WO2018006108A1 - Verfahren zur lithographiebasierten generativen fertigung von dreidimensionalen bauteilen - Google Patents

Verfahren zur lithographiebasierten generativen fertigung von dreidimensionalen bauteilen Download PDF

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WO2018006108A1
WO2018006108A1 PCT/AT2017/000054 AT2017000054W WO2018006108A1 WO 2018006108 A1 WO2018006108 A1 WO 2018006108A1 AT 2017000054 W AT2017000054 W AT 2017000054W WO 2018006108 A1 WO2018006108 A1 WO 2018006108A1
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volume
focal point
imaging system
optical element
optical imaging
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Aleksandr Ovsianikov
Jürgen STAMPFL
Robert Liska
Peter Gruber
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Technische Universität Wien
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    • G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification

Definitions

  • the invention relates to a method for
  • Three-dimensional components in which by the action of electromagnetic radiation solidifiable material is present in a tub, a building platform is positioned at a distance from the bottom of the tub, located between the building platform and the tub floor material is selectively irradiated by means of an irradiation unit, the electromagnetic radiation from below by a for introduced the radiation at least partially permeable tray bottom in the material and successively on
  • Focal points is focused within the material, whereby each one located at the focal point
  • volume element of the material is solidified, the solidification by means of multiphoton absorption takes place.
  • the invention further relates to a device for
  • Lithography-based additive manufacturing e.g.
  • Stereolithography is traditionally used mainly for the production of prototypes and functional patterns. Technological advances are increasingly moving to real production applications (e.g., transparent braces, hearing aid cups). In the course of this
  • Lithography-based techniques eg Stereolithography
  • advantages over other generative methods especially with regard to resolution
  • the liquid photosensitive material is in this case between the transparent tub and the
  • the refractive index of the photosensitive material must be limited to the optical imaging system, or vice versa, be tuned. Should this not be the case or the material has its properties, for example by changing the
  • DE 102011012484 A1 therefore proposes a method in which the objective of the optical imaging system is immersed in the photosensitive material. As a result, larger component heights can be realized with high resolution, but the optical imaging unit is in constant contact with the photosensitive resin, which is undesirable
  • Exposure of the bath from below through a transparent bottom of the material pan takes place. Focussing takes place on focal points which are at a fixed distance from the bottom of the tub, wherein the building platform with progressive
  • diffractive optical element directly in front of the optical imaging system provides the ability to easily retrofit existing systems, but can be easily extended by additional elements.
  • this arrangement is not with a deflection or
  • Imaging systems mostly from microscopy, are thereby achieved minimum feature sizes of up to 50nm.
  • the high resolution requires small focal point volume due to
  • Magnification and high numerical aperture can be achieved. Due to the high numerical aperture, an approximately spherical focal point volume can also be achieved (typically smaller than lxlxl ⁇ m 3 ). Due to the small
  • Focus point volume is the throughput of such systems
  • the present invention therefore aims to a
  • the invention consists in a method of the type mentioned is that the
  • volume of the focal point during the process is varied at least once, so that the component is composed of solidified volume elements of different volume. Due to the variable volume of the focal point, high resolutions are possible (with a small focal point volume).
  • the variation of the focal point volume can be used for example in such a way that inside the
  • Focus point volume allows for a higher
  • Exposure solidified material volume is increased.
  • small focal point volumes may be used for finer structures and surfaces, and larger focal point volumes for coarse structures and / or interior filling.
  • the variation of the focal volume is such that the largest focal point volume l ⁇ m greater during production of a component 3, preferably greater than lOO ⁇ m 3, in particular greater than lO.OOO ⁇ m. 3
  • the principle of multiphoton absorption is used in the context of the invention to initiate a photochemical process in the photosensitive material bath. As a result of the photochemical reaction, there is a change in the
  • the highest photon density occurs at the focal point of the optical imaging system, so that the
  • the electromagnetic radiation can pass through the material largely unimpeded in the wavelength used, and only in the focal point does an interaction occur between the photosensitive material and electromagnetic radiation.
  • the principle of multiphoton absorption is described, for example, in Zipfel et al., “Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences ", NATURE BIOTECHNOLOGY VOLUME 21 NUMBER 11 NOVEMBER 2003.
  • the source of the electromagnetic radiation may preferably be a collimated laser beam
  • the laser can emit one or more fixed or variable wavelengths.
  • it is a continuous or pulsed laser with pulse lengths in the nanosecond, picosecond or
  • a pulsed femtosecond laser offers the advantage that a lower average power is needed for multiphoton absorption.
  • the material change must be based on the focal point volume and its direct environment
  • the change in substance properties may be permanent and may, for example, be in a change from a liquid to a solid state, but may be transient.
  • a permanent change can be reversible or not
  • the power of the electromagnetic radiation and the exposure time affect the quality of the component produced.
  • the volume of the focal point By adjusting the radiation power and / or the exposure time, the volume of the focal point in be varied within a narrow range. Too high
  • Construction process parameters associated with good component properties are
  • the variation of the focal point volume according to the invention is not based on a change of the
  • the focal point volume is therefore understood to be the volume of an exposed point after the preparation step in the typical construction process parameters.
  • a change of the spatial intensity distribution in the focal point volume is therefore understood to be the volume of an exposed point after the preparation step in the typical construction process parameters.
  • Intensity distribution of the focal point can be changed in one or more directions. For example, by reducing the effective numerical aperture of the optical imaging system, the intensity distribution in all three spatial directions can be increased. In the Using a diffractive optical element, the focus can be changed into a line or area, or the number of focus points can be increased.
  • a preferred method of the invention provides that the change of the focal point volume by means of a unit consisting of at least one in the beam path between the source of electromagnetic radiation and focusing on the focal point optical
  • the optical element is preferably arranged so that the rays of the electromagnetic radiation impinge on it at right angles, i. that the
  • the change of the focal point volume by means of the at least one optical element can take place in various ways, wherein the possibilities mentioned below can also be combined with one another.
  • Imaging system is understood to be its nominal properties under optimal conditions with the smallest possible focal point size. If the change in the optical parameters in front of the optical imaging system results in larger focal point volumes, this is referred to as the effective numerical aperture of the imaging system. Preferably, it can also be provided that the change of the focal point volume takes place by varying the beam diameter along the beam path.
  • the method can preferably also be carried out such that the variation of the beam diameter by means of a particularly variable Aufweitoptik or a
  • An expanding optics is understood to mean an optical system with which the
  • Beam diameter is increased or decreased.
  • the beam diameter together with the focal length of the optical imaging system, determines the focal point volume.
  • a change in the focal point volume At constant focal length, a change in the focal point volume
  • the expansion optics can be designed with either constant or variable expansion. In the case of variable expansion, the expansion optics can be used to change the focal point volume.
  • a change in the beam diameter can also be made by means of an adjustable diaphragm, wherein a reduction of the beam diameter leads, for example, to a reduction of the effective numerical aperture, whereby the diameter and length of the focal point volume increase.
  • the aperture can be a one-dimensional slit, a two-dimensional iris or any other
  • Aperture be executed.
  • optical lens One possible application of a diffractive optical element lies therein, from the incoming beam several rays, which are in the
  • the individual beams are imaged by the optical imaging system on the focal plane, wherein the individual focal points of the individual beams different points in the
  • the diffractive optical element may be static or
  • the focal point volume changing unit may also include an optical beamforming system.
  • Such an optical system may consist of two variable-spacing cylindrical lenses for selectively controlling the astigmatism in the optical imaging system. By varying the lens distance, one dimension of the focal point volume can be specifically influenced.
  • the unit can change the
  • Focus point volume also include one or more fast moving beam deflection systems, which leads the beam at a known angle to the other deflection systems.
  • two deflection systems are at right angles to each other. While the one deflection system guides the beam through the photosensitive material, the second widens the converted volume of material by rapid movement of the beam orthogonal to the beam-guiding direction.
