DE102020132417B4

DE102020132417B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mikroskopischen dreidimensionalen Multimaterialstrukturen

Info

Publication number: DE102020132417B4
Application number: DE102020132417.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Richter; Robert KIRCHNER; Mathias Busek
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2024-05-29
Anticipated expiration: 2040-12-08
Also published as: DE102020132417A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer mikroskopischen dreidimensionalen Multimaterialstruktur unter Verwendung einer Bestrahlungseinheit, umfassend die Schritte:a) Erstellen eines Fertigungsplanes anhand eines vorgegebenen Modells der zu erzeugenden Struktur, wobei der Fertigungsplan für jeden mit Hilfe eines Fertigungsschrittes zu erzeugenden Strukturpixel die Parameter einer Materialportion aus einem strahlungssensitiven Material, die Bestrahlungsparameter und die Druckposition enthält,b) Bereitstellen einer Mehrzahl von diskreten Materialportionen aus einem strahlungssensitiven Material oder aus einem ein Edukt eines strahlungssensitiven Materials enthaltenden Material, wobei jede Materialportion in Form eines Tropfens oder eines Segments des Materials bereitgestellt und das Material und das Volumen des Materials jeweils für einen auszuführenden Fertigungsschritt entsprechend des Fertigungsplanes ausgewählt ist, wobei eine Materialportion ein Volumen im Bereich von 1 fL bis 1 µL aufweist, wobei die laterale Ausdehnung eines Tropfens oder Segments im Bereich von 1 µm bis 1000 µm liegt,c) Zuführung einer der Materialportionen an eine Druckposition auf einer Druckunterlage entsprechend des Fertigungsplanes,d) Ortsselektive Bestrahlung der Materialportion mit elektromagnetischer Strahlung mittels der Bestrahlungseinheit, derart, dass in einem Fokuspunkt der Bestrahlungseinheit eine sensitive Reaktion des Materials der Materialportion erfolgt und ein Strukturpixel erzeugt wird,e) Abführung des Teils der Materialportion, der nicht zur Erzeugung des Strukturpixels beigetragen hat, von der Druckposition,f) Wiederholung der Schritte c) bis e), wobei sich die Druckposition und/oder die nacheinander zugeführten Materialportionen hinsichtlich des Materials und/oder der Größe für einige oder alle Wiederholungen unterscheiden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikroskopischen dreidimensionalen Multimaterialstruktur unter Verwendung einer Bestrahlungseinheit sowie eine dafür verwendete Vorrichtung.
Zur Herstellung einstückiger komplexer 3D-Strukturen sind verschiedene Verfahren bekannt, von denen der Mehrphotonendruck eine Auflösung im Millimeter- bis Mikrometer und Submikrometerbereich erlaubt. 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 oder Strukturpixel, die kleinste Einheit der dreidimensionalen Struktur, entsteht. Zur Herstellung der gesamten Struktur wechselt der Fokuspunkt Schritt für Schritt, indem dieser, regelmäßig jedoch nicht zwangsläufig punktweise, einer Bewegungsbahn folgt und die Struktur schichtweiseaufgebaut wird.
Zur Auslösung der Polymerisation wird langwellige Laserstrahlung erzeugt und über optische Komponenten fokussiert, 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 Mehrphotonendruck herzustellen, mussten bisher aufwendige und sequentielle Prozessschritte durchgeführt werden. Zunächst wurde das Material A gedruckt. Danach wurde das überschüssige, d.h. nicht vernetzte, Material A 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 jedoch die Struktur erst nach der vollständigen Fertigstellung stabil genug. Weiterhin sind einige Materialien gegebenenfalls nach dem Spülen nicht mehr reaktiv genug, um eine Anbindung eines weiteren Materials zu ermöglich.
Eine für das Verfahren verwendbare Druckvorrichtung weist neben der für das Verfahren geeigneten Strahlungsquelle für eine flächige oder ortsselektive Bestrahlung eine Materialzufuhr auf, welche die benötigten flüssigen und pastösen Druckmaterialien in Abhängigkeit vom Umfang der Bestrahlung in der erforderlichen Menge und am erforderlichen Ort bereitstellt. Weiter ist eine Haltevorrichtung ausgebildet, welche eine Unterlage, auf der die 3D-Struktur erzeugt wird, oder die bereits teilweise erzeugte 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.
Darüber hinaus ist bekannt, verschiedene Druckmaterialien, von denen mindestens eine ein photovernetzbares Druckmaterial ist, getrennt voneinander mittels jeweils eines Materialausgangs direkt ortsselektiv und dosierbar an eine Druckposition zuzuführen. Damit vermischen sich die verschiedenen Druckmaterialien erst an der Druckposition, wodurch ein schnellerer Wechsel der Materialzusammensetzung an der Druckposition und ein geringerer Materialaufwand sowie ein geringerer Spülaufwand ermöglicht wird. Jedoch führt die Verwendung von mehr als zwei Druckmaterialien zu einem stark erhöhten Vorrichtungsaufwand und ggf. Problemen bezüglich der Anordnung der Materialausgänge in der Nähe der Druckposition, wodurch die Erzeugung von sehr kleinen Strukturen und aus vielfältigen Materialien zusammengesetzten Strukturen erschwert ist.
Weiterhin ist aus Mayer et al. „Multimaterial 3D laser microprinting using an integrated microfluidid system", Sci. Adv. 2019; 5: eaau9160 bekannt, dass die ortsselektive Bestrahlung und Aushärtung verschiedener selektiv, jedoch kontinuierlich zugeführter flüssiger Ausgangsmaterialien in einem Fluidkanal mittels Mehrphotonenpolymerisation möglich ist. Die Bestrahlung muss dabei durch ein dünnes und damit den Druck im Fluidkanal limitierendes strahlungstransparentes Fenster erfolgen. Diese Lösung erlaubt jedoch nur ein sehr geringes Bauvolumen, welches regelmäßig durch die Größe des Fluidkanals und durch den maximalen Arbeitsabstand der verwendeten Optiken beschränkt wird.
Die US 2020/0122140 A1 offenbart ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein Mikrofluid-Chip genutzt wird, welcher aus mindestens drei Schichten besteht: einer Abscheideschicht, einer elastischen Membran und einer Kammer zwischen den ersten beiden Schichten, wobei die Kammer mehrere Einlässe aufweist, die mit verschiedenen Fluidreservoiren verbunden sind, einen Druckbereich und mindestens einen Auslass. Im Betrieb wird über mindestens einen Einlass ein Fluid in die Kammer eingespeist, welches dann die ganze Kammer ausfüllt. Die Membran wird zuvor oder anschließend derart bewegt, dass sich im Druckbereich ein vorgesehener Abstand zwischen der Membran und der Abscheideschicht einstellt. Das in diesem Bereich vorhandene Fluid wird dann bestrahlt und vernetzt an den bestrahlten Stellen. Anschließend wird das noch in der Kammer befindliche unvernetzte Fluid mit einem Spülfluid oder mit Hilfe des nächsten, für die Strukturerzeugung verwendeten Fluids ausgewaschen und über den Auslass abtransportiert. Die US 2020/0122140 A1 beschreibt damit ein klassisches Kontinuierlichflusssystem, bei dem jeweils ein Fluid, bspw. ein vernetzbares Material (ink für printing) oder ein Spülfluid, die gesamte Kammer füllt und wieder abgeführt werden muss, wobei die Größe des Volumens des Fluids durch die Größe der Kammer oder mindestens die Größe des Druckbereichs definiert wird.
Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik beschäftigt sich die Erfindung mit der Aufgabe, ein Verfahren, insbesondere 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, d.h. von Strukturpixel zu Strukturpixel, möglich sein. Dabei schließen die Variationen in der erzeugten 3D-Struktur sowohl einen Wechsel des Druckmaterials als auch eine Änderung der Eigenschaften desselben Materials ein. Die 3D-Strukturen sollen auch im Mikrometer- und Submikrometerbereich herstellbar sein.
Darüber hinaus sollen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden, insbesondere soll der Zeit- und Handhabungsaufwand zum Wechsel des Druckmaterials bzw. seiner Eigenschaften sowie der Aufwand für eine präzise Positionierung des Druckmaterials reduziert werden.
Diese Aufgabe ist durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikroskopischen dreidimensionalen Multimaterialstruktur, im Folgenden 3D-Struktur genannt, unter Verwendung einer Bestrahlungseinheit umfasst die Schritte zum Erstellen eines Fertigungsplanes, zum Bereitstellen einer Mehrzahl von diskreten Materialportionen, zur Zuführung einer der Materialportionen, zur ortsselektiven Bestrahlung der Materialportion und zur Ableitung des Teils der Materialportion, der nicht zur Erzeugung des Strukturpixels beigetragen hat. Die Schritte zur Zuführung einer der Materialportionen, zur ortsselektiven Bestrahlung der Materialportion und zur Abführung des Teils der Materialportion werden mindestens einmal, vorzugsweise mehrmalig, in dieser Reihenfolge für verschiedene Materialportionen wiederholt.
