DE102014007562A1

DE102014007562A1 - Apparatus and method for the production of three-dimensional molded parts with integrated pattern structure by additive manufacturing

Info

Publication number: DE102014007562A1
Application number: DE102014007562.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2034-05-23
Also published as: DE102014007562B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen mit integrierter Leiterbildstruktur (30) mittels additiver Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing) aus einem elektrisch leitfähigen und einem nicht leitfähigen Material, wobei sich das Formteil aus dem nicht elektrisch leitfähigen Material und der integrierten Leiterbildstruktur aus dem elektirsch leitfähigen Material zusammensetzt und das elektrisch leitfähige Material aus einer TCO-Tinte besteht.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm zur Steuerung einer entsprechenden Vorrichtung sowie ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten dreidimensionalen Objektes.The invention relates to an apparatus and a method for producing three-dimensional molded parts with integrated circuit pattern (30) by means of additive manufacturing processes (additive manufacturing) of an electrically conductive and a non-conductive material, wherein the molded part of the non-electrically conductive material and the integrated circuit pattern structure composed of the electrically conductive material and the electrically conductive material consists of a TCO ink.
The invention also relates to a computer program for controlling a corresponding device and to a three-dimensional object produced by means of the method according to the invention and / or the device according to the invention.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen mit integrierter Leiterbildstruktur mittels additiver Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing) aus einem elektrisch leitfähigen und einem nicht leitfähigen Material gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. dem Oberbegriff von Anspruch 9. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm zur Steuerung einer entsprechenden Vorrichtung sowie ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten dreidimensionalen Objekt.The invention relates to an apparatus and a method for producing three-dimensional molded parts with integrated pattern structure by means of additive manufacturing processes (additive manufacturing) of an electrically conductive and a non-conductive material according to the preamble of claim 1 and the preamble of claim 9. The invention also relates a computer program for controlling a corresponding device as well as a three-dimensional object produced by means of the method according to the invention and / or the device according to the invention.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Die Nutzung von Hochtemperaturthermoplasten und deren strukturierte Metallisierung eröffnet der Elektronikindustrie eine neue Dimension von Schaltungsträgern: räumliche spritzgegossene Schaltungsträger (Molded Interconnect Devices, MID). MID sind Formteile mit integrierter Leiterbildstruktur. Sie schaffen enorme technische Rationalisierungspotenziale und sind wesentlich umweltverträglicher als herkömmliche Leiterplatten, die sie jedoch nicht ablösen, sondern sinnvoll ergänzen.The use of high-temperature thermoplastics and their structured metallization opens up a new dimension of circuit carriers for the electronics industry: molded-in molded interconnect devices (MID). MID are molded parts with integrated pattern structure. They create enormous technical potential for rationalization and are much more environmentally friendly than conventional printed circuit boards, which they do not replace, but complement each other sensibly.

Wesentliche Einsatzgebiete für die MID Technologie sind die Automobilelektronik und die Telekommunikation, daneben aber z. B. auch Computer, Hausgeräte oder die Medizintechnik. Derzeit weist der Markt ein jährliches Wachstum in Höhe von etwa 20% auf. Bei dieser Erfindung geht es darum, Prototypen und Kleinserien dieser MID durch additive Fertigungsverfahren ohne den Einsatz von Werkzeugen zu erzeugen. Der räumliche spritzgegossene Schaltungsträger setzt sich aus dem 3D-Modell des Schaltungsträgers und dem 3D-Schaltungslayout zusammen. Im Wesentlichen werden 3 Prozessschritte zur Herstellung von MIDs benötigt:

1. Herstellung des Schaltungsträgers
a. Einkomponentenspritzguss
b. Zweikomponentenspritzguss
c. Insert Molding (Hinterspritzen der Schaltung/Leiterbahnen)
2. Strukturierung des Schaltungsträgers
3. Metallisierung des Schaltungsträgers

Essential applications for the MID technology are the automotive electronics and telecommunications, but also z. As well as computers, home appliances or medical technology. Currently, the market has an annual growth of about 20%. This invention is concerned with producing prototypes and small series of these MIDs by additive manufacturing methods without the use of tools. The spatial injection-molded circuit carrier is composed of the 3D model of the circuit carrier and the 3D circuit layout. Essentially, 3 process steps are needed to produce MIDs:

