CN112584951A - 用于通过施加填充有颗粒的不连续的体积元件制造构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造构件(4)的方法，所述方法具有以下步骤：提供原始材料(2)，所述原始材料包含金属颗粒和/或陶瓷颗粒，由所述原始材料(2)制造生坯(3)，其中，为了制造生坯(3)，在在时间上依次相续的步骤中分别借助喷嘴(1)将原始材料(2)的部分施加到基底(5)上和/或施加到原始材料(2)的之前所施加的部分上并且对制造的生坯(3)进行热处理，其中，在在时间上依次相续的步骤中分别以不连续的体积元件(7)的形式施加所述原始材料(2)，其中，相应的体积元件(7)具有相同的体积，并且将相应的体积元件(7)放置在基底(5)和/或之前施加的体积元件(7)上。

Description

用于通过施加填充有颗粒的不连续的体积元件制造构件的 方法
本发明涉及一种用于制造构件的方法，在所述方法中，提供包含金属颗粒和/或陶瓷颗粒的原始材料(或者说原材料)。此外由所述原始材料制造生坯
Figure BDA0002944362170000011
为了制造生坯，在在时间上依次相续的步骤中分别借助喷嘴将原始材料的部分施加到基底上和/或施加到原始材料的之前所施加的部分上。接着随即对制造的生坯进行热处理。
关注点集中在构件的制造并且尤其是复杂的三维结构的制造上。所述构件尤其应当由金属(合金)、陶瓷和/或复合材料制造。应当由这种填充有颗粒的原始材料制造生坯，接着对所述生坯进行热处理。
与之相关地由现有技术已知不同的增材制造法，所述增材制造法适用于通过由填充有颗粒的热塑性坯料或者泥浆制造生坯并且接着进行烧结来产生三维的构件或者体。例如已知基于光刻技术的陶瓷制造工艺，在所述陶瓷制造工艺中与立体光刻技术类似地通过规定波长的光进行交合剂系统的自由基聚合，从而使悬浮液固化。此外已知所谓的熔融挤出工艺，在所述熔融挤出工艺中例如能够处理热塑性的坯料、给料(feedstock)和长丝。在此通过热量输入将热塑性的坯料转化至流动的状态并且沉积在期望的位置上。坯料在冷却时立即在那里重新凝固。此外已知3D挤出或者所谓的Robocasting。在此可以将冷的粘稠的或者塑性的坯料通过喷嘴挤出并且搁放(或者说放置)。在这种情况下可以处理基于天然原料的坯料、例如基于瓷器料、黏土或者类似材料的坯料。作为对此的备选可以使用基于合成原料的坯料，在所述合成原料中，通过有机的添加剂实现塑性。在该方法中，在沿着构件几何形状的轨迹中搁放连续的束。此外已知借助悬浮液的直接的3D打印。在这种情况下例如可以打印填充有(纳米)颗粒的墨水。此外已知所谓的基于气溶胶的方法。最后由现有技术已知层压方法，在所述层压方法中通过逐层地层压来构造成型体。在此，每个层在施加之后与模型预设对应地被裁剪。之后才进行下一个层的施加。
本发明所要解决的技术问题在于，提供如何改进构件、尤其是复杂的三维构件的制造的解决方案。
所述技术问题根据本发明通过具有权利要求1的技术特征的方法解决。本发明的有利的扩展设计在从属权利要求中给出。
按照本发明的方法用于制造构件。所述方法包括提供原始材料，所述原始材料包含金属颗粒和/或陶瓷颗粒。此外，所述方法包括由所述原始材料制造生坯。为了制造生坯，在在时间上依次相续的步骤中分别借助喷嘴将原始材料的部分施加到基底上和/或施加到原始材料的之前所施加的部分上。接着对制造的生坯进行热处理。在此规定，在在时间上依次相续的步骤中分别以不连续的体积元件的形式施加原始材料，其中，相应的体积元件具有相同的体积。此外，将相应的体积元件放置在基底和/或之前施加的体积元件上。
借助所述方法可制造构件、尤其是复杂的三维构件。所述构件尤其可以是电气的或者电子的组件的部分。所述构件例如可以是电机、变压器、电子构件等的组成部分。为了制造构件首先提供原始材料。所述原始材料包括金属颗粒和/或陶瓷颗粒。即提供填充有颗粒的原始材料。也可以规定，所述原始材料包括金属合金的和/或复合材料的颗粒。使用原始材料以制造生坯。为此目的，通过喷嘴输送或者借助喷嘴输出原始材料。原始材料在此可以施加到基底或者相应的载体元件上。在此，原始材料或者所述原始材料的相应部分的输出在多个在时间上依次相续的步骤中进行。原始材料在相应的步骤中相叠地和/或并排地输出，从而成型三维的生坯。接着对生坯进行热处理。尤其规定，进行所谓的脱粘(Entbindern)和烧结以便制造构件。