Der Fertigungsplan wird anhand eines vorgegebenen Modells der zu erzeugenden Struktur erstellt. Er enthält für jeden mit Hilfe eines Fertigungsschrittes zu erzeugenden Strukturpixel die Parameter einer Materialportion aus einem strahlungssensitiven Material, die Bestrahlungsparameter und die Druckposition. Ein Fertigungsschritt enthält dabei genau einen Bestrahlungsschritt und kann darüber hinaus weitere Schritte enthalten und führt letztlich zur Erzeugung eines Strukturpixels. Die Parameter einer Materialportion für einen Fertigungsschritt beinhalten die Materialart, also die konkrete Zusammensetzung der Materialportion, und das Volumen der Materialportion. Dabei besteht die Materialportion aus einem flüssigen bis pastösen strahlungssensitiven Material, also einem Material, welches in seinen Eigenschaften durch eine Strahlung derart verändert werden kann, dass in Folge der Bestrahlung ein Strukturpixel entsteht. Jedoch kann das Material verschiedene Bestandteile enthalten, von denen mindestens einer, aber nicht alle, auch nicht-strahlungssensitiv sein kann. Ein strahlungssensitives Material enthält mindestens einen strahlungssensitiven Bestandteil, der infolge der Bestrahlung einen Strukturpixel bildet, z.B. einen durch Strahlung vernetzbaren Stoff wie bspw. ein Acrylat, Epoxid oder Hydrogel, und üblicherweise, jedoch nicht notwendigerweise einen Photoinitiator. Das strahlungssensitive Material kann darüber hinaus auch anderweitig auf Strahlung reagierende Bestandteile, die jedoch allein nicht zur Entstehung eines Strukturpixels führen, z.B. organische Farbstoffmoleküle, Fluoreszensstoffe, inorganische Quantenfarbstoffe (Quantenpunkte), aber auch Dotierstoffe oder Füllstoffe als nicht-strahlungssensitive Bestandteile enthalten. Mit Hilfe der Dotier- oder Füllstoffe oder der anderweitig auf Strahlung reagierenden Bestandteile können die Eigenschaften der Materialportion und damit des erzeugten Strukturpixels, wie bspw. optischer Brechungsindex, Magnetisierungsstärke, Farbgebung, Fluoreszenz, Schrumpf- und Quellverhalten und andere, variiert werden. Ebenso kann die Konzentration eines Vernetzers zwischen verschiedenen Materialportionen variiert werden, wodurch Strukturpixel oder Strukturen, die nur als Opferstruktur oder Opferschicht fungieren und später wieder aufgelöst werden können, erzeugt werden können. Auch solche Opferstrukturen sollen im Sinne der Anmeldung unter einem Strukturpixel verstanden werden. Zudem ist auch ein reaktiver Druck von Strukturpixeln denkbar, bei dem die Synthese der strahlungssensitiven Bestandteile oder der strahlungssensitiven Materialportion erst kurz vor dem Bestrahlen, bspw. durch eine chemische Reaktion, erfolgt. So können bspw. zwei oder mehr bereitgestellte Materialportionen, von denen mindestens eine ein Edukt eines strahlungssensitiven Materials enthält, während der Zuführung der Materialportionen zur Druckposition miteinander vermischt werden, so dass die für einen individuellen Fertigungsschritt notwendige Materialportion aus einem strahlungssensitiven Material erzeugt und an die Druckposition zugeführt wird. Die im Fertigungsplan für jeden Fertigungsschritt enthaltenen Bestrahlungsparameter enthalten die Bestrahlungszeit und die Intensität der Bestrahlung sowie die räumliche Lage der Bestrahlungseinheit relativ zur räumlichen Lage des zu erzeugenden Strukturpixels bzw. einer Druckunterlage, auf der der Strukturpixel erzeugt werden soll. Damit ist sichergestellt, dass während des Schrittes zur Bestrahlung der Fokuspunkt der Bestrahlungseinheit am Ort des zu erzeugenden Strukturpixels liegt. Darüber hinaus ist im Fertigungsplan für jeden Fertigungsschritt die Druckposition, d.h. die Position der entsprechenden Materialportion während des Bestrahlungsschrittes, enthalten.
Der Fertigungsplan kann neben den Fertigungsschritten, von denen jeder zur Erzeugung eines Strukturpixels führt, auch weitere Schritte, wie bspw. Schritte zum Spülen, Trocknen, Positionieren etc. enthalten, von denen einige noch erläutert werden. Auch für jeden dieser weiteren Schritte werden die dafür notwendigen Parameter, wie bspw. die Materialart und das Volumen einer Spülportion, d.h. einer Portion einer Spülflüssigkeit, oder die Temperatur und Dauer eines Trocknungsschrittes, im Fertigungsplan hinterlegt.
Die Parameter der einzelnen Fertigungsschritte und ggf. weiteren Schritte des Fertigungsplanes ergeben sich aus den Parametern der herzustellenden 3D-Struktur sowie den Eigenschaften der verwendeten Materialien und Vorrichtungen. Sie sind für einen Fachmann in bekannter Weise ermittelbar. Nach einer ersten Synthese des Fertigungsplanes kann dieser mittels einer Simulation verifiziert und ggf. geändert und angepasst werden. Der erstellte Fertigungsplan wird in einer Steuereinheit, die die einzelnen Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens steuert, hinterlegt und damit für die Herstellung der 3D-Struktur bereitgestellt.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird eine Mehrzahl von diskreten Materialportionen aus einem strahlungssensitiven Material oder aus einem ein Edukt eines strahlungssensitiven Materials enthaltenden Material bereitgestellt. Dabei wird jede dieser Materialportionen in Form eines Tropfens oder eines Segments des Materials durch ein Bereitstellungssystem bereitgestellt, wobei das Material und das Volumen des Materials für jede Materialportion jeweils für einen auszuführenden Fertigungsschritt entsprechend des Fertigungsplanes ausgewählt ist. Mit anderen Worten: In diesem Verfahrensschritt werden die für jeden einzelnen Fertigungsschritt benötigten Materialportionen erzeugt und so abgelegt bzw. bereitgestellt, dass sie später entsprechend des Fertigungsplanes verwendet werden können.
Diese Verwendung einer solchen Materialportion beinhaltet das Zuführen der Materialportion an eine Druckposition auf einer Druckunterlage entsprechend des Fertigungsplanes. Beim reaktiven Druck wird darüber hinaus noch die strahlungssensitive Materialportion während des Zuführens an die Druckposition durch Vermischen zweier bereitgestellter Materialportionen erzeugt. Die jeweilige Druckposition ist der Ort, an dem das strahlungssensitive Material zur Erzeugung des jeweiligen Strukturpixels während der Bestrahlung vorliegt, sodass mit Hilfe der ortsselektiven Bestrahlung der Materialportion eine Reaktion des strahlungssensitiven Materials erfolgt und ein Strukturpixel erzeugt wird. Damit schließt die Druckposition den Ort des zu erzeugenden Strukturpixels ein, ist aber im Allgemeinen wesentlich größer als dieser. So hat die Druckposition bspw. eine laterale Ausdehnung, z.B. einen Durchmesser, von mehreren µm, während der Strukturpixel eine laterale Ausdehnung im Bereich von kleiner als 1 µm bis wenige nm haben kann. Die Druckunterlage, auf der sich die Druckposition befindet und auf der die Materialportion zur Erzeugung des Strukturpixels angeordnet wird, kann ein Substrat oder eine andere Grenzfläche sein, wie bspw. die bereits teilweise hergestellte 3D-Struktur oder eine Oberfläche eines anderen festen oder flüssigen Mediums. Bei sehr kleinen Substraten oder bereits teilweise hergestellten 3D-Strukturen kann die Druckposition auch größer als die Druckunterlage selbst sein. Das heißt, dass die Materialportion, also der Tropfen oder das Segment, die Druckunterlage vollständig bedeckt oder sogar umhüllt.
Wenn sich die strahlungssensitive Materialportion an der entsprechenden Druckposition befindet, erfolgt die ortsselektive Bestrahlung der Materialportion mit elektromagnetischer Strahlung mittels der Bestrahlungseinheit, derart, dass in einem Fokuspunkt der Bestrahlungseinheit eine Reaktion innerhalb des Materials der Materialportion erfolgt und ein Strukturpixel erzeugt wird. Die Reaktion des Materials kann bspw. eine Vernetzung des Materials sein. Dabei erfolgt die Bestrahlung mit den Bestrahlungsparametern entsprechend des Fertigungsplanes und ist vorzugsweise eine Mehrphotonen-Bestrahlung.
