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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Herstellung eines Formkörpers,
insbesondere eines dentalen Formkörpers, mittels elektrophoretischer
Abscheidung von Partikeln aus einer Suspension. Die Erfindung betrifft zudem
ein System mit einer solchen Vorrichtung und einer Suspension elektrophoretisch
abscheidbarer Partikel, ein Computerprogramm zur Steuerung einer solchen
Vorrichtung sowie einen Datenträger
mit einem solchen Computerprogramm.
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Das
elektrophoretische Abscheiden von Partikeln ist ein lange etabliertes
Verfahren zur Erzeugung von keramischen, metallischen oder metallkeramischen
Bauteilen oder Glaskörpern.
In den letzten Jahren ist die elektrophoretische Abscheidung von Partikeln
zur Erzeugung keramischer Bauteile insbesondere im Bereich der Brennstoffzellenentwicklung und
in der Dentalbrache immer stärker
in den Fokus gerückt.
Gründe
hierfür
sind in der Möglichkeit
zu sehen, homogene und dichte Partikelpackungen zu erzeugen, bei
denen zudem die Schichtstärke
definiert einstellbar ist.
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In
den letzten Jahren haben sich potentialunterstützte Verfahren (Verfahren bei
denen zur Unterstützung
oder Beschleunigung des Prozesses ein elektrisches Feld angelegt
wird) zur Herstellung von Dentalkeramiken etabliert, da diese im
Gegensatz zu Druckgussverfahren höhere Gründichten und eine höhere Homogenität erlauben.
So kann bei einer Sinterung der Schrumpf minimiert werden, was eine
Herstellung mit im Vergleich zum Druckguss größerer Endkonturnähe ermöglicht.
Außerdem
schrumpft die Probe auf Grund der Homogenität isotrop. Die diesen Verfahren
zu Grunde liegenden Suspensionen bieten den Vorteil, dass nach der
Herstellung des Formkörpers
eine Wiederaufbereitung und somit eine Wiederverwendung möglich ist.
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Insbesondere
hat sich Zirkonoxid als Material zur Herstellung von Dentalkeramiken
sehr gut bewährt.
Es hat den Vorteil, dass neben der sehr guten Festigkeit der Grünkörper und
Formkörper
auch eine sehr gute Transluzenz möglich ist, so dass dieses Material
die optischen Eigenschaften eines echten Zahns aufweist bzw. diesen
sehr nahe kommt.
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Aus
der
EP 0 200 242 A2 und
EP 0 196 717 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers bekannt, bei dem aus
einer wässrigen
Suspension mit hochdispersem Feststoffanteil ein poröser Grünkörper geformt
und dieser anschließend
gereinigt und gesintert wird, wobei der Grünkörper durch Trennung der Phasen
der Suspension mittels Elektrophorese hergestellt wird.
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Aus
DE 103 19 300 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Kieselglaskörpers bekannt. Es werden hierbei
SiO
2-Partikel aus einer wässrigen Dispersion
auf einer elektrisch nicht leitenden Membran abgeschieden.
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Aus
DE 103 20 936 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines vollkeramischen Grünkörpers, insbesondere
für den
dentalen Bereich, bekannt, bei dem keramische Partikel aus einer
Suspension auf einer porösen
Form abgeschieden wer den, wobei eine Elektrode innerhalb und eine
Elektrode außerhalb
der porösen
Form angeordnet ist. Hierbei wird erreicht, dass bei der Verwendung
von Wasser als Dispergiermittel bzw. Suspensionsmittel infolge elektrolytischer
Zersetzung auftretende Gasblasen nicht in den Grünkörper eingebaut werden.
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Aus
DE 101 20 084 A1 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem Dentalformteile mittels elektrophoretischer
Abscheidung auf einem Modell hergestellt werden. Die äußere, dem
Modell abgewandte Oberfläche
des dabei erhaltenen keramischen Körpers wird unter Abtrag von
keramischem Material bearbeitet.
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Aus
DE 100 49 974 A1 ist
bekannt, eine Dentalkeramik aus mindestens einem keramischen Pulver
mit Zusatz eines metallischen Pulvers herzustellen, wobei der Grünkörper vorzugsweise
durch eine elektrophoretische Abscheidung erzeugt wird. Bei der
Sinterung unter einer oxidativen Atmosphäre wird das Metall reduziert,
was zum Kompensieren des Sinterschrumpfs dient.
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Aus
DE 100 49 971 A1 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem ein Grünkörper für eine Dentalkeramik auf einer
Elektrode elektrophoretisch abgeschieden wird, wobei der Grünkörper bzw.
die Suspension, aus der abgeschieden wird, keramische Fasern und/oder
nanokristalline Partikel enthalten.
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In "Creation and Optical
Property of Microphotonic Crystals by Electrophoretic Depsoition
Method using Micro-counter Electrode" (J.-I. Hamagami, K. Hasegawa und K.
Kanamura, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 797 (2004) 151–156) wird
ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Mikroelektrode gegenüber einer
flächigen
Elektrode angeordnet wird, um eine lokal begrenzte elektrophoretische
Abscheidung zu erlauben.
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Der
oft angeführte
Vorteil der elektrophoretischen Abscheidung, homogene Schichten
zu ermöglichen,
stellt bei den bekannten Verfahren allerdings auch eine Beschränkung dar.
Die weitgehend gleichmäßige Abscheidung
der Partikel über
die gesamte Elektrode bzw. das gesamte Abscheideelement sowie insgesamt über den
abgeschiedenen Formkörper
hat zur Folge, dass der gesamte abgeschiedene Formkörper eine
im wesentlichen gleichmäßige Schichtdicke
an abgeschiedenen Partikeln aufweist. Diese uniforme Schichtdicke
macht es bei den bekannten Verfahren nötig, eine Nachbearbeitung des abgeschiedenen
Körpers,
beispielsweise durch Fräsen,
vorzusehen, um gewünschte
Unterschiede der Schichtdicke im abgeschiedenen Formkörper zu
erreichen. Insbesondere im dentalen Bereich ist es häufig nötig oder
wünschenswert,
beispielsweise bei Kronen, Formkörper
mit variierender Wandstärke
zu erzeugen.
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In
DE 102 51 369 A1 und
DE 103 34 437 A1 wird
gelehrt, zur Erzeugung einer gewünschten Raumform
eines abgeschiedenen Grünkörpers, also für unterschiedlich
große
Schichtdicken der Abscheidung, eine Elektrode vorzusehen, die speziell
geformt ist und Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeit besitzt. Hierbei erweist
es sich als nachteilig, dass die spezielle Form der Abscheidungselektrode
nur empirisch bestimmbar ist. Die Auswirkung einer vorgegebenen
Formgebung der Abscheidungselektrode im Zusammenwirken mit Bereichen
unterschiedlicher Leitfähigkeit
auf die Raumform der abgeschiedenen Schicht ist, wenn überhaupt,
nur grob vorherzusagen.
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Rapid-Prototyping-Verfahren
haben sich zur Herstellung kleiner Serien und zum Bau von Prototypen
und individuellen Strukturen auch im Dentalbereich etabliert. Ihr
großer
Vorteil liegt in ihrer Flexibilität, da sich das Werkzeug nicht
nur zur Herstellung einer bestimmten Geometrie eignet, sondern auch Formflexibilität gewährleistet.
In den meisten bekannten Ausführungsformen
wird von Schichten (bzw. Folien) keramischer Pulver ausgegangen,
die ortsselektiv schichtenweise fixiert werden. Die überschüssigen,
nicht fixierten Pulver werden in der Regel verworfen.
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Eine
Fixierungsmöglichkeit
ist das selektive Lasersintern (SLS), bei dem viel überschüssiges Material
anfällt.
Dies muss in komplizierten Schritten wieder aufbereitet werden.
Bei dem Laminated Object Manufacturing (LOM), bei dem zurechtgeschnittene
Folien mit einer Dicke von etwa 130 μm miteinander laminiert und
anschließend
gesintert werden, fällt
ebenfalls überschüssiges Material
an, welches nicht wieder aufbereitet werden kann.
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Aus
EP 1 021 997 A2 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem Zahnersatz und dentale Hilfsteile
mittels Lasersintern hergestellt werden. Dabei wird ein biokompatibler
Werkstoff selektiv bestrahlt, so dass an diesen Stellen eine Sinterung
stattfindet.
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Aus
DE 102 19 983 A1 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem ein Laserstrahl selektiv über ein
Pulverhaufwerk aus metallischen oder nichtmetallischen Pulvern geführt wird,
so dass durch Absenkung der bereits gesinterten bzw. geschmolzenen
Struktur eine Geometrie Schicht für Schicht aufgebaut werden
kann. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass die Geometrie, insbesondere
eine vorhandene Sollbruchstelle, mechanisch nachbearbeitet werden muss.
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Das
Ergebnis einer sukzessiven, zumeist schichtweisen, Sinterung bleibt
in Bezug auf die Homogenität
des Materials gegenüber
einem als ganzem gesinterten, etwa mittels Elektrophorese abgeschiedenen
Körper
zurück.
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Die
bekannten Verfahren, bei denen eine (elektrophoretische) Abscheidung
eingesetzt wird, erlauben es, eine Oberfläche des herzustellenden Formkörpers ausreichend
genau zu definieren, nämlich
die Fläche
des Formkörpers,
die an der Oberfläche
der Trägerstruktur
anliegt, auf der abgeschieden wird. Eine gewünschte Variation der Dicke
des Formkörpers
und somit eine gezielte Einstellung der dreidimensionalen Form des
Formkörpers
ist nur sehr eingeschränkt
und schlecht reproduzierbar möglich.