按照本发明的一个主要方面规定，在在时间上依次相续的步骤中借助喷嘴分别输出不连续的体积元件。此外规定，这些体积元件具有相同的体积。此外，将相应的体积元件放置在基底和/或已经施加的体积元件上。即在所述制造工艺中依次搁放不连续的体积元件。这些体积元件这样构造，使得所述体积元件分别具有相同的体积或者相同的尺寸。此外可以规定，所述体积元件具有相同的形状。相应的体积元件例如可以基本上呈直角平行六面体形、球形、柱形或者呈类似形状。尤其未规定沿着规定的轨迹施加原始材料。相应的体积元件能够依次搁放在预定的位置上。
此外规定放置相应的体积元件。与将液态的原始材料喷射在基底上的打印方法相比，按照本发明规定，使膏状的或者粘稠的原始材料以体积元件的形式安放。在安放时，体积元件既与基底或者之前已经施加的体积元件接触和/或与喷嘴接触。在安设时例如可能在原始材料和喷嘴之间存在摩擦配合的连接。亦即尤其规定，不是无接触式地通过喷嘴施加原始材料。随即能够由不连续的体积元件构成生坯并且接着进行处理或者脱粘和烧结。按照本发明的方法与增材制造的已知工艺或者已知的3D打印方法的区别尤其在于产生各个单独的体积元件的方式，所述体积元件也可以称为材料像素(Materialpixel)。通过体积元件的分布、体积元件的有针对性的造型和体积元件的搁放能够实现高的细节精确性。此外能够实现具有更低粗糙度的改善的表面质量和改善的分离精度。
优选通过将体积元件放置在基底和/或之前所施加的体积元件上制造三维形状的生坯。生坯的制造能够通过相应的具有喷嘴的打印装置进行。也可以规定，打印装置具有多个喷嘴。所述喷嘴在此能够相对于基底运动。该喷嘴能够沿着两个或者三个空间方向平移地运动。此外可以规定，所述喷嘴能够沿着空间方向转动。由此使增材制造不只以平面的层结构的形式，而是能够沿着所有的三个空间方向实现。
按照一种实施方式，原始材料包含溶剂并且所述原始材料通过喷嘴输送。换言之，原始材料可以是所谓的泥浆(Schlicker，或者说泥釉)，所述泥浆除了颗粒之外包括相应的溶剂。该溶剂可以是含水的或者有机的。该原始材料或者泥浆由此能够借助打印装置输送并且从喷嘴输出或者挤出。相比于相应的填充有颗粒的纳米墨水，这种悬浮液或者这种泥浆可以成本低廉地制造。此外产生了填充有颗粒的悬浮液在流变学和填充度方面的广泛的可适配性。此外，对体积元件的产生和对所述体积元件的搁放所形成的影响相比于对墨水而言更小。
按照一种备选的实施方式，原始材料包含热塑性的材料。也可以规定，原始材料是热塑性的材料。此外，优选对原始材料进行加热和/或塑化以便通过喷嘴输送。原始材料可以是所谓的给料、即不具有溶剂的、填充有颗粒的热塑性的坯料。为了提供体积元件可以至少区域性地对该给料进行加热和/或塑化。为此目的可以使用打印装置的相应的加热装置。也可以规定，所述喷嘴具有相应的加热装置。此外可以规定，以压力加载原始材料。形式为给料的原始材料也可以成本低廉地提供。在此也由于材料特性的可适配性产生了优点。
按照一种备选的实施方式，原始材料作为填充有颗粒的长丝(Filament)提供。换言之，即可以以纤维或者丝线的形式提供原始材料。在此也可以规定，对该形式为长丝的原始材料相应地进行加热或者塑化以便提供体积元件。备选地或者附加地可以规定，将长丝的部分分离以便提供体积元件。由此能够以较低的耗费精确地制造生坯。
所述制造方法还能够相应地缩放。可以提供更大的体积元件以便例如制造较大的构件或者生坯。为此目的例如可以相应地调整(或者说适配)喷嘴的造型。此外可以调整颗粒的尺寸。也可以规定，例如使用具有更大直径的长丝。此外也可以向制造微构件的方向对所述方法进行缩放。在此例如可以相应地使用更小的喷嘴。在所使用的原始材料方面产生的优点为，相比于液态的材料，流体动力学不具有或者只具有较小的影响。由于产生的生坯的较高的内在刚度，原则上也可以通过填充有颗粒的原始材料实现更大的构造体积。
此外有利的是，体积元件在放置时与基底和/或已经施加的体积元件形状配合地连接。相应的体积元件可以这样相叠地和/或并排地布置，使得相应的体积元件形状配合地相互连接。换言之，已经构造的结构的体积元件产生形状配合。由此能够在对生坯进行热处理之后或者在烧结之后实现降低的孔隙度。这意味着在烧结之后产生紧密的、均匀的微结构。
