DE102019110149A1 - Sintern durch steuerung der strompfade - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Körpern umfassend Körperschichten durch einen stromunterstützten Sinterprozess, wobei mindestens eine Pulverschicht in einen Kasten eingebracht wird, wobei der Kasten an einem Boden ein Substrat umfassend mindestens eine aktivierbare Gegenelektrode aufweist und wobei die Schicht mindestens ein elektrisch leitfähiges Gebiet umfassend ein elektrisch leitfähiges Pulver aufweist, das Pulver anschließend verdichtet wird, zwischen mindestens einer auf der Pulverschicht aufliegenden aktivierbaren aktivierten Elektrode und der aktivierten Gegenelektrode mindestens ein Strompfad durch einen Bereich des elektrisch leitfähigen Gebiets erzeugt wird, der durch den Strompfad umfasste Bereich durch die erzeugte joulesche Wärme zu mindestens einer Körperschicht gesintert wird, wobei eine Form der Körperschicht durch eine räumliche Steuerung des Strompfades kontrolliert wird, wobei die räumliche Steuerung des Strompfads durch eine Steuerung einer Anordnung von aktivierter Elektrode, aktivierter Gegenelektrode und elektrisch leitfähigem Gebiet vorgenommen wird. Ebenso sind geeignete Vorrichtungen in weiteren Aspekten der Erfindung betroffen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Körpern umfassend Körperschichten durch einen stromunterstützten Sinterprozess, wobei mindestens eine Pulverschicht in einen Kasten eingebracht wird, wobei der Kasten an einem Boden ein Substrat umfassend mindestens eine aktivierbare Gegenelektrode aufweist und wobei die Schicht mindestens ein elektrisch leitfähiges Gebiet umfassend ein elektrisch leitfähiges Pulver aufweist, das Pulver anschließend verdichtet wird, zwischen mindestens einer auf der Pulverschicht aufliegenden aktivierbaren aktivierten Elektrode und der aktivierten Gegenelektrode mindestens ein Strompfad durch einen Bereich des elektrisch leitfähigen Gebiets erzeugt wird, der durch den Strompfad umfasste Bereich durch die erzeugte joulesche Wärme zu mindestens einer Körperschicht gesintert wird, wobei eine Form der Körperschicht durch eine räumliche Steuerung des Strompfades kontrolliert wird, wobei die räumliche Steuerung des Strompfads durch eine Steuerung einer Anordnung von aktivierter Elektrode, aktivierter Gegenelektrode und elektrisch leitfähigem Gebiet vorgenommen wird. Ebenso sind geeignete Vorrichtungen in weiteren Aspekten der Erfindung betroffen.
• Hintergrund und Stand der Technik
• Bisher wurden Bauteile mit konventionellen Fertigungsverfahren der Urformtechnik produziert, seit neustem sind im industriellen Umfeld auch additive Fertigungsverfahren im Einsatz.
• Die meisten Umform- und Urformprozesse (z.B. Tiefziehen und Präzisionsschmieden bzw. Gießen) nutzen formgebundene Werkzeuge. Dies ist mit hohen Kosten für die Werkzeugherstellung verbunden und beschränkt in großem Maße die Flexibilität für individuelle Bauteile. Darüber hinaus können integrierte Strukturen nur mit aufwendigen Urformverfahren oder nachfolgender Zerspanung hergestellt werden.
• Gießen als traditionelles Urformverfahren ist gekennzeichnet durch eine festgelegte Werkzeugform (z.B. Kokillenguss) oder das Abformen des zu fertigenden Bauteils in einer verlorenen Gießform (z.B. Sandformguss), wodurch im ersten Fall eine flexible Fertigung nicht bzw. im zweiten Fall nur in einem aufwendigen Formherstellungsprozess möglich ist. Eine variantenreiche Großserienfertigung wird somit produktionstechnisch und ökonomisch sehr eingeschränkt. Außerdem schränken verfahrenstechnisch die Schmelzenverteilung in der Form (Ausfüllen der Hohlräume) sowie die Erstarrung der Schmelze die mögliche Bauteilgeometrie und die Gefügeausbildung ein. Nachteilig sind auch mögliche Gießfehler und für größere Bauteile die langen Abkühlzeiten. Hierzu müssen zum einen die Bauteile gießgerecht gestaltet werden, um technische Fehler zu vermeiden. Ein weiterer nachteiliger Aspekt ist der hohe Energiebedarf zum Bereitstellen gießbarer Schmelze, wo hohe thermische Verluste die Effizienz der Verfahren verringern. Des Weiteren ist allen Gießverfahren gemein, dass die metallurgischen Unterschiede das Kombinieren von artfremden Werkstoffen verhindert. Eine gießtechnische Herstellung von Hybridwerkstoffen ist somit nicht möglich.
• Zerspanende Verfahren (z.B. Fräsen) benötigen zur Formgebung keine individuellen Geometrien der Schneidwerkzeuge. Jedoch wird die Fertigung aufwendiger und zeitintensiver, je komplexer das Bauteil und je größer das Zerspanvolumen wird. Durch das externe Zuführen des Werkzeugs ist in der Regel eine Bearbeitung des Bauteils nur von außen möglich, womit keine (komplexen) Strukturen innerhalb des Teils gefertigt werden können.
• Das Sintern erfolgt bei den meisten Verfahren unter Einwirkung von Druck und Wärme, um einen Zusammenhalt zwischen einzelnen Partikeln zu erreichen. Bekannte Verfahren sind z.B. das Heißpressen (HP) oder Metal Injection Moulding (MIM). Bei diesen werden formgebundene Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze als Negativform eingesetzt, wodurch keine Hinterschneidungen oder Kavitäten in das Bauteil integriert werden können. Ebenfalls eignet sich Sintern nicht für große Bauteile, da hierbei die Werkzeugherstellung sehr aufwendig ist. Außerdem ist eine flexible Produktion damit nicht möglich. Des Weiteren ist die Kombination artfremder Werkstoffe nur für eine homogene Partikelverteilung der Werkstoffe realisierbar, da Bauteilbereiche mit unterschiedlichen Materialen nicht gezielt vorbereitet und entsprechend gesintert werden können. Bei vielen Sinterverfahren wird die Wärme extern zugeführt, was zu Prozesszeiten von mehreren Stunden oder sogar Tagen führt.
• Bekannte stromunterstützte Sinterverfahren wie z.B. das FAST (engl. für: field assisted sintering technology) nutzen elektrischen Strom zur Erzeugung joulescher Wärme. Für dieses Verfahren sind aber zur Formgebung entsprechende Werkzeuge mit der Sollgeometrie notwendig. Hierdurch ergeben sich die gleichen Probleme wie bei den konventionellen Sinter- oder Gießverfahren, was die Komplexität der Bauteile z.B. im Hinblick auf Hinterschneidungen und die Flexibilität bei der Bauteilgeometrie betrifft.
• Additive Fertigungsverfahren ermöglichen eine flexible Fertigung, teils ohne Einsatz von Werkzeugen. Dabei gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren, die sich in der Materialform- und zuführung aber auch der eingesetzten Energiequelle unterscheiden. Einige davon sind bereits etabliert, können jedoch nicht den aktuellen Bedarf für größere Bauteile und höhere Stückzahlen decken. Die additive Fertigung im industriellen Umfeld erfolgt in erster Linie durch das selektive Laserschmelzen (SLM) oder selektive Lasersintern (SLS), womit individuelle Geometrien gefertigt werden. Einschränkend für diese Prozesse sind der maximal mögliche Bauraum, die sehr geringe Aufbaurate von maximal 0,5 kg/h aufgrund der notwendigen dünnen Pulverschichten (ca. 50 Mikrometer [um]) sowie ein hoher Aufwand bei der Kombination artfremder Werkstoffe.
• Das Lichtbogenauftragsschweißen als generatives Verfahren hat eine höhere Aufbaurate. Jedoch wird bei diesem Verfahren eine hohe Wärmeenergie in das Bauteil eingebracht, wobei thermische Spannungen entstehen, die ein Verziehen des Bauteils bewirken. Sind die Spannungen zu hoch, dann kann das Bauteil auch reißen. Des Weiteren ist das Schweißen von artfremden Werkstoffen mit diesem Verfahren nur bedingt möglich.
• Bei den oben genannten Verfahren ist in vielen Fällen eine Wärmebehandlung, z.B. zur Spannungsreduktion oder zum Einstellen eines bestimmten Gefüges notwendig. Dies erfolgt meist in einem weiteren zusätzlichen Prozessschritt mit einer separaten Vorrichtung und erhöht somit den produktionstechnischen Aufwand.
• Es ergibt sich zur Herstellung von Bauteilen hiermit ein Handlungsbedarf bei folgenden Merkmalen:
• - Formgebunde Fertigung (keine flexible Herstellung von Bauteilen möglich oder sehr aufwändig).
• - Geringe Fertigungsgeschwindigkeiten (kleine Auftragsraten bzw. lange Prozesszeiten).
• - Begrenzung auf kleine Bauvolumina (größere Volumina sind ggf. unwirtschaftlich und technisch anspruchsvoll).
• - Keine einfache Möglichkeit der Fertigung von integrierten Strukturen (z.B. Kühlkanäle).
• - Ein hoher Wärmeeintrag erzeugt große thermische Spannungen im Bauteil, welches sich dabei verzieht und ggf. aufreißen kann (dies resultiert in einem eingegrenzten Prozessfenster und eventuell notwendigen Nachbehandlungen).
• - Wärmebehandlungen müssen in einer separaten Vorrichtung nach dem Urformen und ggf. Zerspanen erfolgen (Erhöhung der Prozesszeit und des produktionstechnischen Aufwands).
• - Fügen von artfremden Werkstoffen (z.B. Verbinden von Aluminium und Stahl nicht oder nur eingeschränkt möglich bzw. sehr aufwendig).
• Konventionelle Fertigungsverfahren wie das Ur- und Umformen sowie Zerspanen stellen zurzeit aufgrund von fehlenden Alternativen die am häufigsten genutzten Produktionstechnologien dar, da diese seit langer Zeit untersucht und erfolgreich für ihre jeweiligen Anwendungsfälle eingesetzt werden. Jedoch gibt es aufgrund der genannten Nachteile einen Bedarf für die Verwendung neuer Herstellungstechniken ohne diese Nachteile.
• Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen bzw. Körpern, einen durch das Verfahren hergestellten Körper sowie eine Vorrichtung für ein solches Verfahren ohne die Nachteile des Standes bereitzustellen. Insbesondere war es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen und eine hierfür geeignete Vorrichtung bereitzustellen, wobei das Verfahren eine flexible, zuverlässige, schnelle und auch für komplexe Körperformen geeignete Methode zur Herstellung von Körpern ist.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Körpern umfassend Körperschichten durch einen stromunterstützten Sinterprozess,
  wobei:
• - mindestens eine Pulverschicht in einen Kasten eingebracht wird, wobei der Kasten an einem Boden ein Substrat umfassend mindestens eine aktivierbare Gegenelektrode aufweist und wobei die Schicht mindestens ein elektrisch leitfähiges Gebiet umfassend ein elektrisch leitfähiges Pulver aufweist,
• - das Pulver anschließend verdichtet wird;
• - zwischen mindestens einer auf der Pulverschicht aufliegenden aktivierbaren aktivierten Elektrode und der aktivierten Gegenelektrode mindestens ein Strompfad durch einen Bereich des elektrisch leitfähigen Gebiets erzeugt wird;
• - der durch den Strompfad umfasste Bereich durch die erzeugte joulesche Wärme zu mindestens einer Körperschicht gesintert wird,
wobei eine Form der Körperschicht durch eine räumliche Steuerung des Strompfades kontrolliert wird, wobei die räumliche Steuerung des Strompfads durch eine Steuerung einer räumlichen Anordnung von aktivierter Elektrode, aktivierter Gegenelektrode und/oder elektrisch leitfähigem Gebiet vorgenommen wird.
• Bei dem erfindungsgemäßen Sintern ist das Grundprinzip, dass nur Bereiche gesintert werden, die innerhalb einer Form zum Sintern (innerhalb eines Kastens) vorliegen und von einem Strom durchflossen werden, der aufgrund von joulescher Wärme eine Wärme erzeugt, die innerhalb dieses Bereichs ein Sintern verursacht und dadurch einen Teil eines zu erzeugenden Körpers ergibt. Bei einem schichtweisen Vorgehen wie beschrieben kann so ein ganzer Körper aus dem Urmaterial geformt werden. Das Urmaterial ist dabei vorzugsweise ein Pulver, welches verdichtet wird, bevor und/oder während der Strom eingeleitet wird. Die Formgebung des Bereichs, welcher gesintert wird, kann dabei durch zwei Prinzipien und/oder deren Verbindung gesteuert werden.
• Zum einen kann eine räumliche Anordnung des Pulvers selber für eine Steuerung des stromdurchflossenen Bereichs (des Strompfades) verwendet werden. Dabei kann innerhalb mindestens einer Schicht das Pulver so angeordnet werden, dass es Bereiche mit leitfähigem Pulver gibt und Bereiche mit nicht leitfähigem Pulver, welche die leitfähigen Bereiche umgeben. Wird die so angeordnete mindestens eine Pulverschicht verdichtet und durch jeweils eine obere und eine untere Elektrode kontaktiert, wobei an den Elektroden eine Spannung anliegt, fließt ein Strom nur durch den mindestens einen Bereich, in dem das leitfähige Pulver angeordnet ist und dementsprechend wird nur dieser Bereich gesintert. Die räumliche Anordnung des Pulvers wie vorgeschlagen kann dabei bevorzugt durch eine Matrix von Düsen vorgenommen werden, wobei jede Düse einzeln aktivierbar ist und für jede Düse bestimmt werden kann, ob ein leitfähiges oder ein nicht leitfähiges Pulver unterhalb der Düse innerhalb mindestens einer Pulverschicht angeordnet wird. Anstelle einer Matrix oder in Kombination mit einer Matrix von Pulverdüsen kann mindestens eine translatierbare Pulverdüse verwendet werden, die über verschiedenen Punkten des Kastens positioniert werden kann, wobei durch die Düse entweder ein leitfähiges Pulver oder ein nicht leitfähiges Pulver eingebracht wird.
• Als zweites Prinzip zur Steuerung der stromdurchflossenen Bereiche innerhalb des Pulvers kann eine Matrix von Elektroden oberhalb und/oder unterhalb der mindestens einen Pulverschicht verwendet werden, wobei innerhalb der Matrix beliebig einzelne Elektroden aktiviert werden können. Ebenso kann mindestens eine Elektrode oberhalb und/oder unterhalb des Pulvers, welche vorzugsweise eine geringe räumliche Ausdehnung hat, translatierbar sein. Zwischen aktivierten Elektroden oberhalb und unterhalb des Pulvers fließt dabei ein Strom durch das Pulver, vorzugsweise den kürzesten Weg zwischen den Elektroden nehmend, welcher durch einen elektrisch leitfähigen Bereich des Pulvers erlaubt ist. Dabei kann die gesamte mindestens eine Pulverschicht leitend sein. Es kann aber bevorzugt auch innerhalb der Pulverschicht einzelne leitende Bereiche geben, welche nach dem oben vorgestellten Prinzip angeordnet werden. Somit kann der stromdurchflossene Bereich entweder durch räumliche Anordnung der Elektroden oder durch räumliche Anordnung eines leitfähigen Pulverbereichs innerhalb des Pulvers gesteuert werden, oder aber es werden beide Prinzipien kombiniert, durch die eine Steuerung des Strompfades innerhalb des Pulvers ermöglicht wird.
• Für die räumliche Anordnung elektrisch leitender Bereiche innerhalb mindestens einer Pulverschicht kann dabei eine translatierbare Pulverdüse verwendet werden, die entweder elektrisch leitfähiges Pulver oder nicht-leitfähiges Pulver anordnet oder aber innerhalb einer Matrix von Pulverdüsen können einzelne Pulverdüsen gezielt entweder elektrisch leitfähiges Pulver oder nicht-leitfähiges Pulver räumlich anordnen. Dabei können die Elektroden bevorzugt flächig sein und z. B. die gesamte Pulverschicht abdecken.
• Für die räumliche Anordnung und Aktivierung räumlich begrenzter Elektroden können einzelne solcher Elektroden translatierbar sein oder innerhalb einer Matrix solche Elektroden vorliegen und einzeln aktivierbar sein. Solche Elektroden sind vorzugsweise oberhalb und/oder unterhalb des Pulvers angeordnet. Dabei kann es genügen, dass auf der jeweils gegenüberliegenden Seite des Pulvers eine flächige Elektrode vorliegt. Aktivierbar bedeutet insbesondere, dass eine Spannung und/oder ein Strom angelegt werden kann.
• Sintern ist vorzugsweise ein Verfahren zur Herstellung und/oder Veränderung von Werkstoffen bzw. aus diesen hergestellten Körpern. Vorzugsweise werden in diesem Dokument die Begriffe Körper und Bauteil synonym verwendet. Dabei werden vorzugsweise pulverförmige keramische und/oder metallische Stoffe, vorzugsweise unter erhöhtem Druck erhitzt. Dabei können die Temperaturen insbesondere unterhalb der Schmelztemperatur der jeweiligen Materialien bleiben. Es kann jedoch ebenso bevorzugt sein, das Material zumindest teilweise zu schmelzen. Durch die Temperaturbehandlung und/oder Druckbehandlung des Sinterns wird aus einem Pulver vorzugsweise ein Körper. Dabei kann es bevorzugt sein, dass die Form des Körpers durch einen vorangegangenen Prozessschritt bereits grob vorgegeben ist, beispielsweise durch eine bereits grobe Verbindung des Pulvers in Form des Körpers durch eine Verpressung und/oder eine Extrusion. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass die Form des Körpers im Wesentlichen durch die Form, in der das Sintern stattfindet und/oder durch die Hitze- und/oder Druckeinwirkung auf das Pulver vorgegeben wird. Das Sintererzeugnis - der Körper - erhält bevorzugt erst durch die Temperatur und/oder Druckbehandlung seine endgültigen Eigenschaften, z. B. Härte, Festigkeit, Temperaturleitfähigkeit.
• Vorzugsweise findet das erfindungsgemäße Sintern stromunterstützt statt. Das bedeutet bevorzugt, dass nur stromdurchflossene Bereiche eines zu formenden Körpers bzw. einer Körperschicht gesintert werden, weil die zum Sintern erforderliche Wärme zur Temperaturbehandlung durch den Durchfluss mit elektrischem Strom erzeugt wird und somit im Wesentlichen lokal auf diese Bereiche begrenzt ist. Vorzugsweise können so nur elektrisch leitfähige Gebiete, welche ein elektrisch leitfähiges Pulver enthalten, gesintert werden. Dabei erzeugt der Durchfluss eines elektrischen Stroms bevorzugt joulesche Wärme. Die produzierte Wärme zeigt bevorzugt eine Abhängigkeit vom ohmschen Widerstand des durchflossenen Elements und vom Quadrat der Stromstärke bzw. vom Quadrat der angelegten Spannung und dem inversen ohmschen Widerstand. Somit kann die erzeugte Wärme vorzugsweise durch eine angelegte Spannung und/oder eine Auswahl des zu sinternden Materials gesteuert werden. Dabei kann der Fachmann auch gut die Temperaturverteilung dieses Materials an den Grenzflächen der durchflossenen Bereiche mit den nicht durchflossenen Bereichen bestimmen, in dem er z. B. den jouleschen Wärmeeintrag und die bekannten thermischen Eigenschaften wie z.B. Wärmeleitfähigkeit und/oder -kapazität des Materials und/oder der Umgebung kennt und eine externe Temperatur in der Umgebung und/oder innerhalb des Materials regeln und ggf. auch eine gezielte Kühlung vornehmen kann. Dabei wird ein Strompfad durch das Material, welcher im Wesentlichen den mindestens einen stromdurchflossenen Bereich umfasst, erzeugt durch bevorzugt mindestens jeweils einer Elektrode an jeweils einer Seite bzw. einem Ende des Strompfades und durch ein dazwischenliegendes zu sinterndes Material, welches elektrisch leitfähig ist, wobei vorzugsweise an den Elektroden eine Spannung anliegt, welche den elektrischen Strom durch das Material erzeugt.
• Der zu erzeugende Körper umfasst vorzugsweise Körperschichten. Diese Körperschichten können vorzugsweise einzeln, insbesondere schrittweise gesintert werden. Es kann jedoch ebenso bevorzugt sein, dass der komplette Körper in einem Schritt gesintert wird.