1. Production of the circuit carrier
a. single-component
b. Two-component injection molding
c. Insert Molding (insert molding of the circuit / tracks)
2. Structuring of the circuit carrier
3. Metallization of the circuit substrate

Die unterschiedlichen Herstellungsverfahren sind im Detail in der einschlägigen Fachliteratur zu MIDs nachzulesen. Alle Verfahren haben gemein, dass bei dreidimensionalen Formteilen ein Spritzgusswerkzeug für den Schaltungsträger hergestellt werden muss und das Schaltungslayout entweder durch ein zweites, elektrisch leitfähiges Material strukturiert wird oder das Formteilmaterial entsprechend dem Layout leitfähig gemacht wird, um anschließend metallisiert werden zu können. Bei dieser großen Anzahl von komplexen Fertigungsschritten sind kleine Stückzahlen nicht wirtschaftlich und die Herstellung von Prototypen ist auf Grund der hohen Werkzeugkosten und der langen Fertigungszeiten kosten- und zeitaufwendig. Um die Herstellung von Prototypen und Kleinserien zu beschleunigen und bezahlbar zu machen, bieten sich additive Fertigungsverfahren an, bei denen multiple Materialien in einem Bauprozess eingesetzt werden können.The different production methods can be found in detail in the relevant specialist literature on MIDs. All methods have in common that in three-dimensional moldings, an injection molding tool for the circuit substrate must be prepared and the circuit layout is either structured by a second, electrically conductive material or the molding material is made conductive according to the layout in order to be subsequently metallized can. With this large number of complex production steps, small quantities are not economical and the production of prototypes is costly and time-consuming due to the high tool costs and the long production times. In order to accelerate the production of prototypes and small batches and to make them affordable, additive manufacturing processes are suitable in which multiple materials can be used in a construction process.

Im Rahmen dieser Erfindung soll als elektrisch leitfähiges Material erstmals eine TCO Tinte (TCO = Transparent Conducting Oxcides/Transparente leitfähige Oxide) eingesetzt werden, die vom Leibnitz-Institut für neue Materialien (INM) entwickelt worden ist.
Link: http://www.inm-gmbh.de/2014/03/tco-tinten-ermoglichen-direktdruck-transparenterleiterstrukturen-auf-folie In the context of this invention, the first electrically conductive material to be used is a TCO ink (TCO = Transparent Conducting Oxcides), which has been developed by the Leibnitz Institute for New Materials (INM).
Link: http://www.inm-gmbh.de/2014/03/tco-tinten-ermoglichen-direktdruck-transparenterleiterstrukturen-auf-folie

Die TCO-Tinten enthalten Nanopartikel aus transparenten, leitfähigen Oxiden und werden über nasschemische Prozesse hergestellt. Üblicherweise werden TCOs mittels Vakuumbeschichtung, wie z. B. Sputtern, aufgetragen. Diese neu vom INM entwickelte Methode ermöglicht erstmals den Direktdruck von transparenten Leiterstrukturen auf festen und/oder flexiblen Substrate, wie z. B. Kunststofffolien. Die TCO-Tinte kann z. B. im Tiefdruckverfahren aufgetragen und bei < 150°C mittels UV-Strahlung fixiert bzw. ausgehärtet werden.The TCO inks contain nanoparticles of transparent, conductive oxides and are produced by wet-chemical processes. Usually, TCOs by means of vacuum coating, such as. Sputtering. This method, newly developed by INM, enables for the first time the direct printing of transparent conductor structures on solid and / or flexible substrates. B. plastic films. The TCO ink can be z. B. applied by gravure printing and fixed at <150 ° C by means of UV radiation or cured.

In der amerikanischen Patentanmeldung von Apple US 20130342592 A1 „Inkjet printer for printing on a three-dimensional object and related apparatus and method” wird vom Bedrucken eines dreidimensionalen Körpers mit leitfähiger Tinte mittels eines Tintenstrahldruckers gesprochen.In the US patent application US 20130342592 A1 "Inkjet printer for printing on a three-dimensional object and related apparatus and method" is spoken by printing a three-dimensional body with conductive ink by means of an inkjet printer.

Diese Erfindung basiert allerdings darauf, die elektrisch leitfähige und mittels UV-Strahlung aushärtbare TCO-Tinte innerhalb eines Additive Manufacturing Verfahrens zur dreidimensionalen Strukturierung der Leiterbildstruktur einzusetzen.However, this invention is based on using the electrically conductive and UV-curable TCO ink within an additive manufacturing process for three-dimensional structuring of the pattern structure.

