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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren, einer Vorrichtung sowie einem Erzeugnis nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Aus der
WO 2008/044884 A1 ist eine Laminierfolie, insbesondere eine Beschichtungsfolie, aus Kunststoff/Teflon-Silizium und ein Verfahren zu ihrer Herstellung mit verbesserter Verbundfestigkeit zwischen Kunststoff oder Teflon mit Silikonkautschuk bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts, eine Vorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts, sowie ein dreidimensionales Objekt vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahrens bzw. der Vorrichtung möglich.
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Es wird ein Verfahren zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere einer Dichtung und/oder einer Beschichtung, aus einem in Flüssigphase vorliegenden Kautschuk, insbesondere aus einem Flüssigsilikonkautschuk, vorgestellt, wobei der Kautschuk auf ein Substrat, vorzugsweise auf ein Werkstück und/oder auf einen weiteren Kautschuk, aufgesprüht wird.
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Unter einem dreidimensionalen Objekt können hierbei Bauteile beliebiger Geometrie und/oder Form verstanden werden. Insbesondere können darunter auch flächige Bauteile, wie Flächendichtungen, Folien und/oder Beschichtungen, verstanden werden, welche eine im Vergleich zu einer Ausdehnung in einer Ebene parallel zu einer Oberfläche des Bauteils geringe Ausdehnung bzw. Dicke in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Bauteils aufweisen. Insbesondere können darunter auch längliche Bauteile, wie Dichtraupen, Dichtschnüre und/oder, verstanden werden, welche eine im Vergleich zu einer Ausdehnung in einer Richtung parallel zu einer Oberfläche des Bauteils geringe Ausdehnung bzw. Dicke in zwei Richtungen senkrecht zu der Richtung parallel zu der Oberfläche des Bauteils aufweisen. Unter einem Flüssigsilikonkautschuk kann ein Silikonkautschuk und/oder ein, insbesondere noch unvernetztes, Silikonelastomer verstanden werden, welches in flüssiger Form vorliegt. Unter Aufsprühen kann hierbei verstanden werden, dass der Flüssigsilikonkautschuk tröpfchenförmig in einem Gasstrom verteilt beispielsweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Insbesondere kann darunter verstanden werden, dass mehrere Tröpfchen des Flüssigsilikonkautschuks gleichzeitig auf das Substrat aufgebracht bzw. ausgetragen werden.
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Das Verfahren hat den Vorteil, dass in einem Vergleich zu einem sequentiellen Austragungs- bzw. Aufbauverfahren eine große Menge an Flüssigsilikonkautschuk in kurzer Zeit ausgetragen werden kann.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Elastomer durch einen Injektor, insbesondere einen Hochdruckinjektor, derart aufgesprüht wird, dass eine Tröpfchengröße aufgesprühter Tröpfchen auf dem Substrat und/oder ein Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen auf dem Substrat einstellbar ist. Denn hierdurch kann eine Effizienz des Verfahrens weiter gesteigert werden. Insbesondere können durch die Tröpfchengröße und/oder den Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen eine Restfließfähigkeit des Flüssigsilikonkautschuks eingestellt werden. Hierdurch verbessert sich ein Vernetzungsgrad der Flüssigsilikonkautschuke und damit können verbesserte mechanische Eigenschaften sowie durch eine dichtere Materialstruktur verbesserte Beständigkeiten gegen Alterung und Permeation von Medien erreicht werden.
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Die Tröpfchengröße hängt hierbei von dem eingesetzten Injektor ab. Aufgrund eines Fließverhaltens, dass bei hoher Scherung, welche bei solch einer Art einer Dosierform aufkommt, als wasserflüssig angenommen werden kann, kann die Tröpfchengröße Werte annehmen, die im Bereich kleiner Wassertropfen liegen, wie z.B. ein Tropfenradius von 0,05 mm bis 0,25 mm. Tröpfchen mit hoher Fließfähigkeit können Tropfenradien im Bereich von ca. 0,5 mm annehmen. Bei einem Druck von 50 - 100 MPa wirken auf den Flüssigsilikonkautschuk Schergeschwindigkeitgradienten von bis zu 104 s-1, bei welchen der Flüssigsilikonkautschuk das Fließverhalten einer niedrigviskosen Flüssigkeit (10 Pa*s) annimmt.