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Bekannte
Rapid-Prototyping-Verfahren erlauben es zwar, eine gewünschte Raumform
gezielt herzustellen, hierbei wird jedoch nicht die besondere Homogenität der elektrophoretischen
Abscheidung erreicht. Zudem sind wesentliche Materialverluste durch
Herstellungsabfälle
bei den bekannten Verfahren nicht zu vermeiden.
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Zur
Herstellung von dreidimensionalen metallischen Mikrobausteinen wird
gemäß
DE 198 55 268 A1 in
einem mit Elektrolyt gefüllten
Behälter
eine beispielsweise aus Kupfer bestehende Grundplatte befestigt,
auf der das Bauteil aufgebaut wird. In einem vorgegebenen sehr kleinen
Abstand von der Grundplatte wird die Spitze einer Elektrode angeordet.
An die Grundplatte und an die Elektrode wird eine elektrische Spannung
angelegt, so dass das Werkstück
die Kathode und die Elektrode die Anode bildet. Die Anodenspitze
wird nun auf vorbestimmten Bahnen über das Werkstück geführt, auf
dem schichtweise Metallionen aus dem Elektrolyten abgelagert werden,
so dass Schicht für
Schicht das Bauteil aufgebaut wird.
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Es
ist eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine
Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere
eines dentalen Formkörpers,
mittels elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln aus einer
Suspension, wobei eine vorbestimmte Raumform gezielt hergestellt
werden kann, um so eine Herstellung des Formkörpers möglichst endmaß- und endkonturnah
zu erreichen. Die Herstellung der Formkörper soll zudem kostengünstig, ressourceneffizient,
schnell und möglichst
einfach durchzuführen
sein, wobei eine gute Reproduzierbarkeit des Verfahrens erwünscht ist,
um eine geringe Ausschussquote zu erreichen. Gemäß einem weiteren Aspekt sollen
ein entsprechendes System (mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
und einer Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel), ein
Computerprogramm zur Steuerung einer solchen Vorrichtung sowie ein
Datenträger
mit einem solchen Computerprogramm angegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird zur
Lösung
der Aufgabe eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere
eines dentalen Formkörpers, mittels
elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln aus einer Suspension,
vorgeschlagen, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
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Zudem
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere
eines dentalen Formkörpers,
mittels elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln aus einer
Suspension, mit den Schritten, wie sie in Anspruch 13 definiert
sind.
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Die
Erfindung betrifft zudem ein System zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere
eines dentalen Formkörpers,
mittels elektrophoretischer Abschei dung von Partikeln aus einer
Suspension, mit: einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung
eines Formkörpers
und einer Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel in
der Kammer der Vorrichtung, wobei die Trägerstruktur und die erste oder
die zweite Elektrode im Betriebszustand zumindest teilweise in der
Suspension angeordnet sind und die andere der besagten Elektroden
mit der Suspension zumindest in elektrischem Kontakt steht.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Herstellung eines Formkörpers
mittels elektrophoretischer Abscheidung von Partikeln aus einer
Suspension zur Ausführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
veranlasst, wenn das Computerprogramm auf der Vorrichtung ausgeführt wird,
sowie einen Datenträger
mit einem solchen Computerprogramm.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist,
die Vorteile einer elektrophoretischen Abscheidung beizubehalten
und dabei einen gezielten räumlichen
Aufbau der abgeschiedenen Schicht zu erreichen, wenn durch eine
Relativbewegung zwischen einer Elektrode und der Trägerstruktur
(auf der Partikel abgeschieden werden sollen) das für die elektrophoretische
Abscheidung relevante elektrische Feld an der Trägerstruktur variabel gestaltet
wird. Durch eine vorbestimmte Änderung
des die Abscheidung hervorrufenden elektrischen Feldes infolge der
Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode und der Trägerstruktur
kann auf einfache Weise ein Formkörper hergestellt werden, dessen Geometrie
weitestgehend einer vorbestimmten Zielgeometrie entspricht.
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Eine
Einrichtung zur Positionierung einer Elektrode bzw. einer Trägerstruktur
ist zwar aus
DE 103
20 936 A1 bekannt, die entsprechende Vorrichtung unterscheidet
sich jedoch von der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch, dass
die Trägerstruktur zusammen
mit einer Elektrode an eine vorbestimmte, festgelegte Position gebracht
wird, wobei eine Spannungsquelle erst bei fixierter Elektrodenanordnung zur
Verfügung
steht. In
DE 103 20
936 A1 ist nicht vorgesehen, während der Elektrophorese eine
(Relativ-)Bewegung der Trägerstruktur
vorzunehmen.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist die Relativbewegung der ersten Elektrode gegenüber der
Trägerstruktur.
Welches Element der Vorrichtung hierbei etwa gegenüber der
Kammer oder sonstigen Elementen der gesamten Vorrichtung bewegt
wird, ist nebensächlich.
Es ist möglich,
nur die erste Elektrode gegenüber
einer in der Kammer fixierten Trägerstruktur
oder auch nur die Trägerstruktur
gegenüber
einer relativ zur Kammer fixierten ersten Elektrode zu bewegen.
Zudem können
auch beide Elemente, Trägerstruktur
und erste Elektrode, relativ zueinander und gleichzeitig jeweils
relativ zur Kammer bewegt werden.
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Durch
die Abschirmung bzw. Bündelung
des elektrischen Feldes der Elektrode bzw. Elektroden kann im Betrieb
eine ortsselektive und gezielte Abscheidung der Partikel auf der
Trägerstruktur
erreicht werden. Durch die Abschirmung bzw. Bündelung kann das im Betrieb
zwischen den Elektroden aufgebaute Feld auf einen definierten Ausschnitt
der Oberfläche
der Trägerstruktur
beschränkt
werden bzw. kann die Feldstärke
in Bereichen außerhalb
dieses definierten Ausschnitts auf einen gewünschten Wert reduziert werden,
so dass aufgrund dieser Feldanordnung nur oder im wesentlichen nur
in diesem Oberflächenausschnitt
Partikel abgeschieden werden. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß mit der Relativbewegung
entlang des vorbestimmten Pfades gleichsam wie mit einem „elektrophoretischen" Pinsel die Oberfläche der
Trägerstruktur
bestrichen werden, wobei beispielsweise durch die Feldstärke und
die Verweilzeit die Stärke
bzw. Dicke der angeschiedenen Schicht eingestellt werden kann. In
einer Ausgestaltung der Erfindung kann durch Variation der die Abscheidung
bestimmenden Parameter infolge der lokalen Abscheidebedingungen
eine lokale Variation der Dichte des abgeschiedenen Formkörpers erreicht
werden.
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Wird
die Trägerstruktur
von einem zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordneten Abscheideelement
gebildet, beispielsweise einer elektrisch nicht leitenden, ionendurchlässigen Form oder
Membran, so erlaubt dies, Suspensionen auf Wasserbasis einzusetzen,
ohne dass ein aufgrund einer Elektrolyse des Wassers an einer Elektrode entstehendes
Gas in die abgeschiedene Schicht eingebaut wird. Vorteilhafterweise
ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
so gestaltet, dass bei einer elektrolytischen Zersetzung des Dispergiermediums bzw. Suspensionsmittels
Wasser entstehende Ionen sowie alle weiteren im System vorhandenen
freien Ionen das Abscheideelement durchdringen und zur dahinterliegenden
Elektrode gelangen können.
Die durch eine Rekombination entstehenden Gase treten damit an der
Elektrode und nicht am Ort der Abscheidung (dem Abscheideelement)
auf. Hierdurch kann in einer besonders günstigen Ausführungsform
der Erfindung eine wässrige
Suspension verwendet werden, denn die Gasblasen werden nicht in
den Abscheidekörper
eingebaut, so dass keine Fehlstellen in dem Abscheide- beziehungsweise
Grünkörper entstehen.
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Dies
ist insbesondere bei der Herstellung von Dentalkeramiken von sehr
großem
Vorteil. Die Verwendung von Wasser als Suspensionsmittel ist besonders
vorteilhaft, da auf Grund der hohen Dielektrizitätskonstante des Wassers hohe
und sehr hohe Abscheideraten erzielt werden können, womit sich die Prozessdauer
verkürzen
lässt.
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Die
Trägerstruktur
kann jedoch auch in bekannter Weise durch die zweite Elektrode gebildet werden,
wobei als Elektrodenmaterial auch an sich elektrisch nicht leitende
Materialien in Frage kommen, beispielweise Gips, Wachs oder Kunststoff, wenn
durch eine geeignete Beschichtung oder Beimengung eine ausreichende
elektrische Leitfähigkeit der
Elektrode erreicht wird.
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Die
Form der Trägerstruktur
kann eben oder konturiert sein. Auf einer ebenen Trägerstruktur
kann beispielsweise ein dreidimensionales Freiformgerüst aufgebaut
werden. Es ist in diesem Fall nur ein Datensatz erforderlich, der
die Elektrodenführung
steuert. Liegt eine Trägerstruktur
mit einer konturierten Form vor, beispielsweise ein Duplikat eines
dentalen Meistermodells, so lassen sich Bereiche verschiedener Schichtstärke durch
eine gesteuerte Führung
der Relativbewegung entlang eines vorbestimmten Pfades erreichen.
Die Form der Trägerstruktur
gibt hierbei bereits die Innen- bzw. Außenkontur des zu erzeugenden
Grünkörpers bzw.
Formkörpers
vor. Eine gewünschte
Form der Trägerstruktur
lässt sich
in herkömmlicher
Weise zum Beispiel durch Modellieren, Abformen oder aber ein Rapid-Prototyping-Verfahren erzeugen.
