DE102018213111A1 - Material system and method for manufacturing a component in an additive manufacturing process - Google Patents

Material system and method for manufacturing a component in an additive manufacturing process Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Materialsystem zur Herstellung eines Bauteils in einem additiven Fertigungsverfahren mit mindestens einer ersten Gruppe von Partikeln (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300), die jeweils eine definierte geometrische Form und Größe aufweisen. Hierdurch lassen sich die einzelnen Partikel in einem Pulverkuchen optimal und unter Erreichung hoher Materialdichte platzieren.The invention relates to a material system for producing a component in an additive manufacturing process with at least a first group of particles (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201 , 1300), each of which has a defined geometric shape and size. This allows the individual particles to be placed optimally in a powder cake while achieving a high material density.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Produktionstechnik und bezieht sich insbesondere auf Schichtbautechniken, die in additiven Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen. Derartige additive Herstellungsverfahren sind üblicherweise durch einen schichtweisen Aufbau von Bauteilen charakterisiert, beispielsweise durch sukzessives Hinzufügen von Partikeln oder Tropfen und deren selektive Bindung.The invention is in the field of production technology and relates in particular to layer construction techniques that are used in additive manufacturing processes. Such additive manufacturing processes are usually characterized by a layered structure of components, for example by successive addition of particles or drops and their selective binding.

Additive Fertigungsmethoden werden im Allgemeinen bei Werkzeugmaschinen eingesetzt, die für die Herstellung von Prototypen oder für die Einzelfertigung verwendet werden. Für den Einsatz in Produktionsmaschinen sind die derzeit verwendeten additiven Fertigungsverfahren teilweise noch zu aufwendig, langsam und teuer. Dennoch könnten additive Fertigungsverfahren in der Zukunft sowohl beim Herstellen von Einzelprodukten als auch in der Serienfertigung eingesetzt werden.Additive manufacturing methods are generally used in machine tools that are used for the production of prototypes or for one-off production. The additive manufacturing processes currently used are sometimes too complex, slow and expensive for use in production machines. Nevertheless, additive manufacturing processes could be used in the future both in the manufacture of individual products and in series production.

Maschinen für die additive Fertigung, die nach dem Schichtbauprinzip arbeiten, werden üblicherweise 3D-Drucker genannt. Ein Beispiel für die 3D-Druckverfahren ist das Stereolithografie-Verfahren, bei dem ein Harz schichtweise durch einen Laserstrahl ausgehärtet wird ( US 4 575 330 ).Machines for additive manufacturing that work according to the layer construction principle are usually called 3D printers. An example of the 3D printing process is the stereolithography process, in which a resin is hardened in layers by a laser beam ( US 4,575,330 ).

Zudem sind sogenannte Fused-Deposition-Modeling-Verfahren bekannt, bei denen jeweils mittels einer Düse Material gemäß einem virtuellen Schnittbild des herzustellenden Gegenstands in Form eines Extrudats einer schmelzbaren Masse auf einer Bauplattform abgelegt wird. Ähnlich arbeiten auch die sogenannten Multi-Jet-Modeling-Verfahren, bei denen mittels einer Vielzahl von Düsen Flüssigkeitströpfchen zusammengefügt werden. Auch dort wird das auf die genannte Weise addierte Material mit einer Strahlung ausgehärtet ( US 6 259 962 ).In addition, so-called fused deposition modeling methods are known, in which material is deposited on a construction platform in the form of an extrudate of a meltable mass in each case by means of a nozzle in accordance with a virtual sectional image of the object to be produced. The so-called multi-jet modeling processes work similarly, in which liquid droplets are joined together by means of a large number of nozzles. There, too, the material added in the manner mentioned is cured with radiation ( US 6,259,962 ).

Die genannten Verfahren haben den Nachteil, dass das addierte Material zunächst verformbar bleibt und bis zur Erhärtung gestützt werden muss.The methods mentioned have the disadvantage that the added material initially remains deformable and has to be supported until it hardens.

Im Gegensatz dazu erlauben pulverbasierte Verfahren zunächst das Anlegen eines Pulverbettes, das die Kontur des herzustellenden Gegenstandes umgibt. Erst darauf werden die Bereiche des Gesamtvolumens, die den herzustellenden Körper ausmachen, verbunden und/oder erhärtet. Dies kann schichtweise oder in größeren Volumina geschehen (vgl. US 5 340 656 , US 5 155 324 ). Die Verbindung der selektierten Partikel kann beispielsweise durch Bedrucken mit einem Klebstoff oder durch Verschmelzen mittels eines energiereichen Strahls erreicht werden.In contrast to this, powder-based processes first allow the creation of a powder bed that surrounds the contour of the object to be manufactured. Only then are the areas of the total volume that make up the body to be manufactured connected and / or hardened. This can be done in layers or in larger volumes (cf. US 5 340 656 . US 5,155,324 ). The connection of the selected particles can be achieved, for example, by printing with an adhesive or by fusing with an energy-rich jet.

Grundsätzlich ist es bei vielen Produktionsaufgaben wünschenswert, möglichst massive Körper herzustellen, die eine hohe Stabilität aufweisen. Mit den pulverbasierten Verfahren ergibt sich in vielen Fällen das Problem, dass nur eine begrenzte Raumfüllung durch die lockere Schüttung des Pulvermaterials erreicht werden kann. Die Raumfüllung wird durch das Verschmelzen bzw. Verbinden der Partikel mittels zusätzlicher Klebstoffe nur unvollkommen verbessert. Zudem sind bei einigen Herstellungsverfahren durch ein Verkleben bei der üblicherweise auftretenden Schwindung (Polymerisationsschwindung) Verformungen des herzustellenden Bauteils nicht auszuschließen. Ein derartiges Problem wird beispielsweise in der EP 2 054 216 angesprochen.In principle, it is desirable for many production tasks to produce bodies that are as solid as possible and that have high stability. In many cases, the powder-based process poses the problem that only a limited amount of space can be achieved through the loose filling of the powder material. The space filling is only incompletely improved by fusing or connecting the particles using additional adhesives. In addition, deformations of the component to be produced cannot be ruled out in some manufacturing processes by sticking together with the shrinkage (polymerisation shrinkage) that usually occurs. Such a problem is, for example, in the EP 2 054 216 addressed.

Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, bei einem additiven Fertigungsverfahren die Handhabung und Verarbeitung des Pulvermaterials zu verbessern.Against the background of the prior art, the present invention is based on the object of improving the handling and processing of the powder material in an additive manufacturing process.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Materialsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Patentansprüche 2 bis 10 stellen vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen Materialsystems dar. Zudem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers mit einem solchen Materialsystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Die Patentansprüche 12 bis 15 zeigen vorteilhafte Implementierungen eines solchen Verfahrens auf. Der Patentanspruch 16 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines Körpers mit einem erfindungsgemäßen Materialsystem.The problem is solved with a material system with the features of claim 1. Claims 2 to 10 represent advantageous configurations of such a material system. In addition, the invention relates to a method for producing a body with such a material system according to the features of claim 11 Claims 12 to 15 show advantageous implementations of such a method. Claim 16 relates to a device for producing a body with a material system according to the invention.

Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Materialsystem zur Herstellung eines Bauteils in einem additiven Fertigungsverfahren mit mindestens einer ersten Gruppe von Partikeln, die jeweils eine definierte geometrische Form und Größe aufweisen.Accordingly, the invention relates to a material system for producing a component in an additive manufacturing process with at least a first group of particles, each of which has a defined geometric shape and size.

Die derzeit bekannten partikelbasierten additiven Fertigungsverfahren (beispielsweise Schichtbauverfahren) beruhen darauf, dass in der Planung ein herzustellender Körper virtuell in verschiedene aufeinanderfolgende Schichten zerlegt wird und diese Schichten aufeinanderfolgend aufbauend hergestellt werden. Hierzu wird zunächst ein Pulverbett auf einer Bauplattform erzeugt, dieses Pulverbett abschnittsweise und selektiv verfestigt und daraufhin die nächste Partikelschicht auf das Pulverbett aufgebracht. Die Partikel, die den herzustellenden Körper bilden, werden damit schichtweise miteinander verbunden und bleiben später nach dem Entfernen des überschüssigen Pulverbetts als fester Körper stehen. Durch das Entfernen des überschüssigen Pulvers wird zum Ende des Prozesses der herzustellende Körper freigelegt. Die Verbindung der Partikel miteinander kann durch an sich bekannte Verfahren erreicht werden, wie das Bedrucken mit Bindemitteln, Aktivatoren oder Katalysatoren sowie das selektive Aufschmelzen durch Strahlung, beispielsweise Laserstrahlung, oder ähnliche Verfahren. Auch das selektive Anlösen von Partikeln mit einem geeigneten Lösungsmittel unter Einsatz eines Druckkopfes zur selektiven Bearbeitung der Partikel ist möglich. Die hinzugefügten Bindemittel haben die Funktion gemeinsam, dass sie entweder durch chemische Reaktionen oder durch Trocknungsprozesse die Bindung benachbarter Partikel aneinander bewirken sollen.The currently known particle-based additive manufacturing processes (for example layer construction processes) are based on the fact that in planning a body to be produced is virtually broken down into different successive layers and these layers are produced in a sequential manner. For this purpose, a powder bed is first created on a construction platform, this powder bed is selectively solidified in sections and then the next particle layer is applied to the powder bed. The particles that form the body to be produced are thus connected to one another in layers and later remain as a solid body after the excess powder bed has been removed. By removing the excess powder, the body to be produced is exposed at the end of the process. The connection of the particles to one another can be achieved by methods known per se, such as printing with binders, activators or catalysts, and the like selective melting by radiation, for example laser radiation, or similar processes. It is also possible to selectively dissolve particles with a suitable solvent using a print head for selective processing of the particles. The added binders have the function in common that they are intended to bind neighboring particles to one another either by chemical reactions or by drying processes.

Die genannten Techniken sind unter anderem dadurch charakterisiert, dass bei den eigentlichen Verfestigungsschritten des herzustellenden Körpers eine Volumenkontraktion des Bindemittels oder der Schmelze eintritt. Diese Volumenkontraktion muss kompensiert oder berücksichtigt oder auch aufgefangen werden. Die Größe eines solchen Schrumpfungs- oder Verformungseffekts hängt unter anderem von der Schichtdicke ab. Die Hohlräume in der Partikelschüttung bestimmen beispielsweise die hinzugefügten Binder- oder Schmelzemengen. Daher ist es vorteilhaft, die Schüttdichte im Pulverbett zu optimieren oder eine Verformung oder Veränderung der Partikel oder ihrer Positionen zueinander möglichst zu verhindern oder zu minimieren. Dies gelingt durch die Verwendung einer Gruppe oder einer Mehrzahl von Partikeln, die jeweils eine definierte geometrische Form und Größe aufweisen.The techniques mentioned are characterized, inter alia, by the fact that during the actual solidification steps of the body to be produced there is a volume contraction of the binder or the melt. This volume contraction must be compensated for or taken into account or even compensated for. The size of such a shrinkage or deformation effect depends, among other things, on the layer thickness. The voids in the particle bed determine, for example, the amount of binder or melt added. It is therefore advantageous to optimize the bulk density in the powder bed or to prevent or minimize any deformation or change in the particles or their positions relative to one another. This is achieved by using a group or a plurality of particles, each of which has a defined geometric shape and size.

Nach dem Stand der Technik werden Pulvermaterialien für die additive Fertigungstechnik eingesetzt, bei denen die einzelnen Partikel des Pulvers gemäß einer statistischen Verteilung in Größe und Form variieren und unbestimmt sind. Dies ist üblicherweise produktionsbedingt und von der Art der Fertigung der Pulverpartikel abhängig. Beim Stand der Technik lassen sich Volumenfüllungen im Pulverbett in der Größenordnung von 50% erreichen.According to the prior art, powder materials are used for additive manufacturing technology, in which the individual particles of the powder vary in size and shape according to a statistical distribution and are indefinite. This is usually production-related and depends on the type of production of the powder particles. In the prior art, volume fillings in the powder bed of the order of 50% can be achieved.

Das erfindungsgemäße Materialsystem erlaubt die Zusammenstellung von Partikeln zu einer Schüttung, die eine besonders gute Packung ermöglicht. Dazu sind Partikel mit besonderer Formgebung und Größe zu verwenden. Es sind hierzu verschiedene Formen denkbar, die weiter unten noch näher erläutert werden. Insgesamt kennzeichnend für die Erfindung ist jedoch der Gedanke, Partikel mit jeweils definierter geometrischer Form und Größe zu verwenden. Dadurch lässt sich der Volumenfüllungsgrad der Schüttung des Pulverbetts vorhersagen und optimieren. Zudem lässt eine besondere Gestaltung der Partikel in vielen Fällen eine gezielte Anordnung und/oder Orientierung der Partikel zu, die für eine weitere Steigung des Füllungsgrades nützlich ist.The material system according to the invention allows particles to be assembled into a bed, which enables particularly good packing. For this purpose, particles with a special shape and size are to be used. Various forms are conceivable for this, which are explained in more detail below. Overall, however, characteristic of the invention is the idea of using particles with a defined geometric shape and size. This enables the degree of filling of the bulk of the powder bed to be predicted and optimized. In addition, a special design of the particles in many cases permits a targeted arrangement and / or orientation of the particles, which is useful for a further increase in the degree of filling.