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Unter einem Hochdruckinjektor kann hierbei ein Injektor verstanden werden, der ein Flüssigsilikonkautschuk und/oder flüssigen Hilfsstoff unter Druck bzw. Hochdruck über eine Düse austrägt bzw. auf ein Substrat aufsprüht. Unter Druck bzw. Hochdruck kann ein Druckbereich verstanden werden, der beispielsweise größer als 1 bar, bevorzugt größer als 100 bar, besonders bevorzugt größer als 500 bar und ganz besonders bevorzugt größer als 1000 bar beträgt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn vor und/oder während dem Aufsprühen des Elastomers, insbesondere des Flüssigsilikonkautschuks, eine Plasmabehandlung und/oder eine UV-Lichtbehandlung des aufzusprühenden Elastomers erfolgen. Denn hierdurch kann eine Aushärtereaktion des Elastomers während eines Aufsprühvorgangs, d.h. während eines Fluges von dem Injektor zu dem Substrat, initiiert werden. Daher haftet das aufgesprühte Elastomer bzw. die aufgesprühten Elastomertröpfchen besser aneinander. Hierdurch kann eine Materialfestigkeit des dreidimensionalen Objekts erheblich verbessert werden.
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Unter einer Plasmabehandlung kann eine Funktionalisierung des Elastomers und/oder des Substrats, insbesondere einer Oberfläche des Elastomers und/oder des Substrats, mit einem Plasma verstanden werden. Die in einem Plasma entstehenden reaktiven Teilchen sowie entstehende UV-Strahlung können vorteilhafterweise auf eine Materialoberfläche gelenkt werden und zu einer gezielten Behandlung der Oberfläche genutzt werden. Insbesondere bei polymeren bzw. elastomeren Kunststoffen kann hierdurch zweckmäßigerweise ein Nachvernetzen der Oberfläche, das Entfernen schwach haftender niedermolekularer Verbindungen auf der Oberfläche, eine physikalische Modifizierung, wie beispielsweise Aufrauen, der Oberfläche durch den Teilchenbeschuss und eine chemische Aktivierung durch Erzeugung funktioneller Gruppen oder durch Oxidation der Oberfläche erreicht werden. Bei Verwendung schichtbildender Präkursoren kann eine Beschichtung des Elastomers und/oder des Substrats, insbesondere einer Oberfläche des Elastomers und/oder des Substrats erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn das Elastomer, insbesondere das Flüssigsilikonkautschuk, in ein Plasma, insbesondere in einen Plasmastrahl, eingeleitet wird und durch das Plasma, insbesondere durch den Plasmastrahl, auf das Substrat und/oder auf ein weiteres Elastomer aufgetragen wird. Somit lassen sich die ausgetragenen, aufgesprühten Flüssigsilikonkautschuktröpfchen durch den Plasmastrahl gezielt auf das Substrat und/oder auf ein bereits ausgetragenes und eventuell ausgehärtetes Elastomer aufbringen. Ferner lassen sich in Abhängigkeit einer Aufsprührate, eines Aufsprühdrucks und/oder eines Plasmaparameters, insbesondere einer Plasmazusammensetzung sowie einer Plasmaintensität bzw. einer Plasmatemperatur, die Tröpfchengröße und/oder der Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen und damit die Restfließfähigkeit des Flüssigsilikonkautschuks noch genauer einstellen.