• Das zu sinternde Material ist vorzugsweise ein Pulver. Das bedeutet insbesondere, dass das Rohmaterial, z. B. ein Metall, in Form eines Pulvers und/oder eines Granulats vorliegt und vorzugsweise eine Vielzahl kleiner, fester Partikel wie z. B. Körner oder Kugeln umfasst. Diese Partikel können z. B. eine Größe (z. B. Durchmesser) von 3 Millimetern (mm) oder kleiner, 2 mm oder kleiner, 1 mm oder kleiner, 0,5 mm oder kleiner, 0,1 mm oder kleiner aufweisen. Das Sintern des Pulvers wird vorzugsweise in einem Kasten vorgenommen. Ein Kasten ist ein vorzugsweise dreidimensionaler Behälter, welcher insbesondere nach außen mindestens seitlich durch Wände begrenzt ist, jedoch innen einen Hohlraum aufweist, welcher im Wesentlichen nach außen durch die Innenflächen der vorzugsweise dünnen Wände begrenzt ist. Vorzugsweise umfasst der Kasten an einem unteren Enden einen Boden. Insbesondere ist ein Kasten nach oben geöffnet. Es ist besonders bevorzugt, dass der Kasten eine im Wesentlichen quaderförmige Form aufweist. Auch eine runde Form kann bevorzugt sein, wobei jedoch der Boden vorzugsweise eben ist. In einem Kasten kann das Pulver bzw. die Pulverschicht besonders gut und stabil räumlich angeordnet werden.
• Vorzugweise umfasst der Boden ein Substrat und/oder ist austauschbar. Hierdurch soll in erster Linie verhindert werden, dass ein gesinterter Körper direkt am Boden des Kastens haftet. Vorteilhafterweise ist das Substrat schnell austauschbar und kann so die Zykluszeit für die Herstellung eines Körpers verkürzen. Das Substrat umfasst bevorzugt mindestens eine Elektrode, die vorzugsweise sogenannte Gegenelektrode. Dafür weist das Substrat vorzugsweise ein geeignetes Elektrodenmaterial auf, welches insbesondere elektrisch leitfähig und/oder ausreichend hitze- und/oder druckbeständig ist. Vorzugsweise umfasst die Elektrode einen gesamten Bereich des Substrats, welcher mit einem eingebrachten, zu sinternden Pulver in Kontakt steht. Die Elektrode umfasst vorzugsweise Kontaktierungen und/oder Anschlüsse, um das Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stromes zu ermöglichen.
• Es können vorzugsweise verschiedene Kastentypen eingesetzt werden: bodenlos, Kastenform, wobei entweder ein vertikal beweglicher Hubtisch eingesetzt wird, der innerhalb der Kastenform bzw. den Kasten verfährt und/oder wobei eine Substratplatte unter dem Kasten anliegt, oder ein Kasten mit festem Boden und an einer oder mehreren Seiten zu öffnenden Wänden.
• Das Substrat kann bevorzugt außerdem als Referenzgeometrie dienen, um eine schnelle Einspannung und Ausrichtung für dem Sintern angeschlossene zerspanende Prozesse zu ermöglichen.
• Es wird vorzugsweise mindestens eine Pulverschicht in den Kasten eingebracht, um einen Körper, vorzugsweise eine Körperschicht zu sintern. Eine Pulverschicht kann vorzugsweise innerhalb einer vorzugsweise durch den inneren Hohlraum des Kastens vorgegebene ebenen Fläche in Richtung senkrecht zu der Fläche nur ein einziges Pulverpartikel umfassen. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass eine ebene Pulverschicht eine bevorzugte Höhe aufweist, z. B. ungefähr 0,1 mm oder weniger, 0,2 mm oder weniger,.0,3 mm oder weniger, 0,4 mm oder weniger, 0,5 mm oder weniger, 0,6 mm oder weniger, 0,7 mm oder weniger, 0,8 mm oder weniger, 0,9 mm oder weniger, 1 mm oder weniger, 2 mm oder weniger, 3 mm oder weniger, 4 mm oder weniger, 5 mm oder weniger, 6 mm oder weniger, 7 mm oder weniger, 8 mm oder weniger, 9 mm oder weniger, 1 Zentimeter (cm) oder weniger, 2 cm oder weniger, 3 cm oder weniger, 4 cm oder weniger, 5 cm oder weniger, 6 cm oder weniger, 7 cm oder weniger, 8 cm oder weniger, 9 cm oder weniger, 10 cm oder weniger etc. Durch Einbringen mindestens einer Pulverschicht kann vorzugsweise aus mindestens dieser eine Körperschicht eines zu sinternden Körpers geformt werden, so dass z. B. das Sintern eines Körpers schichtweise vorgenommen wird. Dabei kann vorzugsweise nach jeder Pulverschicht, welche gesintert wird, eine neue Pulverschicht eingebracht werden, welche auf die bereits zumindest teilweise gesinterte Schicht aufgebracht wird und mit dieser beim Sintern zumindest teilweise verbunden wird, wobei vorzugsweise eine weitere Schicht eines zu sinternden Körpers erzeugt wird. Soll bevorzugt ein gesamter Körper innerhalb eines Sinterprozesses geformt werden, kann die Pulverschicht vorzugsweise hoch genug sein, um eine entsprechende Höhe des zu formenden Körpers zu umfassen oder aber es werden ausreichend viele Pulverschichten in den Kasten eingebracht.
• Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 40%, bevorzugt weniger als ± 20%, besonders bevorzugt weniger als ± 10 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 5% und insbesondere weniger als ± 1%. Ähnlich beschreibt bevorzugt Größen die ungefähr gleich sind. Teilweise beschreibt bevorzugt zu mindestens 5 %, besonders bevorzugt zu mindestens 10 %, und insbesondere zu mindestens 20 %, in einigen Fällen zu mindestens 40 %.
• Die eingebrachte Pulverschicht umfasst bevorzugt mindestens ein elektrisch leitfähiges Gebiet umfassend ein elektrisch leitfähiges Pulver. Nur elektrisch leitfähiges Pulver kann vorzugsweise in dem beschriebenen Prozess gesintert werden. Somit kann nur ein elektrisch leitfähiges Gebiet gesintert werden. Ein elektrisch leitfähiges Pulver kann vorzugsweise ein Metall umfassen. Es kann bevorzugt sein, dass die komplette Pulverschicht ein elektrisch leitfähiges Pulver umfasst.
• Dann wird vorzugsweise in einem Sinterprozess die gesamte Schicht gesintert oder aber durch räumliche Anordnung der oberen Elektrode und/oder der unteren Gegenelektrode wird ein Strompfad vorgegeben, durch den der Strompfad innerhalb der Pulverschicht und somit eine Form der gesinterten Körperschicht vorgegeben wird. Es kann ebenso bevorzugt sein, dass innerhalb der Pulverschicht nur ein (Teil-) Bereich ein elektrisch leitfähiges Pulver umfasst. Nur ein elektrisch leitfähiges Gebiet kann vorzugsweise gesintert werden. Sind beide Elektroden flächig und kontaktieren vorzugsweise eine komplette obere und/oder eine untere Grenzfläche des Pulvers, wird vorzugsweise im Wesentlichen das gesamte (elektrisch) leitfähige Gebiet gesintert. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass durch zusätzliche räumliche Anordnung von Elektroden, welche nicht die komplette obere und/oder untere Grenzfläche der Pulverschicht kontaktieren, gesteuert wird, ob ein elektrisch leitfähiges Gebiet zumindest teilweise durch eine aktivierte Elektrode kontaktiert und somit von einem Strompfad umfasst ist oder nicht. Vorzugsweise wird bei Vorliegen mindestens eines elektrisch leitfähigen Gebiets, welches nicht die gesamte Pulverschicht umfasst, diese von der restlichen Pulverschicht umgeben, welche nicht elektrisch leitfähiges Pulver umfasst. Dabei kann vorzugsweise das elektrisch leitfähige Gebiet innerhalb der Schicht gut gegen eine laterale Bewegung und/oder ein „Abrutschen“ abgesichert werden, welches bei seitlichen Begrenzungen von Pulverschichten regelmäßig vorkommen kann. Vorzugsweise ist jedoch so die gesamte Pulverschicht seitlich durch die Wände des Kastens begrenzt und wird an einem Abrutschen und/oder an einer (lateralen) Bewegung gehindert. Das elektrisch nicht leitfähige Pulver weist dabei vorzugsweise ähnliche Eigenschaften auf wie das leitfähige Pulver, insbesondere bezüglich der Masse, der Partikelgröße, der Fließeigenschaften und/oder Oberflächeneigenschaften der Partikel.
• An einer (Gegen-) Elektrode, die aktiviert ist, liegt insbesondere eine Spannung an, welche geeignet ist, ein durch sie kontaktiertes elektrisch leitfähiges Gebiet einer Pulverschicht durch einen Strompfad von dieser Elektrode durch das Gebiet auf eine gegenüberliegende Elektrode zu sintern. Damit dieses Sintern durch einen Strompfad auch tatsächlich stattfindet, muss die gegenüberliegende Elektrode ebenfalls aktiviert sein. Eine anliegende Spannung ist insbesondere definiert in Beziehung zu einer gegenüberliegenden Elektrode. Der Fachmann weiß, dass eine Spannung vorzugsweise zwischen zwei Punkten mit einem relativen elektrischen Potentialunterschied zueinander definiert ist. Eine gegenüberliegende Elektrode zu einer Elektrode ist vorzugsweise eine Elektrode, welche durch einen Strompfad mit der Elektrode elektrisch verbindbar ist, wobei insbesondere beide Elektroden nicht in einer Ebene, z. B. oberhalb der Pulverschicht oder vom Substrat umfasst, vorliegen. Bevorzugt liegt ein Strompfad zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode vor.
• Es können vorzugsweise ebenso mehrere Strompfade umfasst sein, wobei bevorzugt jeder nicht mit einem anderen Strompfad in Verbindung stehende Strompfad zwischen mindestens einer Elektrode und/oder Gegenelektrode als einzelner Strompfad bezeichnet wird.
• Vorzugsweise wird das Pulver nach Einbringen der mindestens einen Pulverschicht verdichtet, insbesondere durch einen Pressprozess. Dabei wird z. B. ein Presselement von oben auf die Pulverschicht aufgelegt, bspw. ein Stempel, welcher aufgrund seiner Gewichtskraft und/oder durch eine zusätzlich erzeugte Kraft (z. B. hydraulisch, mechanisch und/oder elektrisch) einen Druck auf die zwischen dem fest positionierten Substrat und dem Presselement ausgeübt wird.
• Dadurch werden vorzugsweise Hohlräume zwischen einzelnen Pulverpartikel verdichtet und/oder verkleinert und/oder das Pulver selber bzw. die Partikel komprimiert. Ein Verdichten findet vorzugsweise uniaxial, d. h. bevorzugt in eine Richtung, insbesondere von oben nach unten und/oder umgekehrt statt.
• Beim Verdichten können vorzugsweise Drücke im Bereich zwischen 1 Megapascal (MPa) und 10 Gigapascal (GPa) zur Anwendung kommen.