  • the change of the focal point volume in at least one, preferably in three, vertical
  • the numerical aperture of the zoom lens As part of the described measures for changing the focal point volume, the numerical aperture of the zoom lens
  • the numerical aperture is preferably less than 0.8, preferably less than 0.2 is selected.
  • the component is constructed in accordance with the invention in such a way that the electromagnetic radiation is introduced into the material from below through a trough bottom which is permeable to the radiation at least in some regions and focused successively on a multiplicity of focal points within the material.
  • the procedure is preferably such that the electromagnetic radiation is deflected by means of a deflection unit, which is preferably arranged in front of the optical imaging system, in order to move the
  • Beam can be used any beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are known from the prior art. For example, a separate beam deflection units, which are
  • Beam deflecting device for a beam deflection in the X direction and a beam deflecting device for a
  • the beam deflection unit may be combined with or partially replaced by a positioning system which moves the image field of the imaging system to move the imaging system To enable the production of components with greater extension in the X and Y directions. It is irrelevant whether the optical imaging system or the component is moved.
  • the beam deflecting device is in
  • Focus point volume especially in diffractive optical elements, and arranged the optical imaging system. This ensures that the deflection of the beam caused by the deflection unit has no influence on the effect of the optical element.
  • a preferred method further provides that the construction platform with progress of construction progress
  • the construction of the component may be e.g. in layers. First all volume elements are produced in one plane or layer, whereupon the construction platform is raised to form the next layer. For this purpose, a construction platform which can be adjusted in the vertical direction (Z direction) is arranged in the photosensitive material. The first layer of the future component produced by multiphoton-induced material conversion adheres to this build platform. The second layer adheres to the first layer and each further layer adheres to the respective preceding layer so that the component grows out of the trough by layered construction.
  • the focal point is arranged at a distance from the tub bottom. Typically, this is
  • the normal distance of the focus points can be kept constant from the tub bottom, because the movement of the component is realized in the vertical direction by the movable construction platform. This leaves the optical
  • Boundary conditions constant throughout the construction process This is compared to the prior art, in which the focus is moved in the vertical direction, achieved the advantage that the electromagnetic radiation does not have to be focused differently deep into the photosensitive material, resulting in depth-dependent variations of
  • Normal distance is preferably measured between the trough bottom and the center of the focal point volume.
  • the normal distance kept constant between the trough bottom and the lower boundary of the focal point volume can be measured.
  • the change of the focal point volume according to the invention can in this case also take place within one and the same layer, so that a layer of volume elements of different volume is assembled. However, it is also possible to proceed in such a way that a layer is composed of all equal volume elements and that a modified focal point volume is used for the next layer.
  • any prior art optical system with any number of optical elements can be used for focusing.
  • Imaging unit can be before or after
  • Beam deflection unit can be used.
  • an F-theta optic can be used after the beam deflection system with a moderate numerical aperture of ⁇ 0.2.
  • An additional optical beam expansion or reduction may be interposed between the beam deflection unit and the focusing optics of the optical imaging system.
  • This additional optical system can reduce the effective numerical aperture by changing the beam diameter while maintaining the focal length of the optical
  • Another aspect of the invention relates to an apparatus for lithography-based additive manufacturing of
  • the device comprises a source of electromagnetic
  • adjustable height is held above the tank bottom, and an irradiation unit, which is the site-selective
  • the irradiation unit comprises an optical imaging system to sequentially focus the radiation to focus points within the material, whereby each one located at the focal point volume element of the material means
  • the device is characterized in that the irradiation unit at least one in the beam path between the source of the electromagnetic radiation and the optical
  • Imaging system arranged optical element comprises, which for changing the volume of the focal point
  • Imaging system can be used.
  • the at least one optical element for varying the beam diameter along the beam path is present.
  • the at least one optical element is formed by a diffractive optical element and / or an optical lens.
  • the at least one optical element may comprise a beam-forming system, e.g. comprises two spaced-apart cylindrical lenses.
  • Beam diameter by at least one rapidly moving deflection system is carried out (eg, wobble of the beam and thereby in the time average, an increase of the
  • the change of the focus volume can be done by a quick change of different imaging systems.
  • the irradiation unit comprises a preferably arranged in front of the optical imaging system
  • Deflection unit to adjust the focal point in a plane substantially parallel to the bottom of the tub.
  • Focus point volume include a fast deflection system that widens the beam preferably at right angles to an axis of the deflection unit (eg, wobble of the beam and thereby an increase in the focal point volume on average over time).
  • Formation of a layer with predetermined geometry by controlling the irradiation unit to solidify and after the irradiation steps for the layer
  • FIG. 1 shows a device for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a unit for focus volume adjustment
  • FIG. 3 shows a modified embodiment of the unit for focus volume adaptation
  • FIG. 4 shows a further modified embodiment of the unit for
  • FIG. 5 shows a further modified embodiment of the unit for adjusting the focus volume
  • FIG. 6 shows a further modified embodiment of the unit for adjusting the volume
  • Fig. 1 it can be seen that an emitted from the laser 7 electromagnetic wave passed through a unit for changing the focal point volume 8 and a beam deflecting unit 9 and by means of an optical imaging system 10 through a transparent bottom plate 1 in a
  • photosensitive material 2 is focused. At the focal point 5 of the optical imaging system 10 it comes to
  • Fig. 2 shows schematically the unit 8 for changing the focal point volume.
  • the unit comprises a diffractive optical element 11 which splits the incoming beam into two beams passing through a system of two lenses 12 and 13. The splitting of the beam takes place with the aim of creating two points next to one another in the focal plane. If both points overlap, you can also speak of a line.
  • the unit 8 comprises two
  • dashed line is circular.
  • a compression in the direction of the y-axis can be observed. This results at the focal point 5 in the ⁇ , ⁇ plane and in the y, z plane the expansion point volume shown in the drawing.
  • the volume of the total focus point 5 changes.
  • Slit diaphragm 11 as shown in the embodiment of FIG. 5, but here loss of intensity caused by the cutting of the beam.
  • an iris diaphragm 16 causes a reduction in the effective numerical aperture of the imaging system, thereby making the focal point volume both longer and wider.
  • the expander shown in the embodiment of FIG. 6 from the lenses 18 and 19 has the same effect as the
  • Iris diaphragm 16 but avoids intensity losses by the beam diameter is reduced without cutting off the beam.
  • changing the focal point volume is performed using pulsed laser light having a wavelength in the range of 400 to 1600 nm, the pulse length being between 1s and 1s.
  • Fig. 7 shows a component which has been constructed by means of a method in which only small
  • Focus point volumes 22 are solidified without adaptation of the volume.
  • the high resolution results in a large number of points to write and thus a high Process time per shift.
  • This building strategy is advantageous for small, high-resolution structures, where adaptation of the focal point volume would bring no advantage or throughput is not critical.
  • the building strategy has a high throughput but low resolution.
  • the focal point volume is controlled by the optical unit 8, the area of the
  • Increased focal point volume and the effective numerical aperture is adapted to the desired layer thickness.
  • This building strategy is advantageous for components that do not require high resolution but require high throughput.
  • the structure 41 to be built is built up layer by layer alternately from fine 42 and coarse filling volumes 43. With the fine
  • Filling volumes 42 are those parts of the structure exposed that can not be achieved with the coarse filling volume 43. It is advantageous first to write high-resolution parts with the small focal point volume 42 and then to fill the inner volume, since already built structures can distort the focus point.
  • the adaptive focus point volume enables the fabrication of both high resolution and high resolution components
  • the construction strategy in FIG. 10 is similar to the building strategy illustrated in FIG. 9 except that the surface of the component is now built with an additional small focal point volume 54 and small layer thickness.
  • the three focal point volumes are named as follows: the fine fill volume 52, the coarse fill volume 53 and the surface volume 54.