Die Auswahl der Additive Manufacturing Verfahren in dieser Patentschrift wird auf die Technologien eingeschränkt, bei denen offensichtlich entweder „Tinten” oder flüssige Materialien, wie z. B. Photopolymere, verarbeitet werden, eingeschränkt:

– Drop-On-Powder Technologie
– PolyJet Technologie
– 3D-DLP-Printing-Technologie
– Stereolithographie

The selection of the additive manufacturing methods in this specification is limited to the technologies in which obviously either "inks" or liquid materials, such as e.g. As photopolymers, are processed, limited:

- Drop-on powder technology
- PolyJet technology
- 3D DLP printing technology
- Stereo

Bei der Drop-On-Powder Technologie wird über Druckköpfe selektiv Schicht für Schicht ein Binder-Material auf ein Pulverbett (aus Kunststoff, Metall oder Sand) aufgetragen, um dreidimensionale Formteile generativ zu erzeugen. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass keine Stützstrukturen benötigt werden, da das Formteil in einem Pulverbett aufgebaut wird. Außerdem ist das Verfahren günstig, da Standarddruckköpfe aus der Druckindustrie (Tintenstrahldrucker) eingesetzt werden. Diese Technologie wurde von der Firma Z-Corp. zur Serienreife entwickelt und gehört mittlerweile zur 3D-Systems Gruppe.With drop-on-powder technology, layer by layer, a binder material is selectively applied to a powder bed (plastic, metal, or sand) three-dimensionally via printheads Generate molded parts generatively. The advantage of this method is that no support structures are needed because the molding is built in a powder bed. In addition, the method is favorable, since standard print heads from the printing industry (inkjet printer) are used. This technology was developed by Z-Corp. developed to series maturity and now belongs to the 3D-Systems Group.

Bei der PolyJet-Drucktechnologie können multiple Materialen mit unterschiedlichen Eigenschaften parallel in einem Bauteil verarbeitet werden. Bei der PolyJet-Drucktechnologie handelt es sich um eine leistungsstarke additive Verfahrenstechnik, die von Stratasys patentiert wurde, 3D-Drucker mit PolyJet-Technologie ermöglichen dank einer Schichtstärke von 16 Mikrometer und einer Genauigkeit von bis zu 0,1 mm glatte Oberflächen, geringe Wandstärken und komplexe Geometrien. Es handelt sich um die einzige Technologie, bei der sich zahlreiche Materialien mit Eigenschaften von gummiartig bis hin zu fest sowie transparent bis hin zu blickdicht einsetzen lassen. Mit der Objet Connex-Technologie lassen sich sogar mehrere Materialien gleichzeitig in einem Teil verarbeiten und auch mehrfarbige Teile erzeugen.
Link: http://www.stratasys.com/de/3d-drucker/technologies/polyjettechnology#sthash.6uEBRbev.dpuf With PolyJet printing technology, multiple materials with different properties can be processed in parallel in one component. PolyJet printing technology is a high-performance additive process technology patented by Stratasys. 3D printers with PolyJet technology provide smooth surfaces, thin wall thicknesses and, thanks to a layer thickness of 16 microns and an accuracy of up to 0.1 mm complex geometries. It's the only technology that can handle a wide range of materials, from rubbery to solid, transparent to opaque. With the Objet Connex technology even multiple materials can be processed simultaneously in one part and also produce multi-colored parts.
Link: http://www.stratasys.com/de/3d-drucker/technologies/polyjettechnology#sthash.6uEBRbev.dpuf

Auch wären die auf der klassischen Photopolymerisation basierenden Verfahren wie Stereolithographie und 3D-DLP-Printing, bei denen ein lichthärtender Kunststoff selektiv zur Aushärtung kommt, denkbar, sofern mit multiplen Materialien innerhalb eines Baujobs gearbeitet werden kann. Dies ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht der Fall, da der/die wechselnde, selektive Materialauftrag/Materialzufuhr noch nicht technisch umgesetzt wurde.Also, the methods based on classical photopolymerization such as stereolithography and 3D-DLP printing, in which a light-curing plastic selectively curing, would be conceivable, if it can be used with multiple materials within a construction job. This is not the case at the moment because the changing, selective material order / material supply has not yet been technically implemented.