• Anschließend wird vorzugsweise zwischen mindestens einer auf der Pulverschicht aufliegenden aktivierbaren aktivierten Elektrode und der aktivierten Gegenelektrode ein Strompfad durch einen Bereich des elektrisch leitfähigen Gebiets erzeugt. Dabei wird bevorzug beidseitig mindestens eine Elektrode aktiviert, von der insbesondere zumindest eine Elektrode eine Gegenelektrode ist, so dass durch die zwischen diesen Elektroden vorliegende Spannung bevorzugt einen Strompfad durch ein elektrisch leitfähiges Gebiet der Pulverschicht erzeugt, sofern dieses zwischen den Elektroden vorliegt.
• Die Unterscheidung zwischen einer aktivierbaren (Gegen-) Elektrode und einer aktivierten (Gegen-) Elektrode ist vorzugsweise nicht nur zu einer zeitlichen Unterscheidung dieser beiden möglichen Zustände einer Elektrode relevant, sondern auch zur Unterscheidung mehrerer aktivierbarere Elektroden und/oder Gegenelektroden, z. B. in einer Matrixanordnung, von denen zu einem Zeitpunkt nicht alle aktiviert sind und durch diese räumliche Auswahl an aktivierten Elektroden und/oder Gegenelektroden eine Steuerung des Strompfades bzw. dessen räumlicher Ausdehnung vorgenommen wird.
• Mindestens eine Elektrode kann vorzugsweise in einem Presselement, z. B. in einem Stempel, integriert sein. Dadurch kann insbesondere auch eine Verdichtung vorgenommen werden, während ein Strompfad joulesche Wärme in der Pulverschicht produziert. Es kann dabei jedoch auch bevorzugt sein, dass der Verdichtungsprozess zu einem bevorzugten Zeitpunkt vor oder während eines erzeugten Strompfades beendet wird und das Presselement nur noch so auf der Pulverschicht aufliegt, dass vorzugsweise ein elektrischer Kontakt zwischen den Elektroden und der Pulverschicht herstellbar ist, aber im Wesentlichen oder teilweise kein Druck mehr auf die Pulverschicht durch das Presselement ausgeübt wird.
• Es kann ebenso bevorzugt sein, dass die mindestens eine Elektrode ein separates Element umfasst, welches nach Verdichten durch das Presselement auf die Pulverschicht aufgelegt wird. Auflegen bedeutet insbesondere, dass ein elektrischer Kontakt zwischen der mindestens einen Elektrode und der Pulverschicht zu Erzeugung eines Strompfades herstellbar ist. Damit dieses Aufliegen im Wesentlichen erreicht wird, kann es bevorzugt sein, dass das die Elektrode umfassende Element vorzugsweise zumindest einen leichten Druck auf die Pulverschicht ausübt. Es muss dabei jedoch vorzugsweise nicht jedes einzelne Partikel eines elektrisch leitfähigen Gebiets, welches an einer oberen Grenzschicht der Pulverschicht vorliegt, kontaktiert werden, da die produzierte joulesche Wärme und/oder der Stromfluss auch durch benachbarte Partikel an das nicht kontaktierte Partikel weitergegeben werden kann und so das jeweilige Partikel trotzdem aktiv an einem Sinterprozess teilnimmt bzw. gesintert wird.
• Es kann bevorzugt sein, dass das Verdichten und ein Stromimpuls (die Erzeugung eines Strompfades) separat erfolgen. Bevorzugt wird ein Presselement schlagartig auf die Pulverschicht auftreffen, um eine größere Verdichtung zu erreichen und die Zykluszeit zu verringern.
• Es kann bevorzugt sein, eine konstante (Mindest-) Kraft (bzw. einen Druck) während des gesamten Prozesses auf der Pulverschicht aufrecht zu erhalten, um durch eine vorzugsweise Verschmelzung, z. B. eines metallischen Pulvers (= Volumenabnahme) und einem bevorzugten nachfolgenden Nachsetzen des Pulvers den Kontakt zwischen Stempel und Pulver zu gewährleisten.
• Eine Form der so erzeugten Körperschicht wird insbesondere durch eine räumliche Steuerung des Strompfades kontrolliert. Die Körperschicht kann dabei vorzugsweise den kompletten herzustellenden Körper umfassen. Ebenso kann der Körper durch eine schichtweise Herstellung einzelner vom fertigen Körper umfasster Körperschichten erzeugt werden. Eine Körperschicht ist dabei vorzugsweise in einer Ebene mit der Pulverschicht angeordnet und umfasst das mindestens eine von mindestens einem Strompfad umfasste Gebiet der Pulverschicht. Die räumliche Steuerung des Strompfads wird dabei vorteilhafterweise durch eine Steuerung einer räumlichen Anordnung von aktivierter Elektrode, aktivierter Gegenelektrode und elektrisch leitfähigem Gebiet vorgenommen wird. Dabei können z. B. aktivierte Elektrode und Gegenelektrode flächig sein und die gesamte obere und untere Grenzfläche umfassen, wobei die Pulverschicht jedoch nicht durchgängig elektrisch leitfähig ist, sondern in einer bevorzugten räumlichen Anordnung mindestens eines elektrisch leitfähigen Gebiets. Dann wird ein Strompfad bevorzugt im Wesentlichen nur dieses Gebiet und die Form einer gesinterten Körperschicht im Wesentlichen durch die Form dieses Gebiets gegeben sein. Dies wird vorzugsweise als räumliche Steuerung des Strompfads durch Steuerung der räumlichen Anordnung des elektrisch leitfähigen Gebiets bezeichnet. Die räumliche Anordnung des leitfähigen Gebiets wird dabei vorzugsweise durch eine ausreichend genaue Steuerung der räumlichen Anordnung eines leitfähigen und eines nicht leitfähigen Pulvers innerhalb der Schicht erreicht.
• Im Folgenden wird vorzugsweise die räumliche Steuerung des Strompfads durch Steuerung der räumlichen Anordnung der aktivierten Elektrode und/oder Gegenkathode beschrieben. Dabei ist bevorzugt, dass mindestens die Elektrode eine räumlich deutlich geringere Ausdehnung hat als die Fläche der Pulverschicht und die Elektrode in einem die obere Grenzfläche der Pulverschicht umfassenden Gebiet im Wesentlichen frei in x- und/oder y-Richtung translatierbar ist und/oder von einer Matrix von in x- und/oder y-Richtung verteilter gleichartiger Elektroden ist, welche separat ansteuerbar und aktivierbar ist. Ist die gesamte Pulverschicht vorzugsweise elektrisch leitfähig, wird ein Strompfad vorzugsweise nur zwischen einer aktivierten Elektrode und der Gegenelektrode realisiert, wobei der Strompfad bezüglich der räumlichen Querschnittsausdehnung innerhalb der Pulverschicht im Wesentlichen von der räumlichen Ausdehnung der mindestens einen aktivierten Elektrode bestimmt wird bzw. mit dieser übereinstimmt. Bezüglich der räumlichen Ausdehnung des Strompfades in Richtung von der Elektrode zur Gegenelektrode wird die Richtung der Ausdehnung vorzugsweise im Wesentlichen durch eine gerade Verbindung zwischen aktivierter Elektrode und Gegenelektrode vorgegeben. Es kann bevorzugt sein, dass die mindestens eine Gegenelektrode ebenso wie oben beschrieben bevorzugt die Elektrode in x- und/oder y-Richtung translatierbar ist oder von einer Matrixanordnung von Elektroden umfasst ist. So kann vorzugsweise auch ein Strompfad realisiert werden, welcher z. B. in Richtung von Elektrode zur Gegenelektrode eine gerade Verbindung zwischen beiden darstellt, welche schräg verläuft und/oder es können Strukturen hergestellt werden, welche sich innerhalb der Pulverschicht verjüngen, wenn z. B. die räumliche Ausdehnung einer aktivierten Gegenelektrode geringer ist als die einer gegenüberliegenden aktivierten Elektrode.
• Es kann auch bevorzugt sein, die räumliche Steuerung des Strompfades durch eine Steuerung der räumlichen Anordnung von Elektrode und/oder Gegenelektrode und Steuerung der räumlichen Anordnung mindestens einen leitfähigen Gebiets innerhalb der Pulverschicht zu realisieren. So kann eine besonders gute räumliche Steuerung des Strompfades realisiert werden.
• Eine minimale Auflösung der Formgebung einer hergestellten Körperschicht, also vorzugsweise die minimale beeinflussbare Größe von Strukturen innerhalb der Form wird dabei vorzugsweise durch die Genauigkeit bestimmt, mit der ein elektrisch leitfähiges Gebiet angeordnet werden kann und/oder einer räumlichen Ausdehnung sowie der Genauigkeit der räumlichen Anordnung von Elektrode und/oder Gegenkathode.
• Vorzugsweise wird mit dem Verfahren immer nur eine Pulverschicht gesintert, dann eine neue Pulverschicht eingebracht und ebenso gesintert. Insbesondere durch die verbesserte elektrische Leitfähigkeit der bereits gesinterten Struktur fungiert diese dabei lokal vorzugsweise als verlängerte Gegenelektrode (Prinzip „Blitzableiter“), durch welche der Strompfad von einer aktivierten Elektrode für die nächste Schicht verlaufen wird. Ein Aufschmelzen von bereits gesinterten Strukturen ist durch die erhöhte thermische Leitfähigkeit und/oder des verringerten ohmschen Widerstandes der selbigen vorzugsweise ausgeschlossen.
• Vorzugsweise wird die Steuerung des Strompfades durch eine räumliche Anordnung von Elektrode, Gegenelektrode und/oder elektrisch leitfähigem Gebiet vorgenommen. Wenn Elektrode und/oder Gegenelektrode flächig sind und die gesamte obere bzw. untere Fläche einer Pulverschicht umfassen, wird die Steuerung des Strompfades vorzugsweise durch die Steuerung der räumlichen Anordnung eines nach Wunsch geformten elektrisch leitfähigen Gebiets innerhalb der Pulverschicht vorgenommen. Wenn Elektrode und/oder Gegenelektrode nicht flächig sind und gezielt durch Aktivierung und/oder Relativbewegung an einer bestimmten Stelle räumlich angeordnet werden, um den Strompfad (u. a.) hierdurch zu kontrollieren, spricht man jedoch vorzugsweise von einer räumlichen Anordnung der Elektrode und/oder Gegenelektrode. Wenn der Strompfad vor allem oder auch durch die räumliche Anordnung eines elektrisch leitfähigen Gebiets vorgenommen wird, spricht man vorzugsweise von der räumlichen Anordnung des elektrisch leitfähigen Gebiets. Die genaue Konstellation der räumlichen Anordnung (z. B. durch eine räumlich begrenzte Elektrode, welche innerhalb einer Matrix aktiviert wird und/oder an eine Stelle bewegt und dann aktiviert wird und/oder durch ein genaues Einbringen eines räumlich begrenzten elektrisch leitfähigen Gebiets innerhalb der Pulverschicht oder durch eine Kombination beider Möglichkeiten) kontrolliert dabei vorzugsweise den Strompfad räumlich.