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Das
Material der Elektroden ist vorzugsweise gegen die eingesetzten
Suspensionen chemisch resistent bzw. ihnen gegenüber inert. Dies gilt auch für das Material
des Abscheideelements. Bevorzugt bestehen die Elektroden aus einem
Material ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Zink, Titan, Wolfram, Tantal, Graphit,
Edelmetall (insbesondere Silber, Gold, Platin), elektrisch leitfähigen Kunststoffen
und deren Mischungen. Ferner können
die Elektroden einen Elektrodenkern aufweisen, der mit den zuvor
genannten Materialien beschichtet ist. Das Material des Elektrodenkerns
selbst ist nicht näher
von Bedeutung, wenn der Elektrodenkern nicht mit den eingesetzten
Suspensionen oder Flüssigkeiten
in Kontakt kommen soll. Ist ein solcher Kontakt jedoch vorgesehen,
sollte das Material des Elektrodenkerns ebenfalls chemisch resistent
bzw. inert sein. Bevorzugt werden die Elektrodenwerkstoffe so ausgewählt, dass
eine Kontamination des abgeschiedenen Formkörpers weitestgehend vermieden
wird.
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Als
sehr vorteilhaft hat sich eine Ausführung der Erfindung herausgestellt,
bei der die keramischen Partikel eine möglichst runde Form aufweisen.
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Darüber hinaus
hat sich die Zugabe eines Dispergierhilfsmittels, bevorzugt Tetramethylammoniumhydoxid
(TMAH) beziehungsweise Salzsäure (HCl)
als vorteilhaft erwiesen. Dadurch lässt sich auf einfache Weise
der pH-Wert einstellen.
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Es
wird eine Suspension mit einem Wert der elektrischen Leitfähigkeit
zwischen 0,001 mS/cm und 175 mS/cm bevorzugt, insbesondere zwischen
0,1 mS/cm und 75 mS/cm.
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Vorteilhaft
für die
Trocknung des Abscheidekörpers
ist eine sogenannte überkritische
Trocknung. In der Regel kann der Abscheidekörper jedoch auch einfach bei
Raumtemperatur getrocknet werden. Eine weitere, besondere Trocknungsmethode
ist das Trocknen in gesättigter
Atmosphäre,
da dadurch Strukturungenauigkeiten vermieden werden.
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Als
vorteilhaft hat sich die Sinterung von Zirkonoxid aufweisenden auf
erfindungsgemäße Weise hergestellten
Dentalkeramiken in einem Zonensinterofen bei Temperaturen zwischen
1200°C und 1800°C, vorzugsweise
zwischen größer 1400°C und 1700°C erwiesen.
Dabei wird eine Geschwindigkeit von 1 bis 15 mm/min, insbesondere
5 bis 12 mm/min, bevorzugt 8 mm/min, eingehalten. Alternativ kann der
erzeugte Grünkörper in
einem Vakuumsinterofen oder einem Kammersinterofen gesintert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird die Trägerstruktur
von einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
angeordneten Abscheideelement gebildet, wobei das Positionierelement
das Durchführen
einer Relativbewegung entlang eines zweiten vorbestimmten Pfades
zwischen der zweiten Elektrode und der ersten Elektrode und/oder
dem Abscheidelement ermöglicht.
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Wenn
nicht nur eine Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode und
dem Abscheideelement sondern auch eine weitere Relativbewegung der
zweiten Elektrode im Bezug auf die erste Elektrode und/oder das
Abscheideelement möglich
ist, bestehen zusätzliche
Freiheitsgrade in der Gestaltung der Relativbewegungen der Elektroden
und des Abscheideelementes zueinander, womit eine größere Flexibilität in den
Gestaltungsmöglichkeiten
besteht. Ausgehend von einer Relativbewegung zwischen der ersten
Elektrode und dem Abscheideelement ist die Vorrichtung entsprechend
dieser Ausführungsform beispielsweise
dazu ausgestaltet, dass die zweite Elektrode relativ zur ersten
Elektrode stillsteht, aber gegenüber
dem Abscheideelement bewegt wird. Ein anderes Beispiel ist eine
relative Fixierung der zweiten Elektrode gegenüber dem Abscheidelement bei einer
Bewegung der zweiten Elektrode gegenüber der ersten Elektrode. Die
Vorrichtung kann auch so ausgestaltet sein, dass sie eine Bewegung
der zweiten Elektrode relativ zu sowohl dem Abscheidelement als
auch zu der ersten Elektrode erlaubt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besitzt das
Abscheideelement eine ionenpermeable Membran, insbesondere bestehend aus
einem Material ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Gips, Polystyrol, Polymethylmethacrylat,
Polyethersulfon und deren Mischungen.
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Es
wurde gefunden, dass neben Gips insbesondere die genannten Kunststoffe
vorteilhaft als Material für
das Abscheideelement eingesetzt werden können. Das Abscheideelement
ist vorzugsweise elektrisch nicht leitend und weist vorzugsweise
auch keine halbleitenden Eigenschaften auf. Vorteilhaft ist eine
Porengröße im Abscheideelement
im Bereich von 10 nm bis 10 μm,
bevorzugt 500 nm bis 1 μm,
besonders bevorzugt zwischen größer 60 nm
und 1 μm. Darüber hinaus
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Abscheidelement durch
das Suspensionsmittel bzw. die anderen im Elektrophoresebetrieb
verwendeten Flüssigkeiten
benetzbar ist. Der Kontaktwinkel zwischen Abscheideelement und beispielsweise
Wasser ist dementsprechend vorteilhafterweise kleiner als 90°, bevorzugt
kleiner als 80°.
Wenn die hier genannten Kriterien erfüllt sind, können gegebenenfalls auch andere
Materialien für
das Abscheideelement verwendet werden. Es wurde gefunden, dass das
Material bekannter Dialyseschläuche für den Einsatz
in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
geeignet ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird die Trägerstruktur von
einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten
Abscheideelement gebildet, wobei die Kammer wenigstens zwei durch das
Abscheideelement getrennte Teilkammern besitzt, wobei die erste
Elektrode einer ersten Teilkammer und die zweite Elektrode einer
zweiten Teilkammer zugeordnet und zumindest die erste oder die zweite
Teilkammer zur Aufnahme der Suspension vorgesehen ist.
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In
einer entsprechenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems
wird die Trägerstruktur von
einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten
Abscheideelement gebildet, wobei die Kammer im Betriebszustand wenigstens
zwei durch das Abscheideelement getrennte Teilkammern besitzt, wobei
die erste Elektrode einer ersten Teilkammer und die zweite Elektrode
einer zweiten Teilkammer zugeordnet ist und zumindest die erste
oder die zweite Teilkammer die Suspension enthält. Insbesondere wird bevorzugt,
dass die andere der besagten Teilkammern im Betriebszustand eine
elektrisch leitfähige
Flüssigkeit
als Ausgleichsflüssigkeit
enthält.
Die Werte der elektrischen Leitfähigkeit
der Suspension bzw. der Ausgleichsflüssigkeit liegen hierbei vorteilhafterweise
jeweils zwischen 0,001 mS/cm und 175 mS/cm, bevorzugt zwischen 0,1
mS/cm und 75 mS/cm. Zudem wird bevorzugt, wenn das Verhältnis der
elektrischen Leitfähigkeit von
Suspension zu Ausgleichsflüssigkeit
im Bereich von 0,02 bis 50, insbesondere von 0,02 bis 1, liegt. Sind
die elektrischen Leitfähigkeiten
von Suspension und Ausgleichsflüssigkeit
gleich oder im wesentlichen gleich, so ergibt sich vorteilhafterweise
eine gleiche oder im wesentlichen gleiche Verteilung des elektrischen
Stroms in Suspension und Ausgleichsflüssigkeit mit gleichen oder
im wesentlichen gleichen Stromdichten in Suspension und Ausgleichsflüssigkeit.
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Durch
das elektrische Feld werden im Betrieb die Partikel in bekannter
Weise dazu veranlasst, in eine gewünschte bzw. bestimmte Richtung
zu wandern, womit die elektrophoretische Abscheidung erreicht wird.
Wird nun erfindungsgemäß ein Abscheideelement
vorgesehen, dass zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
angeordnet ist, so werden die abscheidbaren Partikel im Betrieb
von einer der Elektroden abgestoßen und zu der anderen hingezogen,
wobei Partikel auf das Abscheidelement treffen. Partikel, die sich
zwischen der anziehenden Elektrode und dem Abscheideelement befinden,
bewegen sich allerdings in Richtung der anziehenden Elektrode und
werden in keinem Fall das Abscheideelement erreichen, sie können somit
dort auch nicht abgeschieden werden. Wird nun die Kammer durch das
Abscheidelement in wenigstens zwei Teilkammern geteilt, in denen
im Betrieb jeweils eine der Elektroden angeordnet ist, so reicht
es aus, erfindungsgemäß vorzusehen,
in nur eine Teilkammer eine Suspension zu geben, nämlich in
die Teilkammer, deren Partikel von der zugeordneten Elektrode abgestoßen werden.
Erfindungsgemäß kann die Kammer
auch durch ein Abscheideelement in Teilkammern geteilt werden, welches
beispielsweise die Form eines Bechers hat. Hierbei umfasst die eine Teilkammer
das Innere des Bechers und die andere Teilkammer wird von dem Bereich
der Kammer außerhalb des Bechers gebildet. Ein Beispiel einer
solchen Aufteilung findet sich in
DE 103 20 936 A1 .
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
oder sind beide Elektroden aus einem mit einer Abschirmung umgebenen Leitungselement
gebildet, wobei sich die Abschirmung weiter als das Leitungselement
in Richtung der gegenüberliegenden
Elektrode erstreckt.