Nach Beendigung der Bestrahlung wird der Teil der Materialportion, der nicht zur Erzeugung des Strukturpixels beigetragen hat, der also bspw. nicht vernetzt ist, von der Druckposition wieder abgeführt oder abgeleitet. Damit verbleibt an der Druckposition nur der erzeugte Strukturpixel. Die Materialabführung kann dabei zeitversetzt zur Beendigung der Bestrahlung ausgeführt werden, wenn die durch die Bestrahlung im Material ausgelöste Reaktion eine längere Zeitdauer für die vollständige Ausführung, z.B. Vernetzung, benötigt.
Wie bereits erwähnt, werden die Schritte zur Zuführung einer der Materialportionen, zur ortsselektiven Bestrahlung der Materialportion und zur Abführung des Teils der Materialportion mindestens einmal, vorzugsweise mehrmalig, in dieser Reihenfolge wiederholt. Bei Verwendung mehrerer Zuführeinrichtungen zur Zuführung einer Materialportion können auch mehrere Materialportionen gleichzeitig an verschiedene Druckpositionen, die örtlich getrennt voneinander sind, zugeführt werden. Darüber hinaus können bei der Verwendung mehrerer Bestrahlungseinheiten auch mehrere Materialportionen gleichzeitig ortsselektiv bestrahlt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass der Schritt zum Bereitstellen einer Materialportion eines folgenden Fertigungsschrittes während des Zuführens oder Bestrahlens oder des Abführens einer Materialportion eines vorhergehenden Fertigungsschrittes erfolgt. Mit anderen Worten: Es können alle Materialportionen für alle Fertigungsschritte bereits vor Beginn des Zuführens der ersten Materialportion an ihre entsprechende Druckposition bereitgestellt werden oder es werden zumindest einige Materialportionen erst dann bereitgestellt, wenn bereits einige andere Materialportionen verarbeitet, d.h. zugeführt, bestrahlt und/oder abgeführt, und damit bereits einige Strukturpixel erzeugt wurden. Alternativ kann auch jeweils eine Materialportion bereitgestellt, sofort an die entsprechende Druckposition zugeführt, dort bestrahlt und anschließend teilweise wieder abgeführt werden. Jedoch erlaubt die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche zeitliche und räumliche Trennung der Bereitstellung einer Materialportion von den Schritten des Zuführens, Bestrahlens und Abführens eine effektive Arbeitsweise des Gesamtverfahrens.
Da die Materialportionen jeweils entsprechend eines bestimmtes Strukturpixels diskret in ihrer Zusammensetzung und ihrer Größe ausgebildet sind, können die für den jeweiligen Strukturpixel notwendigen Materialeigenschaften sehr präzise und schnell bereitgestellt werden, wobei nur die absolut notwendigen Materialmengen eingesetzt werden müssen und keine langwierigen und aufwendigen Wechsel in der Materialzuführung oder Spülprozesse notwendig sind. Damit ist die Erzeugung kleinster Strukturpixel sowie von Strukturen mit Gradienten der Eigenschaften oder mit stark variierenden Eigenschaften zwischen benachbarten Strukturpixeln möglich.
Unter einem flüssigen bis pastösen Material wird ein Material mit einer Viskosität im Bereich von 100 mPas bis kleiner als 10000 mPas, vorzugsweise im Bereich von 1000 mPas bis 5000 mPas verstanden.
In Ausführungsformen des Verfahrens werden die Materialportionen im Schritt zum Bereitstellen der Materialportionen in einer durch den Fertigungsplan vorbestimmten Reihenfolge in eine Zuführeinrichtung hintereinander eingespeist und in dieser Reihenfolge im Schritt zum Zuführen an die jeweilige Druckposition zugeführt. Dabei können die einzelnen Materialportionen zunächst einzeln erzeugt und bspw. in einer mikrofluidischen Tropfenhandhabungsplattform, z.B. einem Elektrodenarray, bereitgestellt, bewegt und später in der richtigen Reihenfolge in die Zuführeinrichtung eingespeist und damit hintereinander angeordnet werden. Alternativ können die einzelnen Materialportionen auch mit Hilfe von dem Fachmann bekannten Manipulatoren in einem kanalbasierten Konzept aus einem größeren Materialvorrat erzeugt und in die Zuführeinrichtung eingespeist werden.
In Ausführungsformen liegen die jeweiligen diskreten Materialportionen während des Zuführens an die Druckposition, d.h. in der Zuführeinrichtung, als disperse Phase in einer kontinuierlichen Phase, die vorzugsweise und in der Regel nicht mit der dispergierten Phase mischbar ist, vor. Das heißt, die Materialportionen liegen als Tropfen oder Segmente in einem Trägerfluid getrennt voneinander und in der für den Fertigungsprozess richtigen Reihenfolge hintereinander angeordnet vor und werden mit diesem Trägerfluid zu der jeweiligen Druckposition befördert. Als Trägerfluid können Flüssigkeiten, z.B. ein Öl, wie bspw. Mineralöle, Silikonöle und teil- oder vollständig fluorierte Öle, oder Gase, wie bspw. Stickstoff oder Argon, eingesetzt werden, wobei das Trägerfluid die Materialien der Materialportionen vorzugsweise nicht beeinflusst. Alternativ können die einzelnen diskreten Materialportionen auch als Segmente in einem Kanal hintereinander, d.h. ohne ein umgebendes Trägerfluid, angeordnet werden und direkt aneinandergrenzen. Da in dem Kanal keine Turbulenzen auftreten, vermischen sich die einzelnen Segmente nur diffusiv, d.h. sehr langsam, so dass praktisch keine ungewollte Vermischung der Segmente auftritt.
In Ausführungsformen des Verfahrens wird jeweils zwischen diskreten Materialportionen, welche aus einem unterschiedlichen Material bestehen, eine Spülportion bereitgestellt und an eine Spülposition zu- und von dieser abgeführt. Die Spülposition kann die Druckposition der vorhergehenden Materialportion oder die Druckposition der nachfolgenden Materialportion oder auch irgendeine Position dazwischen sein und kann auch mehrere der genannten Positionen enthalten. Die Spülflüssigkeit dient der vollständigen Entfernung aller noch vorhandenen Teile einer vorhergehenden Materialportion von der Spülposition, so dass die nachfolgende Materialportion bei ihrer Verarbeitung nicht durch Reste einer vorhergehenden Materialportion beeinflusst oder beeinträchtigt wird. Als Spülflüssigkeit können bspw. Aceton, kurzkettige und langkettige Alkohole sowie organische Lösungsmittel eingesetzt werden, wobei sich auch hier die Zusammensetzung der Spülflüssigkeit für jede Spülportion unterscheiden kann. Auch die Spülportion ist als Tropfen oder Segment ausgebildet und wird in der gleichen Art und Weise bereitgestellt sowie zu- und abgeführt wie die Materialportionen. Dabei ist sicherzustellen, dass sich praktisch weder das Trägerfluid und die Spülportionen, noch die Materialportionen und die Spülportionen während der Bereitstellung und Zuführung der Material- und Spülportionen miteinander vermischen oder miteinander interagieren.
Wenn ein Spülvorgang zwischen zwei Fertigungsschritten zur Erzeugung eines Strukturpixels ausgeführt wird, d.h. bei Vorliegen einer Spülportion an der Spülposition, so wird die Bestrahlung in speziellen Ausführungsformen des Verfahrens unterbrochen. Dabei bedeutet eine Unterbrechung der Bestrahlung, dass die Bestrahlungsparameter, z.B. Bestrahlungszeit und die Intensität der Bestrahlung sowie die räumliche Lage der Bestrahlungseinheit relativ zur räumlichen Lage der Spülposition, derart ausgeprägt sind, dass weder in noch gegebenenfalls vorhandenen Teilen einer Materialportion, noch in der Spülportion eine durch die Strahlung hervorgerufene Reaktion ausgelöst wird. Altemativ können die Bestrahlungsparameter auch so eingestellt werden, dass eine gewünschte Reaktion innerhalb der Spülportion ausgelöst wird, um bspw. die Spülwirkung zu erhöhen.
Wenn ein Spülvorgang zwischen zwei Fertigungsschritten zur Erzeugung eines Strukturpixels ausgeführt wird, so kann dieser Spülvorgang in Ausführungsformen zusätzlich einen Schritt zum Trocknen der Spülposition beinhalten, der nach dem Ableiten der Spülportion ausgeführt wird, bevor eine weitere Materialportion an die entsprechende Druckposition in einem nächsten Schritt zum Zuführen einer Materialportion zugeführt wird. Wird für die Bestrahlung eine Immersionsoptik genutzt, bei der die Bestrahlungseinheit in Kontakt mit der zu bestrahlenden Materialportion oder einer sie umgebenden Trägerflüssigkeit steht, so sollte kein Schritt zum Trocknen ausgeführt werden, da die Benetzung der Optik mit einer Flüssigkeit erhalten bleiben sollte. In diesem Fall kann zur vollständigen Entfernung der Spülflüssigkeit von der nächsten Druckposition auch eine Materialportion mit der für den nächsten Fertigungsschritt notwendigen Materialzusammensetzung, möglicherweise aber einem anderen Volumen, verwendet werden. Diese Materialportion ist dann eine Opferportion, die keine Bestrahlung erfährt und auf die die eigentliche Materialportion zur Erzeugung des Strukturpixels an derselben Druckposition folgt.