Die Gruppe von Partikeln mit einer definierten geometrischen Form und Größe ermöglicht die Auswahl geeigneter Maßnahmen, die die Packungsdichte der Partikel oder des Pulverbetts vergrößern können. Diese Maßnahmen können beispielsweise eine Vibration des Pulverbetts, eine Vibration der jeweils dem Pulverbett hinzugefügten Partikel, eine Orientierung der Partikel vor ihrem Ablegen im Pulverbett oder eine gezielte Positionierung jedes einzelnen Partikels relativ zu den bereits im Pulverbett befindlichen Partikeln und/oder relativ zu den gleichzeitig hinzugefügten Nachbarpartikeln umfassen. Unter einer definierten geometrischen Form und Größe kann beispielsweise eine mathematisch definierte und reproduzierbare Form verstanden werden, die beispielsweise durch eine Funktion oder durch eine mathematische Annäherung die Außenkontur der Partikel festlegt und beschreibt. Es kann darunter auch eine Form und Größe verstanden werden, die durch den Produktionsprozess bis auf übliche Toleranzen festgelegt ist. In diesem Fall soll der Begriff der definierten geometrischen Form und Größe die beim Produktionsprozess unvermeidlichen Abweichungen in Form und/oder Größe mit einschließen.The group of particles with a defined geometric shape and size enables the selection of suitable measures which can increase the packing density of the particles or the powder bed. These measures can include, for example, vibration of the powder bed, vibration of the particles added to the powder bed, orientation of the particles before they are deposited in the powder bed, or targeted positioning of each individual particle relative to the particles already in the powder bed and / or relative to those added at the same time Include neighboring particles. A defined geometric shape and size can be understood to mean, for example, a mathematically defined and reproducible shape which, for example, defines and describes the outer contour of the particles by means of a function or a mathematical approximation. It can also be understood to mean a shape and size that is determined by the production process to the usual tolerances. In this case, the term of the defined geometric shape and size should include the deviations in shape and / or size that are inevitable during the production process.

Besonders vorteilhaft kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Partikel der ersten Gruppe jeweils dieselbe geometrische Form und Größe aufweisen. Damit kann in einfacher Weise eine symmetrische und homogene Verteilung der Partikel der ersten Gruppe erreicht werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Partikel der ersten Gruppe zwar dieselbe geometrische Form, jedoch eine Größenverteilung mit verschiedenen Größen aufweisen. Ebenfalls ist es möglich, dass die Partikel der ersten Gruppe jeweils dieselbe Größe, gemessen beispielsweise am Volumen eines Partikels, einer Kantenlänge, dem Durchmesser oder der größten linearen Ausdehnung, jedoch unterschiedliche geometrische Formen aufweisen. Die Form der Partikel kann dabei so ausgebildet sein, dass die Partikel beispielsweise gut innerhalb einer Reihe oder in einer Schicht aneinanderreihbar oder in Richtung senkrecht zu den einzelnen Schichten stapelbar sind. Unter „derselben“ Form und Größe sollen dabei auch solche Formen und Größen verstanden werden, die sich von einer Standardform oder Standardgröße lediglich um Herstellungstoleranzen unterscheiden.For example, it can be particularly advantageously provided that the particles of the first group each have the same geometric shape and size. A symmetrical and homogeneous distribution of the particles of the first group can thus be achieved in a simple manner. However, it is also conceivable that the particles of the first group have the same geometric shape, but a size distribution with different sizes. It is also possible that the particles of the first group each have the same size, measured for example by the volume of a particle, an edge length, the diameter or the greatest linear extent, but have different geometric shapes. The shape of the particles can be designed such that the particles can be arranged in a row or in a layer, for example, or stacked in the direction perpendicular to the individual layers. “Same” shape and size should also be understood to mean shapes and sizes that differ from a standard shape or standard size only by manufacturing tolerances.

Zudem kann eine Implementierung vorsehen, dass zusätzlich zu der ersten Gruppe wenigstens eine zweite Gruppe und insbesondere wenigstens eine weitere Gruppe von Partikeln vorgesehen ist, wobei die Partikel der zweiten Gruppe und insbesondere der weiteren Gruppen sich voneinander und/oder von den Partikeln der ersten Gruppe bezüglich der geometrischen Form und/oder Größe unterscheiden. Die Form und/oder Größe der Partikel innerhalb einer der Gruppen soll jedoch jeweils übereinstimmen oder im Wesentlichen bis auf Toleranzen übereinstimmen. Beispielsweise können die Partikel der zweiten Gruppe bezüglich der Form und/oder Größe so ausgewählt werden, dass sie paarweise oder in größeren Gruppen jeweils mit den Partikeln der ersten Gruppe zusammenpassen, insbesondere formschlüssig. In Verbindung mit den Partikeln der ersten Gruppe können die Partikel der zweiten Gruppe beispielsweise auch Lücken zwischen den Partikeln der ersten Gruppe auffüllen oder umgekehrt. Insgesamt können die Partikel der ersten und der zweiten Gruppe und insbesondere auch noch weiterer Gruppen derart aufeinander abgestimmt sein, dass eine periodische Anordnung der Partikel aus unterschiedlichen Gruppen im Wechsel miteinander eine hohe Fülldichte ermöglicht.In addition, an implementation can provide that, in addition to the first group, at least one second group and in particular at least one further group of particles is provided, the particles of the second group and in particular of the further groups relating to one another and / or from the particles of the first group distinguish the geometric shape and / or size. The shape and / or size of the particles within one of the groups should, however, correspond in each case or should essentially agree up to tolerances. For example, the particles of the second group can be selected with regard to their shape and / or size so that they are in pairs or in larger groups match each other with the particles of the first group, in particular form-fitting. In connection with the particles of the first group, the particles of the second group can for example also fill gaps between the particles of the first group or vice versa. Overall, the particles of the first and second groups and in particular also further groups can be coordinated with one another in such a way that a periodic arrangement of the particles from different groups in alternation enables a high filling density.

In einer weiteren Implementierung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Partikel der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe jeweils wenigstens eine, wenigstens zwei oder wenigstens drei gerade Kanten und/oder wenigstens eine oder wenigstens zwei oder wenigstens drei ebene Grenzflächen aufweisen.In a further implementation it can be provided, for example, that the particles of the first group and / or the second group and / or at least one further group each have at least one, at least two or at least three straight edges and / or at least one or at least two or at least three have flat interfaces.

Bei einer platzsparenden Anordnung von Partikeln einer ersten Gruppe zueinander oder auch von Partikeln einer ersten und einer weiteren Gruppe relativ zueinander können die einzelnen Partikel so ausgerichtet werden, dass die geraden Kanten jeweils benachbarter Partikel zueinander parallel ausgerichtet und insbesondere aneinander anliegend positioniert sind. Damit ist dann ein Zwischenraum zwischen den jeweils an ihren geraden Kanten aneinander anliegenden Partikeln minimiert. Im Extremfall können die Partikel wenigstens teilweise eine prismatische Form oder die Form eines Kubus oder eines Quaders aufweisen.In the case of a space-saving arrangement of particles of a first group relative to one another or also of particles of a first and a further group relative to one another, the individual particles can be aligned such that the straight edges of respectively adjacent particles are aligned parallel to one another and in particular are positioned adjacent to one another. This then minimizes a space between the particles which abut each other on their straight edges. In extreme cases, the particles can at least partially have a prismatic shape or the shape of a cube or cuboid.

Unter dem Begriff „prismatisch“ soll in diesem Zusammenhang eine geometrische Volumenform verstanden werden, die durch das Volumen definiert ist, welches durch Verschiebung einer Grundfläche entlang einer Geraden im Raum durchsetzt wird.In this context, the term “prismatic” should be understood to mean a geometric volume shape, which is defined by the volume which is penetrated by moving a base area along a straight line in space.

Mit einigen Prismenformen lässt sich eine 100%ige Volumenfüllung erreichen, beispielsweise mit Dreiecksprismen, während mit anderen Prismenformen, wie beispielsweise Zylindern, keine 100%ige Volumenfüllung erreichbar ist.With some prism shapes, 100% volume filling can be achieved, for example with triangular prisms, while with other prism shapes, such as cylinders, 100% volume filling cannot be achieved.

Es kann in einer Implementierung zudem vorgesehen sein, dass jedes Partikel der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei zueinander parallele Kanten oder wenigstens zwei zueinander parallele Grenzflächen aufweist.In one implementation it can also be provided that each particle of the first group and / or the second group and / or at least one further group has at least two, in particular at least three mutually parallel edges or at least two mutually parallel interfaces.

Auch das Vorsehen von geraden und/oder zueinander parallelen Grenzflächen bei einer Gruppe von Partikeln oder bei mehreren Gruppen von Partikeln kann zum Erreichen einer hohen Volumenfüllung dadurch verwendet werden, dass die Partikel derart benachbart zueinander in dem Pulverbett abgelegt werden, dass jeweils die geraden Kanten oder Flächen benachbarter Partikel aneinander anliegen. Theoretisch lässt sich bei Verwendung von bestimmten prismatischen Formen, beispielsweise bei Kuben oder Quadern, eine Volumenfüllung von 100 Prozent erreichen.The provision of straight and / or mutually parallel interfaces in a group of particles or in a plurality of groups of particles can also be used to achieve a high volume filling by depositing the particles adjacent to one another in the powder bed such that the straight edges or Adjacent surfaces of adjacent particles. Theoretically, if certain prismatic shapes are used, for example cubes or cuboids, a volume fill of 100 percent can be achieved.

Eine weitere Implementierung kann beispielsweise vorsehen, dass jedes Partikel der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe eine prismatische Form, insbesondere die Form eines Dreiecks-, Vierecks- oder Vielecksprismas oder eines Kreis- oder Ellipsenzylinders, aufweist. Dies ist beispielsweise auch dann realisierbar, wenn nur die erste Gruppe oder nur eine erste und zweite Gruppe von Partikeln vorgesehen ist.A further implementation can provide, for example, that each particle of the first group and / or the second group and / or at least one further group has a prismatic shape, in particular the shape of a triangular, quadrangular or polygonal prism or a circular or elliptical cylinder. This can also be achieved, for example, if only the first group or only a first and second group of particles is provided.

Eine weitere Implementierung des Materialsystems kann vorsehen, dass jedes Partikel der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe durch Extrudieren oder durch Ausschneiden oder Stanzen aus einem Grundkörper hergestellt ist, wobei der Grundkörper insbesondere planparallele Deckflächen aufweist. Dies gilt auch dann, wenn nur die erste Gruppe oder nur zwei Gruppen von Partikeln vorgesehen sind. Es können somit auch alle Partikel derselben, ersten Gruppe angehören und durch Extrudieren oder Ausschneiden oder Stanzen hergestellt sein.A further implementation of the material system can provide that each particle of the first group and / or the second group and / or at least one further group is produced from a base body by extrusion or by cutting or punching, the base body in particular having plane-parallel cover surfaces. This also applies if only the first group or only two groups of particles are provided. All particles can thus also belong to the same first group and be produced by extrusion or cutting or punching.

Bei der Herstellung von Partikeln durch Extrusion kann sichergestellt werden, dass die einzelnen Partikel im Querschnitt die Form eines Zylinders oder eines Prismas erhalten, und es ist lediglich durch gleichmäßiges Ablängen sicherzustellen, dass alle Partikel dieselbe Größe erhalten. Auch durch Ausstanzen der Partikel aus einem Blech oder einer flachen Platte kann beispielsweise erreicht werden, dass alle Partikel die gleiche reproduzierbare Form haben.When producing particles by extrusion, it can be ensured that the individual particles have the shape of a cylinder or a prism in cross-section, and it is only necessary to ensure that all particles have the same size by being cut to length. By punching out the particles from a sheet or a flat plate it can be achieved, for example, that all particles have the same reproducible shape.

Wenn beispielsweise die Partikel in Form von Butzen, also planparallelen runden Platten, durch Stanzen hergestellt, so lässt sich jede Schicht solcher Partikel einzeln durch Platzieren der einzelnen Partikel nebeneinander sehr homogen herstellen. Auf die Methode der Positionierung der einzelnen Partikel wird weiter unten noch näher eingegangen.If, for example, the particles in the form of slugs, that is to say plane-parallel round plates, are produced by punching, each layer of such particles can be individually produced very homogeneously by placing the individual particles next to one another. The method of positioning the individual particles is discussed in more detail below.

Das Stanzen ist ein mögliches Herstellungsverfahren für die gezielte Formgebung für prismatische Partikel. Ebenso können aus Drähten zylindrische Abschnitte erzeugt werden. Auch hier sind wieder verschiedene Querschnitte möglich.Stamping is a possible manufacturing process for the targeted shaping of prismatic particles. Cylindrical sections can also be produced from wires. Different cross sections are also possible here.

Auch können mit einem Laser prismatische Körper aus Blechen ausgeschnitten werden. Hier ergibt sich eine große Formfreiheit, und es können unterschiedliche Formen in einem Produktionsschritt erzeugt werden. Prismatic bodies can also be cut out of sheet metal with a laser. This gives great freedom of form and different shapes can be created in one production step.