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Es
wurde gefunden, dass durch die Ausbildung wenigstens einer Elektrode
mit einer koaxialen Abschirmung ein örtlich eng begrenztes elektrisches Feld
einges tellt werden kann. Eine derartige örtliche Eingrenzung konnte
in anderen Anordnungen zur elektrophoretischen Abscheidung bisher
nicht erreicht werden. Somit ist erfindungsgemäß eine deutliche Verbesserung
der lokalen Abscheideeffizienz und Variierbarkeit der lokalen Abscheidebedingungen
möglich.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besitzen
eine oder beide der Elektroden eine Punktspitze.
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Das
elektrische Feld einer Punktspitze ist gut lokalisiert. Insbesondere
bei zwei gegenüberliegenden
Elektroden in Form einer Punktspitze lässt sich ein symmet risches
Feld erzeugen, wodurch die Steuerung der elektrophoretischen Abscheidung
vereinfacht werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung besitzt eine der Elektroden eine Punktspitze und die
andere der Elektroden eine im Querschnitt kreisbogenförmige Oberfläche, vorzugsweise
eine Oberfläche
in Form einer Kugelzone oder einer Kugelkalotte.
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Mit
einer derartigen Elektrodenanordnung lässt sich ein symmetrisches
elektrisches Feld mit einer weitgehend gleichmäßigen Feldverteilung erzeugen.
Dies erlaubt eine vereinfachte Planung der Bewegung der Elektrode
zur Erzeugung einer gewünschten
Abscheidungsschicht bzw. eines Formkörpers mit gewünschter
Geometrie.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzen
die Oberflächen
der Elektroden jeweils einander gegenüberliegende Teilflächen mit
parallelen Flächennormalen.
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Eine
derartige Elektrodenanordnung erlaubt eine Erzeugung eines besonders
gleichmäßigen elektrischen
Feldes, wie es sich beispielsweise auch zwischen den Elektroden
eines Plattenkondensators ausbildet. So kann erfindungsgemäß auf einfache Weise
eine besonders kontrollierte Abscheidung vorgenommen werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Spannungsquelle
ausgestaltet, eine konstante oder gepulste Gleichspannung oder eine von
einer Wechselspannung überlagerte
konstante oder gepulste Gleichspannung zu erzeugen.
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Eine
konstante bzw. gepulste Gleichspannung kann auf besonders einfache
Weise erzeugt werden. Auch eine Überlagerung
einer solchen Spannung mit einer Wechselspannung stellt keine hohen
apparativen Anforderungen. Es wurde gefunden, dass mit einer mit
einer Wechselspannung überlagerten
Gleichspan nung eine erhöhte
Abscheidungsdichte des Formkörpers
erreicht werden kann. Bevorzugt wird hierbei, dass das Ergebnis
der Überlagerung
keine Vorzeichenwechsel zeigt, da sich ansonsten auch die Triebkraft
für die
elektrophoretische Abscheidung umkehrt. Es ist nicht nötig, dass
die Gleichspannung bei Durchführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
in jedem Fall einen konstanten Wert über die gesamte Betriebszeit
aufweist. Eine Spannung kann in diesem Zusammenhang bereits als
konstant angesehen werden, wenn die Spannung für einen Zeitraum von zumindest
10 Sekunden, vorzugsweise zumindest 1 Minute konstant bleibt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung
eine der Kammer zugeordnete dritte Elektrode auf, wobei die Spannungsquelle
ausgestaltet ist, eine konstante oder gepulste Gleichspannung oder
eine von einer Wechselspannung überlagerte
konstante oder gepulste Gleichspannung zwischen der dritten Elektrode
und der ersten und/oder zweiten Elektrode zu erzeugen.
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Die
Elektrodenanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit nicht
auf nur zwei Elektroden beschränkt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, eine oder mehrere weitere Elektroden
der Kammer zuzuordnen, wobei im Betrieb das zwischen der ersten
und zwei Elektrode aufgebaute Feld von einem oder mehreren weiteren
Feldern überlagert wird,
das bzw. die von der bzw. den zusätzlichen) Elektrode(n) herrühren. So
lässt sich
die elektrophoretische Abscheidung variabler steuern. Die obigen Ausführungen
zu möglichen
und bevorzugten Ausgestaltungen der ersten bzw. zweiten Elektrode
gelten auch für
eine dritte oder weitere Elektroden.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn zumindest eine der möglichen Relativbewegungen eine
Bewegung in wenigstens zwei Raumrichtungen, vorzugsweise in drei
Raumrichtungen, und/oder eine Drehung umfasst.
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Eine
besonders große
Gestaltungsfreiheit wird erreicht, wenn die Elektroden gegeneinander bzw.
eine Elektrode gegenüber
der Trägerstruktur eine
Bewe gung in zumindest einer Ebene, besser noch im Raum ausführen können, wobei
auch Drehungen der Elemente um eine eigene Achse und/oder relativ
zu einem anderen Element möglich sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zum Anordnen
der ersten Elektrode im wesentlichen vertikal über oder unter der zweiten Elektrode
vorgesehen.
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Durch
eine solche Ausgestaltung wird es ermöglicht, dass im Betrieb eine
Bewegung der abzuscheidenden Partikel in der Suspension in Richtung der
Erdanziehung oder entgegen der Schwerkraft erfolgt. Es wurde gefunden,
dass in überraschender Weise
bei einer Bewegung der Partikel bei der Abscheidung entgegengesetzt
zur Erdanziehung eine erhöhte
Dichte des Abscheidekörpers
bzw. Formkörpers
erreicht werden kann. Eine mögliche
Erklärung hierfür kann darin
liegen, dass sich in der Suspension, insbesondere in einer schlecht
dispergierten Suspension, größere Agglomerate
der Partikel bilden können,
die infolge der Schwerkraft unabhängig von dem herrschenden elektrischen
Feld nach unten sinken. Erfolgt die elektrophoretische Abscheidung
entgegen der Richtung der Schwerkraft, werden somit bevorzugt die
Partikel abgeschieden, die sich (noch) nicht zu Agglomeraten zusammengefunden
haben. Andererseits kann durch ein elektrophoretisches Abscheiden
in Richtung der Erdanziehung ein schnellerer Schichtaufbau erreicht
werden, wenn die Schwerkraft mit dem elektrischen Feld zusammenwirkt.
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In
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erste
Elektrode und/oder die Trägerstruktur
während
des elektrophoretischen Abscheidens so relativ zueinander bewegt,
dass die lokalen Abscheidebedingungen im wesentlichen durch die
Relativbewegung bestimmt werden.
-
In
einen inhomogenen Feld kann eine Variation der Feldstärke an der
Oberfläche
der Trägerstruktur
nicht nur durch eine globale Veränderung des
Feldes infolge einer geänderten
Potentialdifferenz, sondern auf einfache Weise durch eine unterschiedliche
Positionierung des Trägerstruktur
im Feld erreicht werden. Eine solche unterschiedliche Positionierung
wird durch eine Relativbewegung geleistet. Insbesondere bei einem
gebündelten
oder abgeschirmten Feld werden durch eine Relativbewegung der Trägerstruktur
gegenüber
der entsprechenden Elektrode bestimmte Oberflächenbereiche der Trägerstruktur
zu unterschiedlichen Zeiten dem elektrischen Feld ausgesetzt, wobei
infolge des lokal wirkenden elektrischen Feldes eine (lokale) elektrophoretische
Abscheidung von Partikeln erfolgt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems
weist die Suspension ein organisches Suspensionsmittel (Dispersionsmittel) auf.
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Ein
organisches Suspensionsmittel kann insbesondere dann vorteilhaft
eingesetzt werden, wenn höchste
Ansprüche
an die Strukturierbarkeit des abzuscheidenden Materials gestellt
werden und eine hohe Abscheiderate von untergeordneter Bedeutung ist.
Es wurde gefunden, dass bei organischen Suspensionsmitteln im Vergleich
zu wässrigen
Suspensionen größere Feldgradienten
möglich
sind. Der Grund hierfür
liegt möglicherweise
in der geringeren elektrischen Leitfähigkeit von organischen Flüssigkeiten.
Die größeren Feldgradienten,
d. h. der Einsatz organischer Dispersionsmittel, erlauben eine gezieltere
Modellierung des Abscheidekörpers.
Als organische, nichtwässrige
Dispersionsmittel können beispielsweise
Ethanol oder dielektrische Flüssigkeiten
(z. B. Kohlenwasserstoffe) eingesetzt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems
weist die Suspension Wasser als Suspensionsmittel (Dispersionsmittel) auf.
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Die
Verwendung von Wasser als Suspensionsmittel bietet, vermutlich aufgrund
einer im Vergleich zu organischen Suspensionsmitteln höheren Dielektrizitätskonstante,
die Möglichkeit,
sehr hohe Abscheideraten zu erzielen, was die Prozessdauer verkürzt und
den Durchsatz erhöht.
Hierbei wird deionisiertes Wasser bevorzugt, insbesondere destilliertes
Wasser, wobei bidestilliertes Wasser besonders bevorzugt wird.
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Erfindungsgemäß liegen
typische Abscheideraten im Bereich von 0,05 mm/min bis 10 mm/min, insbesondere
bei wässrigen
Suspensionen im Bereich von 0,5 bis 2 mm/min. Im allgemeinen ist
die Abscheiderate bei organischen Suspensionsmitteln um einen Faktor
10 bis 100 niedriger als in wässrigen Suspensionen.
-
Im
folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
-
1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung,
-
2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung,
-
3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem dritten Aspekt der
Erfindung,
-
4 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem vierten Aspekt der
Erfindung,
-
5 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung,
-
6 eine
Elektrodenanordnung gemäß einem
sechsten Aspekt der Erfindung,
-
7 eine
Elektrodenanordnung gemäß einem
siebten Aspekt der Erfindung,
-
8 eine
Elektrodenanordnung gemäß einem
achten Aspekt der Erfindung,
-
9 eine
Elektrodenanordnung gemäß einem
neunten Aspekt der Erfindung und
-
10 ein
Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Einander
entsprechende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
Verwendung finden.