In Ausführungsformen des Verfahrens werden in mindestens einem Schritt zum Zuführen der Materialportion an die Druckposition und/oder in mindestens einem Schritt zum Bestrahlen der Materialportion die betreffende Materialportion und die Druckunterlage relativ zueinander durch Drehen der Materialposition und/oder der Druckunterlage um mindestens eine Raumachse und/oder durch Verschieben der Materialposition und/oder der Druckunterlage entlang mindestens einer Raumachse an der Druckposition feinpositioniert. Zur Positionierung der Materialportion kann beispielsweise eine Elektrodenanordnung genutzt werden, wobei die Materialportion mittels Dielektrophorese gedreht oder verschoben werden kann. Auch die Druckunterlage kann auf diese Art positioniert werden, bspw. wenn sie in einem Fluid schwimmt oder schwebt. Aber auch andere Möglichkeiten der Positionierung der Druckunterlage, bspw. mittels mechanischer Komponenten, sind möglich. Wird die Materialportion und/oder die Druckunterlage während des ortsselektiven Bestrahlens gedreht, so kann die Bestrahlung komfortabel von verschiedenen Seiten und/oder mit verschiedenen Winkeln erfolgen, ohne die Position der Bestrahlungseinheit verändern zu müssen.
Vorzugsweise werden für die Bereitstellung und/oder Zuführung der diskreten Materialportionen und/oder die Feinpositionierung der Materialportionen und der Druckunterlage relativ zueinander mikrofluidische Manipulatoren eingesetzt. Dies sind bspw. Mikroventile, Mikropumpen, Mikromischer, Elektroden zum Fixieren und/oder Bewegen einer Materialportion mittels Dielektrophorese (DEP) oder zur Einstellung einer Benetzung einer Oberfläche durch eine Flüssigkeit mittels Electrowetting, insbesondere Electrowetting on Dielektrics (EWOD), Mikrokanäle, Präzisionsdruckquellen, Düsen, Vorrichtungen auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen (surface acousitc wave, SAW) und andere dem Fachmann bekannte Vorrichtungen. Auch die Spülportionen können mit derartigen mikrofluidischen Manipulatoren bereitgestellt, zu- und abgeführt sowie feinpositioniert werden.
Erfindungsgemäß hat eine Materialportion, d.h. ein Tropfen oder ein Segment, ein Volumen im Bereich von 1 fL (Femtoliter, 10^-15 L) bis 1 µL (bevorzugt 1 nL), wobei die laterale Ausdehnung eines Tropfens oder Segments im Bereich von 1 µm bis 1000 µm (bevorzugt 100 µm) liegt. Demgegenüber hat die Druckunterlage in Ausführungsformen des Verfahrens oder zeitweise während des Verfahrens eine laterale Ausdehnung im Bereich von 1 µm bis 1000 µm (bevorzugt 100 µm) und der erzeugte Strukturpixel hat eine laterale Ausdehnung im Bereich von 0,01 µm bis 10 µm (bevorzugt im Bereich von 0,1 µm bis 1 µm). So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bspw. komplexe Objekte aus Kompositmaterialien für Suspensions-Array-Techniken in der Analyse von DNA-Sequenzen oder mikrorobotische Strukturen für den Einsatz in der Mikrochirurgie erzeugt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer mikroskopischen dreidimensionalen Multimaterialstruktur umfasst eine Bestrahlungseinheit, ein Bereitstellungssystem, ein Zuführ- und Abführsystem, eine Druckeinrichtung sowie eine Steuereinheit.
Die Bestrahlungseinheit umfasst dabei eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung sowie eine Fokussierungseinrichtung, auch Bestrahlungsoptik genannt. Die Bestrahlungsoptik kann so ausgebildet sein, dass sie im Betriebsfall mit einer Flüssigkeit, in der das zu bestrahlende Material vorliegt, oder mit dem zu bestrahlenden Material selbst in Kontakt steht, was als Immersionsoptik bezeichnet wird. Jedoch kann die Bestrahlungsoptik im Betriebsfall auch durch ein Gas, z.B. Luft, oder ein festes Material, wie bspw. die Wand der Druckeinrichtung, von der Flüssigkeit, in der das zu bestrahlende Material vorliegt, oder von dem zu bestrahlenden Material selbst getrennt sein. Darüber hinaus kann die Bestrahlungseinheit auch Mittel zur Ausrichtung der Strahlung, wie bspw. Ablenkvorrichtungen, enthalten. Die Strahlungsquelle ist bspw. ein Laser, kann aber auch ein andersweitig geeigneter Lichtemitter sein, wobei die Art der Strahlungsquelle mit dem strahlungssensitiven Material korrespondiert.
Das Bereitstellungssystem ist geeignet, diskrete Materialportionen aus einem strahlungssensitiven Material oder aus einem ein Edukt eines strahlungssensitiven Materials enthaltenden Material in Form von Tropfen oder Segmenten des Materials zu erzeugen, wobei das Material und das Volumen des Materials für jede individuelle Materialportion entsprechend eines auszuführenden Fertigungsschritts eines Fertigungsplanes ausgewählt ist. Dazu ist das Bereitstellungssystem geeignet, mit mindestens zwei verschiedenen Materialreservoiren verbunden zu werden, von denen mindestens eines ein strahlungssensitives Grundmaterial oder ein Grundmaterial mit einem Edukt eines strahlungssensitiven Materials enthält. Ein solches Grundmaterial ist bspw. ein Monomer, Oligomer oder andersweitig ausgebildetes Präpolymer. Üblicherweise bilden rein organische Materialien wie z. B. Acrylate, Epoxide oder Hydrogele das Grundmaterial. Es können aber auch hybrid organisch-anorganische Materialien wie Organo-Metall-Verbindungen, wie z. B. Ormocere®, weitere siliziumhaltige Verbindungen oder andere verwandte Materialien verwendet werden. Das Grundmaterial, welches in dem zweiten oder in einem weiteren Materialreservoir enthalten ist, kann bspw. ein Dotierstoff, ein Füllstoff oder ein anderes Material sein und kann auch ein weiteres strahlungssensitives Grundmaterial oder ein Grundmaterial mit einem Edukt eines strahlungssensitiven Materials sein. Das Bereitstellungssystem ist geeignet, vorgegebene Volumina der Grundmaterialien aus den mindestens zwei Materialreservoiren zu entnehmen und diese weiterzubehandeln. Eine Weiterbehandlung kann bspw. darin bestehen, ein entnommenes Materialvolumen zu teilen, zu bewegen oder mit einem anderen Materialvolumen zu vereinigen und zu mischen. Im Ergebnis entstehen diskrete Materialportionen mit einer definierten Zusammensetzung des Materials und einer definierten Größe der Materialportion. Die Volumina der zu entnehmenden Grundmaterialien werden von der Steuereinheit vorgegeben. Darüber hinaus ist das Bereitstellungssystem geeignet, die diskreten Materialportionen in einer durch die Steuereinheit entsprechend dem Fertigungsplan vorgegebenen Reihenfolge in das Zuführ- und Abführsystem, genauer gesagt in eine Zuführeinheit des Zuführ- und Abführsystems, einzuspeisen.
Das Zuführ- und Abführsystem ist geeignet, die von dem Bereitstellungssystem erzeugten diskreten Materialportionen in einer definierten Reihenfolge entsprechend des Fertigungsplanes an eine Druckposition auf einer Druckunterlage zu transportieren und Teile der Materialportionen, die nicht zur Erzeugung eines Strukturpixels während einer Bestrahlung beigetragen haben, von der Druckposition wieder abzuführen. Dazu enthält das Zuführ- und Abführsystem eine Zuführeinrichtung und eine Abführeinrichtung, wobei die Zuführ- und die Abführeinrichtungen getrennt voneinander, miteinander verbunden oder sogar einstückig ausgeführt sein können. Das Zuführ- und Abführsystem kann bspw. einen offenen oder geschlossenen Kanal, d.h. eine nach oben offene oder nach oben geschlossene Röhre, enthalten. Das Zuführ- und Abführsystem kann dabei so ausgebildet sein, dass sich eine Materialportion auch in der Druckposition innerhalb des Zuführ- und Abführsystems befindet. Dies ist dann möglich, wenn auch die Druckunterlage innerhalb des Zuführ- und Abführsystems angeordnet sein kann. Ist dies nicht der Fall, so enthält die Zuführeinrichtung einen Materialausgang, aus welchem jeweils eine Materialportion an der Druckposition austritt, und die Abführeinrichtung enthält einen Materialeingang, an welchem jeweils der Teil der Materialportion, der nicht zur Erzeugung eines Strukturpixels beigetragen hat, wieder von der Druckposition in das Zuführ- und Abführsystem eintritt. Das Zuführ- und Abführsystem kann dabei passiv ausgebildet sein, d.h. es enthält keine Steuerungs- oder Manipulationselemente, wie bspw. Ventile, Weichen oder Elektroden. Alternativ kann das Zuführ- und Abführsystem auch aktiv ausgebildet sein, d.h. es kann Steuerungs- oder Manipulationselemente enthalten.