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Ferner ist es zweckmäßig, wenn vor und/oder während dem Aufsprühen des Elastomers, insbesondere des Flüssigsilikonkautschuks, eine Plasmabehandlung und/oder eine UV-Lichtbehandlung des Substrats erfolgt. Hierdurch kann eine verbesserte Adhäsion zwischen dem aufgesprühten Flüssigsilikonkautschuk und dem Substrat, insbesondere bei verschiedenen Materialkomponenten, wie ElastomerKunststoff-, Elastomer-Metall- und/oder Elastomer-Keramik/Glas-Systeme, erreicht werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn nach dem Aufsprühen des Elastomers, insbesondere des Flüssigsilikonkautschuks, eine Plasmabehandlung und/oder eine UV-Lichtbehandlung des aufgesprühten Elastomers erfolgt. Denn hierdurch kann ein Vernetzungsgrad des Flüssigsilikonkautschuks weiter erhöht werden. Ferner lässt sich die Restfließfähigkeit des Flüssigsilikonkautschuks durch die Plasmatemperatur und/oder durch eine anderweitige Wärmequelle, die das Substrat temperieren kann, positiv beeinflussen.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltungsform kann vorgesehen sein, dass vor und/oder während dem Aufsprühen des Elastomers dem Elastomer ein Hilfsstoff, insbesondere Metallpartikel und/oder schichtbildende Präkursoren, zugeführt wird. Hiermit kann die Materialfestigkeit des dreidimensionalen Objekts erheblich verbessert werden. Ferner können dadurch gezielt mechanische, thermische, optische und/oder elektrische Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts verändert werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass durch Zugabe von Aluminium-, Silber- und/oder Goldpartikel das zu fertigende Bauteil elektrisch leitfähig und/oder opak wird. Unter Hilfsstoff kann auch ein Füllstoff bzw. mehrere Füllstoffe wie beispielsweise Silikate, Talkum, Aluminium und Aluminiumverbindungen, Bornitrite, Rußpartikel, Leitruße und Graphite verstanden werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn durch eine Steuereinheit eine Fließfähigkeit aufgesprühter Tröpfchen aus Elastomer in Abhängigkeit von Parametern eines Aufsprühvorgangs, insbesondere eines Aufsprühdrucks, einer Aufsprührate, eines Plasmaparameters, insbesondere einer Plasmaintensität, und/oder einer UV-Lichtintensität, eingestellt wird. Denn hierdurch lassen sich die Tröpfchengröße und/oder der Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen und damit die Restfließfähigkeit des Flüssigsilikonkautschuks noch genauer einstellen. Eine Viskosität des Flüssigsilikonelastomers kann hierbei vorteilhafterweise in einem Bereich von 5 Pa*s bis 100 Pa*s liegen.
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Die zuvor genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise auch für eine Vorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Elastomer.
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Es ist insbesondere von Vorteil, wenn die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Elastomer eine Sprühvorrichtung, insbesondere eine Injektoreinheit, zum Aufsprühen eines in Flüssigphase vorliegenden Elastomers, insbesondere eines Flüssigsilikonkautschuks, auf ein Substrat aufweist, wobei die Vorrichtung ferner eine Plasmaeinheit und/oder eine UV-Lichteinheit zur Behandlung des Elastomers und/oder des Substrats vor, während und/oder nach einem Aufsprühvorgang aufweist. Denn hierdurch kann in einem Vergleich zu einem sequentiellen Austragungs- bzw. Aufbauverfahren eine große Menge an Flüssigsilikonkautschuk in kurzer Zeit ausgetragen werden.
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Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Vorrichtung eine Antriebseinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Sprühvorrichtung relativ zu dem Substrat und/oder zu bereits aufgesprühtem Elastomer zu bewegen und/oder das Substrat relativ zu der Sprühvorrichtung zu bewegen. Somit kann gezielt ein beliebiges dreidimensionales Bauteil hergestellt werden.
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Indem die Vorrichtung eine Zugabeeinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, vor und/oder während dem Aufsprühen des Elastomers dem Elastomer einen Hilfsstoff, insbesondere Metallpartikel und/oder schichtbildende Präkursoren wie z.B. Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Trimethylaluminium, Trimethylindium usw., zuzuführen, können Materialeigenschaften des dreidimensionalen Objekts erheblich verändert werden. So können beispielweise durch Zugabe von Aluminium-, Silber- und/oder Goldpartikel die mechanischen, thermischen, optischen und/oder elektrischen Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts gezielt verändert werden.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist, eine Fließfähigkeit aufgesprühter Tröpfchen aus Elastomer in Abhängigkeit von Parametern eines Aufsprühvorgangs, insbesondere eines Aufsprühdrucks, einer Aufsprührate, einem Plasmaparameter, insbesondere einer Plasmaintensität, und/oder einer UV-Lichtintensität einzustellen. Denn hierdurch lassen sich die Tröpfchengröße und/oder der Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen und damit die Restfließfähigkeit des Flüssigsilikonkautschuks noch genauer einstellen.