-
1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung.
Die Vorrichtung 101 umfasst eine Kammer 103 zur
Aufnahme einer Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel,
eine in der Kammer 103 beweglich angeordnete erste Elektrode 105,
eine in der Kammer angeordnete ortsfeste zweite Elektrode 107 als
Trägerstruktur 107,
eine Spannungsquelle 109 und ein Positionierelement 111 für die erste
Elektrode 105. In der Kammer 103 befindet sich
die Suspension 113, die elektrophoretisch abscheidbare Partikel 115 in
einem organischen Lösungsmittel
beinhaltet. In der schematische Darstellung von 1 ist
bereits eine elektrophoretisch abgeschiedene Schicht 117 der
Partikel auf der zweiten Elektrode 107 dargestellt. Die
erste und zweite Elektrode 105, 107 befinden sich
in der Suspension 113 bzw. tauchen in diese ein. Das in 1 dargestellte
System umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 101 und die
Suspension 113.
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Die
Wandung der Kammer 103 besteht aus einem nicht porösen, elektrisch
nicht leitenden, chemisch resistenten Material. Insbesondere Kunststoffe,
bevorzugt Polycarbonat (PC) und besonders bevorzugt Polymethylmethacrylat
(PMMA) eignen sich als Material für die Wandung der Kammer 103.
Ein anderes geeignetes Material ist Glas.
-
Mit
Hilfe der regelbaren Spannungsquelle 109 kann eine Potentialdifferenz
zwischen der ersten Elektrode 105 und der zweiten Elektrode 107 aufgebaut
wer den. Das dabei entstehende elektrische Feld (nicht gezeigt) veranlasst
Partikel 115 in der Suspension 113, in Richtung
der zweiten Elektrode 107 zu wandern, wo diese Partikel
dann eine elektrophoretisch abgeschiedene Schicht bilden. Auf die
Einzelheiten der elektrophoretischen Abscheidung selbst und der
Hintergründe
hierzu wird hier nicht näher
eingegangen, da der Fachmann mit dem grundsätzlichen Verfahren einer elektrophoretischen
Abscheidung ausreichend vertraut ist. Für weitere Einzelheiten zur
elektrophoretischen Abscheidung wird zudem auf den oben angeführten Stand
der Technik verwiesen.
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Die
Spannungsquelle ist hier als regelbar dargestellt, es ist jedoch
auch möglich
eine Gleichspannungsquelle für
eine konstante Gleichspannung oder eine andere geeignete Spannungsquelle
einzusetzen. Die Polung der Spannungsquelle ist in diesem Zusammenhang
von Bedeutung, da eine elektrophoretische Abscheidung sowohl in
Richtung einer Kathode als auch in Richtung einer Anode möglich ist.
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Das
Positionierelement 111 ist ausgestaltet, um eine Bewegung
der ersten Elektrode 105 entlang eines vorbestimmten Pfades
zu ermöglichen
und zu steuern. Wie in 1 angedeutet, kann mittels des Positionierelements 111 die
erste Elektrode 105 in den drei Raumrichtungen bewegt und
entsprechend positioniert werden. Zudem ist eine Änderung
der Orientierung der Elektrode 105 mittels des Positionierelementes 111 möglich. Wird
beispielsweise eine Elektrode mit einer Punktspitze verwendet, so
kann diese Elektrode unterschiedlich im Raum ausgerichtet sein,
also eine gewisse Orientierung aufweisen. Wird zudem eine Abschirmung
bei der Elektrode verwendet, so geht das von dieser Elektrode ausgehende
elektrische Feld zunächst
von der Elektrode aus in eine durch die Abschirmung bestimmte Richtung,
so dass es vorteilhaft ist, durch Änderung der Orientierung der
Elektrode diese Richtung an die gewünschten Verhältnisse
anzupassen. Auch eine flache Platte als Elektrode kann orientiert
sein, sie kann beispielsweise einer anderen Elektrode ihre Fläche oder
eine Kante zuwenden.
-
Das
Positionierelement ist in 1 im Bereich
der Kammer 103 und der Suspension 113 dargestellt.
Es ist jedoch auch möglich,
das Positionierelement außer halb
der Suspension oder außerhalb der
Kammer vorzusehen, wobei sich gegebenenfalls nur die erste Elektrode 105 in
der Suspension befindet bzw. in diese eintaucht, nicht aber das
Positionierelement. Es kann zudem vorgesehen sein, zur Steuerung
des Positionierelementes eines getrennte Steuereinheit, beispielsweise
einen Computer, vorzusehen, über
die die Positioniereinheit und somit die Bewegung und Position derersten
Elektrode gesteuert werden kann.
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Die
erste Elektrode 105 besitzt eine Punktspitze, die in gewünschter
Weise an der die Suspension kontaktierende Fläche der zweiten Elektrode 107 entlanggeführt werden
kann. Hierbei wird durch das Positionierelement 111 sowohl
die relative Orientierung als auch der Abstand der ersten Elektrode 105 zur
zweiten Elektrode 107 bestimmt. Da die zweite Elektrode
in der Kammer ortsfest angeordnet ist (Fixierungsmittel nicht dargestellt),
ergibt sich mit einer Bewegung der ersten Elektrode 105 ohne
weiteres eine Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode 105 und
der zweiten Elektrode 107, die hier die Funktion einer
Trägerstruktur
wahrnimmt. Die zweite Elektrode 107 besteht in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 aus
einem Gipsmodell, das in geeigneter Weise für die Verwendung als Elektrode vorbereitet
wurde. Beispielsweise kann eine elektrisch leitende Lackierung oder
Beschichtung des Modells vorgesehen oder bei der Herstellung des Modells
ein elektrisch leitendes Material in ausreichender Menge dem Gips
beigefügt
worden sein.
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Wird
die erste Elektrode 105 in einem bestimmten Abstand und
einer bestimmten Orientierung zur zweiten Elektrode 107 positioniert,
so werden infolge des zwischen der ersten und zweiten Elektrode 105, 107 aufgebauten
elektrischen Feldes auf der zweiten Elektrode 107 Partikel 115 aus
der Suspension 113 abgeschieden. Diese Abscheidung von
Partikel erfolgt aufgrund der Elektrodenanordnung nur in einem bestimmten
Bereich auf zweiten Elektrode 107 bzw. einer bereits auf
der zweiten Elektrode 107 abgeschiedenen Schicht. Wird
nun die erste Elektrode 105 bewegt, so wird damit auch
der Bereich, in dem abgeschieden wird, über die zweite Elektrode bewegt.
So kann nach und nach ein großer Oberflächenbereich
der zweiten Elektrode 107 mit einer Schicht aus elektrophoretisch
abgeschiedenen Partikeln belegt werden, wobei die Schichtdicke insbe sondere
von den Abscheidungsparametern Feldstärke (insbesondere an der Oberfläche, auf
die abgeschieden wird) und (Elektroden-)Verweilzeit bzw. Bewegungsgeschwindigkeit
abhängt.
Die Feldstärke kann
hierbei beispielsweise wiederum über
die Spannung oder über
den Elektrodenabstand eingestellt werden.
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Alternativ
zu der in 1 dargestellten Ausführung kann
auch vorgesehen sein, dass die die Trägerstruktur bildende zweite
Elektrode bewegt oder dass beide Elektroden bewegt werden.
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2 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung.
Die Vorrichtung 201 entspricht weitgehend der oben beschriebenen
Vorrichtung aus 1. Die Vorrichtung 201 umfasst
wie jene eine Kammer 103 zur Aufnahme einer Suspension
mit elektrophoretisch abscheidbaren Partikeln, eine in der Kammer 103 angeordnete
bewegliche erste Elektrode 105, eine Spannungsquelle 109 und
ein Positionierelement 111 für die erste Elektrode 105.
In der Kammer 103 befindet sich die Suspension 213, die
elektrophoretisch abscheidbare Partikel 115 mit Wasser
als Suspensionsmittel beinhaltet. Die erste Elektrode 105 befindet
sich in der Suspension 213. Abweichend von der oben beschriebenen
Vorrichtung entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung besitzt
die Vorrichtung 201 ein Abscheideelement 219,
das in die Suspension 213 eintaucht und die Kammer 103 in
zwei Teilkammern teilt. Die erste Teilkammer enthält die Suspension 213 und
die zweite Teilkammer enthält
eine elektrisch leitfähige
Flüssigkeit 221.
Während
die erste Elektrode 105 in der Suspension 213 und
damit in der ersten Teilkammer angeordnet ist, befindet sich die
ortsfeste zweite Elektrode in der zweiten Teilkammer und in der
elektrisch leitfähigen
Flüssigkeit 221.
Das Abscheideelement 219 besteht aus Polyethersulfon und
weist eine Porengröße im Bereich
von 60 nm bis 1 μm
auf. In der schematischen Darstellung von 2 ist ebenfalls
bereits eine elektrophoretisch abgeschiedene Schicht 117 der
Partikel dargestellt, die sich hier auf der äußeren, der Suspension 213 bzw.
der ersten Elektrode 105 zugewandten Oberfläche des
Abscheideelementes 219 befindet. Die Form der zweiten Elektrode 207 ist
an die Form des Abscheidelementes 219 angepasst, jedoch
kann auch eine beliebige andere Form für die zweite Elektrode vorgesehen sein.
Das in 2 gezeigte System umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 201 und
die Suspension 213 zusammen mit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 221.