• Durch das Verfahren können vorzugsweise auch Bleche verschweißt werden, wie weiter unten beschrieben wird. Mit den selektiv steuerbaren Strompfaden kann jeder Punkt simultan oder nacheinander gesintert oder geschweißt werden. Durch die Verwendung von Grundmaterial in bestimmter Form (formlos: Pulver, einfach: konturiertes Blech) sind somit keine formgebundenen Werkzeuge notwendig.
• Durch die größeren Auftragsschichten bzw. Blechdicken (Größenordnung von Millimetern) ist eine sehr hohe Auftragsrate möglich.
• Prinzipiell sind mit den höheren Auftragsraten auch größere Bauvolumina wirtschaftlich.
• Durch das schichtweise Auftragen können bevorzugt auch komplexe Strukturen und Kavitäten innerhalb des Bauteils integriert werden. Für eine erweiterte Funktionalität können Bauteile Kavitäten (z.B. Kühlkanäle) aufweisen, welche mit dieser Erfindung ebenfalls realisierbar sind. In Kavitäten befindliches elektrisch isolierendes Pulver wird bevorzugt mittels eines Fluides herausgespült bzw. aufgelöst. Sind verschlossene Hohlräume gefordert, dann wird das Bauteil durch das stromunterstützte Sintern vorzugsweise nur an einer Stelle offen gelassen. Diese Öffnung wird in ihrer Größe so gewählt, dass das im Inneren des Bauteils befindliche elektrisch isolierende Pulver herausgespült, gelöst oder herausgesaugt werden kann. Nach dem Extrahieren des Isolatorwerkstoffes wird bevorzugt die Öffnung mittels Auftragsschweißen oder ähnlichen Verfahren verschlossen.
• Durch den minimal notwendigen Wärmeeintrag (kurze Stromstöße im Bereich Millisekunden bis Sekunden) entstehen in dem Bauteil nur sehr geringe thermische Spannungen und damit kein bzw. ein sehr geringer Verzug. Somit sind Nachbehandlungen (z.B. Spannungsarmglühen) nicht notwendig. Außerdem ist die Rissgefahr während des Herstellungsprozesses vermindert. Nach dem stromunterstützten Sintern kann bevorzugt durch nachfolgende Stromstöße in der gleichen Sinteranlage eine Wärmebehandlung erfolgen und damit ein genaues Gefüge eingestellt und die mechanischen Eigenschaften beeinflusst werden. Damit entfällt bevorzugt die Notwendigkeit einer eigenständigen Vorrichtung für die Wärmebehandlung und die Prozesszeit wird weiter verringert. Durch das direkte Einbringen der elektrischen Energie in den Werkstoff wird beim stromunterstützen Sintern nur eine geringe Wärme an die Umgebung abgeführt, womit sich ein sehr guter Wirkungsgrad ergibt. Mit dem Sintern können auch artfremde Werkstoffe miteinander gefügt werden. Dies verspricht neue Anwendungsfelder und integrierbare Funktionalitäten, da die Kombination lokal erfolgt bzw. die verschiedenen Werkstoffe gezielt im Bauteil verteilt werden können, wie z.B. für Multi-Material-Mix oder integrierte Heizelemente aus Kupfer.
• Weitere allgemeine Vorteile sind:
• - Beim stromunterstützen Sintern wird ein homogenes Gefüge realisiert, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials erreicht oder übertroffen werden.
• - Übriggebliebenes Pulver (z. B. Metall- und/oder Keramikpulver) kann nach einer Wiederaufbereitung (teilweise) weiter verwendet werden. Somit erreicht man eine optimale Ressourceneffizienz.
• - Durch das räumlich verteilte Pulver sind keine Stützstrukturen notwendig. Z. B. ermöglicht das nicht gesinterte Pulver eine Stützwirkung, mit der beim Pressvorgang keine signifikante Deformation der bereits erzeugten Strukturen auftritt.
• - Bei Verwendung von sehr kleinen Pulverpartikel-Durchmessern können vorzugsweise sehr geringe Maßtoleranzen erreicht werden, was den anschließenden Zerspanungsaufwand reduziert.
• - Durch Sintern lässt sich die Porosität einstellen. Dadurch können Bauteile mit Poren gefertigt werden, z.B. Katalysatoren, Filterelemente oder medizinische Implantate.
• Anwendungsbeispiele des erfinderischen Sinterprozesseses sind: Motorenbau (z.B. Motorgehäuse und Kolben), Herstellung von Karosseriebauteilen und Tragstrukturen im Automobil- und Luftfahrzeugbau, Leichtbauteile mit bionischem Design, Massive Gestelle für Fertigungsmaschinen oder ähnlichem, Umformwerkzeuge mit integrierten Funktionen, z:B. Kühl- und Heizelemente), Fahrwerksteile (z.B. Achsschenkel), Dekorative Freiformelemente (mit Stützwirkung) in der Architektur, medizinische Implantate, Katalysatoren und Filterelemente.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Steuerung der räumlichen Anordnung der aktivierten Elektrode und/oder Gegenelektrode durch Aktivierung mindestens einer Elektrode und/oder Gegenelektrode innerhalb einer in x- und/oder y-Richtung angeordneten Matrix von Elektroden und/oder Gegenelektroden vorgenommen, wobei das elektrisch leitfähige Gebiet mindestens ein Pulvervolumen zwischen aktivierter Elektrode und aktivierter Gegenelektrode umfasst.
• Ein Pulvervolumen umfasst vorzugsweise mindestens einen Bereich mindestens einer Pulverschicht.
• Eine Matrix von Elektroden umfasst dabei vorzugsweise eine lineare (entlang einer Linie) Anordnung von Elektroden in x- und/oder y-Richtung. Dabei kann die räumliche Anordnung bevorzugt nur in x- Richtung oder y-Richtung vorliegen oder aber eine Anordnung in beide Richtungen kombinieren. X- und y-Richtung sind vorzugsweise zwei zueinander senkrechte Richtungen innerhalb einer Ebene, welche parallel zu dem Substrat und/oder der Pulverschicht vorliegt. Umfasst die Matrix angeordnete, aktivierbare (Gegen-) Elektroden in x- und y-Richtung, ist besonders bevorzugt, dass durch die von der Matrix umfassten Elektroden die obere (untere) Grenzfläche der Pulverschicht im Wesentlichen abgedeckt werden kann. Dabei wird das Verhältnis des von den (Gegen-) Elektroden umfassten Flächenanteils an der Gesamtfläche vorzugsweise des Presselements, z.B. eines Stempels, bevorzugt Elektrodendichte genannt. Die minimale Auflösung der Formgebung wird dabei vorzugsweise bestimmt durch die Fläche der einzelnen Elektroden, die Anzahl der Elektroden in einer Matrix und/oder die Elektrodendichte. Dabei können z. B. einzelne Elektroden im Wesentlichen punktförmig sein, in großer Anzahl vorhanden sein und eine Elektrodendichte von im Wesentlichen 1 aufweisen. Es kann jedoch bevorzugt ebenfalls eine Flächendichte für die Dichte der auf einer Gesamtfläche angeordneten Elektroden angegeben werden. Dieser beträgt vorzugsweise 1/mm². Dann ist vorteilhafterweise eine große Auflösung der Formgebung möglich. Die Elektroden können vorzugsweise eine runde Ausdehnung haben. Vorzugsweise können die Elektroden auch rechteckig sein. Es ist dem Fachmann klar, dass Ausführungen für in Matrizen angeordnete Elektroden auch für Gegenelektroden gültig sein können und umgekehrt. Es kann dabei bevorzugt sein, dass jeweils nur Elektroden oder Gegenelektroden in einer Matrix angeordnet sind und die Gegenelektrode oder Elektrode ein einzelnes, flächiges Element umfasst, welches vorzugsweise die gesamte untere oder obere Grenzschicht der Pulverschicht umfasst.
• Die Größe der Elektrode beschreibt dabei vorzugsweise einen Durchmesser oder eine Länge der breitesten Stelle des Querschnitts. Dabei ist bevorzugt, dass die Elektrode eine Größe aufweist von 0,01 mm oder weniger, 0,02 mm oder weniger, 0,03 mm oder weniger, 0,04 mm oder weniger, 0,05 mm oder weniger, 0,06 mm oder weniger, 0,07 mm oder weniger, 0,08 mm oder weniger, 0,09 mm oder weniger, 0,1 mm oder weniger, 0,2 mm oder weniger, 0,3 mm oder weniger, 0,4 mm oder weniger, 0,5 mm oder weniger, 0,6 mm oder weniger, 0, 7mm oder weniger, 0, 8 mm oder weniger, 0,9 mm oder weniger, 1 mm oder weniger, 2 mm oder weniger, 3mm oder weniger, 4 mm oder weniger, 5 mm oder weniger, 6 mm oder weniger, 7 mm oder weniger, 8 mm oder weniger, 9 mm oder weniger, 1 cm oder weniger, 2 cm oder weniger, 3 cm oder weniger, 4 cm oder weniger, 5 cm oder weniger, 6 cm oder weniger, 7 cm oder weniger, 8 cm oder weniger, 9 cm oder weniger oder 10 cm oder weniger.
• Dabei kann jede Elektrode separat angesteuert bzw. aktiviert werden, wobei ein Strompfad vorzugsweise durch alle Elektroden gesteuert wird, welche gleichzeitig aktiviert sind.
• Es kann bevorzugt sein, eine Form einer Körperschicht durch nacheinander aktivierte Elektroden, welche in einer Matrize umfasst sind, zu realisieren. Vorzugsweise können auch mehrere Elektroden gleichzeitig aktiviert werden. Da alle aktivierten Elektroden vorzugsweise das gleiche elektrische Potential aufweisen, kann die Gefahr eines Kurzschlusses bzw. eines Strompfades zwischen zwei Elektroden vorzugsweise ausgeschlossen werden. Dabei nimmt ein Strompfad vorzugsweise immer im Wesentlichen einen kürzesten Weg bzw. einen Weg des geringsten (ohmschen) Widerstands zwischen einer aktivierten Elektrode und einer aktivierten Gegenelektrode. Ein Strompfad befindet sich vorzugsweise immer zwischen mindestens einer Elektrode und mindestens einer Gegenelektrode.