Die Erzeugung von prismatischen Körpern kann nicht nur durch Schneiden oder Trennen erfolgen. Ebenso können solche Körper aufbauend erzeugt werden. Ein Beispiel ist das Siebdrucken von keramischen oder metallischen Massen. Im Anschluss wird das so erzeugte Produkt gesintert und kann im Schichtbauprozess verwendet werden.The creation of prismatic bodies cannot only be done by cutting or separating. Such bodies can also be created constructively. An example is the screen printing of ceramic or metallic masses. The product produced in this way is then sintered and can be used in the layer-building process.

Ebenso ist es möglich, solche Partikel durch Kristallisationsprozesse zu erzeugen. Dabei wird das Kristallwachstum bei einer gewissen Größe gestoppt und so eine monodisperse Verteilung erreicht.It is also possible to generate such particles by crystallization processes. The crystal growth is stopped at a certain size and thus a monodisperse distribution is achieved.

Eine weitere Implementierung der Erfindung kann beispielsweise vorsehen, dass jedes Partikel oder ein Teil der Partikel der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe eine Beschichtung trägt und/oder dass alle oder einige der Partikel der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe eine Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere Rauigkeit, aufweisen, die sich von derjenigen anderer Partikel unterscheidet. In diesem Fall können beispielsweise die Partikel, die später zur Herstellung des Körpers selektiv miteinander verbunden werden sollen, jeweils beschichtet sein oder bezüglich ihrer Oberflächenbeschaffenheit besonders gestaltet sein, so dass diese Partikel im Unterschied zu den benachbarten Partikeln, die später entfernt werden sollen, effizient miteinander verbunden werden können. Dazu kann beispielsweise eine Beschichtung dienen, die einfach durch hinzugefügte Stoffe lokal selektiv als Binder aktiviert werden kann, oder eine Rauigkeit, die durch ein Hinzufügen eines Binders, beispielsweise eines Katalysators, eines Aktivators oder eines Klebers, die Verbindung entsprechend vorbehandelter Partikel ermöglicht. Dabei kann die Beschichtung selbst bereits einen Kleber, ein Lot, einen Binder, einen Aktivator oder einen Katalysator aufweisen, oder die Beschichtung kann durch lokal selektive Hinzufügung eines weiteren Stoffes Bindereigenschaften entwickeln.A further implementation of the invention can provide, for example, that each particle or part of the particles of the first group and / or of the second group and / or at least one further group has a coating and / or that all or some of the particles of the first group and / or the second group and / or at least one further group have a surface condition, in particular roughness, which differs from that of other particles. In this case, for example, the particles which are later to be selectively connected to one another for the production of the body can each be coated or can be specially designed with regard to their surface properties, so that these particles, in contrast to the neighboring particles which are to be removed later, are efficiently combined with one another can be connected. This can be done, for example, by a coating that can be selectively activated locally as a binder simply by added substances, or a roughness that enables the connection of appropriately pretreated particles by adding a binder, for example a catalyst, an activator or an adhesive. The coating itself may already have an adhesive, a solder, a binder, an activator or a catalyst, or the coating may develop binder properties by adding a further substance locally.

Zudem kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Partikel Bohrungen oder Ausnehmungen aufweisen, durch die innerhalb des aus den Partikeln hergestellten Bauteils Kanäle gebildet werden. In diesem Fall kann durch die Ausnehmungen/Kanäle nach dem Zusammenfügen der Partikel zu dem herzustellenden Körper gezielt ein System von Öffnungen/Kanälen erzeugt werden, das eine gewünschte Porosität herstellt und/oder einen Stofftransport, beispielsweise einen Gastransport, durch den herzustellenden Körper ermöglicht.In addition, it can be provided, for example, that one or more particles have bores or recesses through which channels are formed within the component made from the particles. In this case, through the recesses / channels after the particles have been assembled to form the body to be produced, a system of openings / channels can be produced in a targeted manner, which produces a desired porosity and / or enables mass transport, for example gas transport, through the body to be produced.

Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Materialsystem der oben erläuterten Art auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus einem derartigen Materialsystem, wobei vorgesehen ist, dass nacheinander Partikel mittels einer ersten Zuführeinrichtung und insbesondere mittels einer zweiten oder weiteren Zuführeinrichtung durch jeweils einen Zuführkanal der jeweiligen Zuführeinrichtung ihrem jeweiligen Bestimmungsort auf einem Pulverkuchen zugeführt werden, wobei die Partikel oder eine Untermenge der Partikel insbesondere eine vorbestimmte Orientierung aufweisen oder in einer bestimmten Orientierung an ihren Bestimmungsort bewegt werden.In addition to a material system of the type described above, the invention also relates to a method for producing a body from such a material system, with provision being made for particles to be moved in succession by means of a first feed device and in particular by means of a second or further feed device, each through a feed channel of the respective Feeding device are supplied to their respective destination on a powder cake, the particles or a subset of the particles in particular having a predetermined orientation or being moved to their destination in a specific orientation.

Mittels einer Zuführeinrichtung können bei geeigneter Gestaltung dieser Einrichtung Partikel exakt an ihre Zielposition im Pulverbett befördert werden. Die Zuführeinrichtung kann auch so gestaltet werden, dass außer der Zielposition des Partikels auch die Orientierung des Partikels festgelegt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, eine optimierte Stapelung und Reihung der Partikel im Pulverbett zu erreichen. Werden mehrere Zuführeinrichtungen, insbesondere für Partikel verschiedener Gruppen, verwendet, so können die Partikel aus verschiedenen Gruppen auch in gezielter Reihenfolge und Anordnung im Pulverbett relativ zueinander positioniert werden.With a suitable design of this device, particles can be conveyed exactly to their target position in the powder bed by means of a feed device. The feed device can also be designed such that in addition to the target position of the particle, the orientation of the particle can also be determined. In this way it is possible to achieve an optimized stacking and ranking of the particles in the powder bed. If several feed devices, in particular for particles from different groups, are used, the particles from different groups can also be positioned relative to one another in a targeted sequence and arrangement in the powder bed.

Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Partikel durch Vibration oder unstetige Zufuhr kinetischer Energie entlang des Zuführkanals / der Zuführkanäle bewegt werden. Hierunter sollen alle denkbaren Formen der mechanischen Anregung verstanden werden, beispielsweise auch eine Anregung mittels Schall- oder Ultraschallwellen.In this case, it can be provided, for example, that the particles are moved along the feed channel (s) by vibration or inconsistent supply of kinetic energy. This is to be understood to mean all conceivable forms of mechanical excitation, for example also excitation by means of sound or ultrasound waves.

Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Partikel schichtweise, insbesondere jeweils in einer Schichtdicke von einem Partikel, auf den Pulverkuchen aufgebracht werden.It can also be provided that the particles are applied to the powder cake in layers, in particular in each case in a layer thickness of one particle.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Partikel, die zur Bildung des Körpers miteinander verbunden werden sollen, derart aus den zur Verfügung stehenden Partikeln oder Partikelgruppen ausgewählt werden, dass sie eine Eigenschaft, beispielsweise eine Beschichtung, aufweisen, die eine wirksame Verbindbarkeit mit den jeweils benachbarten Partikeln in dem Pulverkuchen ermöglicht, oder dass die zu verbindenden Partikel an ihrem Bestimmungsort im Pulverkuchen durch lokal gezielte Zugabe eines Stoffes, insbesondere eines Klebers, eines Binders, eines Aktivators oder eines Katalysators, verbunden oder für eine Verbindung vorbereitet werden. Durch diesen Schritt wird gezielt sichergestellt, dass die Partikel, die jeweils einen Teil des herzustellenden Körpers bilden sollen, so ausgewählt werden, dass sie zur Verbindung mit Nachbarpartikeln eingerichtet sind. Weitere benachbarte Partikel, die zwar im Pulverbett angeordnet werden, jedoch nicht zu dem eigentlichen herzustellenden Körper gehören, weisen diese Beschaffenheit nicht auf und können nach der Herstellung des Körpers ohne weiteren Aufwand entfernt werden.It can further be provided that the particles which are to be connected to one another to form the body are selected from the available particles or particle groups in such a way that they have a property, for example a coating, which has an effective connectivity with the respectively adjacent ones Particles in the powder cake allows, or that the particles to be connected are connected at their destination in the powder cake by locally targeted addition of a substance, in particular an adhesive, a binder, an activator or a catalyst, or prepared for a connection. This step specifically ensures that the particles, each of which is intended to form part of the body to be produced, are selected such that they are set up for connection to neighboring particles. Other neighboring particles, which are arranged in the powder bed but do not belong to the actual body to be produced, do not have this quality and can be removed without further effort after the body has been produced.

Letztlich bezieht sich die Erfindung außer auf ein Materialsystem und ein Verfahren zur Herstellung von Körpern auch auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines Körpers mittels eines Materialsystems der oben erläuterten Art mit einer, zwei oder mehr Zuführeinrichtungen für Partikel zu deren jeweiligem Bestimmungsort an einem Pulverkuchen mit jeweils einem Zuführkanal, entlang dessen die Partikel jeweils bis zu ihren Bestimmungsorten bewegbar sind.Ultimately, the invention relates not only to a material system and a method for producing bodies, but also to a device for producing a body by means of a material system of the type explained above with one, two or more feed devices for particles to their respective destination on a powder cake with one each Feed channel along which the particles can each be moved to their destinations.

Um eine Schicht mit einer hohen Dichte zu erzeugen, sollten die Partikel innerhalb dieser Schicht angeordnet werden können. Für eine solche Anordnung können Vibrationen genutzt werden. Dazu werden die Partikel innerhalb einer Vorrichtung zur Herstellung von Körpern auf eine leicht schiefe Ebene aufgebracht. Durch die Wirkung der Vibration laufen sie in Richtung der Schwerkraft. An der Kante des Baubehälters stauen sie sich dabei auf und verdichten. Für dieser Art der Verarbeitung eignen sich besonders zylindrische Partikel. Diese bilden aufgrund ihres zylindrischen Mantels besonders leicht dichte Packungen, da jeder Zwischenraum zwischen zwei Partikeln eine Potentialsenke darstellt, die die Partikel bei der Wirkung von Vibrationen bevorzugt einnehmen.In order to create a layer with a high density, the particles should be able to be arranged within this layer. Vibrations can be used for such an arrangement. For this purpose, the particles are applied to a slightly inclined plane within a device for producing bodies. Due to the effect of the vibration, they run in the direction of gravity. They build up on the edge of the building container and condense. Cylindrical particles are particularly suitable for this type of processing. Due to their cylindrical shell, these form particularly lightly dense packings, since each space between two particles represents a potential sink, which the particles prefer to assume when vibrations are effective.

Zylindrische wie quaderförmige Partikel können ebenso aber auch gezielt aus dem Kollektiv vereinzelt werden und an eine im Aufbau befindliche Schicht angelegt werden. Dazu kann beispielwiese eine Zuführeinrichtung mit einem Zuführkanal in Form einer Düse verwendet werden, die vereinzelte Partikel als Partikelstrang führt und diesen Strang an die bereits vorhandene Schicht anlegen kann. Um die Schicht dicht zu erzeugen, können wiederum Vibrationen eingesetzt werden.Cylindrical and cuboid particles can also be separated from the collective and applied to a layer under construction. For this purpose, for example, a feed device with a feed channel in the form of a nozzle can be used, which feeds individual particles as a strand of particles and can lay this strand on the already existing layer. Vibrations can in turn be used to produce the layer tightly.

Um die Aufbaugeschwindigkeit zu steigern, können mehrere solcher Düsen gleichzeitig verwendet werden. Je nach Partikelmaterial können dabei die Düsen für einen einzelnen Partikel nicht nebeneinander angeordnet werden, da der Aufbau einer Düse breiter als ein Partikel selbst ist. Einen Ausweg stellt es dar, zwei Düsenreihen übereinander in Richtung senkrecht zu den aufzubringenden Schichten anzuordnen und die Partikel auf einer Ebene zusammenlaufen zu lassen.To increase the assembly speed, several such nozzles can be used at the same time. Depending on the particle material, the nozzles for a single particle cannot be arranged next to one another, since the structure of a nozzle is wider than a particle itself. One way out is to arrange two rows of nozzles one above the other in the direction perpendicular to the layers to be applied and to let the particles converge on one plane.

Die Geschwindigkeit der jeweiligen Beschichtungsverfahren kann für die Gesamtaufbaurate des Schichtbauverfahrens hinderlich sein. Deshalb bietet es sich an, die Schicht nicht in der Vorrichtung für das Schichtbauverfahren, sondern außerhalb und separat zu erstellen und diese Schicht dann in den Baubehälter einzubringen. Dabei ist im Gegensatz zum Aufbauen in der Vorrichtung ein Transferschritt notwendig. Dieser Transferschritt macht es erforderlich, die lose Schicht vorübergehend zu binden. Dies kann beispielsweise über ein schaltbares Vakuum oder im Falle magnetischer Partikel über ein Magnetfeld erfolgen. Die Schicht kann dann auf eine Platte übertragen werden, die ihrerseits die Schicht in die Anlage befördert und hier wieder freigibt.The speed of the respective coating process can be a hindrance to the overall build rate of the layer construction process. It is therefore advisable not to create the layer in the device for the layer construction process, but outside and separately, and then to introduce this layer into the building container. In contrast to the construction in the device, a transfer step is necessary. This transfer step makes it necessary to temporarily bind the loose layer. This can be done, for example, using a switchable vacuum or, in the case of magnetic particles, using a magnetic field. The layer can then be transferred to a plate, which in turn transports the layer into the system and releases it again.