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Der
Unterschied zwischen den in 1 und 2 dargestellten
Systemen besteht abgesehen von der Verwendung von Wasser bzw. einer
organischen Verbindung als Suspensionsmittel darin, dass vorgesehen
ist, nicht auf einer Elektrode selbst sondern auf einem Abscheideelement 219 elektrophoretisch
abzuscheiden. So kann vermieden werden, dass bei einer elektrolytischen
Zersetzung des Suspensionsmittels (hier: Wasser) entstehende Gase
in Form von Gasblasen in die abgeschiedene Schicht eingebaut werden,
wodurch unerwünschte
Fehlstellen im Schichtaufbau entstehen könnten.
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Es
kann alternativ oder ergänzend
vorgesehen werden, dass das Abscheideelement 219 nicht wie
in 2 dargestellt ortfest angeordnet ist, sondern
dass das Abscheideelement mittels eines Positionierelementes beweglich
angeordnet ist. Bei einer beweglichen Anordnung des Abscheideelementes kann
gegebenenfalls darauf verzichtet werden, die erste Elektrode als
beweglich vorzusehen, da auch so eine Relativbewegung zwischen der
ersten Elektrode und dem Abscheideelement erreicht werden kann.
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3 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung.
Die Vorrichtung 301 entspricht weitgehend der oben beschriebenen
Vorrichtung aus 2. Die Vorrichtung 301 umfasst
wie jene eine Kammer 103 zur Aufnahme einer Suspension
mit elektrophoretisch abscheidbaren Partikeln, eine in der Kammer 103 angeordnete
bewegliche erste Elektrode 105, eine Spannungsquelle 109 und
ein Positionierelement 111a für die erste Elektrode 105. In
der Kammer 103 befindet sich die Suspension 213, die
elektrophoretisch abscheidbare Partikel 115 mit Wasser
als Suspensionsmittel beinhaltet. Die erste Elektrode 105 befindet
sich in der Suspension 213. Abweichend von der oben beschriebenen
Vorrichtung entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung und entsprechend
der zuvor beschriebenen Vorrichtung entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung
besitzt die Vorrichtung 301 ein Abscheideelement 219,
das in die Suspension 213 eintaucht und die Kammer 103 in
zwei Teilkammern teilt. Die erste Teilkammer enthält die Suspension 213 und
die zweite Teilkammer enthält
eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit 221.
Während
die erste Elektrode 105 in der Suspension 213 und
damit in der ersten Teilkammer angeordnet ist, befindet sich die
abweichend von 2 bewegliche zweite Elektrode 307 in
der zweiten Teilkammer und in der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 221.
Zur Ermöglichung
und Steuerung einer Bewegung der zweiten Elektrode 307 weist
die Vorrichtung 301 ein Positionierelement 111b auf.
Auch wenn die Positionierelemente 100a und 111b getrennt
dargestellt sind, können
sie sowohl einzeln vorgesehen sein als auch in einem einzigen Positionierelement 111 kombiniert
sein. In der schematischen Darstellung von 3 ist ebenfalls
bereits eine elektrophoretisch abgeschiedene Schicht 117 der
Partikel dargestellt, die sich hier auf der äußeren, der Suspension 213 bzw.
der ersten Elektrode 105 zugewandten Oberfläche des
Abscheideelementes 219 befindet. Zudem umfasst die Vorrichtung 301 einen
Deckel 323, der die Kammer 103 abschließt und somit
verhindert, dass Verunreinigungen von außerhalb der Kammer 103 in
die Suspension 213 oder die elektrisch leitfähige Flüssigkeit 221 gelangen.
Das in 3 gezeigte System umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 301 und
die Suspension 213 zusammen mit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 221. Das
in 3 gezeigte System arbeitet im Betrieb ähnlich zu
dem in 2 gezeigten, wobei in der in 3 dargestellten
Ausführungsform
zusätzlich
die zweite Elektrode bewegt wird.
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4 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung.
Die Vorrichtung 401 umfasst eine Kammer 103, ein
ortfest angeordnetes Abscheideelement 219 als Trägerstruktur,
das die Kammer 103 in eine erste Teilkammer zur Aufnahme
einer Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel und eine
zweite Teilkammer zur Aufnahme einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit
trennt, eine in der ersten Teilkammer beweglich angeordnete erste
Elektrode 405, eine in der zweiten Teilkammer angeordnete
ortsfeste zweite Elektrode 407, eine in der ersten Teilkammer
ortsfest angeordnete dritte Elektrode 425, eine Spannungsquelle 409 und
ein. Positionierelement 111 für die erste Elektrode 405.
In der ersten Teilkammer befindet sich die Suspension 213,
die elektrophoretisch abscheidbare Partikel 115 mit Wasser
als Suspensionsmittel enthält.
Die erste Elektrode 405 und die dritte Elektrode 425 befinden
sich in der Suspension 213 bzw. tauchen in diese ein. In
der zweiten Teilkammer befindet sich die elektrisch leitfähige Flüssigkeit 221.
Die zweite Elektrode 407 taucht in die elektrisch leitfähige Flüssigkeit 221 ein.
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Die
erste Elektrode 405 ist als eine flache, plattenförmige Elektrode
ausgestaltet, die in einem festgelegten Abstand parallel zu dem
ebenfalls flachen Abscheidelement 219 mittels des Positionierelementes 111 verfahren
werden kann. Die erste Elektrode 405 befindet sich zwischen
dem Abscheidelement und der dritten Elektrode 425, die
ebenfalls als eine flächige
Platte ausgestaltet ist. Die Fläche
der dritten Elektrode 425 entspricht annährend der
des Abscheideelementes 219, während die Fläche der ersten
Elektrode 405 wesentlich kleiner ist. Auf der aus Sicht
der ersten Elektrode 405 gegenüberliegenden Seite des Abscheideelementes 219 befindet
sich die zweite Elektrode 407, die wie die dritte Elektrode als
eine flächige
Platte in einer dem Abscheideelement 219 im wesentlichen
entsprechenden Größe ausgestaltet
ist.
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Die
Spannungsquelle 409 besitzt Teilspannungsquellen 409a, 409b und 409c.
Die Teilspannungsquelle 409a ist eine regelbare Gleichspannungsquelle
und dient dazu, eine Gleichspannung zwischen der zweiten Elektrode 407 und
der dritten Elektrode 425 aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Diese
Gleichspannung resultiert in einem elektrischen Feld zwischen der
zweiten Elektrode 407 und der dritten Elektrode 425.
Die Teilspannungsquelle 409c ist dazu vorgesehen, eine
Gleichspannung zwischen der ersten Elektrode 405 und der
zweiten Elektrode 407 aufzubauen und aufrechtzuerhalten.
Diese Gleichspannung wird im Betrieb von einer von der Teilspannungsquelle 409b erzeugten
Wechselspannung überlagert.
Das infolge der Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 405 und
der zweiten Elektrode 407 aufgebaute elektrische Feld überlagert sich
mit dem zwischen der dritten Elektrode 425 und der zweiten
Elektrode 407. Entsprechend des Ergebnisses dieser Überlagerung
erfolgt eine elektrophoretische Abscheidung von Partikeln 115 aus
der Suspension 213 auf dem Abscheideelement 219.
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Durch
eine Bewegung der ersten Elektrode kann diese Abscheidung an verschiedenen
Stellen des Abscheideelementes 219 unterschiedlich eingestellt
werden.
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Das
in 4 dargestellte System umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 401 und
die Suspension 213 zusammen mit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 221.
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5 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem System zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung.
Das in 5 gezeigte erfindungsgemäße System mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 501 entspricht
weitestgehend dem in 4 gezeigten. Ein Unterschied
besteht darin, dass die Vorrichtung 501 so ausgestaltet
ist, dass die Kammer 503 durch das Abscheidelement 219 in
ein obere und eine untere Teilkammer geteilt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die erste Elektrode 405 vertikal unter der zweiten
Elektrode 407 angeordnet, womit im Betrieb die elektrophoretische
Abscheidung entgegen einer Schwerkraftwirkung auf die Partikel 115 erfolgt.
Es sind geeignete Maßnahmen
getroffen (hier nicht gezeigt), um sicherzustellen, dass die Suspension 213 im
gewünschten
Abscheidebereich mit dem Abscheideelement 219 in Kontakt
steht.
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Bei
den folgenden Ausführungsbeispielen von
Elektrodenanordnungen wurde zur besseren Übersichtlichkeit davon abgesehen,
Spannungsquellen, Suspensionen oder Positionierelemente darzustellen.
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6 zeigt
schematisch eine Elektrodenanordnung gemäß einem sechsten Aspekt der
Erfindung. Eine erste Elektrode 105 ist beweglich in der Nähe einer
ortfesten zweiten Elektrode 107 angeordnet und besitzt
eine Punktspitze. Die erste Elektrode 105 bzw. deren Spitze
kann einem vorbestimmten Pfad 627 folgen, der hier so gewählt wurde,
dass er der Oberflächenkontur
der zweiten Elektrode 107 folgt. Zudem kann die Neigung
der ersten Elektrode 105 geändert werden, so dass sie beispielsweise während der
Bewegung entlang des Pfades 627 senkrecht zu dem jeweils
ihr am nächsten
liegenden Oberflächenelement
der Oberfläche
der zweiten Elektrode 107 ausgerichtet ist.
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7 zeigt
schematisch eine Elektrodenanordnung gemäß einem siebten Aspekt der
Erfindung. Eine erste Elektrode 105 und eine zweite Elektrode 307 sind
beweglich auf gegenüberliegenden
Seiten eines Abscheideelementes 219 angeordnet. Die Elektroden 105, 307 besitzen
jeweils eine Punktspitze und sind so angeordnet, dass sie jeweils
einem ersten vorbestimmten Pfad 627 bzw. einem zweiten vorbestimmten
Pfad 729 folgen können.