  • the surface volume has the smallest volume and thus the highest resolution for a good shape reproduction of corners and edges.
  • Filling volume 52 is equal to or greater than
  • Construction strategy is suitable for components that require excellent shape reproduction, surface quality, and high throughput.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur lithographiebasierten generativen Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen, bei dem durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbares Material (2) in einer Wanne angeordnet wird, eine Bauplattform (4) in Abstand vom Wannenboden (1) positioniert wird, zwischen der Bauplattform (4) und dem Wannenboden (1) befindliches Material (2) ortsselektiv mit Hilfe einer Bestrahlungseinheit bestrahlt wird, wird die elektromagnetische Strahlung von unten durch einen für die Strahlung zumindest bereichsweise durchlässigen Wannenboden (1) in das Material (2) eingebracht und nacheinander auf Fokuspunkte (5) innerhalb des Materials (2) fokussiert, wodurch jeweils ein am Fokuspunkt (5) befindliches Volumenelement des Materials (2) verfestigt wird. Die Verfestigung erfolgt mittels Multiphotonenabsorption und das Volumen des Fokuspunkts (5) wird während des Verfahrens zumindest einmal variiert, sodass der Bauteil (3) aus verfestigten Volumenelementen unterschiedlichen Volumens aufgebaut wird.

Description

Verfahren zur lithographiebasierten generativen Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
lithographiebasierten generativen Fertigung von
dreidimensionalen Bauteilen, bei dem durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbares Material in einer Wanne vorliegt, eine Bauplattform in Abstand vom Wannenboden positioniert wird, zwischen der Bauplattform und dem Wannenboden befindliches Material ortsselektiv mit Hilfe einer Bestrahlungseinheit bestrahlt wird, wobei die elektromagnetische Strahlung von unten durch einen für die Strahlung zumindest bereichsweise durchlässigen Wannenboden in das Material eingebracht und nacheinander auf
Fokuspunkte innerhalb des Materials fokussiert wird, wodurch jeweils ein am Fokuspunkt befindliches
Volumenelement des Materials verfestigt wird, wobei die Verfestigung mittels Multiphotonenabsorption erfolgt.
Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur
lithographiebasierten generativen Fertigung von
dreidimensionalen Bauteilen, die insbesondere zur
Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist.
Lithographiebasierte generative Fertigung (L-GF, z.B.
Stereolithographie) wird traditionell hauptsächlich für die Herstellung von Prototypen und Funktionsmustern verwendet. Durch technische Weiterentwicklungen rücken zusehends echte Produktionsanwendungen in den Fokus (z.B. transparente Zahnspangen, Hörgeräteschalen) . Im Zuge dieser
Entwicklungen wird es immer wichtiger, dass möglichst große Teile herstellbar sind. Ebenso von großer Bedeutung ist der erzielbare Durchsatz. Lithographiebasierte Techniken (z.B. Stereolithographie) bieten gegenüber anderen generativen Verfahren vor allem Vorteile hinsichtlich Auflösung,
Präzision und Oberflächenqualität.
Derzeit verfügbare L-GF Verfahren belichten entweder von oben auf eine mit photosensitivem Material gefüllte Wanne, wie in der WO 93/08506 AI beschrieben, oder von unten durch eine transparente Wanne, in der sich eine dünne Schicht aus photosensitivem Material befindet, siehe WO 01/40866 A2. Bei der Belichtung von oben bestehen zwei Schwierigkeiten: (1) Für große Bauteile sind sehr große Materialmengen erforderlich, da das gesamte Bauteil vollständig im
photosensitiven Material versenkt werden muss. (2) Es müssen für gute Oberflächen sehr dünne Schichten aus photosensitivem Material aufgebracht werden, was für
Schichtdicken unterhalb von 50μm sehr schwierig ist.
Auch bei der Belichtung von unten gibt es Schwierigkeiten: Das flüssige photosensitive Material befindet sich in diesem Fall zwischen der transparenten Wanne und der
Bauplattform, die schichtweise nach oben verschoben wird. Trotz der Antihaftbeschichtung der Wanne haftet das Bauteil während des Bauvorgangs unerwünschterweise an der Wanne an. Beim Anheben der Bauplattform können so große Abzugskräfte entstehen, was insbesondere bei der Fertigung größerer Bauteile zu Problemen führt. Es gibt dazu zwar neue Ansätze (z.B. US 2014/361463 AI), die über Sauerstoffeinbringung eine Inhibierungsschicht zwischen Wanne und Bauteil
erzeugen und so eine Anhaftung reduzieren. Allerdings besteht dann das Problem, dass das nachfließende Material in einen sehr dünnen Spalt fließen muss, was bei
dickwandigeren Bauteilen oder hochviskosen Materialien problematisch ist. Bei allen oben genannten Verfahren besteht zudem das
Problem, dass bei Erhöhung der Auflösung die Bauzeiten sehr rasch ansteigen.
In der DE 10111422 AI wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Verfestigung des flüssigen photosensitiven Materials durch Multiphotonenabsorption vorgenommen wird. Dazu strahlt man mit einem fokussierten Laserstrahl in das Bad des photosensitiven Materials ein, wobei die
Bestrahlungsbedingungen für einen die Verfestigung
auslösenden Mehrphotonenabsorptionsprozess nur in
unmittelbarer Umgebung des Fokus erfüllt sind, sodass man den Fokus des Strahls nach Maßgabe der Geometriedaten des herzustellenden Formkörpers innerhalb des Badvolumens zu den zu verfestigenden Stellen führt. Die Bestrahlung des Materialbades erfolgt bei dem Verfahren gemäß der
DE 10111422 AI von oben, wobei die Strahlungsintensität so gewählt wird, dass die Flüssigkeit für die verwendete
Strahlung oberhalb des Fokuspunktes im Wesentlichen
transparent ist, sodass ein direktes Polymerisieren des Badmaterials ortsselektiv innerhalb des Badvolumens, d.h. auch weit unterhalb der Badoberfläche stattfindet.
Bei der Veränderung der Lage des Fokuspunkts entlang der optischen Achse des verwendeten optischen Abbildungssystems ergeben sich jedoch Abbildungsfehler, die mit zunehmendem Anteil von Material im optischen Pfad mit nicht optimal abgestimmtem Brechungsindex zunehmen. Dies ist besonders bei Verfahren von Nachteil, bei denen sehr feine Strukturen hergestellt werden und daher eine hohe Auflösung des
Abbildungssystems erforderlich ist. Um die hohe Auflösung des optischen Abbildungssystems zu gewährleisten, muss der Brechungsindex des photosensitiven Materials auf das optische Abbildungssystem, oder umgekehrt, abgestimmt sein. Sollte das nicht der Fall sein, oder das Material seine Eigenschaften, zum Beispiel durch Änderung des
Wassergehalts, während des Bauprozesses ändern, würde die erzielbare Auflösung der gebauten Strukturen abnehmen.
Für die Multiphotonenabsorptions-Strukturierung mit hoher Auflösung im Nanometerbereich wurde in der
DE 102011012484 AI daher ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das Objektiv des optischen Abbildungssystems in das photosensitive Material eintaucht. Dadurch sind größere Bauteilhöhen mit hoher Auflösung realisierbar, die optische Abbildungseinheit ist aber im ständigen Kontakt mit dem photosensitiven Harz, was bei ungewollter
Materialumwandlung, zum Beispiel durch Streulicht oder ümgebungslicht, zu einer Beschädigung der Optik führen kann.
In der EP 2905121 AI ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Verfestigung des photosensitiven Materials ebenfalls mittels Multiphotonenabsorption stattfindet und die
Belichtung des Bades von unten durch einen transparenten Boden der Materialwanne erfolgt. Die Fokussierung erfolgt auf Fokuspunkte, die in fixem Abstand vom Wannenboden liegen, wobei die Bauplattform mit fortschreitendem
Arbeitsfortschritt in Höhenrichtung aus dem Bad gezogen wird, sodass Bauteile mit großer Höhe hergestellt werden können.