• Es kann jedoch auch in einer Ausführungsform bevorzugt sein, dass auch Elektroden (vorzugsweise in der gleichen Ebene) im Werkzeug als Gegenelektrode geschaltet werden, damit z.B. zwischen jeweils einer positiven und einer negativen Elektrode eine Struktur generiert werden kann und man somit bevorzugt von einem gemeinsamen einzelnen Gegenelektrode (z.B. Substrat des Hubtisches) unabhängig ist.
• Es kann bevorzugt sein, dass Elektroden in einer Matrix nur in x- oder y-Richtung angeordnet sind. Dann kann vorzugsweise durch die Möglichkeit einer Relativbewegung zwischen Kasten und Matrix auch eine senkrecht zur Matrix liegende Stelle der Pulverschicht durch eine so angeordnete Elektrode kontaktiert werden.
• Sowohl Elektrode als auch Gegenelektrode können vorzugsweise eine beliebige Polarität aufweisen. Insbesondere kann an diesen auch eine Wechselspannung bzw. ein Wechselstrom anliegen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Steuerung der räumlichen Anordnung der aktivierten Elektrode und/oder Gegenelektrode durch eine vorhergehende Relativbewegung in x- und/oder y-Richtung zwischen mindestens einer aktivierten Elektrode und dem Kasten und/oder mindestens einer aktivierten Gegenelektrode und dem Kasten vorgenommen, wobei das elektrisch leitfähige Gebiet an die aktivierte Elektrode und/oder Gegenelektrode angrenzt.
• Dabei kann es bevorzugt sein, dass die Elektrode in x- und/oder y-Richtung translatiert wird, wobei der Kasten fest in einem Gehäuse bzw. Chassis einer Sintervorrichtung installiert vorliegt.
• Es kann ebenso bevorzugt sein, dass der Kasten horizontal in x- und/oder y-Richtung translatierbar ist, um eine Relativbewegung zwischen Kasten und Elektrode und somit eine räumliche Anordnung der Elektrode zu erreichen. Ebenso können bevorzugt beide Elemente zueinander bewegt werden. Die Elektrode hat dabei bevorzugt eine räumlich deutlich kleinere Ausdehnung als die Querschnittsfläche des Kastens bzw. die obere Grenzfläche des Pulvers, an der die Elektrode das Pulver kontaktiert. Bevorzugt ist durch die Relativbewegung im Wesentlichen jeder Punkt der oberen Grenzfläche des Pulvers erreichbar. In gleichem Maße kann die Gegenelektrode bevorzugt in einer Relativbewegung zum Kasten angeordnet werden. Dabei kann es jedoch bevorzugt sein, dass eine Translation der Gegenelektrode durch eine durch die Schwerkraft auf dem Substrat aufliegende Pulverschicht erschwert wird. Daher kann es auch bevorzugt sein, dass eine Gegenelektrode, die von dem Substrat umfasst ist, mindestens ein frei bewegliches Gegenelektrodenelement unterhalb des vorzugsweise fest installierten Substrats aufweist, wobei dieses Element das Substrat von unten vorzugsweise kontaktiert und wobei das Substrat vorzugsweise leitend ist. Dabei nimmt ein Strompfad vorzugsweise insbesondere einen Weg des geringsten Widerstands und breitet sich so von einer aktivierten Elektrode durch die Pulverschicht zu dem aktivierten Gegenelektrodenelement durch das Substrat aus. So kann vorzugsweise eine räumliche Anordnung der Gegenelektrode vorgenommen werden, ohne dass diese eine physische Kraft bei einer seitlichen Relativbewegung auf die Pulverschicht ausüben muss. Bei einer räumlichen Anordnung der Elektrode kann es bevorzugt sein, dass die Elektrode oder ein Element, welches die Elektrode umfasst, bei einer Relativbewegung leicht angehoben wird und/oder in einer Position oberhalb der Pulverschicht ohne Kontakt zu dieser bewegt wird. So kann ebenfalls verhindert werden, dass durch die (seitlich bewegte) Elektrode eine physische Kraft auf die Pulverschicht ausgeübt wird. (Gegen-) Elektrode und/oder Kasten können dabei durch Mittel des Standes der Technik, wie z. B. elektrische (Schritt-) Motoren, hydraulische und/oder pneumatische Anordnungen bewegt werden.
• Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt insbesondere in der Kombination des Sinter- bzw. Widerstandspressschweißprozesses (bei der bevorzugten Ausführungsform zum Verschweißen von Blechen) mit einer innovativen Vorrichtung und räumlichen Anordnung zur Ansteuerung bzw. Bewegung von Elektroden zur gezielten Generierung von Sinter-/ Schweißpunkten durch selektiv steuerbare Strompfade. Mit den selektiv steuerbaren Strompfaden lassen sich bestimmte Bereiche verbinden, um einen definierten Körper schichtweise zu erzeugen. Der Grundwerkstoff wird dabei in Form von Pulver oder vorkonturierten Blechen zugeführt.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das elektrisch leitfähige Gebiet die gesamte Pulverschicht, wobei das elektrische leitfähige Pulver über ein Schüttwerk eingebracht wird, wobei das Pulver gleichmäßig innerhalb der Pulverschicht verteilt wird. Hierdurch kann die Form der Körperschicht durch eine Steuerung der Strompfade kontrolliert werden, indem eine räumliche Anordnung von aktivierter Elektrode und/oder Gegenelektrode vorgenommen wird. Die Pulverschicht kann gleichzeitig durch das Schüttwerk und die gleichmäßige Einbringung von elektrisch leitfähigem Pulver besonders einfach und schnell vorgenommen werden.
• Es kann ebenso bevorzugt sein, dass anstelle eines Pulvers mindestens zwei leitfähige Bleche im Kasten eingebracht bzw. positioniert wird. Dabei wird die Steuerung des Strompfades bevorzugt durch die räumliche Anordnung der Elektrode und/oder der Gegenelektrode vorgenommen. Bei dieser Variante wird im Wesentlichen ein Blech mittels Laser zu einer passenden Kontur für die erste Schicht ausgeschnitten und auf dem Substrat platziert. Anschließend wird bevorzugt ein zweites Blech mittels Laser konturiert und als zweite Schicht auf das zuvor platzierte Blech aufgelegt. Anschließend erfolgt bevorzugt das Zusammenpressen beider Bleche, bspw. mittels Stempel und das Einleiten des Stromes bevorzugt durch Kontaktierung der Bleche mit einer Elektrode und/oder einer Gegenelektrode. Durch den flächigen Kontakt der Bleche und dem Stempel führt der Strom bevorzugt zu einer Aufschmelzung der Kontaktbereiche, die nach dem Ausschalten des Stromes erstarren. Es handelt sich somit um ein Pressschweißverfahren mit elektrischem Strom, welches bevorzugt über eine räumliche Steuerung des Strompfades kontrolliert wird. Dabei kann bevorzugt der Strompfad ebenso durch räumliche Anordnung der Kontaktbereiche der Bleche gesteuert werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Steuerung der räumlichen Anordnung des elektrisch leitfähigen Gebiets durch Einbringen des elektrisch leitfähigen Pulvers innerhalb des elektrisch leitfähigen Gebiets und Einbringen eines elektrisch isolierenden Pulvers außerhalb des elektrisch leitfähigen Gebiets vorgenommen, wobei das elektrisch leitfähige Gebiet an die aktivierte Elektrode und/oder Gegenelektrode angrenzt. Somit wird die Steuerung des Strompfades bevorzugt durch die räumliche Anordnung des elektrisch leitfähigen Gebiets erreicht. Dabei kann es bevorzugt sein, dass die aktivierte Elektrode und/oder Gegenelektrode ebenfalls angeordnet wird, damit das elektrisch leitfähige Gebiet an die aktivierte Elektrode und/oder Gegenelektrode angrenzt.
• Durch die Verwendung von Grundmaterial in Pulverform und der gezielten lokalen Pulververteilung des elektrisch leitfähigen Werkstoffes und des Isolatormaterials (elektrisch nicht leitfähiges bzw. isolierendes Pulver) sind vorteilhafterweise keine formgebundenen Werkzeuge notwendig. Dadurch können vorzugsweise Prozesszeiten verkürzt werden. Prinzipiell sind mit den höheren Auftragsraten bzw. kürzeren Prozesszeiten auch größere Bauvolumina wirtschaftlich. Dies wird durch die weiter unten beschriebene, innovative Pulverdosiervorrichtung (die Anordenbarkeit des elektrisch leitfähigen Gebiets, z. B. durch Verwendung von Pulverdüsen) und den schnellen Sinterprozess ermöglicht.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die aktivierbare Elektrode flächig auf der gesamten Pulverschicht auf und/oder die aktivierbare Gegenelektrode ist flächig und umfasst das Substrat. Diese Ausführungsform ermöglicht auf besonders einfache Weise die Steuerung eines Strompfades durch die räumliche Anordnung des elektrisch leitfähigen Gebiets.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Einbringen des elektrisch leitfähigen Pulvers innerhalb des Gebiets und/oder des elektrisch isolierenden Pulvers außerhalb des Gebiets ein punktweises Einbringen mindestens einer Schicht durch räumliche Anordnung mindestens einer aktivierten Pulverdüse oberhalb eines Einbringpunktes.