Hierbei können
die Orientierungen der Elektroden so angepasst werden, dass sie
entlang einer verlängerten
Linie zwischen ihren Spitzen verlaufen, wobei vorgesehen werden
kann, dass diese Linie beim Durchlaufen der Pfade 627 bzw. 729 jeweils
senkrecht auf der Oberfläche
des als dünne
Membran ausgestalteten Abscheidelementes 219 steht.
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8 zeigt
schematisch eine Elektrodenanordnung gemäß einem achten Aspekt der Erfindung. Ein
planes Abscheideelement 219 ist zwischen einer beweglich
angeordneten ersten Elektrode 105 mit einer Punktspitze
und einer beweglich angeordneten zweiten Elektrode 807 angeordnet.
Die erste Elektrode 105 und die zweite Elektrode 807 sind
miteinander so gekoppelt, dass sie jeweils eine synchrone Bewegung
durchführen.
Die erste Elektrode 105 bzw. die zweite Elektrode 807 kann
sich also jeweils relativ zum Abscheideelement 219 bewegen,
bleibt dabei allerdings relativ zur jeweils anderen Elektrode unbewegt.
Die zweite Elektrode 807 weist zur ersten Elektrode 105 hin
einen kreisbogenförmigen
Querschnitt auf, wobei sich die Spitze der ersten Elektrode 105 im Mittelpunkt
des zugehörigen
Kreises befindet. Auf diese Weise kann ein symmetrisches Feld zwischen den
Elektroden erzeugt werden.
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9 zeigt
schematisch eine Elektrodenanordnung gemäß einem neunten Aspekt der
Erfindung. Eine erste Elektrode 905 ist ortsfest nahe einer zweiten
Elektrode 907 angeordnet. Die erste Elektrode 905 ist
koaxial abgeschirmt und umfasst ein Leitungselement 933,
dass von einer Isolierung 935 umgeben ist. Die Isolierung 935 ist
ihrerseits von einem Abschirmungselement 937 umgeben. Die
Isolierung 935 und das Abschirmungselement 937 erstrecken sich
weiter als das Leitungselement 933 in Richtung der zweiten
Elektrode 907. Das Abschirmungselement 937 weist
hierbei das Potential der zweiten Elektrode 907 auf. Die
zweite Elektrode 907 ist hier als Trägerstruktur vorgesehen und
besitzt als Außenkontur
eine gewünschte
Innenkontur eines herzustellenden (hier: dentalen) Formkörpers. Die
zweite Elektrode 907 ist in allen Raumrichtungen beweglich angeordnet
und kann gegenüber
der ersten Elektrode 905 geneigt werden, so dass das im
Betrieb zwischen der ersten Elektrode 905 und der zweiten
Elektrode 907 auftretenden elektrische Feld stets senkrecht
auf der Oberfläche
der zweiten Elektrode steht.
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10 zeigt
schematisch ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zunächst
wird die Suspension elektrophoretisch abscheidbarer Partikel bereitgestellt
(Schritt 50) und eine elektrische Potentialdifferenz zwischen
einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode erzeugt, beispielsweise
in einem System wie oben beschrieben (Schritt 52). Daran schließt sich
ein elektrophoretisches Abscheiden von Partikeln aus der Suspension
auf einer Trägerstruktur
an (Schritt 54). Diese Trägerstruktur kann von der zweiten
Elektrode oder von einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten
Elektrode angeordneten Abscheideelement gebildet werden. Zeitgleich
zu dem elektrophoretischen Abscheiden (Schritt 54) erfolgt
einer der Schritte 56 oder 62.
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Schritt 56 besteht
darin, dass die erste Elektrode und die Trägerstruktur relativ zueinander
bewegt werden. Hierbei können
entweder die erste Elektrode oder die Trägerstruktur oder sowohl die erste
Elektrode als auch die Trägerstruktur
bewegt werden. Ergänzend
zu Schritt 56 kann bei Ausgestaltungen, bei denen ein Abscheideelement
als Trägerstruktur
zwischen der ersten und zweiten Elektrode vorgesehen ist, zeitgleich
mit Schritt 56 Schritt 58 und/oder Schritt 60 ausgeführt werden.
-
Schritt 58 besteht
darin, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode relativ
zueinander bewegt werden. Hierbei können entweder die erste Elektrode
oder die zweite Elektrode oder sowohl die erste als auch die zweite
Elektrode bewegt werden.
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Schritt 60 besteht
darin, dass die zweite Elektrode und das Abscheideelement relativ
zueinander bewegt werden. Hierbei können entweder die zweite Elektrode
oder das Abscheideelement oder sowohl die zweite Elektrode als auch
das Abscheideelement bewegt werden.
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Mit
den Schritten 56 bis 60 sind alle relativen Bewegungsmöglichkeiten
abgedeckt, bei denen eine relative Bewegung zwischen der ersten
Elektrode und der Trägerstruktur
stattfinden. Der Fall einer Relativbewegung zwischen der Trägerstruktur
und der zweiten Elektrode ohne eine Relativbewegung zwischen der
Trägerstruktur
und der ersten Elektrode ist hiervon nur scheinbar nicht erfasst,
da in einem solchen Fall die Bezeichnungen der erste und die zweite Elektrode
zu tauschen sind.
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Schritt 62 besteht
darin, dass die relativen Positionen von erster Elektrode und Trägerstruktur beibehalten
werden.
-
Das
dargestellte Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst wenigstens eine Ausführung
des Schrittes 56.
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An
Schritt 54 und 56 bzw. 62 kann sich eine Wiederholung
dieser Schritte (54–62)
anschließen, bis
die elektrophoretische Abscheidung abgeschlossen ist.
-
Zusätzlich kann
vorgesehen sein, dass weitere Schritte parallel zur elektrophoretischen
Abscheidung stattfinden, bei denen beispielsweise eine dritte Elektrode
bewegt wird.
-
Weitere
(zusammenfassende) Erläuterungen
und Ausführungsbeispiele:
Die
Erfindung – wie
vorstehend und nachfolgend beschrieben – betrifft ein Verfahren zur
Herstellung strukturierter keramischer, metallischer oder metallkeramischer
Formkörper
bzw. Grünkörper beschrieben,
die nach einer geeigneten Sinterung beispielsweise im dentalen Bereich
eingesetzt werden können.
Keramische oder metallische Partikel werden erfindungsgemäß mittels
Elektrophore se (EPD) aus einer Suspension mit Hilfe einer (relativ
zur Abscheidungsfläche)
beweglichen Elektrode bzw. beweglicher Elektroden lokal abgeschieden,
wobei ein örtlicher
Aufbau durch eine Abschirmung/Bündelung
des elektrischen Feldes (z. B. durch den Elektrodendurchmesser,
den Elektrodenabstand oder eine koaxiale Abschirmung) eingestellt
werden kann. Eine Führung
der Elektrode bzw. der Elektroden entlang einer Trägerstruktur
(beispielsweise einer porösen Form/Membran
oder der Gegenelektrode) unterliegt der Steuerung durch Daten, welche
die gewünschte Konfiguration
des Formkörpers
repräsentieren.
Damit steht ein elektrophoretisches Verfahren zur ortsaufgelösten Herstellung
keramischer bzw. metallischer Form- oder Grünkörper zur Verfügung
-
Die
Bildung der Form- bzw. Grünkörper erfolgt
erfindungsgemäß durch
elektrophoretische Abscheidung von dispergierten Keramik- und/oder
Metallpulvern aus Suspensionen auf einen Träger. Dabei kann es sich um
einen elektrisch leitenden bzw. leitend gemachten Grundkörper oder
aber um eine ionenpermeable Membran, die zwischen den Elektroden
angeordnet ist, handeln. Mittels der Struktur der Träger aber
auch durch die 3-dimensional beweglich angeordneten Elektroden kann
erfindungsgemäß in Abhängigkeit
von dem lokal wirksamen elektrischen Feld die Form bzw. die lokal
aufgebrachte Schichtstärke
des abgeschiedenen Grünkörpers bestimmt
werden. Das lokale elektrische Feld ergibt sich aus der an den Elektroden
angelegten elektrischen Spannung, den Elektrodengeometrien (Durchmesser,
Abstand), der koaxialen Abschirmung (bzw. der Bündelung) und den dielektrischen
Eigenschaften der Suspension. In einer einfachen Ausgestaltung der
Erfindung wird zwischen den Elektroden eine Gleichspannung angelegt.
In vorteilhaften Ausführungsformen
der Erfindung kann die Gleichspannung gepulst oder der angelegten
Gleichspannung UDC eine Wechselspannung
UAC (UDC > UAC) überlagert
werden.
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Nach
der Ausbildung des Formkörpers
kann vorgesehen sein, diesen zu trocknen und anschließend zu
sintern. Die Trennung von der Trägerstruktur kann
dabei vor, während
oder nach der Trocknung erfolgen. Durch das Sintern kann ein angesinterter
oder dichtgesinterter Körper
erzeugt werden. Weiterhin kann zur Verringerung der Porosität und damit
auch zur Erhöhung
der Festigkeit des Formkörpers
der Formkörper
mit Glas, Kunststoff oder Metall infiltriert werden.
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Die
Führung
der Elektrode bzw. der Elektroden entlang der Trägerstruktur kann dreidimensional erfolgen,
wobei die angelegte elektrischen Spannung variiert werden kann.
Hierzu kann eine Steuerung durch Daten vorgesehen sein, welche die
gewünschte
Konfiguration des Formkörpers
endmaßnah
ermöglichen.
