DE102005007793B4 - Verfahren zum sowohl Herausarbeiten als auch Herauslösen freigeformter Körper mit Laserstrahlen mindestens eines Lasers aus für die verwendete Laserwellenlänge transparenten Materialblöcken - Google Patents

Abstract

Verfahren zum sowohl Herausarbeiten als auch Herauslösen freigeformter Körper mit Laserstrahlen mindestens eines Lasers aus für die verwendete Laserwellenlänge transparenten Materialblöcken durch sowohl zum Laserstrahl senkrecht und nichtsenkrecht angeordnete Trennspalte als auch Trennspalte überbrückende und zum Separieren zerstörbarer Stege, wobei – der Materialblock (2) mit einer nicht planaren Oberfläche und/oder einer anderen beliebigen Form sich in einer die Laserstrahlen entweder nicht oder gering absorbierenden Flüssigkeit gleicher Brechzahl befindet, – auf der Flüssigkeit am Laserstrahleintritt sich eine diese bedeckende mindestens an der Oberseite plane Glasplatte befindet, – die Glasplatte mindestens eine Öffnung oder einen nach außen offenen Bereich aufweist, – mit kurzgepulsten Laserstrahlen Trennspalte (3) durch pulsweise und aneinandergesetzte Zerstörungen innerhalb des Materialblocks (2) an sich gegenüberliegenden Konturen der Körper (1) als Grenzflächen sowohl der Körper als auch von vorzugsweise bei Hinterschneidungen und Überhängen vorhandenen Abfallkörpern und der wenigstens eine den Trennspalt (3) überbrückende und damit...

Description

• Die Erfindung betrifft Verfahren zum sowohl Herausarbeiten als auch Herauslösen freigeformter Körper mit Laserstrahlen mindestens eines Lasers aus für die verwendete Laserwellenlänge transparenten Materialblöcken durch sowohl zum Laserstrahl senkrecht und nichtsenkrecht angeordnete Trennspalte als auch Trennspalte überbrückende und zum Separieren zerstörbarer Stege.
• Ein Mikroschneiden und damit ein Mikrozerlegen von biologischem Material ist unter anderem durch die Druckschrift WO 99/39176 A1 bekannt. In dieser wird ein mechanisches Handhabungssystem für einen Laser zum Mikrozerlegen beschrieben. Dieses Handhabungssystem dient der Selektion bestimmten biologischen Zellmaterials. Die Druckschrift DE 100 15 157 A1 (Verfahren zur Bearbeitung einer biologischen Masse und Steuersystem für eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer biologischen Masse) beschreibt die Bearbeitung einer biologischen Masse, wobei diese biologische Masse durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl einer Laserlichtquelle geschnitten und/oder zu einer Auffangvorrichtung katapultiert wird. Diese Verfahren dienen dem Schneiden biologischer Materialien. Durch die Druckschrift US 2002/0162360 A1 sind Verfahren und Einrichtungen zur Mikrobearbeitung von transparentem Vollmaterial durch lokales Erhitzen mit einer nichtlinearen absorbierten Laserstrahlung und dadurch hergestellte Bausteine bekannt. Dabei werden in einem Körper punktweise Regionen durch Laserstrahlen in dessen Brennpunkt erhitzt. Dadurch erfolgt eine Eigenschaftsänderung im transparenten Vollmaterial, so dass die optischen Eigenschaften des Vollmaterials bereichsweise gezielt verändert werden. Dadurch sind eine Vielzahl von passiven/aktiven optischen oder anderen Gegenständen thermisch mikrobearbeitbar.
• Aus den Druckschriften DE 100 43 506 C1 und DE 100 43 504 C2 sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen ein interessierender Probenbereich durch Laser-Mikrodissektion aus einer Probe herausgetrennt wird. Mit Mikrodissektion wird im Bereich der Biologie und der Medizin ein Verfahren bezeichnet, mit dem aus einer im allgemeinen flachen Probe (beispielsweise Zellen oder ein Gewebeabschnitt) ein kleines Stück mit einem feinen, fokussierten Laserstrahl ausgeschnitten wird.