Das Dokument WO 2015/197794 AI beschreibt eine Einheit zur Veränderung des Fokuspunktvolumens für
Multiphotonabsorptions-Strukturierung, die auf der
Verwendung unterschiedlicher diffraktiver optischer Elemente vor dem Abbildungssystem basiert, μm das
Fokuspunktvolumen anzupassen. Die Anordnung des
diffraktiven optischen Elements direkt vor dem optischen Abbildungssystem bietet die Möglichkeit, bestehende Systeme einfach nachzurüsten, kann jedoch nur schlecht durch zusätzliche Elemente erweitert werden. Insbesondere ist diese Anordnung nicht mit einer Ablenkeinheit oder
vergleichbaren Elementen kombinierbar, da der Strahl im Falle der Auslenkung aus der Ruheposition des Ablenksystems nicht mehr unter optimalen Winkel auf das diffraktive optische Element auftrifft, wodurch die Beugungeffizienz abnimmt .
Ein Großteil der bisherigen Verfahren im Bereich der
Multiphotonenabsorptions-Strukturierung, wie auch EP
2905121 AI, zielt darauf ab, Strukturen mit sehr hoher Auflösung zu schreiben. Durch hochauflösende optische
Abbildungssysteme, meist aus der Mikroskopie, werden dabei minimale Strukturgrößen von bis zu 50nm erzielt. Die hohe Auflösung bedingt kleine Fokuspunktvolumen, die durch
Verwendung von optischen Abbildungssystemen mit hoher
Vergrößerung und hoher numerischer Apertur erreicht werden. Durch die hohe numerische Apertur ist auch ein annähernd kugelförmiges Fokuspunktvolumen erzielbar (typischerweise kleiner als lxlxlμm3) . Bedingt durch das kleine
Fokuspunktvolumen ist der Durchsatz solcher Anlagen
allerdings sehr gering, da z.B. für ein Volumen von 1mm3 insgesamt mehr als 109 Punkte belichtet werden müssen. Dies führt zu sehr langen Bauzeiten, was der Hauptgrund für den geringen industriellen Einsatz von
Multiphotonenabsorptions-Verfahren ist . Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ein
Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der Bauteiledurchsatz erhöht wird ohne die Möglichkeit einer hohen
Strukturauflösung zu verlieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin, dass das
Volumen des Fokuspunkts während des Verfahrens zumindest einmal variiert wird, sodass der Bauteil aus verfestigten Volumenelementen unterschiedlichen Volumens aufgebaut wird. Durch das variable Volumen des Fokuspunktes sind (bei kleinem Fokuspunktvolumen) hohe Auflösungen möglich.
Gleichzeitig ist (bei großem Fokuspunktvolumen) eine hohe Schreibgeschwindigkeit (gemessen in mmVh) erzielbar. Die Erfindung kombiniert also hohe Auflösung mit großem
Durchsatz. Die Variation des Fokuspunktvolumens kann dabei zum Beispiel so genutzt werden, dass im Inneren des
aufzubauenden Bauteils ein großes Fokuspunktvolumen
verwendet wird, um den Durchsatz zu erhöhen, und an der Oberfläche des Bauteils ein kleineres Fokuspunktvolumen zur Anwendung kommt, um die Bauteiloberfläche mit hoher
Auflösung auszubilden. Eine Vergrößerung des
Fokuspunktvolumens ermöglicht einen höheren
Strukturierungsdurchsatz, da das in einem
Belichtungsvorgang verfestigte Materialvolumen vergrößert wird. Um bei hohem Durchsatz eine hohe Auflösung
beizubehalten, können kleine Fokuspunktvolumina für feinere Strukturen und Oberflächen, und größere Fokuspunktvolumina für grobe Strukturen und/oder zum Füllen von Innenräumen verwendet werden. Bei einer bevorzugten Verfahrensweise erfolgt die Variation des FokusVolumens derart, dass das größte Fokuspunktvolumen während der Fertigung eines Bauteils größer lμm3, bevorzugt größer lOOμm3, insbesondere größer lO.OOOμm3 ist.
Das Prinzip der Multiphotonenabsorption wird im Rahmen der Erfindung genutzt, um im photosensitiven Materialbad einen photochemischen Vorgang zu initiieren. Als Folge der photochemischen Reaktion kommt es zur Veränderung des
Materials in mindestens einen anderen Zustand, wobei es typischerweise zu einer Photopolymerisation kommt. Die Belichtung erfolgt dabei von unten durch einen für die elektromagnetische Strahlung transparenten Wannenboden. Das Prinzip der Multiphotonenabsorption beruht darauf, dass der genannte photochemische Vorgang nur in jenen Bereichen des Strahlengangs stattfindet, in denen eine für die
Multiphotonenabsorption ausreichende Photonendichte
vorliegt. Die höchste Photonendichte tritt im Brennpunkt des optischen Abbildungssystems auf, sodass die
Multiphotonenabsorption mit ausreichender
Wahrscheinlichkeit nur im Fokuspunkt auftritt. Außerhalb des Brennpunktes ist die Photonendichte geringer, sodass die Wahrscheinlichkeit der Multiphotonenabsorption
außerhalb des Brennpunktes zu gering ist, um eine
unumkehrbare Veränderung des Materials durch eine
photochemische Reaktion zu bewirken. Die elektromagnetische Strahlung kann in der verwendeten Wellenlänge weitestgehend ungehindert das Material passieren und nur im Fokuspunkt kommt es zu einer Interaktion zwischen photosensitivem Material und elektromagnetischer Strahlung. Das Prinzip der Multiphotonenabsorption ist beispielsweise in Zipfel et al, „Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the biosciences", NATURE BIOTECHNOLOGY VOLUME 21 NUMBER 11 NOVEMBER 2003, beschrieben.
Als Quelle für die elektromagnetische Strahlung kann es sich vorzugsweise um einen kollimierten Laserstrahl
handeln. Der Laser kann sowohl eine oder mehrere, feste oder variable Wellenlängen emittieren. Insbesondere handelt es sich um einen kontinuierlichen oder gepulsten Laser mit Pulslängen im Nanosekunden-, Pikosekunden- oder
Femtosekunden-Bereich. Ein gepulster Femtosekundenlaser bietet dabei den Vorteil, dass eine geringere mittlere Leistung für die Multiphotonenabsorption benötigt wird.
Unter photosensitivem Material wird jedes unter
Baubedingungen fließfähige Material verstanden, das durch Multiphotonenabsorption im Fokuspunktvolumen in einen zweiten Zustand übergeht - beispielsweise durch
Polymerisation. Die Materialveränderung muss sich dabei auf das Fokuspunktvolumen und dessen direkte Umgebung
begrenzen. Die Veränderung der Substanzeigenschaften kann dauerhaft sein und beispielsweise in einer Veränderung von einem flüssigen in einen festen Zustand bestehen, kann jedoch auch nur vorübergehend sein. Auch eine dauerhafte Veränderung kann im Übrigen reversibel oder nicht
reversibel sein. Die Änderung der Materialeigenschaften muss nicht zwingend vollständig von einem in den anderen Zustand übergehen, sondern kann auch als Mischform beider Zustände vorliegen.
