) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 6, wobei die Emissionseinheit (1) ausgebildet ist für die ortsselektive, fokussierte Beleuchtung von photovernetzbarem Druckmaterial (12) im Verlauf einer Aufeinanderfolge von Strahlungsintervallen, das Verfahren umfasst folgende Schritte: - Bereitstellung eines ersten und zumindest eines weiteren Druckmaterials (12), wobei zumindest das erste Druckmaterial (12) photovernetzbar ist; - ortsselektive Zufuhr einer Portion des ersten Druckmaterials (12) zum Fokuspunkt (6) der Strahlungsquelle (2), nachfolgend auch als Portionierungspunkt (6) bezeichnet, mittels des ersten Materialausgangs (8) der Materialzufuhr (9); - ortsselektive Zufuhr einer Portion eines weiteren Druckmaterials (12) zum Portionierungspunkt (6) mittels des zweiten Materialausgangs (8) der Materialzufuhr (9); - Erzeugung einer Druckportion (15) am Portionierungspunkt (6), welche zumindest das erste Druckmaterial (12) umfasst; - ortsselektive Beleuchtung der am Portionierungspunkt (6) erzeugten Druckportion (15) während eines Strahlungsintervalls derart, dass in der Druckportion (15) Mehrphotonenprozesse bewirkt werden und infolgedessen ein Strukturelement gebildet wird, welches zumindest das erste Druckmaterial (12) umfasst; - ortsselektive Ableitung von Anteilen des ersten und/oder des zuvor zugeführten weiteren Druckmaterials (12) vom Portionierungspunkt (6); - vielmalige Wiederholung der Erzeugung einer Druckportion (15) und deren Beleuchtung in einer Aufeinanderfolge von weiteren Portionierungspunkten (6) unter Erzeugung einer aus einer Vielzahl von Strukturelementen bestehenden dreidimensionalen Struktur, - wobei die Ableitung von Druckmaterial (12) an jedem einzelnen, an mehreren oder an allen Portionierungspunkten (6) der dreidimensionalen Struktur erfolgt.
Mehrphotonendruckverfahren nach Anspruch 8, wobei der Strahlungsausgang (3) der Emissionseinheit (1) während der Beleuchtung mit der Druckportion (15) in physischem Kontakt steht.
Mehrphotonendruckverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei an zumindest einem Portionierungspunkt (6) zumindest eines der am vorangegangenen Portionierungspunkt (6) verwendeten Druckmaterialien (12) durch ein anderes Druckmaterial (12) ersetzt wird.
Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei eine Mehrzahl von Strukturelementen der dreidimensionalen Struktur mit voneinander abweichenden Druckmaterialien (12) hergestellt wird.
Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei eine Mehrzahl von Druckportionen (15) zwei photovernetzbare Druckmaterialien (12) umfassen.
Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Druckportion (15) innerhalb einer bestehenden Matrix ausgebildet wird, welche aus einem offenporigen und einem für die zur Beleuchtung verwendeten Wellenlängen transparenten Material besteht.
Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Materialableitung (11) und die Zufuhr von neuem Druckmaterial (12) gleichzeitig erfolgen.
Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei als ein Druckmaterial (12) ein Füllstoff, ein Dotierstoff oder ein anderes Additiv oder ein Spülmittel, ein Lösemittel oder ein Haftvermittler verwendet wird.
Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die dreidimensionale Struktur schichtenweise und eine Schicht aus einer Vielzahl von Strukturelementen aufgebaut wird, wobei eine Änderung der Zusammensetzung von Druckportionen (15) innerhalb einer Schicht und/oder von Schicht zu Schicht erfolgt.
Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei zumindest eine Gruppe von Strukturelementen gebildet wird, indem als erstes Druckmaterial (12) Monomere und als ein weiteres Druckmaterial (12) Vernetzer verwendet werden.
Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei die dreidimensionale Struktur aus Unterstrukturen, insbesondere mit einer periodischen Wiederholung von Unterstrukturen, aufgebaut wird, und die Größe einer Unterstruktur kleiner ist als 500 nm, bevorzugt kleiner als 300 nm, weiter bevorzugt kleiner als 200 nm, weiter bevorzugt kleiner als 100 nm.
Mehrphotonendruckverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18, wobei Linsenstapel oder mechanisch aktive Strukturen, welche aus mehr als einem Material bestehen, gedruckt werden
Verfahren zur Inspektion eines Objekts, insbesondere von Strukturelementen einer dreidimensionalen Struktur, welche mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 19 hergestellt ist, unter Verwendung einer Inspektionsvorrichtung, welche eine Inspektionskopfeinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 6 aufweist, das Verfahren umfasst folgende Schritte: - Bereitstellung eines Immersionsmediums (12), - ortsselektive Zufuhr einer Portion des Immersionsmediums (12) zum Inspektionspunkt (6) am Objekt, mittels des Materialausgangs (8) der Materialzufuhr (9); - Einstellung eines Abstands zwischen Objektiv (3) und Inspektionspunkt (6) derart, dass die dem Objekt zugewandte Oberfläche des Objektivs (3) mit dem Immersionsmedium (12) in physischem Kontakt steht; - ortsselektive Ableitung zumindest von Anteilen des Immersionsmediums (12); - Fokussierung der Beobachtungseinheit (1) auf den Inspektionspunkt (6).
Verfahren zur Inspektion eines Objekts nach Anspruch 20, wobei an diesem oder an zumindest einem weiteren Inspektionspunkt (6) das Immersionsmedium (12) zumindest teilweise durch ein anderes Immersionsmedium (12) ersetzt wird.