Auf eine ausführliche Erläuterung dieser bekannten Verfahren wird jedoch zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen verzichtet. Außerdem haben die hier beschriebenen Verfahren keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Prinzipiell kann zur Umsetzung der Erfindung jedes Additive Manufacturing Verfahren eingesetzt werden, bei dem das selektive Auftragen von TCO-Tinten – auch als zusätzlicher Prozess zum eigentlichen Verfahren – möglich und sinnhaft ist, um die in das Formteil integrierten, dreidimensionalen Leiterbildstrukturen zu erzeugen.However, a detailed explanation of these known methods will be omitted to avoid unnecessary repetition. In addition, the methods described here are not exhaustive. In principle, any additive manufacturing process can be used to implement the invention, in which the selective application of TCO inks - also as an additional process to the actual process - is possible and meaningful to produce the integrated into the molding, three-dimensional pattern structures.

Die Erfindung beruht darauf, das Formteil, bzw. den Schaltungsträger zusammen mit der Schaltung in einem 3D-Druckverfahren herzustellen und dabei für die Erzeugung der dreidimensionalen Leiterbildstruktur die TCO-Tinte in demselben oder einem zusätzlichen Verfahren. Dabei kann dann die so erzeugte leitfähige Struktur entweder selbst als Leiterbahn eingesetzt, oder nachträglich zusätzlich metallisiert werden. Letzteres kann chemisch/galvanisch erfolgen.The invention is based on producing the molded part or the circuit carrier together with the circuit in a 3D printing method and, for the generation of the three-dimensional circuit pattern, the TCO ink in the same or an additional method. In this case, the conductive structure thus produced can either itself be used as a conductor, or subsequently additionally metallized. The latter can be done chemically / galvanically.

Wird die TCO-Tinte über Druckköpfe (Piezo-Verfahren, Drop-On-Demand) verarbeitet, wie z. B. bei dem Drop-On-Powder- oder dem PolyJet-Verfahren, werden aufgrund der eingeschränkten Prozessparameter besondere Anforderungen hinsichtlich Viskosität, Temperaturstabilität und auch Photopolymerisationsverhalten (Lichthärtung) gestellt. Nach dem selektiven Jetten der TCO-Tinte für die Bereiche der Leiterbildstruktur innerhalb einer Schicht wird die TCO-Tinte mittels UV-Licht ausgehärtet, bzw. fixiert. Beim PolyJet-Verfahren geschieht dies in demselben Prozessschritt wie die Aushärtung des Formteil- und Stütz-Materials; beide bestehen aus einem Photopolymer. Bei dem Drop-On-Powder-Verfahren muss, sofern es sich bei dem eigentlichen Binder-Material nicht um ein Photopolymer handelt, eine zusätzliche Vorrichtung zur Aushärtung der TCO-Tinte, wie z. B. ein UV-Strahler, in das System integriert werden.If the TCO ink is processed via printheads (piezo process, drop-on-demand), such as. As in the case of the drop-on-powder or the PolyJet method, due to the limited process parameters special requirements in terms of viscosity, temperature stability and photopolymerization (light curing). After the selective jetting of the TCO ink for the regions of the pattern structure within a layer, the TCO ink is cured or fixed by means of UV light. In the PolyJet process this is done in the same process step as the curing of the molding and support material; both are made of a photopolymer. In the case of the drop-on-powder method, if the actual binder material is not a photopolymer, an additional device for curing the TCO ink, such as TCO ink must be used. As a UV lamp, are integrated into the system.

Da es sich bei der TCO-Tinte um ein transparentes Material handelt, kann es aus praktischen Gründen sinnvoll sein, die TCO-Tinte einzufärben, um die Leiterbildstruktur in dem fertig gedruckten Formteil optisch erkennbar zu machen.Because the TCO ink is a transparent material, for practical reasons, it may be useful to color the TCO ink to make the pattern structure in the finished printed part optically recognizable.

Die unterschiedlichen Bereiche für das selektive Auftragen/Jetten der unterschiedlichen Materialien für Formteil und Schaltungsstruktur werden durch das Zusammenführen entsprechender 3D-CAD-Dateien für Formteil und Schaltungsstruktur vorgegeben, siehe 1. Im Europapatent EP 2 072 223 B1 „Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus verschiedenartigen Materialien mittels Rapid Prototyping” wird ein mögliches Verfahren zur Daten-Verarbeitung und -Bereitstellung beschrieben.The different areas for the selective application / jetting of the different materials for molding and circuit structure are given by merging corresponding 3D CAD files for molding and circuit structure, see 1 , In the European patent EP 2 072 223 B1 "Apparatus and method for producing three-dimensional objects from various materials by means of rapid prototyping" describes a possible method for data processing and provision.

AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGOBJECT AND SUMMARY OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen mit integrierter Leiterbildstruktur mittels additiver Fertigungsverfahren, wie z. B. PolyJet oder Drop-On-Powder, unter Einsatz nicht elektrisch leitfähiger Materialien für das Formteil und einer TCO-Tinte zur Erzeugung der Leiterbildstruktur einzusetzen, die es erlauben, diese dreidimensionalen Formteile mit integrierter Leiterbildstruktur, auch bekannt als Molded Interconnected Devices (MID), in kleinen Stückzahlen bis hin zu einem Stück in effizienter Weise herzustellen,

a) ohne Werkzeuge fertigen zu müssen und
b) dabei die Anzahl der Fertigungsschritte zu reduzieren.

The invention is based on the object, an apparatus and a method for producing three-dimensional molded parts with integrated pattern structure by means of additive manufacturing processes such. B. PolyJet or drop-on powder, using non-electrically conductive materials for the molding and a TCO ink for generating the pattern structure to use, which allow these three-dimensional molded parts with integrated pattern structure, also known as Molded Interconnected Devices (MID) to produce in small quantities to a piece in an efficient manner,

a) to produce without tools and
b) to reduce the number of manufacturing steps.

Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Die nebengeordneten Ansprüche 15 und 16 betreffen ein Computerprogramm zur Steuerung einer Vorrichtung für das Additive Manufacturing und ein mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestelltes Objekt.The object is achieved by a method having the features of claim 1 and a device having the features of claim 9. Die independent claims 15 and 16 relate to a computer program for controlling a device for additive manufacturing and an object produced by means of a method according to the invention and / or a device according to the invention.

Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren des Additive Manufacturing erlaubten bislang nur eine Variation von mechanischen und optischen Eigenschaften, nicht aber von elektrisch leitfähigen Eigenschaften. Mittels des in der Erfindung beschriebenen Verfahrens gelingt es nun unter Einsatz der UV-härtenden TCO-Tinte, elektrisch leitfähige Strukturen sowohl oberflächlich als auch innerhalb eines dreidimensionalen Formteils zu generieren und so Formteile mit integrierter Leiterbildstruktur, auch bekannt als Molded Interconnected Devices (MID), in kleinen Stückzahlen kostengünstig und schnell mittels Additive Manufacturing zu erzeugen. Bevorzugte Technologien sind dabei das PolyJet- und das Drop-On-Powder-Verfahren.The known devices and methods of additive manufacturing have so far allowed only a variation of mechanical and optical properties, but not of electrically conductive properties. By means of the method described in the invention, using the UV-curable TCO ink, it is now possible to generate electrically conductive structures both superficially and within a three-dimensional molded part, and thus molded parts with integrated circuit pattern structure, also known as Molded Interconnected Devices (MID), to produce cost-effectively and quickly using additive manufacturing in small quantities. Preferred technologies are the PolyJet and the Drop-On-Powder process.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung von Durchführungsformen des Verfahrens, im Zuge welcher auch Details einer entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart werden.Further details and advantages of the invention will become apparent from the following purely exemplary and non-limiting description of embodiments of the method, in the course of which details of a corresponding device for carrying out the method are disclosed.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 zeigt ein Schaubild, in welchem schematisch die Zusammenführung der beiden Datensätze zu dreidimensionalem Formteil (3D-Substrat) (1) und dreidimensionaler Leiterbildstruktur (3D-Schaltungsteil) (3) zu einem gemeinsamen Objekt (3D-MID) (2) dargestellt ist. 1 shows a diagram in which schematically the merging of the two data sets to three-dimensional molded part (3D substrate) ( 1 ) and three-dimensional circuit pattern structure (3D circuit part) ( 3 ) to a common object (3D-MID) ( 2 ) is shown.

2 zeigt ein Schaubild, in welchem schematisch der Einsatz der TCO-Tinte innerhalb von Drop-On-Powder Verfahren und Vorrichtung dargestellt wird. 2 FIG. 12 is a diagram schematically illustrating the use of TCO ink within the drop-on-powder process and apparatus. FIG.