• Die räumliche Anordnung eines elektrisch leitfähigen Gebiets wird in dieser Ausführungsform insbesondere durch im Wesentlichen punktweises Einbringen des elektrisch leitfähigen Pulvers innerhalb des Gebiets und des elektrisch isolierenden Pulvers außerhalb des Gebiets erzielt. Dabei wird die minimale Auflösung der Formgebung der herzustellenden Körperschicht vorzugsweise durch die Genauigkeit bestimmt, mit der ein elektrisch leitfähiges Gebiet angeordnet werden kann, insbesondere der Ausdehnung eines Punktes beim punktweisen Einbringen. Ähnlich wie bei einem Bildschirm, wo die Auflösung eines gezeigten Bildes bei einer pixelweisen Auflösung vorzugsweise durch die Größe der Pixel bestimmt wird, ist vorliegend die Form der durch die zu sinternde Pulverschicht herzustellenden Körperschicht durch eine Auflösung dieser „Punkte“ bestimmt, die eine endliche Größe aufweisen. Diese wird vorzugsweise von der Größe der Pulverdüse bestimmt. Die Pulverdüse ist vorzugsweise eine Schüttvorrichtung mit einem verengten Querschnitt an der Austrittsstelle des Pulvers, wobei vorzugsweise das Pulver mit einem Druck ausgebracht werden kann, indem es beispielsweise mit einem Trägermedium, vorzugsweise Druckluft oder ein anderes mit Druck beaufschlagtes Gas aus der Düse ausgebracht wird. Der Druck ist dabei vorzugsweise größer als ein Atmosphärendruck einer Umgebung und/oder der Standardatmosphäre. Dadurch und/oder durch Verwendung eines Trägermediums kann die Positioniergeschwindigkeit und -genauigkeit beim Einbringen des Pulvers vorzugsweise verbessert werden. Vorzugsweise geschieht jedoch ein Einbringen eines Pulvers mit nicht zu hoher Geschwindigkeit und/oder nicht zu hohem Druck, um z. B. ein Wegtragen bereits verteilten Pulvers durch einen Pulvermassenstrom zu vermeiden. Die Größe der Pulverdüse bezieht sich vorzugsweise auf die Größe des verengten Querschnitts am Austritt der Düse. Dabei kann dieser vorzugsweise eine runde oder eine eckige, z. B. eine rechteckige Form aufweisen. Die Größe beschreibt dabei vorzugsweise einen Durchmesser oder eine Länge der breitesten Stelle des Querschnitts. Dabei ist bevorzugt, dass die Düse eine Größe aufweist von 0,01 mm oder weniger, 0,02 mm oder weniger, 0,03 mm oder weniger, 0,04 mm oder weniger, 0,05 mm oder weniger, 0,06 mm oder weniger, 0,07 mm oder weniger, 0,08 mm oder weniger, 0,09 mm oder weniger, 0,1 mm oder weniger, 0,2 mm oder weniger, 0,3 mm oder weniger, 0,4 mm oder weniger, 0,5 mm oder weniger, 0,6 mm oder weniger, 0, 7mm oder weniger, 0, 8 mm oder weniger, 0,9 mm oder weniger, 1 mm oder weniger, 2 mm oder weniger, 3mm oder weniger, 4 mm oder weniger, 5 mm oder weniger, 6 mm oder weniger, 7 mm oder weniger, 8 mm oder weniger, 9 mm oder weniger, 1 cm oder weniger, 2 cm oder weniger, 3 cm oder weniger, 4 cm oder weniger, 5 cm oder weniger, 6 cm oder weniger, 7 cm oder weniger, 8 cm oder weniger, 9 cm oder weniger oder 10 cm oder weniger. Bei dieser Ausführungsform wird bevorzugt jeder „Punkt“ einer Pulverschicht (welcher bevorzugt im Wesentlichen oder zumindest teilweise der Größe der Pulverdüse entspricht) durch räumliche Anordnung der Pulverdüse oberhalb dieses (Einbring-) Punktes realisiert. Dabei ist bevorzugt, dass die Pulverdüse einen vorzugsweise geringen vertikalen Abstand zu dem Einbringpunkt hat. So kann die Größe des Einbringpunktes gering gehalten werden und/oder die Präzision verbessert werden. Mit geringem vertikalem Abstand sind vorzugsweise Abstände in einem Bereich der soeben offenbarten Größen gemeint, wobei vorzugsweise kein Zusammenhang zwischen Abstand und Größe besteht.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zum Einbringen von Pulver ist durch einen vorzugsweise oberhalb des Kastens platzierten Pulverbehälter gegeben. Der Pulverbehälter wird zur Vibration gebracht, durch die sich die Pulverpartikel durch Rüttelbewegungen verschieben und den Pulverdüsen zugeführt werden können.
• Die Pulverdüse ist vorzugsweise konfiguriert, sowohl elektrisch leitfähiges Pulver als auch elektrisch isolierenden Pulver einzubringen. Dabei können auch von jeder dieser Arten (der Ausdruck „Art“ wird vorzugsweise verwendet zur Unterscheidung von „elektrisch leitfähigem Pulver“ und „elektrisch isolierendem Pulver“) verschiedene Pulvermaterialien eingebracht werden. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass eine Pulverdüse nur elektrisch leitfähiges Pulver oder elektrisch isolierendes Pulver einbringen kann. Dann werden vorzugsweise zum Einbringen beider Pulverarten mindestens zwei Pulverdüsen benötigt, von denen eine nur elektrisch leitfähiges Pulver einbringt und die andere nur elektrisch isolierendes Pulver. Dabei kann bevorzugt sein, dass für jede Art nur ein Material eingebracht werden kann. Es kann jedoch ebenso bevorzugt sein, dass für jede Art verschiedene Materialien von einer Pulverdüse eingebracht werden können. Eine Pulverdüse ist vorzugsweise aktiviert, wenn sie ein Pulver einbringt. Pulverdüsen, welche aktiviert werden können, jedoch nicht zwangsläufig aktiviert sind, werde aktivierbar genannt.
• Eine Pulverdüse stellt bevorzugt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Voxels bzw. eines Volumenelements dar, bei dem der Pulverstrom auf einen Punkt konzentriert und innerhalb des Voxels eingebracht werden kann. Ein Voxel ist somit bevorzugt die dreidimensionale Form eines Pixels.
• Der vorteilhafte Schritt liegt in der Kombination eines lokal wirkenden stromunterstützten Sinterprozesses mit einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Verteilen von unterschiedlichen Pulverwerkstoffen simultan auf der gesamten Arbeitsfläche zur Herstellung von dreidimensionalen Körpern. Mit der innovativen Pulverzuführung wird erreicht, dass beliebige Pulverwerkstoffe schnell und an definierten Stellen verteilt werden können. Durch die unterschiedliche Leitfähigkeit von einem elektrisch leitfähigen Werkstoff (z.B. Stahl) und einem Isolatorwerkstoff (z.B. Keramik, Formstoff oder Salz) können somit die Strompfade gezielt definiert werden, um die damit entsprechende Bauteilstruktur stromunterstützt zu sintern.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die räumliche Anordnung der aktivierten Pulverdüse oberhalb des Einbringpunktes durch Aktivierung mindestens einer Pulverdüse innerhalb einer in x- und/oder y-Richtung angeordneten Matrix von aktivierbaren Pulverdüsen vorgenommen.
• Die Steuerung der räumlichen Anordnung des elektrisch leitfähigen Gebiets durch Einbringen des elektrisch leitfähigen Pulvers innerhalb des elektrisch leitfähigen Gebiets und Einbringen eines elektrisch isolierenden Pulvers außerhalb des elektrisch leitfähigen Gebiets werden in dieser Ausführungsform bevorzugt vorgenommen, indem innerhalb einer Matrix von aktivierbaren Pulverdüsen diejenige aktiviert wird, welche oberhalb des gewünschten Einbringpunktes liegt. Dies ist in dieser Ausführungsform die bevorzugte Realisierung des Merkmals „räumliche Anordnung der aktivierten Pulverdüse oberhalb des Einbringpunktes“.
• Diese Ausführungsform ähnelt im Grundprinzip der Ausführungsform der innerhalb einer in x- und/oder y-Richtung angeordneten Matrix von Elektroden, wobei bei dieser Ausführungsform Pulverdüsen anstelle der Elektroden angeordnet sind. Das bedeutet jedoch nicht, dass diese Ausführungsform nicht gleichzeitig auch eine Matrix von Elektroden aufweisen kann. Die Pulverdüsen können dabei auch in einem Presselement, z. B. einem Stempel, angeordnet sein, der vorzugsweise gegenüber der Pulverschicht gegenüber einer Position zum Verdichten leicht angehoben wird, um ein Einbringen der Pulverschicht zu ermöglichen. Bevorzugt können sich die Düsen auch gemeinsam mit den Elektroden in einem Element, z. B. einem Presselement, befinden bzw. von diesem umfasst werden.
• Eine Matrix von Pulverdüsen umfasst dabei vorzugsweise eine lineare (entlang einer Linie) Anordnung von Pulverdüsen in x- und/oder y-Richtung. Dabei kann die räumliche Anordnung bevorzugt nur in x- Richtung oder y-Richtung vorliegen (bevorzugt auch Düsenlinienwerkzeug genannt) oder aber eine Anordnung in beide Richtungen kombinieren. X- und y-Richtung sind vorzugsweise zwei zueinander senkrechte Richtungen innerhalb einer Ebene, welche parallel zu dem Substrat und/oder der Pulverschicht vorliegt. Umfasst die Matrix angeordnete, aktivierbare Pulverdüsen in x- und y-Richtung, ist besonders bevorzugt, dass durch die von der Matrix umfassten Pulverdüsen die obere (untere) Grenzfläche der Pulverschicht im Wesentlichen punktweise eingebracht werden kann.
• Es kann bevorzugt sein, dass Pulverdüsen in einer Matrix nur in x- oder y-Richtung angeordnet sind. Dann kann vorzugsweise durch die Möglichkeit einer Relativbewegung zwischen Kasten und Matrix (siehe unten) auch eine senkrecht zur Matrix liegende Stelle das Pulver der Pulverschicht durch eine so angeordnete Pulverdüse eingebracht werden.
• Durch Aktivierung einer oder mehrerer Pulverdüsen innerhalb der Matrix der aktivierbaren Pulverdüsen kann so gezielt punktweise bevorzugt über die Fläche des Substrats verteilt Pulver eingebracht werden. Dabei kann vorzugsweise sowohl elektrisch leitfähiges als auch elektrisch isolierendes Pulver eingebracht werden, wodurch die räumliche Anordnung des elektrisch leitfähigen Gebiets innerhalb der Pulverschicht besonders vereinfacht wird.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die räumliche Anordnung der aktivierten Pulverdüse durch eine Relativbewegung in x- und/oder y-Richtung zwischen mindestens einer aktivierten Pulverdüse und dem Kasten vorgenommen.
• Dabei kann es bevorzugt sein, dass die mindestens eine Pulverdüse (es kann bevorzugt auch eine Matrix umfasst sein) in x- und/oder y-Richtung translatiert wird, wobei der Kasten fest in einem Gehäuse bzw. Chassis einer Sintervorrichtung installiert vorliegt. Es kann ebenso bevorzugt sein, dass der Kasten horizontal in x- und/oder y-Richtung translatierbar ist, um eine Relativbewegung zwischen Kasten und Pulverdüse und somit eine räumliche Anordnung der Pulverdüse zu erreichen. Ebenso können bevorzugt beide Elemente zueinander bewegt werden. Bevorzugt ist durch die Relativbewegung im Wesentlichen jeder Punkt einer einzubringenden Pulverschicht erreichbar. Pulverdüse und/oder Kasten können dabei durch Mittel des Standes der Technik, wie z. B. elektrische (Schritt-) Motoren, hydraulische und/oder pneumatische Anordnungen translatiert werden.