Die Druckeinrichtung ist geeignet, die Druckunterlage und die Materialportion während eines Bestrahlungsvorganges an der Druckposition zu halten. Damit kann die Druckeinrichtung bei größeren zu erzeugenden 3D-Strukturen ein Substrathalter oder eine andere geeignete Auflage oder Halterung und offen oder geschlossen gegenüber der Umgebung sein. Bei einem geschlossenen Aufbau kann eine für die Erzeugung der 3D-Struktur vorteilhafte Atmosphäre, z.B. eine Schutzgasatmosphäre, oder eine geeignete neutrale Fluidumgebung aus z.B. oben genannten Ölen in der Druckeinrichtung und damit an der Druckposition erzeugt werden. Bei kleinen zu erzeugenden 3D-Strukturen kann die Druckeinrichtung auch ein Teil des Zuführ- und Abführsystems sein, bspw. ein Teil eines offenen oder geschlossenen Kanals. Dabei können sich die Abmessungen der Druckeinrichtung auch von den Abmessungen der übrigen Teile des Zuführ- und Abführsystems, d.h. der Zuführ- und der Abführeinrichtungen, unterscheiden.
Die Steuereinheit ist geeignet, mindestens die Bestrahlungseinheit und das Bereitstellungssystem entsprechend des Fertigungsplanes zu steuern. Ist das Zuführ- und Abführsystem als aktives System ausgebildet, so ist die Steuereinheit ebenfalls geeignet, das Zuführ- und Abführsystem zu steuern.
Alle Bestandteile der Vorrichtung sind derartig miteinander verbunden, dass sie die von ihnen zu erfüllende Funktion ausführen können. So ist die Steuereinheit bspw. mittels kabelgebundener oder kabelloser Daten- und/oder Signalleitungen mit der Bestrahlungseinheit und dem Bereitstellungssystem verbunden.
In Ausführungsformen enthält das Bereitstellungssystem eine mikrofluidische Tropfenhandhabungsplattform, die geeignet ist, diskrete Tropfen eines Materials bereitzustellen und in das Zuführ- und Abführsystem einzuspeisen. Eine solche Tropfenhandhabungsplattform kann bspw. ein Elektrodenarray sein, mit dem gezielt Tropfen aus einem großen Materialvolumen, bspw. einem Materialreservoir, entnommen, bewegt, verformt, geteilt und mit anderen Tropfen verbunden und vermischt werden können. Damit können sowohl die Zusammensetzung als auch das Volumen des letztlich entstehenden Materialtropfens definiert eingestellt, der Materialtropfen definiert bewegt und verschiedene Materialtropfen in eine definierte Reihenfolge gebracht werden.
In anderen Ausführungsformen enthält das Bereitstellungssystem ein mikrofluidisches Kanalsystem, das geeignet ist, diskrete Segmente eines Materials bereitzustellen und in das Zuführ- und Abführsystem einzuspeisen. Bei diesem kanalbasierten Konzept sind im Betriebsfall die Materialreservoire über Kanäle mit einem Hauptkanal verbunden. Mittels Pumpen, Ventilen, Weichen oder elektroosmotischem Fluss werden dabei den einzelnen Kanälen definierte Materialmengen entnommen, ggf. vermischt und in den Hauptkanal als Segmente eingespeist. Die Reihung der Segmente in dem Hauptkanal erfolgt durch T- oder Y-Verbindungen mit definierten Drücken oder Förderratenunterschieden.
Neben den Materialportionen, die zur Erzeugung eines Strukturpixels dienen, können auf die gleiche Weise durch das Bereitstellungssystem Spülportionen erzeugt bzw. bereitgestellt und durch das Zuführ- und Abführsystem an eine Spülposition transportiert und von dieser abgeleitet werden.
In allen Fällen kann das Bereitstellungs- oder das Zuführ- und Abführsystem auch ein Trägerfluid bereitstellen, welches als Trennmedium zwischen den einzelnen Tropfen oder Segmenten bei der Zuführung der Materialportionen oder der Spülportionen an die Druck- bzw. Spülposition dient.
In Ausführungsformen enthält das Zuführ- und Abführsystem mikrofluidische Manipulatoren. Damit kann bspw. die Transportgeschwindigkeit der Materialportionen oder der Spülportionen gezielt gesteuert oder auch eine Vermischung benachbarter Tropfen oder Segmente erreicht werden. Eine derartige Vermischung von Tropfen oder Segmenten aus verschiedenen Materialien kann bspw. eine chemische Reaktion auslösen, die zur Erzeugung einer Materialportion aus einem strahlungssensitiven Material führt.
In Ausführungsformen enthält die Vorrichtung weiterhin ein System zur Feinpositionierung, das geeignet ist, eine betreffende Materialportion und die Druckunterlage relativ zueinander durch Drehen der Materialportion und/oder der Druckunterlage um mindestens eine Raumachse und/oder durch Verschieben der Materialportion und/oder der Druckunterlage entlang mindestens einer Raumachse an der Druckposition feinzupositionieren. Dazu kann das System zur Feinpositionierung Elektroden aufweisen, die eine Bewegung der Materialportion und/oder der Druckunterlage oder auch ein Festhalten oder „Einfangen“ an der Druckposition, bspw. durch Dielektophorese, erlauben. Eine derartige Bewegung der Druckunterlage ist dann möglich, wenn die Druckunterlage frei in einem Fluid schwimmt oder schwebt. In anderen Fällen kann die Druckunterlage auch mechanisch oder mit anderen Hilfsmitteln bewegt werden.
In Ausführungsformen enthält die Vorrichtung weiterhin ein System zur Lageveränderung der Bestrahlungseinheit und/oder der Druckunterlage, welches geeignet ist, die räumliche Position der Bestrahlungseinheit und der Druckunterlage relativ zueinander entsprechend des Fertigungsplanes einzustellen. Ist die Druckunterlage beweglich angeordnet, können das System zur Feinpositionierung und das System zur Lageveränderung auch durch ein und dasselbe System realisiert sein.
Sowohl das erfindungsgemäße Verfahren als auch die erfindungsgemäße Vorrichtung können an verschiedenste Drucksysteme adaptiert werden. Insbesondere kann der bekannte Multiphotonendruck genutzt werden, wobei es keine Einschränkungen gegenüber etablierten Prozessen gibt.
Im Nachfolgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren verdeutlicht werden. Dabei sind die Abmessungen der einzelnen Elemente sowie deren Relation zueinander nicht maßstäblich, sondern nur schematisch wiedergegeben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende gleichartige Bauteile.
Es zeigen:

1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine schematische Darstellung einer Tropfenhandhabungsplattform,
4A bis 4F eine schematische Darstellung verschiedener Fertigungsschritte bzw. von weiteren Schritten zur Herstellung einer 3D-Struktur und
5 eine schematische Darstellung einer erzeugten 3D-Struktur.

In 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei wird zunächst in einem ersten Schritt ein Fertigungsplan erstellt (S10). Dieser enthält für jeden Fertigungsschritt, bei dem ein Strukturpixel der herzustellenden 3D-Struktur erzeugt wird, sowie für jeden weiteren Schritt, wie bspw. einen Spülschritt, die notwendigen Parameter für die verwendeten Materialportionen oder Spülportionen sowie für die Bestrahlung und die Positionierung der Materialportion und der Druckunterlage sowie der Druckunterlage und der Bestrahlungseinheit relativ zueinander. Dieser Fertigungsplan wird einer Steuereinheit bereitgestellt, die geeignet ist, die einzelnen Systeme und Einrichtungen einer Vorrichtung zur Herstellung der 3D-Struktur mittels Steuerbefehlen entsprechend des Fertigungsplanes zu steuern. Im Schritt S10 können auch Simulationsprogramme zum Einsatz kommen, um den Fertigungsplan zu verifizieren und ggf. eine Korrektur des Fertigungsplanes zu ermöglichen.
In einem zweiten Schritt (S20) wird eine Mehrzahl von diskreten Materialportionen in Form von Tropfen oder Segmenten eines strahlungssensitiven Materials entsprechend des Fertigungsplanes bereitgestellt. Darüber hinaus werden auch diskrete Spülportionen bereitgestellt. Jeweils eine Materialportion wird zur Erzeugung eines Strukturpixels an eine Druckposition auf einer Druckunterlage zugeführt (S30). Anschließend oder gleichzeitig werden die Materialportion und die Druckunterlage relativ zueinander feinpositioniert (Schritt S40). Optional ist auch eine Einstellung der Position der Druckunterlage und der Bestrahlungseinheit relativ zueinander möglich, was jedoch in 1 nicht dargestellt ist. Anschließend wird ein Strukturpixel durch eine ortsselektive Bestrahlung der Materialportion, insbesondere eine Multiphotonen-Bestrahlung, an der Druckposition erzeugt (S50). Bei der Bestrahlung wird in dem strahlungssensitiven Material eine Reaktion auf die Bestrahlung hervorgerufen, die bspw. eine chemische Reaktion wie eine Vernetzung sein kann. Dabei kann der erzeugte Strukturpixel jedoch auch eine Opferstruktur sein, die später wieder aufgelöst wird.