3 zeigt ein Schaubild, in welchem schematisch der Einsatz der TCO-Tinte innerhalb von PolyJet Verfahren und Vorrichtung dargestellt wird. 3 FIG. 12 is a diagram schematically illustrating the use of the TCO ink within the PolyJet method and apparatus. FIG.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER DURCHFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

In 2 wird das klassische Drop-On-Powder Verfahren dargestellt, bei dem der Binder in Form einer Flüssigkeit/Tinte, z. T. auch in unterschiedlichen Farben, in einem Tank (4) vorgehalten und durch einen Tintendruckkopf (16) schichtweise selektiv auf die Bauebene (14) des Pulverbetts (10) aufgetragen wird. Im Rahmen der Erfindung wird nun ein zusätzlicher Tank (5) und Druckkopf (17) für die TCO-Tinte bereitgestellt und über die Software so angesteuert, dass die elektrisch leitfähige, integrierte Struktur aus TCO-Tinte (12) selektiv Schicht für Schicht aufgetragen wird. Ein zusätzlich installierter UV-Strahler (6) bewegt sich im Anschluss über die selektiv gebundene Pulverschicht in der Bauebene (14) und härtet die TCO-Tinte aus. Der Hubzylinder (13) senkt das Pulverbett (10) um die folgende Schichtdicke ab und neues Pulver wird mittels der Nevelierwalze (7) von der Kammer für Pulver-Zufuhr in das Pulverbett übertragen, nachdem der Hubzylinder (9) die Kammer für die Pulver-Zufuhr (8) um die folgende Schichtdicke angehoben hat. Der selektive Auftrag von Binder und TCO-Tinte, die anschließende Aushärtung der TCO-Tinte mittels elektromagnetischer Strahlung, sowie der Pulverauftrag werden schichtweise so lange wiederholt, bis das Bauteil komplett fertiggestellt ist. Zum Abschluß wird das fertige Bauteil aus dem Pulverbett entnommen und sorgfältig von losem Pulver befreit. Ein anschließendes infiltrieren desIn 2 the classic drop-on-powder process is shown in which the binder in the form of a liquid / ink, for. T. also in different colors, in a tank ( 4 ) and by an ink print head ( 16 ) layer by layer selectively on the building level ( 14 ) of the powder bed ( 10 ) is applied. Within the scope of the invention, an additional tank ( 5 ) and printhead ( 17 provided for the TCO ink and controlled by the software so that the electrically conductive, integrated structure of TCO ink ( 12 ) is applied selectively layer by layer. An additionally installed UV lamp ( 6 ) moves subsequently via the selectively bound powder layer in the building level ( 14 ) and hardens the TCO ink. The lifting cylinder ( 13 ) lowers the powder bed ( 10 ) by the following layer thickness and new powder is by means of Nevelierwalze ( 7 ) are transferred from the powder feed chamber into the powder bed after the lift cylinder ( 9 ) the powder feed chamber ( 8th ) has raised by the following layer thickness. The selective application of binder and TCO ink, the subsequent curing of the TCO ink by means of electromagnetic radiation, and the powder application are repeated in layers until the component is completely finished. Finally, the finished component is removed from the powder bed and carefully freed from loose powder. Subsequent infiltrating the