Die Leistung der elektromagnetischen Strahlung und die Belichtungsdauer beeinflussen die Qualität des erzeugten Bauteils. Durch Anpassung der Strahlungsleistung und/oder der Belichtungsdauer kann das Volumen des Fokuspunktes in einem engen Bereich variiert werden. Bei zu hohen
Strahlungsleistungen treten zusätzliche Prozesse auf, die zur Beschädigung des Bauteils führen können. Ist die
Strahlungsleistung zu gering, kann sich keine dauerhafte Materialeigenschaftsänderung einstellen. Für jedes
photosensitive Material gibt es daher typische
Bauprozessparameter die mit guten Bauteileigenschaften verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Variation des Fokuspunktvolumens beruht hierbei jedoch nicht auf einer Änderung der
Intensität der verwendeten elektromagnetischen Strahlung. Vielmehr wird bei der für den Bauprozess gewählten
(optimalen) Strahlungsintensität gearbeitet, die während des Bauteilaufbaus unverändert gelassen wird. Das
erfindungsgemäße Verfahren wird daher bevorzugt so
durchgeführt, dass die Änderung des Fokuspunktvolumens bei gleichbleibender Strahlungsintensität vorgenommen wird, wobei die verwendete durchschnittliche Leistung der elektromagnetischen Strahlung dementsprechend angepasst wird.
Als Fokuspunktvolumen wird daher jenes Volumen eines belichteten Punktes nach dem Aufbereitungsschritt bei den typischen Bauprozessparametern verstanden. Unter der erfindungsgemäßen Änderung des Fokuspunktvolumens wird eine Veränderung der räumlichen Intensitätsverteilung im
Fokuspunkt verstanden. Hierbei kann die räumliche
Intensitätsverteilung des Fokuspunktes sowohl in eine oder mehrere Richtungen verändert werden. So kann zum Beispiel durch Reduktion der effektiven numerischen Apertur des optischen AbbildungsSystems die Intensitätsverteilung in alle drei Raumrichtungen vergrößert werden. Bei der Verwendung eines diffraktiven optischen Elementes kann der Fokus in eine Linie oder Fläche verändert, oder die Anzahl der Fokuspunkte erhöht werden.
Eine bevorzugte Verfahrensweise der Erfindung sieht vor, dass die Änderung des Fokuspunktvolumens mittels einer Einheit bestehend aus wenigstens einem im Strahlengang zwischen der Quelle der elektromagnetischen Strahlung und einem auf den Fokuspunkt fokussierenden optischen
Abbildungssystem angeordneten optischen Element vorgenommen wird. Das optische Element ist bevorzugt so angeordnet, dass die Strahlen der elektromagnetischen Strahlung im rechten Winkel auf dieses auftrifft, d.h. dass die
Strahlung in Richtung der optischen Achse des optischen Elements auf dieses auftrifft.
Die Änderung des Fokuspunktvolumens mittels des wenigstens einen optischen Elements kann auf verschiedenste Weise erfolgen, wobei die nachfolgend angeführten Möglichkeiten auch miteinander kombiniert werden können.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Änderung des
Fokuspunktvolumens durch Variation der effektiven
numerischen Apertur des optischen Abbildungssystems
erfolgt. Unter numerischer Apertur des optischen
Abbildungssystems werden dessen nominelle Eigenschaften unter optimalen Bedingungen mit der kleinsten möglichen Fokuspunktgröße verstanden. Kommt es durch Veränderung der optischen Parameter vor dem optischen Abbildungssystem zu größeren Fokuspunktvolumen, spricht man von der effektiven numerischen Apertur des Abbildungssystems. Bevorzugt kann auch vorgesehen sein, dass die Änderung des Fokuspunktvolumens durch Variation des Strahldurchmessers entlang des Strahlengangs erfolgt.
Das Verfahren kann bevorzugt auch so durchgeführt werden, dass die Variation des Strahldurchmessers mittels einer insbesondere variablen Aufweitoptik oder einer
verstellbaren Blende erfolgt. Unter einer Aufweitoptik wird ein optisches System verstanden, mit dem der
Strahldurchmesser vergrößert oder verkleinert wird. Der Strahldurchmesser bestimmt zusammen mit der Brennweite des optischen AbbildungsSystems das Fokuspunktvolumen. Bei konstanter Brennweite führt eine Veränderung des
Strahldurchmessers daher zu einer Änderung der effektiven numerischen Apertur und damit zu einer Änderung des
Fokuspunktvolumens. Die Aufweitoptik kann sowohl mit konstanter oder variabler AufWeitung ausgeführt sein. Im Falle einer variablen Aufweitung kann die Aufweitoptik zur Veränderung des Fokuspunktvolumens eingesetzt werden.
Eine Veränderung des Strahldurchmessers kann auch mit Hilfe einer verstellbaren Blende vorgenommen werden, wobei eine Verkleinerung des Strahldurchmessers beispielsweise zu einer Reduzierung der effektiven numerischen Apertur führt, wodurch sich Durchmesser und Länge des Fokuspunktvolumens erhöhen. Die Blende kann als eindimensionale Schlitzblende, als zweidimensionale Irisblende oder jegliche andere
Blendenform ausgeführt werden.
Bevorzugt wird das wenigstens eine optische Element von einem diffraktiven optischen Element und/oder einer
optischen Linse gebildet. Eine mögliche Anwendung eines diffraktiven optischen Elements liegt darin, aus dem eintreffenden Strahl mehrere Strahlen, welche sich im
Austrittswinkel unterscheiden, zu formen. Die einzelnen Strahlen werden durch das optische Abbildungssystem auf die Fokusebene abgebildet, wobei die einzelnen Fokuspunkte der einzelnen Strahlen unterschiedliche Punkte in der
Fokusebene darstellen. Je nach verwendetem diffraktiven optischen Element können hier ein oder mehrere Fokuspunkte abgebildet werden. Die Fokuspunkte können auch so nahe zueinander liegen, dass die einzelnen Punkte ineinander übergehen. In diesen Fall entstehen Linien oder Flächen. Das diffraktive optische Element kann statisch oder
dynamisch sein. Bei dynamischen diffraktiven optischen Elementen spricht man von einem „spatial light modulator".
Die Einheit zur Veränderung des Fokuspunktvolumens kann auch ein optisches System zur Strahlformung enthalten. Ein solches optisches System kann aus zwei Zylinderlinsen mit variablem Abstand zur gezielten Kontrolle des Astigmatismus im optischen Abbildungssystem bestehen. Durch Variation des Linsenabstands kann eine Dimension des Fokuspunktvolumens gezielt beeinflusst werden.
Weiters kann die Einheit zur Veränderung des
Fokuspunktvolumens auch ein oder mehrere schnell bewegte Strahlablenksysteme beinhalten, welches den Strahl in einem bekannten Winkel zu den anderen Ablenksystemen führt. In bevorzugter Weise stehen zwei Ablenksysteme im rechten Winkel zueinander. Während das eine Ablenksystem den Strahl durch das photosensitive Material führt, verbreitert das zweite das umgewandelte Materialvolumen durch eine schnelle Bewegung des Strahls orthogonal zur Strahlführungsrichtung. Mit den genannten Maßnahmen zur Veränderung des FokuspunktVolumens kann die Änderung des Fokuspunktvolumens in wenigstens eine, vorzugsweise in drei, senkrecht
zueinander stehenden Raumrichtungen erfolgen.
Im Rahmen der beschriebenen Maßnahmen zur Veränderung des Fokuspunktvolumens kann die numerische Apertur des
optischen Abbildungssystems klein gewählt werden, wobei die numerische Apertur vorzugsweise kleiner 0,8, vorzugsweise kleiner 0,2 gewählt ist.