Ebenso kann die vorübergehende Verbindung auf einem temporären Binder beruhen. Dieser Binder wird dann nach Abschluss des gesamten Bauprozesses aus dem Pulverkuchen entfernt und so das eigentliche Bauteil freigegeben. Zum Entfernen können Löseprozesse, das Schmelzen, Verdampfung oder Sublimation verwendet werden. Das Mittel muss so gewählt werden, dass der eigentliche Baukörper keinen Schaden nimmt.The temporary connection can also be based on a temporary binder. This binder is then removed from the powder cake after the entire construction process has been completed, thus releasing the actual component. Solving processes, melting, evaporation or sublimation can be used for removal. The means must be chosen so that the actual structure is not damaged.

Die auf die oben beschriebenen Weisen erzeugten Schichten sind durch eine hohe Dichte in der Ebene einer Schicht charakterisiert. Durch den Sortierprozess und kleinste Ungleichheiten der Partikel kann es dazu kommen, dass die Oberfläche einer Schicht nicht perfekt plan vorliegt. Dies führt im weiteren Bauprozess zu einer in Höhenrichtung nicht perfekten Packung und Dichte. Ebenso kann dies zu Packungsfehlern innerhalb einer Schicht führen. Deshalb kann es sinnvoll sein, eine neue Schicht, ob online erzeugt oder aufgelegt, in der Vorrichtung oder schon vorher außerhalb zu kalibrieren. Dies kann beispielsweise durch Drücken mit einer geraden Platte oder Walzen erfolgen. Sind die Partikel ausreichend fest zueinander gebunden, kann auch Schleifen eine Möglichkeit sein. So kann die Oberfläche nivelliert werden, und die nächsten Partikel können sicher und mit einer hohen Dichte aufgelegt werden.The layers produced in the manner described above are characterized by a high density in the plane of a layer. The sorting process and the smallest inequalities of the particles can mean that the surface of a layer is not perfectly flat. In the further construction process, this leads to an imperfect packing and density in the vertical direction. This can also lead to packaging errors within a shift. It can therefore make sense to calibrate a new layer, whether created or placed online, in the device or beforehand outside. This can be done, for example, by pressing with a straight plate or rollers. If the particles are sufficiently firmly bonded to one another, grinding can also be an option. In this way, the surface can be leveled and the next particles can be placed safely and with a high density.

Die Verwendung von zylinderförmigen Partikeln ermöglicht es direkt, analog zu den Verfahren des Standes der Technik, die Partikel über Aufdrucken eines Binders oder mit einem Energiestrahl zu verfestigen. Dies wird ermöglicht, da in einer Lage zwischen den Partikeln eine prismatische Fehlstelle offen bleibt, durch die die Flüssigkeit des Binders oder Strahlung dringen kann. So können die einzelnen Partikel nicht nur miteinander, sondern auch die Schichten untereinander selektiv verfestigt werden.The use of cylindrical particles makes it possible, directly in analogy to the methods of the prior art, to solidify the particles by printing on a binder or using an energy beam. This is made possible because a prismatic defect remains open in a layer between the particles, through which the liquid of the binder or radiation can penetrate. The individual particles can not only be selectively solidified with one another, but also with one another.

Um beispielsweise die Flüssigkeit des Binders in der jeweils unteren Schicht zu verteilen, kann es sinnvoll sein, dass die Partikel an ihrer Oberfläche eine Struktur aufweisen. Die Struktur kann Kanäle darstellen, in die die Flüssigkeit des Binders durch Kapillarkräfte gesogen wird. Ebenso können solche Kanäle Strahlung zu Punkten, die nicht direkt in der Eindringrichtung der Strahlungsquelle liegen, gewissermaßen leiten.For example, in order to distribute the liquid of the binder in the respective lower layer, it can be useful for the particles to have a structure on their surface. The structure can be channels into which the liquid of the binder is drawn by capillary forces. Likewise, such channels can point to radiation that are not directly in the Direction of penetration of the radiation source lie, to a certain extent direct.

Schwieriger als zylindrische Partikel sind quaderförmige oder kubische Partikel zu einer dichten Schicht anzuordnen. Wird eine Vorrichtung mit Vibrationswirkung verwendet, so kann die zusätzliche Kraftwirkung in Richtung einer Ecke eines in der Schicht bereits angeordneten Kubus zeigen. Da zusätzlich zur räumlichen Positionierung der Partikel auch gedreht werden muss, sind der Energiebedarf und die Fehleranfälligkeit insgesamt höher.Cuboid or cubic particles are more difficult to arrange as a dense layer than cylindrical particles. If a device with a vibration effect is used, the additional force effect can point in the direction of a corner of a cube already arranged in the layer. Since, in addition to the spatial positioning of the particles, it also has to be rotated, the energy requirement and the susceptibility to errors are higher overall.

Bei kubischen Systemen ist der Wirkzugang zu unteren Partikelschichten für Binder oder Strahlung theoretisch bei perfekter Packung komplett blockiert. Somit kann ein Energieeintrag nur oberflächlich Partikel in der Schicht beeinflussen oder muss die Partikelschicht durchdringen. Deshalb ist es denkbar, bei der Formung der Partikel neben der globalen geometrischen Gestalt weitere geometrische Merkmale zu realisieren. Dies können Nuten sein, die ähnlich zum System mit zylinderförmigen Partikeln einen Energieeintrag oder eine Substanz zu jeweils schon verdeckten Schichten leiten. Ebenso können aber auch Bohrungen durch die Partikel führen. Solche Strukturen können quasi symmetrisch auf jeder Oberfläche eines Quaders angebracht sein. Ebenso ist es aber möglich, Partikel zu erzeugen, deren besondere Merkmale orientiert sind. Solche Partikel müssen bei der Erzeugung der Schicht wieder richtig orientiert werden, um funktionsgemäß in der Schicht zu wirken.With cubic systems, the effective access to the lower particle layers for binder or radiation is theoretically completely blocked with perfect packing. Thus, an energy input can only superficially influence particles in the layer or must penetrate the particle layer. It is therefore conceivable to realize other geometric features in addition to the global geometric shape when shaping the particles. These can be grooves which, similar to the system with cylindrical particles, direct an energy input or a substance to layers that are already hidden. However, holes can also pass through the particles. Such structures can be applied in a quasi-symmetrical manner on any surface of a cuboid. However, it is also possible to produce particles whose special characteristics are oriented. Such particles have to be correctly oriented again when the layer is created in order to function properly in the layer.

Derartige Kanäle können bei der Herstellung des Partikels über verschiedene Verfahren eingebracht werden. Sie können beispielweise beim Stanzen über ein entsprechend geformtes Werkzeug erzeugt werden. Ebenso ist es möglich, für einen Stanzprozess eine Platine oder ein Blech mit einer besonderen Oberflächentextur, die Kanäle oder Wirkstrukturen enthält, zu verwenden. Diese Struktur kann geprägt werden, mit einem Ätzverfahren erzeugt werden oder auch mit einer Laserstrukturierung aufgebracht werden.Such channels can be introduced in the manufacture of the particle using various methods. They can be created, for example, when punching using a suitably shaped tool. It is also possible to use a blank or sheet with a special surface texture that contains channels or knitted structures for a stamping process. This structure can be embossed, can be produced with an etching process or can also be applied with a laser structuring.

Mit entsprechender Technik und ausreichendem Durchlauf können die Partikel auch einzeln bearbeitet werden. Bohrungen durch die gesamte Struktur sind so beispielsweise durch einen Laser im Millisekundentakt erzeugbar.With the appropriate technology and sufficient throughput, the particles can also be processed individually. For example, holes can be drilled through the entire structure by a laser every millisecond.

Durch die Strukturierung können ebenso Merkmale eingebracht werden, die nicht der Verbindung der Partikel dienen. Ein Beispiel können wieder die Bohrungen durch die einzelnen Partikel sein. Sie können zum Beispiel Gase durch den erzeugten Körper entweichen lassen. Eine solche Eigenschaft ist von Vorteil, wenn die Bauteile als Gießkerne in einem Gussverfahren zum Einsatz kommen.The structuring can also introduce features that do not serve to connect the particles. Another example can be the drilling through the individual particles. For example, you can let gases escape through the generated body. Such a property is advantageous if the components are used as casting cores in a casting process.

Ebenso können Bohrungen während des Bauprozesses eingebracht werden. Diese können genutzt werden, um eine Wirkung, wie etwa eine Gasleitung, zu ermöglichen. Dazu kann beispielweise mit einem Laser eine bereits aufgebrachte Schicht selektiv mit Bohrungen versehen werden.Holes can also be drilled during the construction process. These can be used to enable an effect, such as a gas pipe. For this purpose, an already applied layer can, for example, be selectively provided with bores using a laser.

Werden orientierte Partikel in einer Schicht verwendet, ist es möglich, durch unterschiedliche Partikel und asymmetrische Bohrungen ein System zu erhalten, das es ermöglicht, nicht nur die gerade bedeckte Schicht, sondern, je nach Ausführung, auch Schichten darunter mit einer Wirkung, beispielsweise einem Energieeintrag oder einer Substanz, gezielt zu erreichen. Ein solcher Aufbau ermöglicht es beispielweise, mehrere Schichten übereinander vorzubereiten und in einem gemeinsamen Schritt selektiv zu verfestigen.If oriented particles are used in a layer, it is possible to obtain a system using different particles and asymmetrical holes, which not only allows the layer just covered, but also, depending on the version, layers below with an effect, for example an energy input or a substance to achieve specifically. Such a structure makes it possible, for example, to prepare several layers one above the other and to selectively solidify them in a common step.

Es kann auch vorgesehen sein, speziell geformte Partikel zu nutzen, deren Oberfläche oder oberflächennahe Bereiche eine gegenüber dem Rest des Partikels andere Zusammensetzung oder Beschichtung aufweisen.Provision can also be made to use specially shaped particles whose surface or regions close to the surface have a different composition or coating than the rest of the particle.

Eine solche Beschichtung kann zum einen die Oberfläche modifizieren und beispielweise für Flüssigkeiten benetzbar machen. Dies kann durch das Aufbringen von hydrophilen oder hydrophoben Substanzen gezielt gesteuert werden. Ebenso kann die Oberflächenbehandlung allein durch ihre geometrische Textur das System beeinflussen.On the one hand, such a coating can modify the surface and make it wettable, for example, for liquids. This can be controlled in a targeted manner by applying hydrophilic or hydrophobic substances. Likewise, the surface treatment can influence the system solely through its geometric texture.

Ebenso kann die Oberfläche mit weiteren funktionalen Materialien behandelt werden. Im Falle von chemischen Bindern könnten Katalysatoren für eine Verfestigungsreaktion auf der Oberfläche deponiert werden. Für energiestrahlenbasierte Verfahren könnte beispielsweise ein Lot auf die Oberfläche aufgebracht werden.The surface can also be treated with other functional materials. In the case of chemical binders, catalysts for a solidification reaction could be deposited on the surface. For example, a solder could be applied to the surface for energy radiation-based processes.

Wird eine Schichterzeugungsmethode verwendet, die Partikel vereinzelt und so die Schicht - auch hoch parallelisiert - zusammenstellt, können gezielt unterschiedliche Partikel verwendet werden. Dies kann schichtweise erfolgen. So kann z. B. jede zweite Schicht in einem metallischen System ein zum ersten Metall andersartiges Metall sein. Ebenso ist es bei einer solchen Anordnung aber auch möglich, die Partikel vollkommen individuell zu sortieren.If a layer generation method is used that separates particles and thus assembles the layer - even in a highly parallelized manner - different particles can be used in a targeted manner. This can be done in layers. So z. B. every second layer in a metallic system is a different metal to the first metal. However, it is also possible with such an arrangement to sort the particles completely individually.

Eine solche Anordnung mit speziell geformten Partikeln eröffnet die Möglichkeit, den gewünschten Baukörper aus den gewünschten Materialien zusammenzusetzen. Damit wird die bei Verfahren des Standes der Technik üblich selektive Verfestigung überflüssig. Die Selektivität findet im Aufbauprozess der Schicht statt. Der so erzeugte Pulverkuchen kann beispielsweise komplett nach dem Aufbauprozess gesintert werden.Such an arrangement with specially shaped particles opens up the possibility of assembling the desired structure from the desired materials. This eliminates the need for selective consolidation, which is customary in prior art processes. The selectivity takes place in the process of building the layer. The powder cake produced in this way can, for example, be completely sintered after the build-up process.