• Der Schnitt erfolgt so, dass der interessierende Probenbereich und die Probe über einen Steg (Druckschrift DE 100 43 506 C1 ) oder mehrere Stege (Druckschrift DE 100 43 504 C2 ) miteinander verbunden bleiben, so dass der Probenbereich beim Schneiden nicht wegklappen kann. Bei diesen Verfahren handelt es sich um ein Ausschneiden mit überwiegend senkrecht zur Fläche der Probe verlaufenden Schnitten, die die Probe vollständig durchtrennen. Körper mit Ausnehmungen oder Hinterschneidungen sind damit nicht realisierbar.
• Durch die Druckschrift DE 199 21 236 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Probenaufnahme an Kryosubstraten bekannt, wobei Substratteile aus dem Substrat vollständig entlang einer Schnittlinie ausgeschnitten werden. Das Gleiche erfolgt bei dem durch die Druckschrift DE 196 03 996 C2 bekannten Sortierverfahren für planar ausgebrachte biologische Objekte mit Laserstrahlen, wobei ein Objektfeld mit dem Objekt vollständig ausgeschnitten wird.
• Die Druckschrift US 6 365 872 B1 beinhaltet ein Verfahren zum Herauslösen von Fenstern in vertikal angeordneten Platten. Die Schnitte zum Heraustrennen des Fensters werden dabei so geführt, dass das herausgetrennte Abfallstück selbstständig herausfällt. Probleme könnten dabei aber bei Fenstern beispielsweise mit einer C-, L-, T- oder V-Form auftreten. Das so geformte Abfallstück könnte im Fenster hängen bleiben. Deshalb wird dafür vorgeschlagen, einzelne Abfallstücke der auszuschneidenden Form so zu wählen, dass diese automatisch herausfallen. Zum Herauslösen des Fensters wird die vertikale Platte durchtrennt.
• Durch die Druckschrift US 6 627 844 B2 ist ein Verfahren bekannt, wobei bei der Erzeugung von zum Laserstrahl nicht senkrechter Grenzflächen und Trennspalte die pulsweisen Zerstörungen schichtweise in Form von geschlossenen oder offenen Linien entlang der Schnittkontur innerhalb einer zu einem kurzgepulsten Laserstrahl senkrechten Ebene ausgeführt werden.
• Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Freiformverfahren Körper beliebiger Geometrie mit den Eigenschaften des verwendeten Materialblocks einfach und schnell herzustellen.
• Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
• Die Verfahren zum sowohl Herausarbeiten als auch Herauslösen freigeformter Körper mit Laserstrahlen mindestens eines Lasers aus für die verwendete Laserwellenlänge transparenten Materialblöcken durch sowohl zum Laserstrahl senkrecht und nichtsenkrecht angeordnete Trennspalte als auch Trennspalte überbrückende und zum Separieren zerstörbarer Stege zeichnen sich dadurch aus, dass insbesondere auch großvolumige feinstrukturierte Körper durch ein schnelles Freiformen mit definierten Materialeigenschaften hergestellt werden können.
• Dazu befindet sich der Materialblock mit einer nicht planaren Oberfläche und/oder einer anderen beliebigen Form in einer die Laserstrahlen entweder nicht oder gering absorbierenden Flüssigkeit gleicher Brechzahl. Auf der Flüssigkeit befindet sich am Laserstrahleintritt eine diese bedeckende mindestens an der Oberseite plane Glasplatte. Die Glasplatte weist mindestens eine Öffnung oder einen nach außen offenen Bereich auf. Mit kurzgepulsten Laserstrahlen werden Trennspalte durch pulsweise und aneinandergesetzte Zerstörungen innerhalb des Materialblocks an sich gegenüberliegenden Konturen der Körper als Grenzflächen sowohl der Körper als auch von vorzugsweise bei Hinterschneidungen und Überhängen vorhandenen Abfallkörpern und der wenigstens eine den Trennspalt überbrückende und damit Körper fixierende Steg erzeugt. Die pulsweisen Zerstörungen zur Erzeugung zum Laserstrahl nichtsenkrechter Grenzflächen und Trennspalten werden schichtweise in Form von geschlossenen oder offenen Linien entlang der Schnittkontur innerhalb einer zum Laserstrahl senkrechten Ebene ausgeführt, wobei Trennspalte durch eine willkürliche oder stochastische Vernetzung der pulsweisen Zerstörungen entstehen.