在另一实施方式中，在放置时以预定的力将体积元件压在基底和/或已经施加的体积元件上。原始材料的构成体积元件的部分例如可以在与喷嘴分离之前相应地被压缩或者压在已经存在的结构上。由此能够提高原始材料或者体积元件的密度并且因此降低孔隙度。为此目的，在输送原始材料时，一旦原始材料的构成体积元件的部分冒出了喷嘴，则所述喷嘴例如可以朝基底和/或已经输出的体积元件的方向运动。
按照另一种实施方式，体积元件在放置之后塑性地变形。为此例如可以使用单独的工具，通过所述工具使体积元件的造型在放置之后改变。由此产生在制造生坯时的其它造型可能性。也可以规定，使用喷嘴或者所述喷嘴的部分以使所施加的体积元件塑性地变形。此外，所搁放的体积元件的形状可以通过喷嘴的造型影响。喷嘴例如可以具有圆形、椭圆形或者矩形的横截面。
此外有利的是，将原始材料的部分与喷嘴分离以便放置体积元件。原始材料可以通过喷嘴输送，从而使原始材料或者所述原始材料的部分从喷嘴冒出，然而所述原始材料仍与喷嘴接触。可以使用相应的分离装置以便使原始材料与喷嘴分离。分离装置例如可以是相应的丝线、刀或者类似装置。也可以规定，局部地加热原始材料以便进行分离。例如可以使用红外辐射、感应式的加热装置、激光等来加热和/或塑化原始材料。此外可以规定，喷嘴相应地运动以分离原始材料。例如可以通过原始材料的相应的拉伸和/或过度伸长使体积元件分离。这在总体上实现了精确地制造相应的体积元件。
在另一实施方式中，在放置至少一个体积元件之后借助气体流进行冷却和/或干燥。该冷却和/或干燥可以在搁放每个单独的体积元件之后进行。也可以规定，在搁放预定数量的体积元件或者所有体积元件之后进行冷却和/或干燥。可以使用(冷)气流进行冷却和/或干燥，所述(冷)气流局部地对准体积元件或者生坯。以此方式能够加快冷却和/或干燥。
也可以规定，将至少一种其它原始材料用于制造生坯。所述其它原始材料也可以包含金属颗粒和/或陶瓷颗粒。原则上也可以规定，将多种原始材料用于制造生坯。这些原始材料可以在颗粒的类型和/或颗粒的浓度方面彼此不同。由此例如实现了，能够制造具有层次或者不同浓度和/或体积份额的颗粒的生坯。
本发明的其它特征由权利要求、附图和附图描述得出。以上在说明书中提到的特征和特征组合以及以下在附图描述中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不只可以在相应地给出的组合中使用，而且也可以在其它不同的组合中使用，只要不脱离本发明的范围即可。
以下根据优选的实施例并且参照附图详细地对本发明进行阐述。在附图中：
图1示出了打印装置的喷嘴的示意性视图，由原始材料构成的体积元件借助所述喷嘴搁放在基底上；并且
图2示出了多个相叠地搁放的体积元件，所述体积元件构成生坯。
在附图中，相同的或者功能相同的元件配设有相同的附图标记。
图1在极简化的视图中示出了喷嘴1，原始材料2能够借助所述喷嘴输出。原始材料2是包含金属颗粒和/或陶瓷颗粒的材料。也可以规定，所述原始材料包括金属合金的和/或复合材料的颗粒。由该原始材料2应当首先制造生坯3并且接着制造构件4。
原始材料2在此可以作为泥浆或者悬浮液提供。在这种情况下，原始材料2除了金属颗粒和/或陶瓷颗粒之外包含溶剂，所述溶剂可以是含水的或者有机的。原始材料2可以是膏状的并且具有预定的黏度。也可以使用所谓的给料作为原始材料，其中，在这种情况下，原始材料2附加地包含热塑性的材料。此外可以规定，以长丝的形式提供原始材料。该原始材料2借助喷嘴1输送，以便首先施加在基底5上。原始材料在此具有预定的黏度。在此如在图1中可见的那样，原始材料2从出口6处冒出并且在此与喷嘴1保持接触。
在打印方法中，在在时间上依次相续的步骤中分别提供不连续的体积元件7。这些体积元件7在所述方法中首先被放置在基底5上。通过其它步骤能够将体积元件7放置在基底5和/或已经施加的体积元件7上。相应的体积元件7在此具有相同的体积。在本实施例中，体积元件7柱形地构造。这种造型由喷嘴1的形状产生。体积元件7也可以具有其它形状。
在放置相应的体积元件7时，所述体积元件能够借助喷嘴1以预定的力压在基底5和/或已经放置的体积元件7上。为了放置体积元件7，借助分离装置8可以分离从喷嘴的出口6冒出的原始材料。当前示意性地示出了形式为丝线的分离装置8，所述丝线能够沿着箭头9的方向运动，以便将从喷嘴1冒出的原始材料2从所述喷嘴1上分离并且由此放置体积元件7。