Wie bereits erwähnt wird der Bauteil erfindungsgemäß so aufgebaut, dass die elektromagnetische Strahlung von unten durch einen für die Strahlung zumindest bereichsweise durchlässigen Wannenboden in das Material eingebracht und nacheinander auf eine Vielzahl von Fokuspunkten innerhalb des Materials fokussiert wird. Bevorzugt wird hierbei so vorgegangen, dass die elektromagnetische Strahlung mittels einer vorzugsweise vor dem optischen Abbildungssystem angeordneten Ablenkeinheit abgelenkt wird, um den
Fokuspunkt in einer zum Wannenboden im Wesentlichen
parallelen Ebene (X- und Y-Richtung) zu verstellen. Die Verstellung erfolgt jedes Mal, nachdem ein Volumenelement des Materials verfestigt wurde. Für die Ablenkung des
Strahls können dabei beliebige Strahlablenkeinheiten eingesetzt werden, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann eine separate
Strahlablenkeinrichtung für eine Strahlablenkung in X- Richtung und eine Strahlablenkeinrichtung für eine
Ablenkung in Y-Richtung vorgesehen werden. Zusätzlich kann die Strahlablenkungseinheit mit einem Positioniersystem kombiniert oder dadurch teilweise ersetzt werden, welches das Bildfeld des Abbildungssystems bewegt, um die Herstellung von Bauteilen mit größerer Erstreckung in X- und Y-Richtung zu ermöglichen. Dabei ist es unerheblich, ob das optische Abbildungssystem oder das Bauteil bewegt wird.
Bevorzugt wird die Strahlenablenkeinrichtung im
Strahlengang zwischen der Einheit zur Veränderung des
Fokuspunktvolumens, insbesondere bei diffraktiven optischen Elementen, und dem optischen Abbildungssystem angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass die von der Ablenkeinheit bewirkte Strahlablenkung keinen Einfluss auf die Wirkung des optischen Elements aufweist.
Eine bevorzugte Verfahrensweise sieht weiters vor, dass die Bauplattform mit fortschreitendem Baufortschritt
schrittweise angehoben wird. Der Aufbau des Bauteils kann dabei z.B. schichtweise erfolgen. Es werden zuerst alle Volumenelemente in einer Ebene bzw. Schicht hergestellt, worauf die Bauplattform zur Ausbildung der nächsten Schicht angehoben wird. Dazu wird eine in vertikaler Richtung (Z- Richtung) verstellbare Bauplattform in dem photosensitiven Material angeordnet. An dieser Bauplattform haftet die erste durch multiphotoneninduzierte Materialumwandlung erzeugte Schicht des zukünftigen Bauteils an. Die zweite Schicht haftet an der ersten Schicht an und jede weitere Schicht haftet an der jeweils vorangehenden Schicht an, sodass das Bauteil durch schichtweisen Aufbau aus der Wanne herauswächst .
Besonders bevorzugt wird der Fokuspunkt hierbei im Abstand vom Wannenboden angeordnet. Typischerweise beträgt der
Abstand des Fokuspunktes vom Wannenboden zwischen 20um und 2mm. Auf Grund des Abstands zwischen Polymerisationszone und dem Wannenboden kann es zu keiner unerwünschten Anhaftung des umgewandelten Materials an der Wanne kommen. Zusätzlich kann frisches Material leichter zwischen Bauteil und Wanne nachfließen, um als Ausgangsmaterial für die folgenden Schichten zur Verfügung zu stehen. Da es zu keiner Anhaftung des Bauteils am Wannenboden kommt, sind keine Abzugskräfte beim Anheben der Bauplattform zu
erwarten. Basis dieses Effekts ist die Tatsache, dass der photochemische Vorgang bei der Multiphotonenabsorption wie bereits erwähnt nur in einem gut definierten Fokusvolumen stattfinden kann. Wenn der Abstand zwischen Wannenboden und Bauschicht relativ groß gewählt wird, kann während des Bauprozesses Material in den Spalt zwischen Wannenboden und Bauteil nachfließen, wodurch ein weitestgehend
kontinuierlicher Prozess ermöglicht wird.
Bei dem beschriebenen schichtweisen Aufbau des Bauteils kann der Normalabstand der Fokuspunkte vom Wannenboden konstant gehalten werden, weil die Bewegung des Bauteils in vertikaler Richtung durch die bewegliche Bauplattform realisiert wird. Dadurch bleiben die optischen
Randbedingungen während des ganzen Bauprozesses konstant. Damit wird gegenüber dem Stand der Technik, bei dem der Fokus in vertikaler Richtung bewegt wird, der Vorteil erreicht, dass die elektromagnetische Strahlung nicht unterschiedlich tief ins photosensitive Material fokussiert werden muss, was zu tiefenabhängigen Variationen der
Fokusqualität führen würde. Der konstant gehaltene
Normalabstand wird vorzugsweise zwischen dem Wannenboden und dem Mittelpunkt des Fokuspunktvolumens gemessen.
Alternativ kann der konstant gehaltene Normalabstand zwischen dem Wannenboden und der unteren Berandung des Fokuspunktvolumens gemessen werden. Die erfindungsgemäße Änderung des Fokuspunktvolumens kann hierbei auch innerhalb ein und derselben Schicht erfolgen, sodass eine Schicht aus .Volumenelementen unterschiedlichen Volumens zusammengesetzt wird. Es kann aber auch so vorgegangen werden, dass sich eine Schicht aus lauter gleich großen Volumenelementen zusammensetzt und dass ein geändertes Fokuspunktvolumen für die nächste Schicht angewendet wird.
Als optisches Abbildungssystem, das die elektromagnetische Strahlung auf den jeweiligen Fokuspunkt fokussiert, kann jegliches, nach dem Stand der Technik bekanntes, optisches System mit einer beliebigen Anzahl optischer Elemente zur Fokussierung eingesetzt werden. Die optische
Abbildungseinheit kann vor oder nach der
Strahlablenkungseinheit eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine F-Theta Optik nach dem Strahlablenksystem mit einer moderaten numerischen Apertur von < 0.2 verwendet werden.
Zwischen der Strahlablenkungseinheit und der Fokussieroptik des optischen Abbildungssystems kann eine zusätzliche optische Strahlaufweitung oder -reduktion eingefügt sein. Dieses zusätzliche optische System kann die effektive numerische Apertur durch Änderung des Strahldurchmessers bei gleichbleibender Brennweite der optischen
Abbildungseinheit vergrößern oder verkleinern. Jegliche Anpassungen nach dem Strahlablenkungssystem wirken sich jedoch auf die Strahlablenkgeschwindigkeit aus.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lithographiebasierten generativen Fertigung von
dreidimensionalen Bauteilen, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung. Die Vorrichtung umfasst eine Quelle elektromagnetischer
Strahlung, eine Wanne mit einem zumindest bereichsweise für die Strahlung durchlässigen Boden, in die verfestigbares Material einfüllbar ist, eine Bauplattform, die in
einstellbarer Höhe über dem Wannenboden gehalten ist, und eine Bestrahlungseinheit, die zur ortsselektiven
Bestrahlung von zwischen der Bauplattform und dem
Wannenboden befindlichen Material von unten durch den
Wannenboden ansteuerbar ist, wobei die Bestrahlungseinheit ein optisches Abbildungssystem umfasst, um die Strahlung nacheinander auf Fokuspunkte innerhalb des Materials zu fokussieren, wodurch jeweils ein am Fokuspunkt befindliches Volumenelement des Materials mittels
Multiphotonenabsorption verfestigbar ist. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinheit wenigstens ein im Strahlengang zwischen der Quelle der elektromagnetischen Strahlung und dem optischen
Abbildungssystem angeordnetes optisches Element umfasst, welches zur Änderung des Volumens des Fokuspunkts
ausgebildet ist .
Bevorzugt kann das wenigstens eine optische Element zur Veränderung der effektiven numerischen Apertur des
Abbildungssystems verwendet werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das wenigstens eine optische Element zur Variation des Strahldurchmessers entlang des Strahlengangs vorhanden ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das wenigstens eine optische Element von einer variablen Aufweitoptik oder einer
verstellbaren Blende gebildet ist. Bevorzugt kann auch vorgesehen sein, dass das wenigstens eine optische Element von einem diffraktiven optischen Element und/oder einer optischen Linse gebildet wird.