Ist der Schritt zum Erzeugen eines Strukturpixels abgeschlossen, so wird der Teil der Materialportion, der nicht zur Erzeugung des Strukturpixels beigetragen hat, d.h. der nicht Bestandteil des erzeugten Strukturpixels ist, von der Druckposition abgeleitet (S60). Anschließend wird die Druckposition, an der sich im Schritt S50 die Materialportion befand, gespült, indem eine Spülportion an die Druckposition zugeführt und wieder von ihr abgeleitet wird (Schritt S70). Dabei kann die Spülportion eine vorgegebene Zeitdauer an der Druckposition verweilen, so dass der Spülvorgang rein diffusiv erfolgt. Alternativ kann der Spülvorgang auch advektiv per angeregter Konvektion in der Portion der Spülflüssigkeit bzw. zwischen aufeinanderfolgenden Spülportionen erfolgen. Auch eine Kombination aus diffusivem und advektivem Spülvorgang ist möglich. Die Auswahl des Spülvorgangs hängt von der Stabilität der bereits erzeugten Struktur ab.
Sollen gemäß dem Fertigungsplan weitere Strukturpixel erzeugt werden, was in Schritt S80 abgefragt wird, so werden die Schritte S30 bis S70 mit weiteren Materialportionen und weiteren Spülportionen an derselben oder weiteren Druckpositionen ausgeführt.
Der Schritt S20 zum Bereitstellen der Materialportionen kann für die weiteren Materialportionen und Spülportionen auch gleichzeitig mit den in Bezug auf eine erste Materialportion ausgeführten Schritten S30 bis S80 ausgeführt werden. Vorzugsweise werden mehrere Materialportionen und Spülportionen entsprechend dem Fertigungsplan hintereinander angeordnet und in eine Zuführeinrichtung, die zur Ausführung des Schrittes S30 genutzt wird, eingespeist.
2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Herstellung einer mikroskopischen 3D-Struktur mittels Bestrahlung in einer Ausführungsform. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Bestrahlungseinheit 10, ein Bereitstellungssystem 20, ein Zuführ- und Abführsystem 30, eine Druckeinrichtung 40, eine Steuereinheit 50 sowie ein System 60 zur Feinpositionierung und ein System 70 zur Lageveränderung. Auch ein Entsorgungssystem 80 ist Teil der Vorrichtung 100 in der dargestellten Ausführungsform.
Die Bestrahlungseinheit 10 enthält eine Strahlungsquelle 11, bspw. einen Laser, und gegebenenfalls weitere optische Komponenten, wie akustooptische Modulatoren, Shutter, Spiegel, Linsen, Filter und optische Leiter, sowie eine Fokussierungsvorrichtung 12 und ist geeignet, elektromagnetische Strahlung, welche in 2 durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist, auszusenden. Derartige Bestrahlungseinheiten sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt und sind bspw. zur Multiphotonenbestrahlung von strahlungssensitiven Materialien geeignet. Die Multiphotonenbestrahlung ermöglicht eine ortsselektive und sehr fein aufgelöste Bestrahlung von Materialien, bspw. mit einer lateralen Ausdehnung von wenigen nm.
Das Bereitstellungssystem 20 ist mit Materialreservoiren 21a bis 21d verbunden und geeignet, aus diesen vorgegebene Volumina der Materialien, unter denen auch eine Spülflüssigkeit sein kann, zu entnehmen und weiterzubehandeln. Insbesondere können die Volumina weiter geteilt, Volumina unterschiedlicher Materialien miteinander vermischt und die entstehenden diskreten Materialportionen oder Spülportionen gezielt bewegt und in ihrer Reihenfolge zueinander positioniert werden. Das Bereitstellungssystem 20 kann eine Tropfenhandhabungsplattform, welche ein Elektrodensystem oder ein System aus SAW-Bauelementen enthält, oder ein kanalbasiertes System mit verschiedenen Kanälen, T- oder Y-Verbindungen oder anderen Manipulatoren sein. Das Bereitstellungssystem 20 ist derart mit dem Zuführ- und Abführsystem 30 verbunden, dass es die bereitgestellten Materialportionen oder Spülportionen in einer durch den Fertigungsplan vorgegebenen Reihenfolge einspeisen kann.
Das Zuführ- und Abführsystem 30 enthält eine Zuführeinrichtung 31 und eine Abführeinrichtung 32 und dient dem Zuführen bzw. Abführen von Materialportionen oder Spülportionen an eine Druckposition in der Druckeinrichtung 40. Die Zuführeinrichtung 31 und die Abführeinrichtung 32 können gleichartig ausgebildet sein und bspw. ein Kanal sein und mikrofluidische Manipulatoren zum Transport der Materialportionen oder Spülportionen aufweisen. Solche Manipulatoren können ein Elektrodensystem oder ein System aus SAW-Bauelementen oder Mikropumpen oder ähnliche sein. Die Abführeinrichtung 32 ist mit dem Entsorgungssystem 80 verbunden. Das Entsorgungssystem 80 entsorgt abgeführte und nicht zur Herstellung der 3D-Struktur genutzte Teile der zugeführten Materialportionen und die Spülportionen nach ihrer Verwendung. Dabei kann das Entsorgungssystem 80 auch verschiedene Behandlungen für verschiedene Materialportionen oder die Spülportionen und ggf. auch eine Aufbereitung einiger oder aller Materialien zur Wiederverwertung ermöglichen. Bei einer Wiederverwertung ist auch eine Verbindung zwischen dem Entsorgungssystem 80 und einigen oder allen der Materialreservoire 21a bis 21d zum Transport der Materialien möglich.
Die Druckeinrichtung 40 ist geeignet, eine Druckunterlage 41 und eine Materialportion während eines Bestrahlungsvorganges an der Druckposition zu halten. Mit anderen Worten: Innerhalb der Druckeinrichtung 40 erfolgt die eigentliche Erzeugung eines Strukturpixels einer 3D-Struktur durch das Bestrahlen. Die Druckeinrichtung 40 kann dabei einstückig mit dem Zuführ- und Abführsystem 30 ausgebildet oder eine separate Einrichtung sein.
Leitungen, die zum Transport eines Stoffes, z.B. eines Druckmaterials oder einer Spülflüssigkeit, dienen, sind in der 2 als durchgängige Striche dargestellt.
Die Steuereinheit 50 ist geeignet, die Bestrahlungseinheit 10, das Bereitstellungssystem 20, das Zuführ- und Abführsystem 30 sowie das System 60 zur Feinpositionierung und das System 70 zur Lageveränderung entsprechend einem Fertigungsplan zu steuern. Dazu überträgt es entsprechende Steuerbefehle an die genannten Einheiten, was in der 2 durch durchgängige Pfeile zwischen diesen Komponenten dargestellt ist. Die Übertragung kann kabelgebunden oder kabellos erfolgen. Die Steuereinheit 50 kann ebenfalls das Entsorgungssystem 80 steuern. Die Steuereinheit 50 kann darüber hinaus mit Sensoren oder anderen Überwachungssystem, z.B. optischen Systemen, verbunden sein, die bspw. die Feinpositionierung einer Materialportion, der Druckunterlage 41 oder der Bestrahlungseinheit 10 überwacht und diesbezüglich Daten an die Steuereinheit 50 übermittelt, so dass diese ggf. ihre Steuerung der betreffenden Vorrichtungskomponenten anpassen kann.
Das System 60 zur Feinpositionierung dient der Positionierung einer Materialportion und der Druckunterlage 41 relativ zueinander an der Druckposition. Vorzugsweise ist das System 60 zur Feinpositionierung ein Elektrodensystem, welches die Bewegung der Materialportion oder der Druckunterlage 41 entlang einer oder rotierend um eine Raumachse ermöglicht. Aber auch ein System auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen (surface acousitc wave, SAW) kann als System 60 zum Einsatz kommen.
Das System 70 zur Lageveränderung dient der Einstellung der räumlichen Lage der Bestrahlungseinheit 10 und der Druckunterlage 41 relativ zueinander. Dabei kann die Lage der Bestrahlungseinheit 10 im Ganzen verändert werden oder es können Komponenten der Bestrahlungseinheit 10 beeinflusst werden, welche eine Wirkung auf die Ausrichtung der von der Bestrahlungseinheit 10 ausgesandten Strahlung aufweisen, z.B. eine Ablenkvorrichtung oder die Fokussierungseinheit 12. Eine derartige Ausgestaltung ist in 2 dargestellt. Dabei kann das System 70 zur Lageveränderung auch in die Bestrahlungseinheit 10 integriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Lage der Druckunterlage 41 verändert werden. Dies kann prinzipiell mit denselben Elementen erfolgen, die auch das System 60 zur Feinpositionierung nutzt. Damit können das System 60 zur Feinpositionierung und das System 70 zur Lageveränderung auch miteinander kombiniert werden oder das System 70 zur Lageveränderung kann vollständig durch das System 60 zur Feinpositionierung realisiert werden.