• Durch die Laserstrahlen werden im transparenten Materialblock Trennspalte zwischen den entstehenden Körpern und dadurch definierte Grenzflächen erzeugt. Die durch den Trennspalt oder die Trennspalte entstehenden Körper werden bis zu ihrer jeweiligen Separierung durch verbleibende Stege, die die Trennspalte überbrücken, räumlich fixiert. Die Körper können nach ihrer Separierung sowohl das Produkt darstellen oder dazu erzeugt sein, um als Körper aus einer durch das Verfahren erzeugten Kavität ausgetragen zu werden. Die Trennspalte sind so angeordnet, dass sie sich schnell erzeugen lassen und alle Körper einfach voneinander separiert werden können. Das kann so erfolgen, dass der den Körper umgebende restliche Materialblock durch Trennspalte so geteilt wird, dass er sich in Form von zusätzlichen Körpern, die keine Überhänge aufweisen, leicht entfernen lässt. Alternativ kann der Körper zum Beispiel in der Form eines Kegels auch mit einem umlaufenden Trennspalt versehen werden. Nach der Realisierung des herzustellenden Körpers als Produkt werden die ihn umgebenden Körper als weitere Produkte oder als Abfall entfernt. Die Stege werden dabei zerstört. Restliche Bestandteile der Stege am Körper werden durch die Anwendung bekannter Bearbeitungstechnologien entfernt.
• Ein wesentlicher Vorteil besteht dabei darin, dass auf diese Weise mit einem Freiformverfahren ein Körper mit den definierten Eigenschaften des Materialblocks, mit Hinterschneidungen, Überhängen und Kavitäten schnell hergestellt werden kann. Kurze Laserpulse als Laserstrahlen mit dadurch hervorgerufenen pulsweisen Zerstörungen an der Körperkontur oder den Körperkonturen ermöglichen eine exakte punktweise Bearbeitung, wobei je nach Laser Auflösungen bis 5 μm erreichbar sind. Die Trennspalte sind dadurch vorteilhafterweise gleichzeitig Grenzflächen des Körpers oder der Körper.
• Durch eine willkürliche oder stochastische Vernetzung der Zerstörungen entstehen Trennspalte. Über eine beliebige Verteilung der pulsweisen Zerstörungen werden örtliche Überhitzungen im Materialblock und daraus resultierende Spannungen und eventuell Risse im Materialblock und damit in den Körpern weitestgehend vermieden. Gleichzeitig besteht aber auch die Möglichkeit, gezielt Spannungen im Körper abzubauen.
• Die pulsweisen Zerstörungen zur Erzeugung von Grenzflächen, die keine senkrecht zum Laserstrahl angeordnete Ebenen sind, werden in Form von zweidimensionalen Linien entlang der Schnittkontur ausgeführt, so dass schichtweise dreidimensionale Konturen erzeugt werden.
• Bei einem Materialblock mit einer nicht planaren Oberfläche und/oder einer anderen beliebigen Form befindet sich dieser Materialblock in einer die Laserstrahlen entweder nicht oder gering absorbierender Flüssigkeit gleicher Brechzahl, so dass insbesondere vorgeformte Materialblöcke leicht weiter bearbeitet werden können. Weiterhin können nicht spannbare oder befestigbare Materialblöcke gegenüber dem Laserstrahl leicht platziert werden, so dass eine Bearbeitung leicht möglich ist.
• Die Glasplatte erlaubt einen definierten Eintritt des Laserstrahles durch die plane Oberfläche der Glasplatte ohne störende optische Effekte durch gekrümmte Oberflächen der Flüssigkeit. Mit einer Öffnung oder einem offenen Bereich der Glasplatte erfolgt ein Druckausgleich bei Erhitzung der Flüssigkeit.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben.