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Die zuvor genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise auch für ein dreidimensionales Objekt, das insbesondere nach einem der zuvor genannten Verfahren hergestellt ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Elastomer gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Elastomer gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts 1 aus einem Elastomer gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 weist eine Injektoreinheit 10 auf, die als Sprühvorrichtung für ein Flüssigsilikonkautschuk 20 dient. Das Flüssigsilikonkautschuk 20 wird der Injektoreinheit 10 zugeführt und unter Druck, bzw. Hochdruck aus einer Düse 11 der Injektoreinheit 10 auf ein Substrat 30 ausgetragen. Der Flüssigsilikonkautschuk 20 kann hierbei als fein zerstäubte Tröpfchen 21 ausgetragen werden.
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Ferner kann die Vorrichtung 100 eine Plasmaeinheit 40 zum Erzeugen und Leiten eines Plasmas 41 bzw. eines Plasmastrahls 43 aufweisen. Der Plasmastrahl 41 kann hierbei durch eine Plasmadüse 42 aus der Plasmaeinheit 40 austreten. Das Plasma 41 kann beispielsweise aus zugeführten Gasen, wie z.B. Stickstoff, Sauerstoff und/oder Präkursoren wie z.B. HMDSO oder aus einer Kombination aus den zuvor genannten Stoffen, erzeugt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Plasmaeinheit 40 und/oder die Plasmadüse 42 derart benachbart zu der Düse 11 der Injektoreinheit 10 angeordnet sein, dass die fein zerstäubten Tröpfchen 21 aus dem Flüssigsilikonkautschuk 20 in den Plasmastrahl 43 eingeleitet werden und mit dem Plasmastrahl 43 auf das Substrat 30 aufgesprüht bzw. ausgetragen werden. Hierbei kann in Abhängigkeit eines Aufsprühdrucks, einer Aufsprührate und/oder eines Plasmaparameters eine Größe der Tröpfchen 21 und/oder ein Abstand der Tröpfchen auf dem Substrat 30 eingestellt werden. Hierbei weisen kleine Tröpfchen, die in großen Abständen zueinander auf das Substrat 30 aufgesprüht werden eine geringere Restfließfähigkeit auf, als große Tröpfchen 21, die in kleinen Abständen zueinander auf das Substrat 30 aufgesprüht werden. Somit eignen sich kleine Tröpfchen 21, die langsam aufgebracht werden und daher durch das Plasma 41 mehr Zeit zum Vernetzen haben eher zu einem Aufbau einer groben Bauteilstruktur wohingegen sich große Tröpfchen 21, die schnell aufgebracht werden und daher durch das Plasma 41 weniger Zeit zum Vernetzen haben, eher zum Auffüllen der groben Bauteilstruktur, zum Füllen von Poren und zum Verbessern einer Oberflächenqualität des Bauteils eignen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 100 eine UV-Lichteinheit 45 aufweisen, die einen Bereich 31 auf dem Substrat 30 und/oder auf den bereits aufgesprühten Tröpfchen 21 des Flüssigsilikonkautschuks 20 mit UV-Licht bestrahlt und somit einerseits die Oberfläche 32 des Substrats 30 und/oder der bereits aufgesprühten Tröpfchen 21 des Flüssigsilikonkautschuks 20 aktiviert und andererseits die bereits aufgesprühten Tröpfchen 21 des Flüssigsilikonkautschuks 20 weiter vernetzt.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltungsform kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 eine Zugabeeinheit 50 aufweist, die Metallpartikel und/oder schichtbildende Präkursoren zu den fein verteilten, aus der Düse 11 ausgetragenen Tröpfchen 21 aus Flüssigsilikonkautschuk 20 geben kann. Hierdurch kann die Materialfestigkeit des dreidimensionalen Objekts 1 erheblich verbessert werden. Ferner können dadurch gezielt mechanische, thermische, optische und/oder elektrische Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts verändert 1 werden.
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Das Substrat 30 kann hierbei auf einem in drei Raumrichtungen bewegbaren Werkstückträger 35 gelagert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Injektoreinheit 10 und/oder die Plasmaeinheit 40 bzw. die Düse 10 und/oder die Plasmadüse 42 bewegbar ausgestaltet sein.