Insbesondere kann das wenigstens eine optische Element ein Strahlformungssystem umfassen, das z.B. zwei in variablem Abstand zueinander gehaltene Zylinderlinsen umfasst.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Variation des
Strahldurchmessers durch zumindest ein schnell bewegtes Ablenksystem erfolgt (z. B. Wobbein des Strahls und dadurch im zeitlichen Mittel eine Vergrößerung des
Fokuspunktvolumens) .
Bevorzugt kann die Änderung des Fokusvolumens durch einen schnellen Wechsel verschiedener Abbildungssysteme erfolgen.
Bevorzugt umfasst die Bestrahlungseinheit eine vorzugsweise vor dem optischen Abbildungssystem angeordnete
Ablenkeinheit, um den Fokuspunkt in einer zum Wannenboden im Wesentlichen parallelen Ebene zu verstellen.
Bevorzugt kann die Einheit zur Veränderung des
Fokuspunktvolumens ein schnelles Ablenksystem beinhalten, das den Strahl bevorzugt im rechten Winkel zu einer Achse der Ablenkeinheit verbreitert (z. B. Wobbein des Strahls und dadurch im zeitlichen Mittel eine Vergrößerung des Fokuspunktvolumens) .
Mit Vorteil ist eine mit der Bestrahlungseinheit
zusammenwirkende Steuereinheit dazu vorbereitet, in
aufeinanderfolgenden Bestrahlungsschritten in einer Schicht liegende Volumenelemente auf der Bauplattform zur
Ausbildung einer Schicht mit vorgegebener Geometrie durch Steuerung der Bestrahlungseinheit zu verfestigen und nach den Bestrahlungsschritten für die Schicht die
Relativposition der Bauplattform zum Wannenboden
anzupassen, um so sukzessive den Bauteil in der gewünschten Form aufzubauen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäße Verfahrens, Fig. 2 eine Einheit zur Fokusvolumenanpassung, Fig. 3 eine abgewandelte Ausbildung der Einheit zur Fokusvolumenanpassung, Fig. 4 eine weitere abgewandelte Ausbildung der Einheit zur
Fokusvolumenanpassung, Fig. 5 eine weitere abgewandelte Ausbildung der Einheit zur Fokusvolumenanpassung, Fig. 6 eine weitere abgewandelte Ausbildung der Einheit zur
Fokusvolumenanpassung und die Fig. 7 bis 10 verschiedene Baustrategien unter Verwendung von großen und kleinen
Volumenelementen.
In Fig. 1 ist ersichtlich, dass eine vom Laser 7 emittierte elektromagnetische Welle durch eine Einheit zur Veränderung des Fokuspunktvolumens 8 und über eine Strahlablenkeinheit 9 geführt und mittels eines optischen Abbildungssystems 10 durch eine transparente Bodenplatte 1 in ein
photosensitives Material 2 fokussiert wird. Im Brennpunkt 5 des optischen Abbildungssystems 10 kommt es zur
Zustandsänderung des photosensitiven Materials 2, womit das Bauteil 3 aufgebaut wird. Das Bauteil 3 hängt an einer Bauplattform 4, die in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Nachdem die aktuelle Schicht fertig belichtet wurde, wird die Bauplattform 4 angehoben und die nächste Schicht wird belichtet. Durch Verwendung eines Lasers 7 mit hoher Spitzenleistung ist der Einsatz von Multiphotonenabsorption möglich, sodass die Zustandsänderung des Materials nur im Fokus 5 stattfindet, nicht aber in der optisch „toten" Zone 6 zwischen dem Wannenboden 1 und der Bauplattform bzw. dem bereits gebildeten Bauteil. Somit kann es zu keiner
Anhaftung des Bauteils an der transparenten Bodenplatte 1 kommen .
Sämtliche Elemente in Fig. 1 sind lediglich symbolisch dargestellt und können beliebig und entsprechend dem Wissen des Fachmanns erweitert werden, beispielsweise durch
Einsatz zusätzlicher Linsensysteme, Blenden, Spiegel,
Filter oder Strahlteiler.
Fig. 2 zeigt schematisch die Einheit 8 zur Veränderung des Fokuspunktvolumens. Die Einheit umfasst ein diffraktives optisches Element 11, welches den eintreffenden Strahl in zwei Strahlen aufspaltet, die ein System aus zwei Linsen 12 und 13 durchlaufen. Die Aufspaltung des Strahls erfolgt mit dem Ziel, zwei Punkte nebeneinander in der Fokusebene zu erzeugen. Überlappen einander beide Punkten, kann man auch von einer Linie sprechen.
Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausbildung der Einheit 8 zur Fokusvolumenanpassung. Die Einheit 8 umfasst zwei
voneinander beabstandete koaxiale Zylinderlinsen 14 und 15, welche von dem Strahl durchlaufen werden. Das Strahlprofil vor dem Eintritt in die Einheit 8, und zwar in der
strichliert dargestellten Ebene, ist kreisrund. Am Austritt aus der Einheit 8 ist eine Komprimierung in Richtung der y- Achse zu beobachten. Daraus ergibt sich am Fokuspunkt 5 in der χ,ζ-Ebene und in der y, z-Ebene die in der Zeichnung dargestellt Ausdehnung des Fokuspunktvolumens.
Durch Einstellung des Abstands zwischen den Zylinderlinsen 14 und 15 ändert sich das Volumen des Gesamt-Fokuspunkts 5.
Ein ähnlicher Effekt ergibt sich bei Verwendung einer
Schlitzblende 11, wie dies in der Ausbildung gemäß Fig. 5 gezeigt ist, wobei hier jedoch Intensitätsverluste durch das Abschneiden des Strahls entstehen.
Bei der Ausbildung gemäß Fig. 4 bewirkt eine Irisblende 16 eine Reduzierung der effektiven numerischen Apertur des Abbildungssystems, wodurch das FokuspunktVolumen sowohl länger als auch breiter wird.
Der bei der Ausbildung gemäß Fig. 6 gezeigte Expander aus den Linsen 18 und 19 hat den gleichen Effekt wie die
Irisblende 16, vermeidet aber Intensitätsverluste, indem der Strahldurchmesser verkleinert wird ohne den Strahl abzuschneiden.
Die in den Fig. 2 bis 6 gezeigten Möglichkeiten zur
Änderung des Fokuspunktvolumens erfolgen insbesondere unter Verwendung von gepulstem Laserlicht mit einer Wellenlänge im Bereich von 400 bis 1600nm, wobei die Pulslänge zwischen lfs und Ins beträgt.
Fig. 7 zeigt einen Bauteil, der mittels eines Verfahrens aufgebaut wurde, bei dem ausschließlich kleine
Fokuspunktvolumina 22 ohne Adaption des Volumens verfestigt werden. Durch die hohe Auflösung ergibt sich eine große Anzahl zu schreibender Punkte und damit eine hohe Prozesszeit pro Schicht. Diese Baustrategie ist vorteilhaft für kleine, hochaufgelöste Strukturen, wo eine Adaption des Fokuspunktvolumens keinen Vorteil bringen würde oder der Durchsatz nicht entscheidend ist.
Für den in Fig. 8 dargestellten Bauprozess wird nur ein großes Fokuspunktvolumen 32 verwendet ohne Adaption des Volumens. Die Baustrategie hat einen hohen Durchsatz, aber niedrige Auflösung. Das Fokuspunktvolumen wird durch die optische Einheit 8 kontrolliert, wobei die Fläche des
Fokuspunktvolumens vergrößert und die effektive numerische Apertur an die gewünschte Schichtdicke angepasst wird.
Diese Baustrategie ist vorteilhaft für Bauteile, die keine hohe Auflösung benötigen, aber hoher Durchsatz gefordert wird.