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Während bei
der klassischen elektrophoretischen Abscheidung nur flächige Schichten
erzeugt werden, deren Schichtstärke
nicht gezielt beeinflusst werden kann, lassen sich durch die (bevorzugt
dreidimensionale) Führung
einer Elektrode bzw. von Elektroden und dessen bzw. deren abgeschirmten/0gebündelten/gerichteten
elektrischen Feldes sowohl lokal unterschiedliche Schichtstärken als auch
auf einer ebenen Fläche
dreidimensionale Formkörper
(ähnlich
zu einem Rapid-Prototyping-Verfahren) aufbauen.
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Es
ist möglich,
diese Elektrodenkonfigurationen für nichtwässrige, organische Suspensionen
einzusetzen. Diese werden statt Wasser insbesondere dann vorteilhaft
eingesetzt, wenn höchste
Ansprüche an
die Strukturierbarkeit gestellt werden und die hohe Abscheiderate
sekundär
ist.
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Durch
die Abscheidung des Formkörpers
auf einer Membran als Abscheideelement, das räumlich von den Elektroden getrennt
ist, können
auch wässrige
Suspensionen eingesetzt werden, ohne Rücksicht auf eine eventuelle
Gasbildung nehmen zu müssen.
Die Zersetzung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff an den Elektroden
für UDC > 1,23 V (Zersetzungsspannung
von Wasser) hat keinen Einfluss auf die Ausbildung des keramischen
bzw. metallischen Formkör
pers auf der Membran. Wässrige Suspensionen
sind sehr vorteilhaft, da diese einfach zu handhaben und wegen der
hohen Dielektrizitätskonstanten
des Wassers hohe Abscheideraten möglich sind.
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Im
folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele
angegeben:
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Beispiel 1:
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In
einen 300 ml Kunststoffbecher wurde 54,72 g bidestilliertes Wasser
eingefüllt.
Es wurden 5,28 g Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) zugegeben. Mit
Hilfe eines handelsüblichen
Dissolvers wurde 140 g Zirkonoxid (Tosoh Zirconia Powder TZ-8Y)
eingerührt.
Die auf diese Art und Weise hergestellt Suspension hatte dementsprechend
eine Feststoffanteil von 70,0 Gew.-%. Der pH-Wert der so hergestellten
Suspension lag bei 12,0, die Leitfähigkeit bei 4,08 mS/cm.
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Die
so hergestellte Suspension zur elektrophoretischen Abscheidung entsprechend
der Erfindung benutzt. Als leitfähige
Flüssigkeit
wurde bidestilliertes Wasser eingesetzt, versetzt mit 0,96 g TMAH,
befüllt.
Als Elektroden wurden jeweils ein zweifach abgeschirmtes Kabel mit
einem Innendurchmesser von 100 μm
verwendet, bei dem der innere Draht kürzer war als die Abschirmung.
Als Material für
das Abscheideelement in Membranform wurde Polyethersulfon (PES)
verwendet. Die angelegte elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquelle
betrug 150 V bei einem Abstand der Elektroden von 1,6 cm, angelegt
für eine
Dauer von 10 min.
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Innerhalb
dieser Zeit wurden die Elektroden durch ein CAM-System (FANUC Robot,
LR Mate 200 iB) derart gesteuert, dass ein Abscheidekörper in Form
einer Kappe auf der Membran gebildet wurde.
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Nach
der Abscheidung wurde der Grünkörper von
dem Abscheideelement entformt und bei Raumtemperatur für 48 h getrocknet.
Die Dichte des so hergestellten Grünkörpers wurde mit Hilfe des Archimedesschen
Prinzips bestimmt und betrug 4,76 g/cm3.
Der so hergestellte Grünkörper wurde
bei einer Temperatur von 1600°C
in einem Zonensinterofen mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,8 cm/min
gesintert. Danach wies die Struktur eine Dichte von 6,27 g/cm3.
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Beispiel 2:
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In
einen 250 mL Kunststoffbecher wurde 32,57 g bidestilliertes Wasser
eingefüllt.
Es wurden 7,43 g Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) zugegeben. Mit
Hilfe eines handelsüblichen
Dissolvers wurden 160 g Tosoh Zirconia Powder TZ-8Y eingerührt. Die
auf diese Art und Weise hergestellt Suspension hatte dementsprechend
eine Feststoffanteil von 80,0 Gew.-%. Der pH-Wert der so hergestellten Suspension
lag bei 11,8, die Leitfähigkeit
bei 5,17 mS/cm.
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Die
verwendete Vorrichtung ist in 5 schematisch
dargestellt. Als leitfähige
Flüssigkeit wurde
bidestilliertes Wasser verwendet, versetzt mit 1,43 g TMAH. Als
Elektroden wurden einfach abgeschirmte Kabel mit einem Innendurchmesser
von 100 μm
verwendet. Als Material für
das Abscheideelement wurde Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet.
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Die
angelegte elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquelle betrug
150 V bei einem Anfangsabstand der Elektroden 2 von 1,2 cm. Die Bewegung
der Elektroden wurde wiederum durch ein CAM-System (FANUC Robot,
LR Mate 200 iB) gesteuert. Die so hergestellten Formkörper waren
zwei Kappen, die auf einer Membran gebildet wurden. Dabei wurde
der Abstand der Elektroden mit zunehmender Dicke des Formkörpers von
anfangs 1,2 cm sukzessive auf 2,1 cm vergrößert.
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Nach
der Abscheidung wurde der Grünkörper von
der porösen
Form gelöst
und bei Raumtemperatur für
72 h getrocknet. Die Dichte des so hergestellten Grünkörpers wurde
mit Hilfe des Archimedesschen Prinzips bestimmt und betrug 4,92
g/cm3. Der so hergestellte Grünkörper wurde
schließlich
bei einer Temperatur von 1650°C
in einem Zonensinterofen mit einer Geschwindigkeit von 0,8 cm/min
gesintert. Danach wies die Struktur eine Dichte von 6,15 g/cm3 auf.
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Beispiel 3:
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In
einen 300 mL Kunststoffbecher wurde 52,80 g reines Ethanol eingefüllt. Es
wurden 7,2 g Zitronensäure
als Stabilisator zugegeben. Mit Hilfe eines handelsüblichen
Dissolvers wurden 140 g Tosoh Zirconia Powder TZ-8Y eingerührt. Die auf
diese Art und Weise hergestellt Suspension hatte dementsprechend
eine Feststoffanteil von 70,0 Gew.-% und eine Leitfähigkeit
bei 24,97 μS/cm.
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Die
so hergestellte Suspension wurde in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer ersten Teilkammer eingesetzt. Die andere Teilkammer wurde
mit bidestilliertem Wasser, versetzt mit 1,43 g Zitronensäure befüllt. Als
Elektroden wurden zweifach abgeschirmte Kabel mit einem Innendurchmesser von
100 μm verwendet.
Als Material für
das Abscheideelement als poröser
Form wurde ein handelsüblicher,
in bidestilliertem Wasser getränkter
Dialyseschlauch verwendet.
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Die
angelegte elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquelle betrug
100 V bei einem Anfangsabstand der Elektroden von 1,75 cm. Die durch
einen CAM-System (FANUC Robot, LR Mate 200 iB) gesteuerte Bewegung
der Elektroden wurde mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/s bis zu
einer Formkörperdicke
von 3 mm und dann mit einer Geschwindigkeit von 3,5 mm/s durchgeführt. Damit
wurde eine Kappe aus Zirkonoxid hergestellt.
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Nach
der Abscheidung wurde der Grünkörper auf
der porösen
Form bei Raumtemperatur für
24 h getrocknet. Die Dichte des so hergestellten Grünkörpers wurde
mit Hilfe des Archimedesschen Prinzips bestimmt und betrug 4,94
g/cm3. Der so hergestellte Grünkörper wurde
schließlich
bei einer Temperatur von 1600°C
in einem Zonensinterofen mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,8
mm/min gesintert. Danach wies die Struktur eine Dichte von 6,1 g/cm3 auf.
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Beispiel 4:
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Es
wird ein Schlicker bestehend aus Glyzerin und Goldpartikeln erzeugt
und in einen Behälter
gegeben. Stabilisiert wird dieser Schlicker mit Harnsäure. Als
Abscheideelektrode wird der positive Abdruck (Arbeitsmodell) eines
Zahnstumpfs verwendet. Das Stumpfmaterial ist eine phosphatgebundene
Masse. Die Oberfläche
wird mit Graphitleitlack leitend gemacht. Dazu wird die Oberfläche zunächst mit
einem Leitlack mittels Pinsel gleichmäßig beschichtet und anschließend bei
170°C getrocknet.
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Dieses
leitende Modell wird kontaktiert und in den mit Schlicker gefüllten Behälter gegeben.
In diesem Behälter
befinden sich sowohl eine großflächige Gegenelektrode
als auch eine steuerbare/verfahrbare Gegenelektrode. Dabei handelt
es sich um ein zweifach abgeschirmte, Kabel mit einem Innendurchmesser
von 100 μm.
Zwischen der Abscheideelektrode und der Gegenelektrode sowie zwischen
der Abscheideelektrode und der verfahrbaren Gegenelektrode wird
eine Gleichspannung von 10 V angelegt. Während der zweiminütigen Abscheidezeit
wird die steuerbare Elektrode verfahren. Damit ließen sich definiert
dickere Schichten bzw. anatomische Formen aufbauen.
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Das
so erzeugte Gerüst
wird zusammen mit dem Model im Ofen bei 900°C für 2 Stunden gesintert. Dabei
sintert das Gerüst
auf dem Modell zusammen und die Poren verschwinden. Nach dem Sintern wird
das Modell mit Salpetersäure
aus dem Gerüst herausgelöst.