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Die Vorrichtung kann weiterhin eine Steuereinheit 60 aufweisen, die über ein Steuersignal 101 die Injektoreinheit 10 ansteuert und darüber den Aufsprühdrucks und/oder die Aufsprührate des Flüssigsilikonkautschuks 20 einstellen kann. Weiterhin kann die Steuereinheit 60 über ein weiteres Steuersignal 351 den Werkstückträger 35 ansteuern und den Werkstückträger 35 und damit auch das darauf befindliche Substrat 20 in allen drei Raumrichtungen bewegen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Werkstückträger 35 in einer Richtung 34 unter der Düse 11 bzw. der Plasmadüse 42 hinweg bewegt wird. Ferner kann die Steuereinheit 60 über ein weiteres Steuersignal 401 die Plasmaeinheit 40 ansteuern und damit beispielsweise eine Temperatur des Plasmas 41 einstellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 60 über ein weiteres Steuersignal 451 die UV-Lichteinheit 45 ansteuern und damit beispielsweise eine UV-Lichtintensität einstellen.
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Die Steuereinheit 60 kann hierbei Sensorsignale 61 empfangen, welche beispielsweise Prozessparameter 62 wie Aufsprühdruck, Aufsprührate, Plasmaparameter und/oder UV-Lichtintensität sowie einen relativen Abstand zwischen dem Werkstückträger 35 bzw. dem Substrat 30 und der Düse 11 beinhalten. Aus diesen Prozessparametern kann die Steuereinheit 60 beispielsweise unter Verwendung eines zuvor bestimmten Algorithmus und/oder durch Vergleich der Prozessparameter 62 mit in einer Tabelle in einer Speichereinheit der Steuereinheit 60 abgelegten Werten (look-up table) die Plasmaeinheit 40, die UV-Lichteinheit 43, den Werkstückträger 35 und/oder die Injektoreinheit 10 ansteuern, sodass durch die aufgesprühten Tröpfchen 21 aus dem Flüssigsilikonkautschuk 20 ein dreidimensionales Objekt 1, wie beispielsweise eine Dichtlippe oder eine Dichtraupe, entsteht. Die Prozessparameter 62 können über Sensoren, die an der Injektoreinheit 10, an der Plasmaeinheit 40, an der UV-Lichteinheit 45 und/oder an dem Werkstückträger 35 bzw. an der Düse 11 und/oder der Plasmadüse 42 angeordnet sind, empfangen werden.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens 300 zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt 301 wird auf einen Bereich 31 einer Oberfläche 32 eines Substrats 30 ein Flüssigsilikonkautschuk 20 durch eine Injektoreinheit 10 als Tröpfchen 21 aufgesprüht. In einem zweiten Verfahrensschritt 302, der zeitgleich zu oder nach dem ersten Verfahrensschritt 301 erfolgen kann, erfolgt ein Vernetzen bzw. Aushärten des tröpfchenförmig aufgesprühten Flüssigsilikonkautschuks 20 auf dem Substrat 30 und/oder auf bereits ausgetragenem Flüssigsilikonkautschuk 20, wodurch sich nach und nach ein dreidimensionales Objekt 1 ausbildet.
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Alternativ oder zusätzlich kann fakultativ in einem vor oder während dem ersten Verfahrensschritt 301 eine Behandlung des Bereichs 31 der Oberfläche 32 des Substrats 30 bzw. des bereits ausgetragenen Flüssigsilikonkautschuks 20 durch ein Plasma 40, ein Plasmastrahl 43 und/oder durch UV-Licht erfolgen.
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Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich während dem ersten Verfahrensschritt 301 oder dem zweiten Verfahrensschritt 302 das Flüssigsilikonkautschuk 20 in das Plasma 40 und/oder in den Plasmastrahl 43 eingeleitet werden, sodass es gezielt auf die Oberfläche 32 des Substrats 30 und/oder des bereits ausgetragenen Flüssigsilikonkautschuks 20 gesprüht wird und wodurch eine Vernetzungsreaktion der aufgesprühten Tröpfchen 21 des Flüssigsilikonkautschuks 20 bereits im Flug von einer Düse 11 der Injektoreinheit 10 bis zum Substrat 30 initiiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann diese Behandlung mit UV-Licht einer UV-Lichteinheit 43 erfolgen
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Ferner kann alternativ oder zusätzlich nach dem ersten Verfahrensschritt 301 oder nach dem zweiten Verfahrensschritt 302 eine Behandlung des Bereichs 31 der Oberfläche 32 des bereits ausgetragenen Flüssigsilikonkautschuks 20 durch ein Plasma 40, ein Plasmastrahl 43 und/oder durch UV-Licht erfolgen, um eine Restfließfähigkeit der aufgesprühten Tröpfchen 21 des Flüssigsilikonkautschuks 20 zu beeinflussen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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