Eine solche Anordnung hat neben dem Wegfall von geometrisch arbeitenden Wirkeinheiten, wie Druckköpfen und Lasern, den Vorteil, dass alle Schichten parallel aufgebaut werden können und erst in einem Folgeschritt verbunden werden. Dies ermöglicht es, den Prozess gegenüber allen bekannten Verfahren schneller durchführen zu können und somit die Leistungsfähigkeit der Schichtbauverfahren massiv zu steigern. In addition to the elimination of geometrically active units such as printheads and lasers, such an arrangement has the advantage that all layers can be built up in parallel and are only connected in a subsequent step. This makes it possible to carry out the process faster than all known processes and thus to massively increase the performance of the layer construction processes.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren einer Zeichnung in Ausführungsbeispielen gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigen

  • 1a-c eine schematische Abbildung eines pulverbettbasierten 3D-Druckprozesses nach dem Stand der Technik,
  • 2a+b ein Schema einer realitätsnahen Schüttung aus natürlichem Partikelmaterial als zweidimensionale Projektion,
  • 3a+b eine Darstellung beispielhafter Packungen,
  • 4a+b eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Packung aus Partikeln mit gezielter, determinierter Formgebung,
  • 5a+b ein Schema einer Packung aus gleichförmigen Zylindern als Kompromiss zwischen Fertigungstechnik und Druckverfahren,
  • 6a-d erfindungsgemäße geometrische Modifikationen an Partikeln mit gezielter Formgebung,
  • 7a+b eine Modifikation an Partikeln mit gezielter Formgebung durch Werkstoffbeeinflussung in oberflächennahen Bereichen,
  • 8 ein Beschichtungsverfahren mit Vibrationen zur Herstellung der dichten Packung,
  • 9 ein Beschichtungsverfahren mit speziell ausgebildeter Düse zur Erzeugung der Packung,
  • 10 eine dreidimensionale Ausprägung des Beschichtungsverfahrens mit speziell ausgebildeten Düsen,
  • 11 eine Abbildung eines Partikels mit spezieller Formgebung mit Kanälen zur Verbindung der Partikel und Kanälen zur Leitung von Gasen beim späteren Einsatz als Formwerkstoff für Gießverfahren,
  • 12 eine beispielhafte Darstellung von Partikeln mit einer Kodierung unterschiedlicher Lagen,
  • 13a+b ein Schema eines Pulverkuchens mit zwei verschiedenen Partikelsorten und
  • 14a-c verschiedene Partikel in prismatischen Formen.
In the following, the invention is shown with reference to figures of a drawing in exemplary embodiments and explained below. Show
  • 1a-c 1 shows a schematic illustration of a powder bed-based 3D printing process according to the prior art,
  • 2a + b a schematic of a realistic bed made of natural particle material as a two-dimensional projection,
  • 3a + b an illustration of exemplary packs,
  • 4a + b a representation of a packing according to the invention made of particles with targeted, determined shaping,
  • 5a + b a diagram of a pack of uniform cylinders as a compromise between manufacturing technology and printing process,
  • 6a-d Geometric modifications according to the invention on particles with targeted shaping,
  • 7a + b a modification of particles with targeted shaping by influencing the material in areas near the surface,
  • 8th a coating process with vibrations to produce the tight packing,
  • 9 a coating process with a specially designed nozzle for producing the pack,
  • 10 a three-dimensional version of the coating process with specially designed nozzles,
  • 11 an image of a particle with a special shape with channels for connecting the particles and channels for guiding gases when later used as a molding material for casting processes,
  • 12 an exemplary representation of particles with a coding of different layers,
  • 13a + b a scheme of a powder cake with two different types of particles and
  • 14a-c different particles in prismatic shapes.

Beispielhafte Ausführungsformen der ErfindungExemplary embodiments of the invention

Beispiel 1: Binderjetting-Verfahren mit zylindrischen StanzbutzenExample 1: Binder jetting process with cylindrical punch slugs

Ein Bauteil soll gießtechnisch nach dem Verfahren mit verlorener Form hergestellt werden. Dafür wird eine Form aus verbundenem Partikelmaterial (2) benötigt, die Innen- und Außenkonturen des Gussbauteils definiert und nach dem Gießprozess entfernt werden kann. Nach Entfernen der Gussform bleibt dann das gewünschte Gussbauteil übrig. Die Form soll nach 1a-c mit einem additiven Fertigungsverfahren, dem sogenannten Binderjetting-Verfahren, hergestellt werden. Dieses basiert auf einem schichtweisen Aufbau (1, 107) eines Formgrundstoffs aus Partikelmaterial (1, 105), welcher über Einsatz eines Bindersystems (1, 106) in definierten Bereichen (1, 108) miteinander verbunden wird. Durch Wiederholen dieses Vorgangs ist es möglich, dreidimensionale Bauteile zu produzieren.A component is to be cast using the lost-shape process. For this, a mold made of connected particle material ( 2 ), which defines the inner and outer contours of the cast component and can be removed after the casting process. After removing the mold, the desired cast component remains. The shape should follow 1a-c with an additive manufacturing process, the so-called binder jetting process. This is based on a layered structure ( 1 . 107 ) a base material made of particle material ( 1 . 105 ), which is achieved by using a binder system ( 1 . 106 ) in defined areas ( 1 . 108 ) is connected to each other. By repeating this process, it is possible to produce three-dimensional components.

Im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels sollen als Formgrundstoff (1, 105) Partikel in Form sogenannter Stanzbutzen (5, 500) verwendet werden. Diese entstehen durch einen Stanzprozess, wie er beispielsweise beim Lochen von Blechen industriell Anwendung findet. Die Stanzbutzen ( 5, 500) weisen bedingt durch Schneidstempel und Matrizengeometrie gleichbleibende Abmessungen und Rundheiten auf. Im Vergleich zur Verwendung von natürlich gebrochenem Formgrundstoff in Partikelform, wie beispielsweise Quarzsand (2, 200) kann über gezielt in determinierter Form erzeugten Formgrundstoff (2, 203) eine erhöhte und vor allem vorhersagbare und definierte Packungsdichte (2, 204) realisiert werden. Die praktische Umsetzung zum Einbringen des künstlich hergestellten Formgrundstoffs (2, 203) kann beispielsweise über eine leicht gekippte Bauplattform oder einen im Gesamten verkippten Drucker gezielt erzeugt werden (8).Within the scope of this exemplary embodiment, 1 . 105 ) Particles in the form of so-called punch slugs ( 5 . 500 ) be used. These are created by a stamping process, such as is used industrially when punching sheet metal. The punch slugs ( 5 . 500 ) have constant dimensions and roundness due to the cutting punch and die geometry. Compared to the use of naturally broken mold raw material in particle form, such as quartz sand ( 2 . 200 ) can be produced in a targeted manner in a specific form ( 2 . 203 ) an increased and above all predictable and defined packing density ( 2 . 204 ) will be realized. The practical implementation for introducing the artificially produced raw material ( 2 . 203 ) can, for example, be created using a slightly tilted construction platform or a printer that is tilted as a whole ( 8th ).

Die Stanzbutzen (5, 500) gleicher Größe und Form, die aus einem Metall, einem Kunststoff, einer Keramik oder einem anderen Material bestehen können, werden über Vibration (8, 801) in die energetisch günstigste Anordnung gebracht. Auf dem Rand stehende Partikel werden somit zum Kippen gebracht und bleiben in der energetisch günstigsten Anordnung auf ihrer größten Fläche liegen, welche durch den Durchmesser der Butzen definiert ist (8, 800). Die in einer Linie angeordneten und durch Vibration (8, 801) sortierten Partikel (8, 800) werden über eine Kante auf dem Baufeld dergestalt abgelegt, dass eine Fläche mit dichtestmöglicher und definierter Packungsdichte und Lage entsteht. Diese Eigenschaft kann über gezieltes Ablegen aller weiteren Schichten auch in Richtung senkrecht zu den Schichten erreicht werden (5, 402). Mittels einer visuellen Kontrolle können ungewünschte Geometrieabweichungen und Sortierfehler der Butzen automatisiert erkannt und örtlich zugeordnet detektiert werden (10).The punch slugs ( 5 . 500 ) of the same size and shape, which can consist of a metal, a plastic, a ceramic or another material, are vibrated ( 8th . 801 ) placed in the most energetically favorable arrangement. Particles standing on the edge are thus tilted and remain in their most energetically advantageous arrangement on their largest surface, which is defined by the diameter of the slugs ( 8th . 800 ). The arranged in a line and by vibration ( 8th . 801 ) sorted particles ( 8th . 800 ) are placed over an edge on the construction field in such a way that a surface with the densest possible and defined packing density and position is created. This property can be achieved by deliberately storing all others Layers can also be reached in the direction perpendicular to the layers ( 5 . 402 ). Using a visual check, unwanted geometry deviations and sorting errors of the slugs can be automatically recognized and assigned to local locations ( 10 ).

Durch die genau definierten Oberflächen und Geometrieabmessungen des künstlich erzeugten und gezielt angeordneten Partikelmaterials (2, 500) kann jedes nicht plan aufliegende oder verkippte Partikel (10, 1004) einzeln erkannt werden. Über Einsatz einer Rakel können leicht verkippte oder nicht in der richtigen Position liegende Partikel weggeschoben werden.Due to the precisely defined surfaces and geometrical dimensions of the artificially created and specifically arranged particle material ( 2 . 500 ) any particle not lying flat or tilted ( 10 . 1004 ) can be recognized individually. Using a squeegee, slightly tilted particles or particles that are not in the correct position can be pushed away.

Eine Besonderheit bei Einsatz der gezielt hergestellten und geometrisch definierten Stanzbutzen (5, 500) als Formgrundstoff ist die definierte Dichte über das gesamte Baufeld. Die Dichte und Position einzelner Partikel können vor Ausführung des Prozesses bereits vorhergesagt und mit entsprechenden erwarteten Eigenschaften des hergestellten Körpers verknüpft werden.A special feature when using the specifically manufactured and geometrically defined punching slugs ( 5 . 500 ) The basic density is the defined density over the entire construction field. The density and position of individual particles can be predicted before the process is carried out and linked to the expected properties of the manufactured body.

Während bei Einsatz von natürlich gebrochenen Formgrundstoffen (2, 200) eine Setzung des Pulverkuchens durch Nachverdichtung sowie typische anisotrope Eigenschaften im Pulverkuchen vorhanden sind, können diese Effekte bei Einsatz des geometrisch definierten Formgrundstoffs (5, 500) verhindert werden. Weiter ist die Prozessierung aufgrund der immer gleichen Partikel extrem stabil.While using naturally broken mold raw materials ( 2 . 200 ) If the powder cake is settled by post-compression and there are typical anisotropic properties in the powder cake, these effects can be achieved when using the geometrically defined basic molding material ( 5 . 500 ) be prevented. Furthermore, the processing is extremely stable due to the always the same particles.

Jede Schicht aus nebeneinander und bezüglich Orientierung und Position definiert angeordneten Stanzbutzen (5, 500) wird über einen Druckprozess (1) mit einem Einkomponenten-Wasserglasbinder (1, 106) benetzt. Das Einbringen des Binders kann über den Volumenstrom beim Druckprozess massenmäßig eingestellt werden. Weiter kann die Benetzung über Positionierung der Druckdüsen örtlich gesteuert werden, um eine gewünschte Benetzung sicherzustellen. Über eine Infrarotlampe, die das Baufeld überstreicht, wird in einem weiteren Prozessschritt der Wasserglasbinder durch Wasserentzug ausgehärtet, und die Metallpartikel werden miteinander verbunden. Nach Absenken der Bauplattform (1, 102) kann eine weitere Schicht (1, 101) Stanzbutzen (5, 500) aufgebracht werden, welche unabhängig von der bereits existierenden Schicht (1, 108) positioniert und auch unabhängig davon mit Wasserglasbinder benetzt werden kann. So ist es durch stetiges Wiederholen möglich, dreidimensionale Bauteile mit jeweils einzigartiger Partikelstruktur und Benetzungsanordnung pro Bauteilschicht herzustellen. Wie bereits beschrieben, wird der gesamte Prozess zur Qualitätskontrolle optisch überwacht, und detektierte Fehler werden sofort eliminiert. Somit ist die Schichtstärke immer wie gewünscht eingeregelt, und die gedruckte Metallform ist für weitere Prozessschritte in jeder Schicht dokumentiert. Dies kann beispielsweise für die virtuelle Vorhersage von Eigenschaften auch in nachgelagerten Prozessen, wie dem Entkernen nach einem Gießprozess, von Bedeutung sein.Each layer of punched slugs arranged next to each other and defined in terms of orientation and position ( 5 . 500 ) is via a printing process ( 1 ) with a one-component water glass binder ( 1 . 106 ) wetted. The introduction of the binder can be adjusted in terms of volume via the volume flow during the printing process. Furthermore, the wetting can be controlled locally by positioning the pressure nozzles to ensure a desired wetting. In a further process step, the water glass binder is cured by water removal using an infrared lamp that sweeps over the construction area, and the metal particles are bonded to one another. After lowering the build platform ( 1 . 102 ) another layer ( 1 . 101 ) Punching slugs ( 5 . 500 ) which are independent of the existing layer ( 1 . 108 ) positioned and can also be wetted independently with water glass binder. Through constant repetition, it is possible to produce three-dimensional components with a unique particle structure and wetting arrangement for each component layer. As already described, the entire quality control process is monitored optically, and detected errors are eliminated immediately. This means that the layer thickness is always adjusted as required, and the printed metal form is documented for further process steps in each layer. This can be important, for example, for the virtual prediction of properties in downstream processes, such as coring after a casting process.