Der mögliche Ablauf eines Bauprozesses mit zwei
unterschiedlichen Fokuspunktvolumina wird in Fig. 9
gezeigt. Durch Adaption des Fokuspunktvolumens während des Bauprozesses durch die optische Einheit 8 reduziert sich die Prozesszeit pro Schicht. Die zu bauende Struktur 41 wird Schicht für Schicht abwechselnd aus feinen 42 und groben Füllvolumina 43 aufgebaut. Mit dem feinen
Füllvolumina 42 werden jene Teile der Struktur belichtet, die nicht mit dem groben Füllvolumen 43 erreicht werden können. Es ist von Vorteil zuerst hochaufgelöste Teile mit dem kleinen Fokuspunktvolumen 42 zu schreiben und danach das innere Volumen zu füllen, da es durch bereits gebaute Strukturen zur Verzerrung des Fokuspunkts kommen kann. Das adaptive Fokuspunktvolumen ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit sowohl hoher Auflösung als auch hohem
Durchsatz. Diese Baustrategie eignet sich für Bauteile mit hoher Auflösung mit leichter Oberflächenrauigkeit . Der Ablauf der Baustrategie in Fig. 10 ist ähnlich der in Fig. 9 dargestellten Baustrategie, außer dass nun die Oberfläche des Bauteils mit einem zusätzlichen kleinen Fokuspunktvolumen 54 und kleiner Schichtdicke gebaut wird. Die drei Fokuspunktvolumina werden folgend benannt: das feine Füllvolumen 52, das grobe Füllvolumen 53 und das Oberflächenvolumen 54. Das Oberflächenvolumen besitzt das kleinste Volumen und damit die höchste Auflösung für eine gute Formwiedergabe von Ecken und Kanten. Das feine
Füllvolumen 52 ist gleich oder größer dem
Oberflächenvolumen 54 und füllt Lücken, die durch das grobe Füllvolumen 53 nicht erreicht werden können. Diese
Baustrategie eignet sich für Bauteile, bei denen eine ausgezeichnete Formwiedergabe, Oberflächenqualität und hoher Durchsatz gefordert werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur lithographiebasierten generativen
Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen (3), bei dem durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung
verfestigbares Material (2) in einer Wanne vorliegt, eine Bauplattform (4) in Abstand vom Wannenboden (1)
positioniert wird, zwischen der Bauplattform (4) und dem Wannenboden (1) befindliches Material (2) ortsselektiv mit Hilfe einer Bestrahlungseinheit bestrahlt wird, wobei die elektromagnetische Strahlung von unten durch einen für die Strahlung zumindest bereichsweise durchlässigen Wannenboden (1) in das Material (2) eingebracht und nacheinander auf Fokuspunkte (5) innerhalb des Materials (2) fokussiert wird, wodurch jeweils ein am Fokuspunkt (5) befindliches Volumenelement des Materials (2) verfestigt wird, wobei die Verfestigung mittels Multiphotonenabsorption erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Fokuspunkts (5) während des Verfahrens zumindest einmal variiert wird, sodass der Bauteil (3) aus verfestigten Volumenelementen unterschiedlichen Volumens aufgebaut wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Fokuspunktvolumens mittels wenigstens eines im Strahlengang zwischen der Quelle der
elektromagnetischen Strahlung und einem auf den Fokuspunkt (5) fokussierenden optischen AbbildungsSystem (10)
angeordneten optischen Elements (8) vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Fokuspunktvolumens durch Variation der effektiven numerischen Apertur des optischen
Abbildungssystems (10) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Änderung des Fokuspunktvolumens durch Variation des Strahldurchmessers entlang des
Strahlengangs erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Strahldurchmessers mittels einer variablen Aufweitoptik oder einer
verstellbaren Blende erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Element von einem diffraktiven optischen Element und/oder einer optischen Linse gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Element (8) ein Strahlformungssystem umfasst, das z.B. zwei in variablem Abstand zueinander gehaltene Zylinderlinsen (14,15) umfasst.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Variation des Strahldurchmessers durch zumindest ein schnell bewegtes Ablenksystem erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Apertur des optischen Abbildungssystems kleiner 0,8, vorzugsweise kleiner 0,2 gewählt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Fokuspunktvolumens in wenigstens einer, vorzugsweise in drei, senkrecht
zueinander stehenden Raumrichtungen erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung mittels einer vorzugsweise vor dem optischen
Abbildungssystem (10) angeordneten Ablenkeinheit (9) abgelenkt wird, um den Fokuspunkt (5) in einer zum
Wannenboden (1) im Wesentlichen parallelen Ebene zu verstellen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform (4) mit
fortschreitendem Baufortschritt schrittweise angehoben wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokuspunkt (5) im Abstand vom Wannenboden (1) angeordnet ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Normalabstand des Fokuspunktes (5) vom Wannenboden (1) bei variierendem Fokuspunktvolumen konstant gehalten wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Volumenelemente an der Oberfläche des herzustellenden Bauteils (3) aus verfestigten
Volumenelementen mit kleinerem Volumen aufgebaut werden als verfestigte Volumenelemente im Inneren des Bauteils (3) .
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das größte Fokuspunktvolumen größer 1μm3, bevorzugt größer 100μm3, insbesondere größer 10.000μm3 ist .
17. Vorrichtung zur lithographiebasierten generativen Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen (3), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend eine Quelle elektromagnetischer
Strahlung, eine Wanne mit einem zumindest bereichsweise für die Strahlung durchlässigen Boden (1), in die
verfestigbares Material (2) einfüllbar ist, eine
Bauplattform (4), die in einstellbarer Höhe über dem
Wannenboden (1) gehalten ist, und eine Bestrahlungseinheit, die zur ortsselektiven Bestrahlung von zwischen der
Bauplattforra (4) und dem Wannenboden (1) befindlichen
Materials (2) von unten durch den Wannenboden (1)
ansteuerbar ist, wobei die Bestrahlungseinheit ein
optisches Abbildungssystem (10) umfasst, um die Strahlung nacheinander auf Fokuspunkte (5) innerhalb des Materials (2) zu fokussieren, wodurch jeweils ein am Fokuspunkt (5) befindliches Volumenelement des Materials (2) mittels
Multiphotonenabsorption verfestigbar ist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinheit wenigstens ein im Strahlengang zwischen der Quelle der elektromagnetischen Strahlung und dem optischen Abbildungssystem (10)
angeordnetes optisches Element (8) umfasst, welches zur Änderung des Volumens des Fokuspunkts (5) ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Element (8) zur Änderung der effektiven numerische Apertur des Abbildungssystems ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Element (8) zur Variation des Strahldurchmessers entlang des Strahlengangs
eingerichtet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch
gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Element (8) von einer variablen Aufweitoptik oder einer
verstellbaren Blende gebildet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Element (8) von einem diffraktiven optischen Element und/oder einer optischen Linse gebildet wird.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Element (8) ein Strahlforraungssystem umfasst, das z.B. zwei in variablem Abstand zueinander gehaltene Zylinderlinsen (14,15) umfasst.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Apertur des optischen Abbildungssystems kleiner 0,8 gewählt ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinheit eine vorzugsweise vor dem optischen Abbildungssystem (10) angeordnete Ablenkeinheit (9) umfasst, um den Fokuspunkt (5) in einer zum Wannenboden (1) im Wesentlichen parallelen Ebene zu verstellen.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der
Bestrahlungseinheit zusammenwirkende Steuereinheit dazu vorbereitet ist, in aufeinanderfolgenden
Bestrahlungsschritten in einer Schicht liegende
Volumenelemente auf der Bauplattform (4) zur Ausbildung einer Schicht mit vorgegebener Geometrie durch Steuerung der Bestrahlungseinheit zu verfestigen und nach den
Bestrahlungsschritten für die Schicht die Relativposition der Bauplattform (4) zum Wannenboden anzupassen (1), um so sukzessive den Bauteil (3) in der gewünschten Form
aufzubauen.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinheit zur Einstellung eines Fokuspunktvolumens von größer lμm3, bevorzugt größer lOOμm3, insbesondere größer lO.OOOμm3 ausgebildet ist.
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