• Die schichtweise Bearbeitung erfolgt dabei vorteilhafterweise nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 in Richtung des Lasers entlang des Laserstrahles, wobei eine Ablenkung oder Streuung des Laserstrahles an bereits bearbeitetem Material vermieden wird.
• Der Materialblock weist entweder nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 eine stark temperaturabhängige Absorption oder nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 eine stark intensitätsabhängige Absorption auf, so dass ein sehr präzises und definiertes Bearbeiten möglich ist.
• Die Weiterbildung des Patentanspruchs 5, wobei der Materialblock im sichtbaren Wellenlängenbereich opak oder transluzent und im nahen IR-Wellenlängenbereich transparent ist, führt zu einer einfachen Bearbeitungsmöglichkeit mit zum Beispiel Nd:YAG-Laserstrahlung.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden mit den Zeichnungen näher beschrieben.
• Es zeigen jeweils prinzipiell in einer Schnittdarstellung:
• 1 einen Trennspalt zwischen zwei Körpern aus einem Materialblock mit einem Steg,
• 2 einen Körper mit Hinterschneidung in einem Materialblock mit Trennspalten und Stegen und
• 3 einen Körper aus einem Materialblock mit einer Kavität, deren Füllmaterial durch Trennspalte in einzelne und entfernbare Körper aufgeteilt wurde.
• Bei der Herstellung von Körpern 1 aus Materialblöcken 2 unter Verwendung sowohl elektromagnetischer Strahlen eines Lasers als auch für die verwendete Laserwellenlänge transparenten Materialblöcken 2 werden durch die Laserstrahlen im Materialblock 2 auf einer Seite und/oder beiden Seiten des Trennspaltes 3 oder der Trennspalte 3 definierte Grenzflächen der entstehenden Körper 1 erzeugt. Dabei verbleibt zwischen den Grenzflächen der Körper 1 wenigstens ein Steg 4. Der Steg 4 ist eine Sollbruchstelle zur Trennung der Körper 1.
• Die 1 zeigt in einer prinzipiellen Schnittdarstellung einen Trennspalt 3 zwischen zwei Körpern 1a, 1b aus einem Materialblock 2 mit einem Steg 4.
• Die Trennspalte 3 sind so angeordnet, dass diese sich schnell erzeugen lassen und die Körper 1 einfach voneinander separiert werden können. Nach der Realisierung des wenigstens einen Körpers 1 aus einem Materialblock 2 werden die ihn umgebenden Körper 1 als Abfallkörper entfernt. Die Stege 4 werden dabei zerstört. Die restlichen Bestandteile der Stege 4 am Körper 1 werden durch die Anwendung bekannter Bearbeitungstechnologien entfernt. Die Körper 1 im Materialblock 2 können auch Hinterschneidungen aufweisen (Darstellung in der 2).
• Mit der Anwendung des Verfahrens können auch Kavitäten 5 (Darstellung in der 3) realisiert werden. Dabei wird in Kavitäten 5 eingeschlossenes Material durch das Verfahren in Teilkörper zerlegt, die nach der Realisierung des Körpers 1 sofort oder nach der Trennung der diese Teilkörper verbindenden Stege 4 aus der Kavität 5 ausgetragen werden können.
• Basis ist ein Materialblock 2, wobei das unbearbeitete Material entweder eine stark temperaturabhängige oder eine stark intensitätsabhängige Absorption aufweist. Dieser Materialblock 2 wird mit Laserstrahlen mindestens eines Lasers beaufschlagt, wobei die Laserstrahlen kurze Laserpulse sind. Die durch die Laserpulse hervorgerufenen pulsweisen Zerstörungen an der Kontur der Körper 1 sind dabei so aneinandergesetzt, dass auf einer Seite oder beiden Seiten des entstehenden Trennspalts 3 Grenzflächen der resultierenden Körper 1 entstehen. Willkürlich aneinander gesetzte Zerstörungen können zum Beispiel in Form von geordneten Mustern vorliegen, wobei sich die Zerstörungen berühren.