图2示例性地示出了多个体积元件7，所述体积元件并排地并且相叠地搁放在基底5上。在此可以规定，在搁放相应的体积元件7之前对基底5的表面和/或已经搁放的体积元件7的表面相应地进行预处理。例如可以进行预加热或者部分溶解。对于形式为泥浆的原始材料可以进行相应的润湿。尤其这样放置相应的体积元件7，使得所述体积元件彼此间具有形状配合。此外可以规定，相应的体积元件7在放置之后相应地塑性地变形。此外可以规定在搁放体积元件之后通过局部的气体流进行加快的冷却和/或干燥。
通过相应的体积元件7构成三维的生坯3。为了能够制造构件4，可以对该三维的生坯3相应地进行热处理。尤其规定，进行所谓的脱粘和烧结。
通过将原始材料划分为也可以称为材料像素的体积元件7，能够以较高的细节精确性实现体积元件7的有针对性的成型、材料运输的分离以及体积元件7的造型和/或搁放。尤其能够实现具有更低粗糙度的较高的表面质量和分离精度。通过形状配合地搁放、包括可选的附加地塑性压缩材料像素或者体积元件7，可以提高生坯3的生坯密度，从而减小孔隙度。由此在烧结之后在构件4中产生紧密的、均匀的微结构。此外能够高速率地施加体积元件7或者材料。此外产生了使用成本低廉、耐久的悬浮液和/或给料的优点。此外产生了填充有颗粒的原始材料在流变学和填充度方面的广泛的可适配性。此外，所述方法能够相应地缩放。

Claims (10)

1.一种用于制造构件(4)的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供原始材料(2)，所述原始材料包含金属颗粒和/或陶瓷颗粒，
-由所述原始材料(2)制造生坯(3)，
-其中，为了制造生坯(3)，在在时间上依次相续的步骤中分别借助喷嘴(1)将原始材料(2)的部分施加到基底(5)上和/或施加到原始材料(2)的之前所施加的部分上并且
-对制造的生坯(3)进行热处理，
其特征在于，
-在在时间上依次相续的步骤中分别以不连续的体积元件(7)的形式施加所述原始材料(2)，其中，相应的体积元件(7)具有相同的体积，并且
-将相应的体积元件(7)放置在基底(5)和/或之前所施加的体积元件(7)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将体积元件(7)放置在基底(5)和/或之前所施加的体积元件(7)上制造具有三维形状的生坯(3)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述原始材料(2)包含溶剂，并且通过喷嘴输送所述原始材料(2)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述原始材料(2)包含热塑性的材料，并且对所述原始材料(2)进行加热和/或塑化以便通过喷嘴(1)输送。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述原始材料(2)作为长丝提供。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述体积元件(7)在放置时与基底(5)和/或已经施加的体积元件(7)形状配合地连接。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述体积元件(7)在放置之后塑性地变形。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，为了放置体积元件(7)，将所述原始材料(2)的部分与喷嘴(1)分离。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在放置体积元件(7)之前对基底(5)的表面和/或已经施加的体积元件(7)的表面进行预处理。
10.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在放置至少一个体积元件(7)之后借助气体流进行冷却和/或干燥。
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