In 3 wird das Poly-Jet Verfahren dargestellt, das den Vorteil hat, dass die TCO-Tinte aus Reservoir (27) zur Generierung der elektrisch leitfähigen, integrierten Struktur ähnlich prozessiert wird wie die Materialien (Photopolymere) für das Formteil (21) und die Stützstruktur (28). Alle 3 Materialien werden Schicht für Schicht selektiv in Abhängigkeit ihres 3D-Datensatzes mittels eines „Drop-On-Demand” Druckkopfes (29) aufgetragen und direkt nach dem Auftrag mittels einer UV-Strahlungsquelle (20) ausgehärtet. Es gibt separate Reservoirs für die TCO-Tinte (27), für das Stützmaterial (26) und das Baumaterial (25), die jeweils mit einem Druckkopf (29) verbunden sind, wobei die Druckköpfe (29) gleichsam über die Bauebene geführt werden. Nach jeder generierten und ausgehärteten Schicht wird die erzeugte Schicht mittels einer Planierfräse (19) egalisiert, um eine definierte Schichtdicke zu erzielen; das abgetragene Material wird dabei in einem Partike-Sammelgefäß (18) aufgenommen. Danach wird die Trägerplatte samt Bauteil um die nächste Schichtdicke mittels eines Hubzylinders abgesenkt und der selektive Auftrag sowie die Aushärtung und Egalisierung von Stützmaterial, Baumaterial und TCO-Tinte Schicht für Schicht wiederholt, bis das Bauteil (21) mit der elektrisch leitfähigen, integrierten Strukture aus TCO-Tinte (22) fertiggestellt ist.In 3 the poly-jet process is presented, which has the advantage that the TCO ink from reservoir ( 27 ) is similarly processed to generate the electrically conductive, integrated structure as the materials (photopolymers) for the molded part ( 21 ) and the support structure ( 28 ). All three materials are layer by layer selectively depending on their 3D data set by means of a "drop-on-demand" printhead ( 29 ) and applied directly after application by means of a UV radiation source ( 20 ) hardened. There are separate reservoirs for the TCO ink ( 27 ), for the support material ( 26 ) and the building material ( 25 ), each with a print head ( 29 ), the printheads ( 29 ) are guided over the building level. After each generated and cured layer, the layer produced is removed by means of a leveler ( 19 ) to achieve a defined layer thickness; The removed material is in a particulate collection vessel ( 18 ). Thereafter, the support plate together with the component is lowered by the next layer thickness by means of a lifting cylinder and the selective application and the curing and leveling of support material, building material and TCO ink layer by layer repeated until the component ( 21 ) with the electrically conductive, integrated structure of TCO ink ( 22 ) is completed.

Bei der Stereolithographie, bzw. dem 3D-DLP-Printing bietet sich die Über-Kopf-Methode an, bei der das Bauteil an einer Trägerplatte hängt, die sich Schicht für Schicht nach oben bewegt und das Material durch den transparenten Boden der Materialwanne hindurch belichtet wird. Bei diesen beiden Verfahren werden die Materialien nicht selektiv aufgetragen, sondern mittels Laserstrahl oder Projektionsmaske pro Schicht und Struktur von Formteil und Leiterbild selektiv ausgehärtet. Da hier die Materialien über die gesamte Bauebene in einer Materialwanne (mit transparentem Boden) bereitgestellt werden, müssen die Materialwannen von Formteil-Material und Leiterbild-Material (TCO-Tinte) innerhalb des Generierungsprozesses einer Schicht ausgetauscht und die Schicht in Abhängigkeit der 3D-Datensätze Formteil und Leiterbild belichtet werden.Stereolithography, or 3D-DLP printing, uses the overhead method, where the component hangs from a support plate that moves up layer by layer exposing the material through the transparent bottom of the material tray becomes. In these two methods, the materials are not applied selectively, but selectively cured by means of laser beam or projection mask per layer and structure of the molded part and conductive pattern. Since here the materials over the entire building level in one Material tray (with transparent bottom) are provided, the material wells of molded part material and conductor material (TCO ink) must be exchanged during the generation process of a layer and the layer exposed depending on the 3D data records molding and pattern.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Dreidimensionales FormteilThree-dimensional molding
22: Dreidimensionales Formteil mit integrierter LeiterbildstrukturThree-dimensional molded part with integrated pattern structure
33: Dreidimensionale LeiterbildstrukturThree-dimensional circuit pattern
44: Resvervoir für flüssigen BinderResvervoir for liquid binder
55: Reservoir für TCO-TinteReservoir for TCO ink
66: Elektromagnetische Strahlungsquelle (z. B. UV Lampe)Electromagnetic radiation source (eg UV lamp)
77: Nevelierwalze für PulverbettNevelierwalze for powder bed
88th: Kammer für Pulver-ZufuhrChamber for powder feed
99: Hubzylinder für Pulver-ZufuhrLifting cylinder for powder feed
1010: Pulverbettpowder bed
1111: Bauraumspace
1212: Elektrisch leitfähige integrierte Struktur aus TCO-TinteElectrically conductive integrated structure made from TCO ink
1313: Hubzylinder für PulverbettLifting cylinder for powder bed
1414: Bauebenebuilding plane
1515: Dreidimensionales, schichtweise verfestigtes BauteilThree-dimensional, layer-by-layer solidified component
1616: Dosierkopf für BindermaterialDosing head for binder material
1717: Dosierkopf für TCO-TinteDosing head for TCO ink
1818: Partikel-SammelgefäßParticle collection vessel
1919: Planier-FräseGrading cutter
2020: Elektromagnetische Strahlungsquelle (z. B. UV Lampe)Electromagnetic radiation source (eg UV lamp)
2121: Bauteil/BauteilmaterialComponent / Component Material
2222: Elektrisch leitfähige integrierte Struktur aus TCO-TinteElectrically conductive integrated structure made from TCO ink
2323: Hubzylinder für TrägerplattformLifting cylinder for carrier platform
2424: Trägerplattformcarrier platform
2525: Reservoir für Baumaterial (C)Reservoir for building material (C)
2626: Reservoir für StützmaterialReservoir for supporting material
2727: Reservoir für TCO-TinteReservoir for TCO ink
2828: Stützstruktur aus StützmaterialSupport structure made of support material
2929: Druckköpfe für Baumaterial, Stützmaterial und TCO-TintePrintheads for building material, support material and TCO ink
3030: Additiv gefertigtes, dreidimensionales Formteil mit integrierter LeiterbildstrukturAdditive-made, three-dimensional molded part with integrated pattern structure