• Die pulsweisen Zerstörungen zur Erzeugung von Grenzflächen und Trennspalten 3, die nicht koplanar mit einer senkrecht zum Laserstrahl liegenden Ebene verlaufen, werden schichtweise in Form von zweidimensionalen Linien entlang der Schnittkontur ausgeführt, wobei die schichtweise Bearbeitung in Richtung des Lasers erfolgt. Die 2 und 3 zeigen beispielhaft prinzipiell Körper 1 mit Trennspalten 3. Die angegebenen Buchstaben a bis i der 2 und a bis k der 3 entsprechen einer Reihenfolge des Einbringens der Trennspalte.
• Zur Herstellung eines dreidimensionalen Körpers 2 zum Beispiel als mikrosystemtechnisches Bauteil wird als Laser ein kurzgepulster Nd:YAG-Laser verwendet.
• Die dadurch hergestellten transparenten Körper 1 können durch eine chemische Behandlung in Form von Ätzen oder durch eine mechanische Behandlung der Oberfläche in Form von Mikrostrahlen von transparent in opak umgewandelt werden. Alternativ kann ein Materialblock 2 aus transluzentem oder opakem Material, das im nahen IR-Wellenlängenbereich transparent ist, eingesetzt werden. Das ist insbesondere bei zahntechnischen Anwendungen besonders vorteilhaft.
• Für Mikrokavitäten mit internen Stellelementen für zum Beispiel mikrofluidische Anwendungen wird ein Femtosekundenlaser angewandt. Damit sind sehr hohe Auflösungen erzielbar.
• Mit einer Nachbehandlung durch die Anwendung mechanischer, thermischer, chemischer oder Ultraschall-Verfahren können glatte Oberflächen der Körper 1 erzielt werden. Weiterhin können die Körper 1 durch die Anwendung chemischer Verfahren eingefärbt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum sowohl Herausarbeiten als auch Herauslösen freigeformter Körper mit Laserstrahlen mindestens eines Lasers aus für die verwendete Laserwellenlänge transparenten Materialblöcken durch sowohl zum Laserstrahl senkrecht und nichtsenkrecht angeordnete Trennspalte als auch Trennspalte überbrückende und zum Separieren zerstörbarer Stege, wobei – der Materialblock (2) mit einer nicht planaren Oberfläche und/oder einer anderen beliebigen Form sich in einer die Laserstrahlen entweder nicht oder gering absorbierenden Flüssigkeit gleicher Brechzahl befindet, – auf der Flüssigkeit am Laserstrahleintritt sich eine diese bedeckende mindestens an der Oberseite plane Glasplatte befindet, – die Glasplatte mindestens eine Öffnung oder einen nach außen offenen Bereich aufweist, – mit kurzgepulsten Laserstrahlen Trennspalte (3) durch pulsweise und aneinandergesetzte Zerstörungen innerhalb des Materialblocks (2) an sich gegenüberliegenden Konturen der Körper (1) als Grenzflächen sowohl der Körper als auch von vorzugsweise bei Hinterschneidungen und Überhängen vorhandenen Abfallkörpern und der wenigstens eine den Trennspalt (3) überbrückende und damit Körper (1) fixierende Steg (4) erzeugt werden, – die pulsweisen Zerstörungen zur Erzeugung zum Laserstrahl nichtsenkrechter Grenzflächen und Trennspalte (3) schichtweise in Form von geschlossenen oder offenen Linien entlang der Schnittkontur innerhalb einer zum Laserstrahl senkrechten Ebene ausgeführt werden, wobei Trennspalte durch eine willkürliche oder stochastische Vernetzung der pulsweisen Zerstörungen entstehen.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schichtweise Bearbeitung in Richtung des Lasers entlang des Laserstrahles erfolgt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialblock (2) eine stark temperaturabhängige Absorption aufweist.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialblock (2) eine stark intensitätsabhängige Absorption aufweist.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialblock (2) im sichtbaren Wellenlängenbereich opak oder transluzent und im nahen IR-Wellenlängenbereich transparent ist.

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