Ist das dreidimensionale Bauteil fertig gedruckt, wird der Kern entweder manuell oder in einem automatisierten Prozess aus dem Pulverbett entpackt, und die nicht mit Wasserglas aneinandergebundenen Stanzbutzen werden abgeschüttelt. Durch die definierte Geometrie des Formgrundstoffs (5, 500) und die sichere Prozessführung kommt es nicht zum Aneinanderhaken und Verkeilen einzelner Partikel, und Anhaftungen können vermieden werden. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Prozess mit natürlich gebrochenen Formgrundstoffen (2, 200) dar, in welchem der Prozess des Auspackens und des Lösens der Anhaftungen an den Formen eine Herausforderung für die geforderte technische Sauberkeit der Formen darstellt. Nicht korrekt angebundene Partikel würden sich beim Gießprozess lösen und können im Gussbauteil eingeschlossen werden. Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften und Oberflächenfehler können die Folge sein.Once the three-dimensional component has been printed, the core is unpacked from the powder bed either manually or in an automated process, and the punching slugs that are not bound together with water glass are shaken off. Due to the defined geometry of the base material ( 5 . 500 ) and the safe process control there is no hooking and wedging of individual particles, and buildup can be avoided. This represents a decisive advantage over the conventional process with naturally broken mold raw materials ( 2 . 200 ), in which the process of unpacking and releasing the buildup on the molds poses a challenge for the required technical cleanliness of the molds. Particles that are not correctly attached would loosen during the casting process and can be trapped in the cast component. This can have an impact on the mechanical properties and surface defects.

Die anorganisch gebundenen Formen werden durch einen Nachhärteprozess im Ofen vor der Verwendung in einem Gießprozess auf gewünschte Festigkeiten eingestellt und können dann nach dem Stand der Technik abgegossen werden. Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Methode sind die verbesserte Maßhaltigkeit und die gute Vorhersagbarkeit von Anisotropie- und Oberflächeneigenschaften. Die Oberflächeneigenschaften können in allen Dimensionen prozessbedingt kontrolliert werden, und die Anisotropie tritt, sofern beabsichtigt, nur noch in Richtung des Schichtaufbaus auf. Da die Anisotropie durch die definierte Geometrie und Benetzung der Partikel aber vorhersagbar ist, kann diese prozessbedingt berücksichtigt werden. Als Folge sind im Vergleich zum Stand der Technik, wie bereits beschrieben, verbesserte Maßhaltigkeiten und Oberflächengüten bei gleichzeitiger Steigerung der Prozessstabilität möglich.The inorganically bonded molds are set to the desired strengths by a post-curing process in the furnace before being used in a casting process and can then be poured off according to the prior art. Particular advantages of the method according to the invention are the improved dimensional stability and the good predictability of anisotropy and surface properties. The surface properties can be controlled in all dimensions depending on the process, and the anisotropy, if intended, only occurs in the direction of the layer structure. Since the anisotropy is predictable due to the defined geometry and wetting of the particles, this can be taken into account due to the process. As a result, compared to the prior art, as already described, improved dimensional stability and surface quality are possible while increasing the process stability.

Anstelle von zylindrischen Stanzbutzen können beispielsweise auch längere zylindrische Prismen 1401 (14a), Dreiecksprismen 1402 (14b) oder Prismen mit quadratischem Querschnitt 1403 (14c) verwendet werden.Instead of cylindrical punch slugs, longer cylindrical prisms can also be used, for example 1401 ( 14a) , Triangular prisms 1402 ( 14b) or prisms with a square cross section 1403 ( 14c ) be used.

Nicht gebundenes Material kann leicht recycelt werden. Über eine Kontrollsiebung werden die sofort wiederverwendbaren Stanzbutzen (5, 500) einem Vorratsbehälter zugeführt und stehen für einen weiteren Druck wieder zur Verfügung. Die gebundenen Partikel können nach dem Guss mechanisch getrennt und von Binderresten befreit werden. Durch den höheren Schmelzpunkt der Partikel gegenüber dem vergossenen Leichtmetall sind die Partikel nicht beschädigt, weiterhin maßhaltig und können wiederverwendet werden. Das Entfernen des spröden Wasserglases (1, 106) von den einzelnen Partikeln kann beispielsweise über mechanische Krafteinwirkung über eine Prallplatte bewerkstelligt werden, so dass das Wasserglas von den Partikeln abplatzt und anschließend über Wind-Sichten getrennt werden kann.Unbound material can be easily recycled. The immediately reusable punching slugs ( 5 . 500 ) fed to a storage container and are available for another print. After casting, the bound particles can be mechanically separated and binder residues can be removed. Due to the higher melting point of the particles compared to the cast light metal, the particles are not damaged, continue to be true to size and can be reused. Removing the brittle water glass ( 1 . 106 ) of the individual particles can be accomplished, for example, by the action of a mechanical force via a baffle plate, so that the water glass flakes off the particles and can then be separated using wind views.

Beispiel 2: Lasersintern auf kubische PackungExample 2: Laser sintering on cubic packing

Zur Herstellung eines Funktionsbauteils mit erhöhten Anforderungen bezüglich Maßhaltigkeit und Festigkeitseigenschaften werden kubische Partikel (4, 400) mittels eines Lasersinterprozesses miteinander verbunden. Die zunächst stochastisch orientierten kubischen Einzelpartikel (4, 400) werden über Vibration (8, 801) auf einer Rüttelplatte energetisch angeregt und kommen in der energetisch günstigsten Anordnung zum Liegen. Die eingebrachte Energie der Rüttelplatte reicht nicht aus, um die Partikel erneut aus dieser energetisch günstigen Position herauszuhebeln. Über Verkippen der Rüttelplatte in zwei Dimensionen können die Partikel nebeneinanderliegend positioniert werden (8, 802) oder über eine Rüttelrinne, die einen Zuführkanal definiert, positionsgenau auf einer Bauplattform abgelegt werden (8, 800). Durch konsequente Anwendung dieses Prinzips ist die Bildung einer geschlossenen Partikelschicht auf der Bauplattform mit aneinandergereihten kubischen Partikeln möglich (4b). Es entsteht eine hochdichte Schichtpackung. Durch positionsgenauen Energieeintrag mittels eines Laserstrahls werden im Anschluss innerhalb des so gebildeten Pulverbetts im Volumen des herzustellenden Körpers einzelne Partikel gezielt durch Verschmelzen der Kontaktflächen zwischen jeweils zwei Partikeln miteinander verbunden. Bestimmte Kontaktbereiche oder Grenzflächen 700, 701 (7) von Partikeln 400 können beschichtet oder aufgeraut sein, um ein Sintern, Verkleben oder Verlöten durch lokale Lasereinwirkung zu erleichtern oder überhaupt erst zu ermöglichen.To produce a functional component with increased requirements regarding dimensional accuracy and strength properties, cubic particles ( 4 . 400 ) connected to each other by means of a laser sintering process. The initially stochastically oriented cubic individual particles ( 4 . 400 ) are over vibration ( 8th . 801 ) energized on a vibrating plate and come to rest in the most energetically favorable arrangement. The energy introduced by the vibrating plate is not sufficient to pry the particles out of this energetically favorable position again. By tilting the vibrating plate in two dimensions, the particles can be positioned side by side ( 8th . 802 ) or placed precisely on a construction platform using a vibrating trough that defines a feed channel ( 8th . 800 ). Consistent application of this principle enables the formation of a closed particle layer on the construction platform with cubic particles lined up ( 4b) , A high-density layer packing is created. As a result of positionally accurate energy input by means of a laser beam, individual particles are then specifically connected to one another within the powder bed formed in the volume of the body to be produced by fusing the contact surfaces between two particles. Certain contact areas or interfaces 700 . 701 ( 7 ) of particles 400 can be coated or roughened to facilitate sintering, gluing or soldering by local laser exposure or to make it possible in the first place.

Dieser Prozess wird durch Einsatz speziell präparierter Partikel mit Nuten oder Führungskanälen zur Durchleitung des Laserstrahls weiter verbessert ( 6b, 6c, 6d). So wird durch intelligente Positionierung und Aneinanderreihung von Führungskanälen und Nuten der Laserstrahl gezielt geführt und durchgeleitet. Auch ein Energieeintrag zu gewünschten konventionell nicht zugänglichen Verbindungspunkten, die durch die aneinandergereihten Partikel selbst verdeckt werden, ist somit möglich. Bei Bedarf bringt der Laser nach Verbinden der Einzelpartikel in einer Ebene weitere geometrische Merkmale in eine Bauteilschicht ein. So können über diesen Prozess beispielsweise Kühlkanäle durch Einlasern von Nuten erzeugt werden (6b).This process is further improved by using specially prepared particles with grooves or guide channels for the passage of the laser beam ( 6b . 6c . 6d ). The intelligent positioning and lining up of guide channels and grooves enables the laser beam to be guided and guided in a targeted manner. It is therefore also possible to introduce energy to desired conventionally inaccessible connection points that are concealed by the particles lined up in a row. If required, the laser introduces further geometric features into a component layer after the individual particles have been connected in one plane. For example, cooling channels can be created by laser-cutting grooves using this process ( 6b) ,

Durch konsequente Anwendung des Schichtaufbaus werden dreidimensionale Bauteile mit nahezu 100%iger Packungsdichte hergestellt. Diese weisen aufgrund der hohen Packungsdichte Festigkeiten auf, die mit herkömmlichen 3D-Druckmethoden mit zufällig geformten Grundkörpern nur unter Inkaufnahme von Eigenspannungen und Verzug erreichbar sind. Ein weiterer durch die erhöhte Packungsdichte hervorgerufener Effekt ist die verbesserte Wärmeleitfähigkeit, die wiederum die mögliche Leistungsdichte für den Einsatz in Funktionsbauteilen, beispielsweise für die Gießereitechnik, erhöht.By consistently using the layer structure, three-dimensional components with almost 100% packing density are produced. Due to the high packing density, these have strengths that can only be achieved with conventional 3D printing methods with randomly shaped base bodies while accepting residual stresses and distortion. Another effect caused by the increased packing density is the improved thermal conductivity, which in turn increases the possible power density for use in functional components, for example for foundry technology.

Nach Fertigstellung des 3D-Bauteils wird dieses entpackt, und nicht gebundene Partikel werden nach dem Entfernen des Bauteils von der Bauplattform einem Sammelbehälter zugeführt. Dadurch, dass nicht gebundene Partikel während des Druckprozesses weder eine Temperaturbelastung noch eine chemische Modifikation erfahren haben, sind diese ohne Recyclingaufwand sofort wieder einsetzbar. Das Bauteil ist ohne Putzaufwand sofort einsatzbereit und kann direkt für eventuelle Nachfolgeoperationen verwendet werden. So sind eingedruckte Gewindegänge in Bohrungen aufgrund der erzielbaren kleinen Toleranzbänder beispielsweise ohne mechanische Nacharbeit sofort verwendbar.After completion of the 3D component, it is unpacked, and unbound particles are fed to a collecting container after the component has been removed from the construction platform. The fact that unbound particles have not undergone any thermal stress or chemical modification during the printing process means that they can be used again without any recycling effort. The component is immediately ready for use without any cleaning effort and can be used directly for any subsequent operations. For example, due to the small tolerance bands that can be achieved, threads that are imprinted in bores can be used immediately without mechanical rework.

Beispiel 3: Sortiertes Partikelkontinuum mit BlocksinterungExample 3: Sorted particle continuum with block sintering

Für den Einsatz in der Gießereitechnik wird eine verlorene Form benötigt. Diese wird unter Verwendung eines sortierten Partikelkontinuums (4b), d. h. mehrerer Gruppen von Partikeln mit gruppenweise unterschiedlicher Form und/oder Größe, hergestellt, das durch einen thermischen Prozess an definierten Kontaktstellen verbunden wird, so dass eine kompakte Geometrie mit hoher Maßgenauigkeit (4b, 5b) und einer hohen Oberflächengüte entsteht, die für den anschließenden Gießprozess geeignet ist.A lost mold is required for use in foundry technology. This is done using a sorted particle continuum ( 4b) . d , H. several groups of particles with groups of different shape and / or size, which is connected by a thermal process at defined contact points, so that a compact geometry with high dimensional accuracy ( 4b . 5b) and a high surface quality that is suitable for the subsequent casting process.