Da das System 60 zur Feinpositionierung und das System 70 zur Lageveränderung nicht physisch mit der Druckeinrichtung 40 bzw. der Bestrahlungseinheit 10 verbunden sein müssen, sondern ihre Wirkung auch kontaktlos erreichen können, sind die entsprechenden Wirkverbindungen in der 2 durch durchgehende Pfeile zwischen den betreffenden Komponenten dargestellt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Tropfenhandhabungsplattform 22, die in Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Bestandteil des Bereitstellungssystems ist. Die Tropfenhandhabungsplattform 22 dient zur Bildung von Tropfen, bspw. aus verschiedenen Grundmaterialien, sowie deren weiteren Behandlung. Dazu weist die Tropfenhandhabungsplattform 22 Pfade 23 und Elektroden 24 auf. Die Pfade 23 sind die Wege, auf denen sich die Tropfen innerhalb der Tropfenhandhabungsplattform 22 bewegen können. Welche Pfade 23 von einem individuellen Tropfen genutzt werden und wie ein individueller Tropfen behandelt wird, dies wird mit den Elektroden 24 mittels Dielektrophorese gesteuert. Die Elektroden 24 können bspw. am Boden der Pfade 23 angeordnet sein, wie dies in 3 dargestellt ist, sie können aber auch anders angeordnet sein, bspw. seitlich eines Pfades 23. Elektrodenanordnungen für eine Behandlung von Tropfen mittels Dielektrophorese sind dem Fachmann bekannt.
Die Tropfenhandhabungsplattform 22 ist mindestens eine Grundplatte, auf der die Pfade 23 als abgegrenzte kanalartige Gebilde oder ohne jegliche seitliche Abgrenzung ausgebildet sind. Die Elektroden 24 können dabei auf der den Tropfen zugewandten Oberfläche der Grundplatte oder auf der den Tropfen abgewandten Oberfläche der Grundplatte angeordnet oder in das Material der Grundplatte eingebettet sein. Die Pfade 23 sind jeweils mit mindestens einem Materialreservoir 21a bis 21e oder einem Reservoir 21f für Spülflüssigkeit verbunden, so dass sich Tropfen, die aus diesen Materialreservoiren 21a bis 21e oder dem Reservoir 21f für Spülflüssigkeit durch Materialentnahme gebildet wurden, auf den Pfaden 23 bewegen können. Unter der Behandlung eines Tropfens ist im Sinne der Anmeldung das Teilen eines Tropfens, das Verschmelzen bzw. Vermischen zweier Tropfen und der Transport eines Tropfens zu verstehen.
Ohne Nutzung von Elektroden können Tropfen auch bei der Mischung einer kontinuierlichen Phase mit einer dispersen Phase in Bereichen der Änderung der Strömungsrichtung oder der Strömungsgeschwindigkeit, also an T- oder Y-Verbindern, gebildet werden.
In 3 sind verschiedene Beispiele von Tropfen dargestellt, wobei die Tropfen 1a bis 1g Materialportionen sind, während die Tropfen 1h Spülportionen aus einer Spülflüssigkeit sind. So sind bspw. die Tropfen der Materialportionen 1a, 1b und 1c den Materialreservoiren 21b, 21c bzw. 21d entnommen wurden. Der Tropfen der Materialportion 1d hingegen wurde durch das Vermischen zweier Tropfen aus den Materialreservoiren 21b und 21c erzeugt. Der Tropfen der Materialportion 1e besteht zwar aus dem gleichen Material wie der Tropfen der Materialportion 1c, weist aber ein kleineres Volumen als dieser auf. Die Materialportionen werden letztlich, also nachdem für jede Materialportion die durch den Fertigungsplan vorgegebene Zusammensetzung und Größe erzeugt wurde, aus der Tropfenhandhabungsplattform 22 in die Zuführeinrichtung 31 eingespeist. Dort sind beispielhaft in 3 drei verschiedene Materialportionen 1e, 1f und 1g dargestellt, zwischen denen jeweils eine Spülportion 1h angeordnet ist. Innerhalb des Zuführeinrichtung 31, die ein geschlossener Kanal sein kann, sind die einzelnen Tropfen durch ein Trägerfluid 2 voneinander getrennt. Jede der Materialportionen 1e bis 1g, die in die Zuführeinrichtung 31 eingespeist wurden, ist aus einem strahlungssensitiven Material, d.h. jede dieser Materialportionen enthält mindestens einen strahlungssensitiven Bestandteil. Damit enthält mindestens ein Materialreservoir 21a bis 21e als Grundmaterial einen strahlungssensitiven und Strukturpixel-bildenden Bestandteil, z.B. ein Acrylat mit einem Photoinitiator, während die anderen Materialreservoire 21 a bis 21e andere strahlungssensitive oder nichtstrahlungssensitive Bestandteile, wie bspw. Dotierstoffe, Füllstoffe, Farbstoffe oder ähnliches, als Grundmaterial enthalten können.
Auch die Zuführeinrichtung 31 kann Elektroden 24 zum Transport der Materialportionen 1e bis 1g und der Spülportionen 1h enthalten, wie dies mit Bezug auf die Tropfenhandhabungsplattform 22 erläutert wurde. Jedoch sind auch andere Möglichkeiten zum Transport der Materialportionen und der Spülportionen im Zuführ- und Abführsystem einsetzbar.
Anhand der 4A bis 4F sollen einzelne Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer 3D-Struktur noch einmal näher erläutert werden. In den 4A bis 4F ist ein Kanal des Zuführ- und Abführsystems 30 dargestellt, in dem die Druckeinrichtung 40 einstückig integriert ist. Außerhalb des Kanals des Zuführ- und Abführsystems 30 sind Elektroden 24 und 24a bis 24h angeordnet, die zum einen den Transport der Materialportionen 1i bis 1l und der Spülportionen 1h durch den Kanal realisieren, zum anderen aber auch eine Feinpositionierung einer Materialportion 1i bis 1l oder einer Spülportion 1h und der Druckunterlage 41 relativ zueinander ermöglichen. Für die Feinpositionierung sind die Elektroden 24a bis 24h als Oktopol angeordnet, der ein präzises Bewegen und/oder Drehen der Materialportion oder der Spülportion oder der Druckunterlage entlang der bzw. um die Raumachsen x, y und z sowie ein Festhalten der Materialportion oder der Spülportion und/oder der Druckunterlage an der gewünschten Position erlaubt. In dem Kanal des Zuführ- und Abführsystems 30 werden die Materialportionen 1i bis 1l und die Spülportionen 1h, die in einem Trägerfluid 2 hintereinander, aber mit Abstand zueinander angeordnet sind, in die Druckeinrichtung 40 zu- und aus dieser abgeführt.
Die 4A und 4B zeigen einen Bestrahlungsschritt, bei dem die Druckunterlage 41 in dem Kanal durch die Elektroden 24a bis 24h an einer gewünschten Stelle gehalten wird. Dabei ist die Druckunterlage 41 in diesem Fall vollständig von der Materialportion 1i umgeben. Auch die Materialportion 1i wird an der für die Bestrahlung notwendigen Position, der Druckposition, fixiert. Auf der Druckunterlage 41 ist bereits eine teilweise erzeugte 3D-Struktur 201 angeordnet. Die Bestrahlung mittels der Bestrahlungseinheit, von der in den 4A bis 4F nur die Fokussierungsvorrichtung 12 dargestellt ist, führt am Ort X auf der Druckunterlage zur Erzeugung eines weiteren Strukturpixels 202, der in 4C gezeigt ist. Die Bestrahlung erfolgt in der dargestellten Ausführungsform durch die Wand des Kanals des Zuführ- und Abführsystems 30 hinweg.
Nach der erfolgten Bestrahlung wird die verbliebene Materialportion 1i aus der Druckeinrichtung abgeführt und eine Spülportion 1h wird zugeführt, wobei die Bewegung der Materialportionen 1 i und einer folgenden Materialportion 1j sowie der Spülportionen 1h durch Pfeile veranschaulicht wird (4C). In 4D ist der Spülvorgang, der hier diffusiv erfolgt, dargestellt. Dabei ist die Druckunterlage 41 mit der darauf angeordneten, bereits teilweise erzeugten 3D-Struktur 201 und dem neu erzeugten Strukturpixel 202 innerhalb einer Spülportion 1h angeordnet, so dass die Spülportion 1h die Druckposition des vorherigen Bestrahlungsschrittes bedeckt.