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2072223 B1 [0017]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

http://www.inm-gmbh.de/2014/03/tco-tinten-ermoglichen-direktdruck-transparenteleiterstrukturen-auf-folie [0005]
http://www.stratasys.com/en/3d-printer/technologies/polyjettechnology#sthash.6uEBRbev.dpuf [0011]

Claims

A method for producing a three-dimensional object, consisting of a three-dimensional molded part and an integrated three-dimensional pattern structure by means of an additive manufacturing process (additive manufacturing) using at least one non-electrically conductive and at least one electrically conductive material, characterized in that the molded part of at least one of generated electrically non-conductive materials and the pattern structure is generated using a TCO ink.

A method according to claim 1, characterized in that both material groups, electrically conductive and non-conductive, are used in parallel within one and the same additive manufacturing process.

A method according to claims 1-2, characterized in that in the drop-on-powder method at the points for generating the pattern structure, a TCO ink is used as a binder.

A method according to claims 1-2, characterized in that in the PolyJet method for producing the pattern structure, a TCO ink is used as the electrically conductive material.

Process according to claims 1-2, characterized in that in stereolithographic processes or 3D-DLP printing for producing the pattern structure within a layer, the material tray for the molded part material is exchanged with a material tray with the TCO ink.

Process according to claims 1-5, characterized in that the TCO ink is colored.

Method according to claims 1-5, characterized in that the TCO ink can be fixed by electromagnetic radiation, or curable.

A method according to claim 1, characterized in that the points at which a) the material for the molding is selectively applied and / or brought to cure and b) the material for the pattern structure is selectively applied and / or brought to harden each in your own record.

Device for producing a three-dimensional object, consisting of a three-dimensional molded part and an integrated three-dimensional pattern structure, - the device according to one of the additive manufacturing processes (additive manufacturing) and provides means for providing at least one non-electrically conductive and at least one electrically conductive material, characterized in that the device makes the molding of the non-electrically conductive materials additively and for the production of the pattern structure, a separate material supply unit for the additive and / or selective application of a TCO ink is used.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the device uses both material groups, electrically conductive and non-conductive, in parallel within one and the same additive manufacturing process.

Device according to claims 9-10, characterized in that the device operates on the drop-on-powder principle and uses a TCO ink as a binder at the points for generating the pattern structure.

Device according to claims 9-10, characterized in that the device operates on the PolyJet principle and for generating device according to claims 9-10, characterized in that the conductor pattern structure uses a TCO ink as electrically conductive material.

Device according to claims 9-10, characterized in that in stereolithographic processes or 3D-DLP printing a device for changing the material trays is provided in order to produce the pattern structure within a layer, the material tray for the molding material against a material -Tank with the TCO ink exchange.

Device according to claims 9-13, characterized in that means are provided for supplying energy, in particular in the form of electromagnetic radiation for fixing or hardening of the TCO ink after additive and / or selective application.

Computer program for controlling a device according to one of Claims 9 to 14, characterized in that the computer program contains control commands for carrying out a method according to one of Claims 1 to 8.

Three-dimensional object, in particular three-dimensional molded parts with integrated pattern structure, also known as "Molded Interconnected Device" (MID), characterized in that it using a method according to one of claims 1 to 8 and / or a device according to one of claims 9 to 14 is made.