Zur Herstellung der komplexen Geometrie mit Hinterschneidungen werden sowohl kubische Partikel (4, 400) mit einer dünnen Beschichtung ( 13, 1300) aus einem niederschmelzenden Lot als auch unbeschichtete Partikel (13, 400) verwendet. Die über eine Rüttelrinne in definierter Lage vorliegenden Partikel werden über zwei Vereinzelungsschienen gefördert. Die zwei Vereinzelungsschienen sind in einer Linie mit entgegengesetzter Förderrichtung angebracht. Die Förderrichtung der beiden Vereinzelungsschienen ist jeweils aufeinander zu gerichtet, und die Einzelpartikel (4, 400) werden auf einem im rechten Winkel dazu laufenden Förderband positioniert. Dies stellt sicher, dass durch gezielte Förderimpulse an einer der beiden Förderschienen auf dem Förderband eine Aneinanderreihung von Einzelpartikeln (8, 800) aus einer der beiden Förderschienen möglich ist. Durch Nebeneinanderlegen von linienförmigen Partikelsträngen in definierter Länge wird ein flächiges Partikelkontinuum / eine Partikelanordnung mit beschichteten und unbeschichteten Partikeln gebaut. Jedes Partikel, das in direktem Kontakt mit einem Nachbarpartikel mit Lotummantelung steht, wird im anschließenden thermischen Prozess mit diesem verbunden. Sowohl der Prozess der Partikelliniengenerierung als auch das Aneinanderreihen der einzelnen Partikellinien zu einer Fläche wird parallelisiert. Die einzelnen Flächen, bestehend aus Einzelpartikeln, werden in definierter Reihenfolge übereinander abgelegt, und es entsteht ein dreidimensionaler Pulverkuchen, der den gewünschten Körper, wenn auch ungebunden, bereits enthält (13b).To create the complex geometry with undercuts, both cubic Particles ( 4 . 400 ) with a thin coating ( 13 . 1300 ) from a low-melting solder as well as uncoated particles ( 13 . 400 ) used. The particles present in a defined position via a vibrating trough are conveyed via two separating rails. The two separating rails are arranged in a line with the opposite conveying direction. The conveying direction of the two separating rails is directed towards each other, and the individual particles ( 4 . 400 ) are positioned on a conveyor belt running at right angles to it. This ensures that targeted conveyor impulses on one of the two conveyor rails on the conveyor belt ensure that individual particles ( 8th . 800 ) is possible from one of the two conveyor rails. By juxtaposing line-shaped particle strands of a defined length, a flat particle continuum / particle arrangement with coated and uncoated particles is built. Each particle that is in direct contact with a neighboring particle with a solder coating is connected to it in the subsequent thermal process. Both the process of generating the particle lines and the stringing together of the individual particle lines to form a surface are parallelized. The individual surfaces, consisting of individual particles, are placed one above the other in a defined order, and a three-dimensional powder cake is created that already contains the desired body, albeit unbound ( 13b) ,

Der Pulverkuchen wird in einem Ofen auf eine Temperatur knapp oberhalb der Schmelztemperatur der Lotbeschichtung erhitzt. Jedes Partikel, das in direktem Kontakt mit einem beschichteten Partikel in Kontakt steht, wird durch diesen Prozess mit diesem verbunden. Alle unbeschichteten Partikel (13, 400), die nicht in direktem Kontakt mit einem beschichteten Partikel (13, 1300) stehen, bleiben vom Wärmeeintrag weit unterhalb der Schmelztemperatur der Partikel selber unbeeinflusst. Da die Wärmeausdehnung der beschichteten (13, 1300) und der unbeschichteten Partikel (13, 400) aufgrund der im Verhältnis zum Volumen der Partikel sehr dünnen Beschichtung als gleich angenommen werden kann, entstehen beim Wärmeeintrag keine Spannungen im Bauteil.The powder cake is heated in an oven to a temperature just above the melting temperature of the solder coating. Any particle that is in direct contact with a coated particle is connected to it by this process. All uncoated particles ( 13 . 400 ) that are not in direct contact with a coated particle ( 13 . 1300 ) remain unaffected by the heat input far below the melting temperature of the particles themselves. Since the thermal expansion of the coated ( 13 . 1300 ) and the uncoated particles ( 13 . 400 ) Due to the fact that the coating is very thin in relation to the volume of the particles, it can be assumed to be the same.

Im anschließenden Auspackprozess werden die ungebundenen Partikel ( 13, 400) durch Abheben des Körpers der Gießform von der Bauplattform entfernt. Durch Schwenken und Drehen in allen Raumrichtungen der Form rieseln nicht gebundene Einzelpartikel (13, 400) heraus und sammeln sich in einem Sammelbehälter. Da es möglich ist, dass sich beim Auspacken aufgrund von Bindungsfehlern oder mechanischer Krafteinwirkung unvorhergesehen auch beschichtete Partikel (13, 1300) lösen und diese sich mit unbeschichteten Partikeln vermischen können, werden im Anschluss alle gelösten Partikel einem Sortierprozess unterzogen.In the subsequent unpacking process, the unbound particles ( 13 . 400 ) by lifting the mold body away from the build platform. By swiveling and rotating in all spatial directions of the form, unbound individual particles trickle ( 13 . 400 ) and collect in a collection container. As it is possible that unpacked particles (such as coated particles ( 13 . 1300 ) and they can mix with uncoated particles, all the dissolved particles are then subjected to a sorting process.

Die geputzte und thermisch verbundene Form wird jetzt mit Schmelze gefüllt. Der heiße Gießwerkstoff kühlt an der Kontaktflache zur Form aufgrund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit der Form rasch ab und bildet sehr schnell eine feste Randschale. Dieser Prozess läuft schneller ab als das Aufschmelzen der Bindungen zwischen den Einzelpartikeln der Form. Durch den stetigen Wärmeeintrag durch das Gussbauteil in die Form erhöht sich die Temperatur in der Form aber stetig, und die Lotverbindungen zwischen den einzelnen Partikeln lösen sich. Dieser Effekt ist gewünscht und führt im Verlauf des Gießprozesses zu einer automatischen Entkernwirkung, welche nach herkömmlichen Methoden in einem nachgelagerten Prozess aufwendig nachgeschaltet werden muss.The cleaned and thermally bonded mold is now filled with melt. The hot casting material quickly cools down at the contact surface with the mold due to the very good thermal conductivity of the mold and very quickly forms a solid edge shell. This process runs faster than the melting of the bonds between the individual particles of the mold. Due to the constant heat input through the cast component into the mold, the temperature in the mold rises steadily, and the solder connections between the individual particles become detached. This effect is desired and leads to an automatic coring effect in the course of the casting process, which has to be followed up in a complex process using conventional methods.

Aspekte der ErfindungAspects of the Invention

Im Folgenden werden Aspekte der Erfindung erwähnt, die jeweils für sich genommen oder in Kombination mit anderen Aspekten oder mit Merkmalen der Patentansprüche eine Ausführungsform der Erfindung bilden oder die Erfindung fortbilden können:

  • 1. Materialsystem zur Herstellung von komplexen 3D-Bauteilen mit Partikeln, deren Gestalt über mathematische Funktionen eindeutig beschreibbar und/oder determinierbar ist.
  • 1a. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel verwendet werden, deren Gestalt und/oder Größe durch einen Herstellungsprozess determiniert ist.
  • 2. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel verwendet werden, deren Gestalt durch eine Konstruktionsprozess oder Herstellungsprozess bestimmt ist.
  • 3. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses, dadurch gekennzeichnet, dass zylindrische Partikel verwendet werden.
  • 4. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses, dadurch gekennzeichnet, dass kubische Partikel verwendet werden.
  • 5. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel mit hexagonalem Grundriss verwendet werden.
  • 6. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel oberflächliche geometrische Modifikationen aufweisen.
  • 7. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel gezielt geformte Bohrungen aufweisen.
  • 8. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel künstliche Erhöhungen auf der Oberfläche aufweisen.
  • 9. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel oberflächlich werkstoffbeeinflusst sind.
  • 10. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel oberflächlich beschichtet sind.
  • 11. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus der Werkstoffgruppe Metalle, Kunststoffe, Keramik, Naturstoffe, Salze und Mineralien oder Mischungen daraus bestehen.
  • 12. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel eine maximale Kantenlänge von 10 um bis 50 cm aufweisen.
  • 13. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel im Inneren weitere Funktionalstrukturen aufweisen.
  • 14. Materialsystem zur Herstellung von 3D-Bauteilen mithilfe eines Schichtbauprozesses mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel im Inneren elektrisch besonders leitfähige Bereiche aufweisen.
  • 15. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel verwendet werden, deren Gestalt und Größe über mathematische Funktionen eindeutig beschreibbar ist.
  • 15a. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel verwendet werden, deren Gestalt durch einen Herstellungsprozess bestimmt wird.
  • 16. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einzeln räumlich zusammengestellt werden.
  • 17. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel schichtweise auf eine Bauplattform oder auf eine schon erstellte Schicht aufgelegt werden.
  • 18. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel zu einem kompletten Pulverkuchen zusammengestellt werden.
  • 19. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel während eines Schichtbauprozesses zusammengestellt werden.
  • 20. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel parallel zu einem Schichtbauprozess zusammengestellt werden und schichtweise verwendet werden.
  • 21. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel gezielt selektiv miteinander verbunden werden.
  • 22. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel miteinander verklebt werden.
  • 23. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel selektiv verschmolzen werden.
  • 24. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel selektiv verlötet werden.
  • 25. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über einen Verbindungsprozess als gesamter Pulverkuchen verbunden werden.
  • 26. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über einen Verbindungsprozess als gesamter Pulverkuchen versintert werden.
  • 27. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über einen Verbindungsprozess als gesamter Pulverkuchen verlötet werden.
  • 28. Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über einen Verbindungsprozess als gesamter Pulverkuchen verklebt werden.
  • 29. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung Partikel verwendet werden, deren Gestalt über mathematische Funktionen eindeutig beschreibbar ist.
  • 29a. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung Partikel verwendet werden, deren Gestalt durch einen Herstellungsprozess bestimmt wird.
  • 30. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über Vibrationen angeordnet werden.
  • 31. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über Vibrationen zu Schichten innerhalb eines Schichtbauprozesses angeordnet werden.
  • 32. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über Vibrationen zu Schichten parallel zu einem Schichtbauprozess zusammengestellt werden und schichtweise verwendet werden.
  • 33. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über Vibrationen und gerichtete Kräfte angeordnet werden.
  • 34. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über Vibrationen und/oder magnetische oder gravitative Kräfte angeordnet werden.
  • 35. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über Absonderung von speziellen Düsen angeordnet werden.
  • 36. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Partikel über Absonderung aus speziellen Düsen gezielt relativ zueinander angeordnet werden.
  • 37. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsensysteme gleichzeitig und parallel den Pulverkuchen aufbauen.
  • 38. Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel selektiv auf einer Plattform abgelegt werden können und die selektive Anordnung verwendet wird, um verschiedene Partikelsorten in einer Ebene anzuordnen.
In the following, aspects of the invention are mentioned, each of which on its own or in combination with other aspects or with features of the claims form an embodiment of the invention or can develop the invention:
  • 1. Material system for the production of complex 3D components with particles, the shape of which can be clearly described and / or determined using mathematical functions.
  • 1a. Material system for the production of 3D components with particles, characterized in that particles are used, the shape and / or size of which is determined by a manufacturing process.
  • 2. Material system for the production of 3D components using a layer construction process, characterized in that particles are used, the shape of which is determined by a construction process or manufacturing process.
  • 3. Material system for the production of 3D components using a layer-building process, characterized in that cylindrical particles are used.
  • 4. Material system for the production of 3D components using a layer construction process, characterized in that cubic particles are used.
  • 5. Material system for the production of 3D components using a layer building process, characterized in that particles with a hexagonal floor plan are used.
  • 6. Material system for the production of 3D components using a layer-building process with particles, characterized in that the particles have superficial geometric modifications.
  • 7. Material system for the production of 3D components using a layer-building process with particles, characterized in that the particles have specifically shaped bores.
  • 8. Material system for the production of 3D components using a layer construction process with particles, characterized in that the Particles have artificial elevations on the surface.
  • 9. Material system for the production of 3D components using a layer construction process with particles, characterized in that the particles are influenced by the surface of the material.
  • 10. Material system for the production of 3D components using a layer-building process with particles, characterized in that the particles are coated on the surface.
  • 11. Material system for the production of 3D components with the aid of a layer building process with particles, characterized in that the particles consist of the material group of metals, plastics, ceramics, natural substances, salts and minerals or mixtures thereof.
  • 12. Material system for the production of 3D components using a layer-building process with particles, characterized in that the particles have a maximum edge length of 10 to 50 cm.
  • 13. Material system for the production of 3D components with the aid of a layer construction process with particles, characterized in that the particles have further functional structures in the interior.
  • 14. Material system for the production of 3D components with the aid of a layer construction process with particles, characterized in that the particles have electrically particularly conductive areas in the interior.
  • 15. A method for producing 3D components with particles, characterized in that particles are used, the shape and size of which can be clearly described using mathematical functions.
  • 15a. Method for producing 3D components with particles, characterized in that particles are used, the shape of which is determined by a manufacturing process.
  • 16. A method for producing 3D components with particles, characterized in that the particles are individually spatially compiled.
  • 17. A method for producing 3D components with particles, characterized in that the particles are placed in layers on a construction platform or on a layer that has already been created.
  • 18. Process for the production of 3D components with particles, characterized in that the particles are put together to form a complete powder cake.
  • 19. A method for producing 3D components with particles, characterized in that the particles are put together during a layer-building process.
  • 20. Process for the production of 3D components with particles, characterized in that the particles are put together in parallel to a layer building process and are used in layers.
  • 21. A method for producing 3D components with particles, characterized in that the particles are selectively connected to one another.
  • 22. A method for producing 3D components with particles, characterized in that the particles are glued together.
  • 23. Process for the production of 3D components with particles, characterized in that the particles are selectively fused.
  • 24. Process for the production of 3D components with particles, characterized in that the particles are selectively soldered.
  • 25. Process for the production of 3D components with particles, characterized in that the particles are connected as a whole powder cake via a connection process.
  • 26. Process for the production of 3D components with particles, characterized in that the particles are sintered as a whole powder cake via a connection process.
  • 27. Process for the production of 3D components with particles, characterized in that the particles are soldered as a whole powder cake via a connection process.
  • 28. Process for the production of 3D components with particles, characterized in that the particles are glued together as a whole powder cake via a connecting process.
  • 29. Device for producing 3D components with particles, characterized in that particles are used in the device, the shape of which can be clearly described using mathematical functions.
  • 29a. Device for producing 3D components with particles, characterized in that particles are used in the device, the shape of which is determined by a manufacturing process.
  • 30. Device for producing 3D components with particles, characterized in that the particles are arranged via vibrations.
  • 31. Device for the production of 3D components with particles, characterized in that the particles are arranged into layers within a layer building process via vibrations.
  • 32. Device for the production of 3D components with particles, characterized in that the particles are combined to form layers via vibrations in parallel to a layer building process and are used in layers.
  • 33. Device for producing 3D components with particles, characterized in that the particles are arranged via vibrations and directed forces.
  • 34. Device for producing 3D components with particles, characterized in that the particles are arranged via vibrations and / or magnetic or gravitational forces.
  • 35. Device for producing 3D components with particles, characterized in that the particles are arranged by means of special nozzles.
  • 36. Device for the production of 3D components with particles, characterized in that different particles are specifically arranged relative to one another by being secreted from special nozzles.
  • 37. Device for producing 3D components with particles, characterized in that several nozzle systems build the powder cake simultaneously and in parallel.
  • 38. Device for producing 3D components with particles, characterized in that the particles can be deposited selectively on a platform and the selective arrangement is used to arrange different types of particles in one plane.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Druckkopfprinthead
101101
Beschichtercoaters
102102
Bauplattformbuilding platform
104104
Baubehälterbuilding container
105105
Partikelmaterialparticulate matter
106106
Tropfendrops
107107
frisch erzeugte Schichtfreshly produced layer
108108
bedruckte/verfestigte Schichtprinted / solidified layer
200200
Partikel mit unregelmäßiger FormParticles with an irregular shape
201201
schüttungsbedingter Hohlraumfill-related cavity
203203
rundes oder sphärisches Partikelround or spherical particle
204204
Bereich dichter PackungTight packing area
301301
sphärisches Partikel in der ersten Ebenespherical particle in the first level
302302
sphärisches Partikel in der zweiten Ebenespherical particle in the second level
303303
sphärisches Partikel in der Zwischenebenespherical particle in the intermediate plane
400400
Partikel mit spezieller FormgebungParticles with a special shape
400a, 400b, 400c400a, 400b, 400c
Kantenedge
401401
Partikel der ersten Schicht/EbeneParticles of the first layer / level
402402
Partikel der zweiten SchichtParticles of the second layer
402a, 402b, 402c402a, 402b, 402c
Kantenedge
500500
zylindrisches Partikel (Butze)cylindrical particle (butze)
601601
Wirkkanal für SchichtverbindungEffective channel for layer connection
602602
WirkverteilstrukturWirkverteilstruktur
603603
Wirkkanal durch das PartikelAction channel through the particle
604604
künstliche Erhöhungartificial increase
605605
Normalniveau/Oberfläche/VertiefungNormal level / surface / recess
700700
durchgängig beeinflusste Randschichtcontinuously influenced boundary layer
701701
lokale Beeinflussunglocal influence
800800
in die Packung integriertes PartikelParticle integrated into the pack
800a, 800b800a, 800b
Grenzflächeninterfaces
801801
Vibrationvibration
802802
auf die Schüttung zulaufendes Partikelparticle running towards the bed
802a, 802b802a, 802b
Grenzflächeninterfaces
901901
Hohlraum ReißverschlussbereichZippered cavity area
902902
Führungsschieneguide rail
10001000
Partikeldüse auf GrundniveauParticle nozzle at basic level
1001 1001
Partikeldüse auf angehobenem NiveauParticle nozzle at a raised level
10021002
Partikel auf GrundniveauParticle level particles
10031003
Partikel auf angehobenem NiveauParticles at a raised level
10041004
Absenkstelle für die Einpassung der Partikel in die SchüttungLowering point for fitting the particles into the bed
12001200
Partikel mit zwei Wirkkanälen für selektive Höhenwirkung - obere LageParticles with two action channels for selective height effect - upper layer
12011201
Partikel mit Wirkkanälen - untere LageParticles with active channels - lower layer
12021202
Wirkkanal für Verbindung zwischen oberer und unterer LageEffective channel for connection between the upper and lower layer
12031203
Wirkkanal für Verbindung nach untenEffective channel for connection downwards
13001300
Partikel mit spezieller Formgebung und MaterialeigenschaftenParticles with a special shape and material properties