In 4E ist der nachfolgende Bestrahlungsschritt dargestellt, bei dem die Druckunterlage 41 vollständig von der Materialportion 1j umgeben ist. Auch hier sind die Materialportion 1j und die Druckunterlage 41 so positioniert, dass eine Bestrahlung an einem gewünschten Ort der Druckunterlage erfolgt. Im Kanal des Zuführ- und Abführsystems 30 ist noch die Spülportion 1h, die im vorherigen Spülschritt (4D) verwendet wurde, vorhanden (zu sehen rechts neben der Materialportion 1j), während auch bereits die Spülportion 1h für den nachfolgenden Spülschritt (zu sehen links neben der Materialportion 1j) und eine Materialportion 1k für einen nachfolgenden Bestrahlungsschritt im Kanal des Zuführ- und Abführsystems 30 angeordnet sind. Die Transportrichtung der Materialportionen 1i bis 1l sowie der Spülportionen 1h ist für alle Fertigungsschritte gleich, im dargestellten Fall in positiver x-Richtung.
In 4F ist ein weiterer Bestrahlungsschritt dargestellt, bei dem die Position der Druckunterlage 41 nicht nur gegenüber der Materialportion 11, sondern auch gegenüber der Fokussierungsvorrichtung 12 der Bestrahlungseinheit geändert ist. Diese Figur dient der Verdeutlichung, dass der Ort des mittels des Bestrahlungsschrittes zu erzeugenden Strukturpixels in keiner Weise beschränkt ist.
Die 5 zeigt eine hergestellte 3D-Struktur 200 auf einer Druckunterlage 41. Die 3D-Struktur 200 kann beliebige Formen aufweisen und bspw. auch einen oder mehrere Hohlräume 210, Hinterschnitte und ähnliches enthalten.
Im Sinne der Erfindung können die Ausführungsformen oder einzelne Merkmale hiervon zur Ausgestaltung des Verfahrens oder der Vorrichtung zur Herstellung einer mikroskopischen dreidimensionalen Multimaterialstruktur unter Verwendung einer Bestrahlungseinheit auch miteinander kombiniert werden, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Bezugszeichen

1a-1f, 1i-1l: Materialportion
1h: Spülportion
2: Trägerfluid
10: Bestrahlungseinheit
11: Strahlungsquelle
12: Fokussierungsvorrichtung
20: Bereitstellungssystem
21a-21e: Materialreservoir
21f: Reservoir für Spülflüssigkeit
22: Tropfenhandhabungsplattform
23: Pfad in der Tropfenhandhabungsplattform
24, 24a-24h: Elektrode
30: Zuführ- und Abführsystem
31: Zuführeinrichtung
32: Abführeinrichtung
40: Druckeinrichtung
41: Druckunterlage
50: Steuereinheit
60: System zur Feinpositionierung
70: System zur Lageveränderung
80: Entsorgungssystem
100: Vorrichtung zur Herstellung einer mikroskopischen 3D-Struktur
200: 3D-Struktur
201: Bereits teilweise erzeugte 3D-Struktur
202: Strukturpixel
210: Hohlraum
X: Position eines zu erzeugenden Strukturpixels

Claims

Verfahren zur Herstellung einer mikroskopischen dreidimensionalen Multimaterialstruktur unter Verwendung einer Bestrahlungseinheit, umfassend die Schritte: a) Erstellen eines Fertigungsplanes anhand eines vorgegebenen Modells der zu erzeugenden Struktur, wobei der Fertigungsplan für jeden mit Hilfe eines Fertigungsschrittes zu erzeugenden Strukturpixel die Parameter einer Materialportion aus einem strahlungssensitiven Material, die Bestrahlungsparameter und die Druckposition enthält, b) Bereitstellen einer Mehrzahl von diskreten Materialportionen aus einem strahlungssensitiven Material oder aus einem ein Edukt eines strahlungssensitiven Materials enthaltenden Material, wobei jede Materialportion in Form eines Tropfens oder eines Segments des Materials bereitgestellt und das Material und das Volumen des Materials jeweils für einen auszuführenden Fertigungsschritt entsprechend des Fertigungsplanes ausgewählt ist, wobei eine Materialportion ein Volumen im Bereich von 1 fL bis 1 µL aufweist, wobei die laterale Ausdehnung eines Tropfens oder Segments im Bereich von 1 µm bis 1000 µm liegt, c) Zuführung einer der Materialportionen an eine Druckposition auf einer Druckunterlage entsprechend des Fertigungsplanes, d) Ortsselektive Bestrahlung der Materialportion mit elektromagnetischer Strahlung mittels der Bestrahlungseinheit, derart, dass in einem Fokuspunkt der Bestrahlungseinheit eine sensitive Reaktion des Materials der Materialportion erfolgt und ein Strukturpixel erzeugt wird, e) Abführung des Teils der Materialportion, der nicht zur Erzeugung des Strukturpixels beigetragen hat, von der Druckposition, f) Wiederholung der Schritte c) bis e), wobei sich die Druckposition und/oder die nacheinander zugeführten Materialportionen hinsichtlich des Materials und/oder der Größe für einige oder alle Wiederholungen unterscheiden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialportionen in einer durch den Fertigungsplan vorbestimmten Reihenfolge in ein Zuführsystem hintereinander eingespeist und in dieser Reihenfolge in Schritt c) an die jeweilige Druckposition zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Materialportionen in Schritt c) als Tropfen oder Segmente in einem Trägerfluid vorliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen Materialportionen, welche aus einem unterschiedlichen Material bestehen, eine Portion einer Spülflüssigkeit bereitgestellt und an eine Spülposition zu- und von dieser abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer Portion einer Spülflüssigkeit an der Spülposition die Bestrahlung unterbrochen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abführen der Portion einer Spülflüssigkeit zusätzlich ein Schritt zum Trocknen der Spülposition ausgeführt wird, bevor eine weitere Materialportion an die entsprechende Druckposition in einem nächsten Schritt c) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Schritt c) und/oder in mindestens einem Schritt d) die betreffende Materialportion und die Druckunterlage relativ zueinander durch Drehen der Materialportion und/oder der Druckunterlage um mindestens eine Raumachse und/oder durch Verschieben der Materialportion und/oder der Druckunterlage entlang mindestens einer Raumachse an der Druckposition feinpositioniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen der Materialportionen und/oder zum Zuführen der Materialportionen zur jeweiligen Druckposition und/oder zum Feinpositionieren der Materialportion und der Druckunterlage relativ zueinander mikrofluidische Manipulatoren eingesetzt werden.
Vorrichtung zur Herstellung einer mikroskopischen dreidimensionalen Multimaterialstruktur umfassend: - eine Bestrahlungseinheit mit einer Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung und einer Fokussierungsvorrichtung, - ein Bereitstellungssystem, das geeignet ist, diskrete Materialportionen aus einem strahlungssensitiven Material oder aus einem ein Edukt eines strahlungssensitiven Materials enthaltenden Material in Form von Tropfen oder Segmenten des Materials zu erzeugen, wobei das Material und das Volumen des Materials für jede individuelle Materialportion entsprechend eines auszuführenden Fertigungsschritts eines Fertigungsplanes ausgewählt ist, wobei eine Materialportion ein Volumen im Bereich von 1 fL bis 1 µL aufweist, wobei die laterale Ausdehnung eines Tropfens oder Segments im Bereich von 1 µm bis 1000 µm liegt, - ein Zuführ- und Abführsystem, das geeignet ist, die diskreten Materialportionen in einer definierten Reihenfolge entsprechend des Fertigungsplanes an eine Druckposition auf einer Druckunterlage zu transportieren und Teile der Materialportionen, die nicht zur Erzeugung des Strukturpixels beigetragen haben, von der Druckposition wieder abzuführen, - eine Druckeinrichtung, die geeignet ist, die Druckunterlage und die Materialportion während eines Bestrahlungsvorganges an der Druckposition zu halten, und - eine Steuereinheit, die geeignet ist, mindestens die Bestrahlungseinheit und das Bereitstellungssystem entsprechend des Fertigungsplanes zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellungssystem eine mikrofluidische Tropfenhandhabungsplattform enthält, die geeignet ist, diskrete Tropfen eines Materials bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellungssystem ein mikrofluidisches Kanalsystem enthält, das geeignet ist, diskrete Segmente eines Materials bereitzustellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführ- und Abführsystem mikrofluidische Manipulatoren enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin ein System zur Feinpositionierung enthält, das geeignet ist, eine betreffende Materialportion und die Druckunterlage relativ zueinander durch Drehen der Materialportion und/oder der Druckunterlage um mindestens eine Raumachse und/oder Verschieben der Materialportion und/oder der Druckunterlage entlang mindestens einer Raumachse an der Druckposition feinzupositionieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin ein System zur Lageveränderung der Bestrahlungseinheit und/oder der Druckunterlage enthält, welches geeignet ist, die räumliche Position der Bestrahlungseinheit und der Druckunterlage relativ zueinander entsprechend des Fertigungsplanes einzustellen.