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • EP 2054216 [0007]EP 2054216 [0007]

Claims (16)

Materialsystem zur Herstellung eines Bauteils in einem additiven Fertigungsverfahren mit mindestens einer ersten Gruppe von Partikeln (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300), die jeweils eine definierte geometrische Form und Größe aufweisen.Material system for manufacturing a component in an additive manufacturing process with at least a first group of particles (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300), each have a defined geometric shape and size. Materialsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) der ersten Gruppe jeweils dieselbe geometrische Form und Größe aufweisen.Material system according to Claim 1 , characterized in that the particles (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) of the first group each have the same geometric shape and size. Materialsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der ersten Gruppe wenigstens eine zweite Gruppe und insbesondere wenigstens eine weitere Gruppe von Partikeln (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) vorgesehen ist, wobei die Partikel der zweiten Gruppe und insbesondere der weiteren Gruppen sich voneinander und/oder von den Partikeln der ersten Gruppe bezüglich der geometrischen Form und/oder Größe unterscheiden.Material system according to Claim 1 or 2 , characterized in that in addition to the first group at least one second group and in particular at least one further group of particles (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201 , 1300) is provided, wherein the particles of the second group and in particular of the further groups differ from one another and / or from the particles of the first group with regard to the geometric shape and / or size. Materialsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe jeweils wenigstens eine, wenigstens zwei oder wenigstens drei gerade Kanten (400a, 400b, 400c, 402a, 402b, 402c) und/oder wenigstens eine oder wenigstens zwei oder wenigstens drei ebene Grenzflächen (800a, 800b, 802a, 802b) aufweisen.Material system according to Claim 1 . 2 or 3 , characterized in that the particles (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) of the first group and / or the second group and / or at least one further group each at least one, at least two or at least three straight edges (400a, 400b, 400c, 402a, 402b, 402c) and / or at least one or at least two or at least three flat interfaces (800a, 800b, 802a, 802b) exhibit. Materialsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Partikel der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei zueinander parallele Kanten (400a, 400b, 400c, 402a, 402b, 402c) oder wenigstens zwei zueinander parallele Grenzflächen (800a, 800b, 802a, 802b) aufweist.Material system according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that each particle of the first group and / or the second group and / or at least one further group has at least two, in particular at least three mutually parallel edges (400a, 400b, 400c, 402a, 402b, 402c) or at least two mutually parallel Interfaces (800a, 800b, 802a, 802b). Materialsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Partikel (500, 1401, 1402, 1403) der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe eine prismatische Form, insbesondere die Form eines Dreiecks-, Vierecks- oder Vielecksprismas oder eines Kreis- oder Ellipsenzylinders, aufweist.Material system according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that each particle (500, 1401, 1402, 1403) of the first group and / or the second group and / or at least one further group has a prismatic shape, in particular the shape of a triangular, square or polygonal prism or a circle - Or elliptical cylinder. Materialsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Partikel der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe durch Extrudieren oder durch Ausschneiden oder Stanzen aus einem Grundkörper hergestellt ist, wobei der Grundkörper insbesondere planparallele Deckflächen aufweist.Material system according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that each particle of the first group and / or the second group and / or at least one further group is produced by extrusion or by cutting or punching from a base body, the base body in particular having plane-parallel cover surfaces. Materialsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Partikel oder ein Teil der Partikel der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe eine Beschichtung (700, 701) trägt und/oder dass alle oder einige der Partikel der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe und/oder wenigstens einer weiteren Gruppe eine Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere Rauigkeit, aufweisen, die sich von derjenigen anderer Partikel unterscheidet.Material system according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that each particle or part of the particles of the first group and / or the second group and / or at least one further group has a coating (700, 701) and / or that all or some of the particles of the first group and / or the second group and / or at least one further group have a surface condition, in particular roughness, which differs from that of other particles. Materialsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einen Kleber, ein Lot, einen Binder, einen Aktivator oder einen Katalysator aufweist.Material system according to Claim 8 , characterized in that the coating comprises an adhesive, a solder, a binder, an activator or a catalyst. Materialsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Partikel Bohrungen oder Ausnehmungen (601, 602, 603) aufweisen, durch die innerhalb des aus den Partikeln hergestellten Bauteils Kanäle gebildet werden.Material system according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that one or more particles have bores or recesses (601, 602, 603) through which channels are formed within the component made from the particles. Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus einem Materialsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander Partikel (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) mittels einer ersten Zuführeinrichtung (902, 1000, 1001) und insbesondere mittels einer zweiten oder weiteren Zuführeinrichtung durch jeweils einen Zuführkanal der jeweiligen Zuführeinrichtung ihrem jeweiligen Bestimmungsort auf einem Pulverkuchen zugeführt werden, wobei die Partikel oder eine Untermenge der Partikel insbesondere eine vorbestimmte Orientierung aufweisen oder in einer bestimmten Orientierung an ihren Bestimmungsort bewegt werden.Method for producing a body from a material system according to one of the Claims 1 to 10 , characterized in that particles (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) in succession by means of a first feed device (902, 1000, 1001) and in particular by means of a second or further feed device through a feed channel of the respective feed device to its respective destination on a powder cake, the particles or a subset of the particles in particular having a predetermined orientation or being moved to their destination in a certain orientation. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet dass Partikel (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) unterschiedlicher Beschaffenheit, insbesondere verschiedener Gruppen, mittels verschiedener Zuführeinrichtungen (902, 1000, 1001) zu ihrem jeweiligen Bestimmungsort bewegt werden.Procedure according to Claim 11 , characterized in that particles (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) of different nature, in particular different groups, by means of different feeding devices (902, 1000 , 1001) are moved to their respective destination. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel durch Vibration oder unstetige Zufuhr kinetischer Energie entlang des Zuführkanals / der Zuführkanäle bewegt werden.Procedure according to Claim 11 or 12 , characterized in that the particles are moved by vibration or discontinuous supply of kinetic energy along the supply channel (s). Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) schichtweise, insbesondere jeweils in einer Schichtdicke von einem Partikel, auf den Pulverkuchen aufgebracht werden.Procedure according to Claim 11 . 12 or 13 , characterized in that the particles (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300) in layers, in particular each in a layer thickness of one particle, are applied to the powder cake. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300), die zur Bildung des Körpers miteinander verbunden werden sollen, derart aus den zur Verfügung stehenden Partikeln oder Partikelgruppen ausgewählt werden, dass sie eine Eigenschaft, beispielsweise eine Beschichtung (700, 701), aufweisen, die eine wirksame Verbindbarkeit mit den jeweils benachbarten Partikeln in dem Pulverkuchen ermöglicht, oder dass die zu verbindenden Partikel an ihrem Bestimmungsort im Pulverkuchen durch lokal gezielte Zugabe eines Stoffes, insbesondere eines Klebers, eines Binders, eines Aktivators oder eines Katalysators, verbunden oder für eine Verbindung vorbereitet werden.Procedure according to one of the Claims 11 to 14 , characterized in that the particles (203, 301, 302, 303, 400, 401, 402, 500, 800, 802, 1002, 1003, 1200, 1201, 1300), which are to be connected to form the body, such can be selected from the available particles or particle groups in such a way that they have a property, for example a coating (700, 701), which enables effective connection to the respectively neighboring particles in the powder cake, or that the particles to be connected are located at their destination in the powder cake by locally targeted addition of a substance, in particular an adhesive, a binder, an activator or a catalyst, or prepared for a connection. Vorrichtung zur Herstellung eines Körpers mittels eines Materialsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine, zwei oder mehr Zuführeinrichtungen (902, 1000, 1001) für Partikel zu deren jeweiligem Bestimmungsort an einem Pulverkuchen mit jeweils einem Zuführkanal, entlang dessen die Partikel jeweils bis zu ihren Bestimmungsorten bewegbar sind.Device for producing a body by means of a material system according to one of the Claims 1 to 10 , characterized by one, two or more feed devices (902, 1000, 1001) for particles to their respective destination on a powder cake, each with a feed channel, along which the particles can each be moved to their destinations.
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