• Durch diese Ausführungsform können das Einbringen einer Pulverschicht und insbesondere eine räumliche Anordnung eines elektrisch leitfähigen Gebiets besonders einfach erreicht werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Pulverdüse eine Mehrdüseneinheit, welche konfiguriert ist für ein punktweises Einbringen mehrerer Sorten Pulver, umfassend mindestens ein elektrisch leitfähiges Pulver und ein elektrisch isolierendes Pulver. Mit Sorte eines Pulvers ist vorzugsweise die Materialsorte des Pulvers gemeint, unabhängig von den Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit. Hierdurch wird das Einbringen eines elektrisch leitfähigen Gebiets vereinfacht und kann vorteilhafterweise schneller vorgenommen werden. Insbesondere kann in dieser Ausführungsform die Anzahl der erforderlichen Pulverdüsen reduziert werden.
• Dabei ist bevorzugt, dass durch die mindestens eine Pulverdüse elektrisch leitfähiges Pulver und elektrisch isolierendes Pulver eingebracht werden kann. Vorzugsweise kann durch die mindestens eine Pulverdüse dieser Ausführungsform auch für mindestens eine Pulverart mehr als ein Material eingebracht werden. Eine solche Pulverdüse wird vorzugsweise Mehrdüseneinheit genannt. Eine Mehrdüseneinheit kann dabei vorzugsweise eine einzelne Austrittsöffnung bzw. Düse aufweisen, welche jedoch mehrere Zuführungen für verschiedene Pulvermaterialien und/oder -arten aufweist. Diese Zuführungen können z. B. zueinander parallel verlaufen und gemeinsam in einer sich verengenden Austrittsdüse münden. Sie können bevorzugt ebenso in einem Winkel zueinander angeordnet sein, vorzugsweise dergestalt, dass die Zuführungen gemeinsam die sich zuspitzende Austrittsdüse bilden, wobei der Winkel der Zuspitzung vorzugsweise dem Winkel der Anordnung der Zuführungen entspricht. Ebenso kann bevorzugt eine Zuführung gerade und vertikal angeordnet sein und gleichsam an einem Ende die Austrittsdüse bilden, wobei die anderen Zuführungen dieser Zuführung oberhalb der Austrittsdüse vorzugsweise in einem Winkel zugeführt werden. Ebenso kann bevorzugt sein, dass eine Mehrfachdüse vorzugsweise aus mehreren zueinander angeordneten Austrittsdüsen besteht, welcher zu einer Mehrdüseneinheit zusammengefasst sind, wobei jede Austrittsdüse vorzugsweise mit einer einzelnen Zuführung verbunden ist. Vorzugsweise weist eine Mehrdüseneinheit so viele Zuführungen auf, die mindestens den zuzuführenden Arten von Pulver entspricht, also vorzugsweise mindestens 2. Es ist bevorzugt, dass so viele Zuführungen durch die Mehrdüseneinheit aufgewiesen werden, wie Materialien von Pulver verwendet werden sollen. Bevorzugt weist eine Mehrdüseneinheit mindestens 3 Zuführungen, mindestens 4 Zuführungen, mindestens 5 Zuführungen, mindestens 6 Zuführungen, mindestens 7 Zuführungen, mindestens 8 Zuführungen, mindestens 9 Zuführungen, mindestens 10 Zuführungen, mindestens 15 Zuführungen oder mindestens 20 Zuführungen auf.
• Vorzugsweise ist jede Zuführung mit einem Pulvervorratsvolumen umfassend Pulver der jeweiligen Art und/oder des jeweiligen Materials verbunden, wobei das Pulver aus dem Pulvervorratsvolumen den Zuführungen zugeführt werden kann.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für jede Sorte Pulver mindestens eine separate Pulverdüse umfasst. Diese Ausführungsform vereinfacht den Aufbau einer Sintervorrichtung und das Verfahren.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein vertikaler Aufbau umfassend mehrere zu sinternde Pulverschichten durch eine Aufwärtsbewegung der Pulverdüse in z-Richtung, bevorzugt mit gleicher Geschwindigkeit wie eine Rate des vertikalen Aufbaus, vorgenommen und anschließend das Pulver verdichtet und/oder gesintert.
• In dieser Ausführungsform werden bevorzugt mehrere Pulverschichten eingebracht, bevor diese gesintert werden. Vorzugsweise kann auf diese Art nicht nur eine Körperschicht eines Körpers gesintert werden, sondern ein kompletter Körper oder ein größerer Abschnitt eines Körpers. So können beispielsweise Körper besonders einfach und schnell gesintert werden. Dies wird vorzugsweise ermöglicht durch die präzise Steuerung eines Strompfades durch die präzise räumliche Anordnung eines elektrisch leitfähigen Bereichs innerhalb einer Pulverschicht. Insbesondere durch Verwendung des elektrisch isolierenden Pulvers, welches das elektrisch leitfähige Pulver des elektrisch leitfähigen Bereichs lateral stützt, wird erreicht, dass eine einmal vorgenommene räumliche Anordnung des elektrisch leitfähigen Bereichs durch punktweises Einbringen nach dem Einbringen vorzugsweise unverändert bleibt, auch wenn weitere Pulverschichten vor einem Sinterprozess eingebracht werden. Dabei wird in dieser Ausführungsform vorzugsweise die Pulverdüse aufwärts (in z-Richtung) bewegt, nach dem eine komplette Pulverschicht eingebracht wurde, um daraufhin die nächste Pulverschicht einzubringen. Der Abstand zwischen Pulverdüse und oberer Grenzschicht der Pulverschicht wird dabei vorzugsweise im Wesentlichen konstant gehalten. Ist bei dieser Ausführungsform eine Matrix von Pulverdüsen umfasst, so dass jeder Punkt einer Pulverschicht gleichzeitig eingebracht werden kann, kann diese Matrix vorzugsweise mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit nach oben bewegt werden. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass während des Einbringens die Bewegung kurz unterbrochen wird. Ist bei dieser Ausführungsform ein Translatieren mindestens einer Pulverdüse in x- und/oder y-Richtung erforderlich, um jeden Punkt einer Pulverschicht einzubringen, wird bevorzugt die Pulverdüse während dieses Vorgangs nicht vertikal bewegt, eine vertikale Bewegung findet vorzugsweise nur statt, wenn eine Pulverschicht komplett eingebracht wurde und bevor die nächste Pulverschicht eingebracht wird. Die Rate des vertikalen Aufbaus wird bevorzugt angegeben als vertikal pro Zeiteinheit hinzugefügte Schichtdicke, z. B. mit den Einheiten Meter pro Sekunde (m/s), cm/s oder mm/s und bevorzugt bestimmt, indem über Zeiträume gemittelt wird, in denen mehr als eine Schicht aufgebaut wird. Aufbauen bezeichnet bevorzugt in diesem Zusammenhang das komplette Einbringen mindestens einer Pulverschicht. Bevorzugt ist die Aufwärtsbewegung der Pulverdüse gemittelt über einen Zeitraum gleich der Aufbaurate. In dieser Ausführungsform werden ein Verdichten und/oder ein Sintern erst nach dem Einbringen mehrerer Pulverschichten gemäß dieser Ausführungsform vorgenommen.
• Es kann jedoch in anderen Ausführungsformen bevorzugt sein, nach dem Einbringen jeder Pulverschicht ein Verdichten und/oder ein Sintern vorzunehmen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist als Trägermedium beim Einbringen des Pulvers ein Gas umfasst, bevorzugt ausgesucht aus der Gruppe umfassend Helium, Argon und/oder (Druck-) Luft. Diese habe sich als besonders geeignet erwiesen und sind leicht verfügbar und kostengünstig.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das leitfähige Pulver ein Metall und die Sorte des Pulvers ist bevorzugt ausgesucht aus der Gruppe umfassend Stahl, Kupfer, Titan, Nickel, Magnesium und/oder Aluminium und/oder eine Legierung mindestens eines Metalls aus dieser Gruppe. Diese sind besonders einfach zu sintern, weisen eine vorteilhafte elektrische Leitfähigkeit auf und eignen sich besonders gut für eine Herstellung verschiedenster Körper.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sorte des elektrisch isolierenden Pulvers ausgesucht aus der Gruppe umfassend Keramik, insbesondere Aluminiumoxid, Salz, und/oder Formstoff, bevorzugt ausgesucht aus der Gruppe Quarzsand, Chromitsand und/oder Zirkonsand. Diese Pulvermaterialien haben sich als besonders geeignet erwiesen, insbesondere aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit und/oder ihrer elektrisch isolierenden Eigenschaften. Bei einer Nachbearbeitung des Körpers lassen sich diese Materialien besonders einfach manuell vom Körper entfernen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verdichten des Pulvers durch eine Stempeleinheit vorgenommen, wobei die Stempeleinheit einen Stempel und ein leitfähiges Material und/oder einen leitfähigen Stempel für eine aktivierbare Elektrode umfasst.
• Ein Stempel ist bevorzugt ein massives Element, welches auf einer Unterseite eine ebene Fläche aufweist, die auf eine Pulverschicht aufgelegt und zum gleichmäßigen Verdichten dieser Schicht verwendet werden kann.
• Der Stempel der Stempeleinheit gemäß einer Alternative dieser Ausführungsform ist leitfähig und umfasst eine aktivierbare Elektrode. Vorzugsweise umfasst der Stempel Kupfer bzw. eine Kupferlegierung und/oder Graphit. Hierdurch kann für die Stromleitung ein geringerer elektrischer Widerstand erreicht werden im Gegensatz zu einem Stempelhalter z. B. aus Stahl. Dadurch sind vorzugsweise höhere Stromstärken möglich, die eine bessere Verbindung der Pulverpartikel ermöglichen und die Energieeffizienz des Prozesses verbessern.
• Gemäß einer weiteren Alternative umfasst die Stempeleinheit neben dem Stempel ein leifähiges Material, welches als aktivierbare Elektrode verwendet werden kann. Dies kann z. B. ein austauschbarer Stempeleinsatz sein, welcher an der Unterseite des Stempels vorliegt. Dieser Einsatz ist in einer Vorzugsvariante zwar vom Stempel umfasst und bildet die ebene Fläche an der Unterseite des Stempels, kann jedoch ausgetauscht werden. Ein Beispiel ist ein auswechselbarer Stempeleinsatz aus Kupfer, der als Elektrode dient. Durch die mechanischelektrische Belastung wird die Elektrode vorzugsweise mit der Zeit beschädigt bzw. es bleiben metallische Reste durch das Stromsintern haften. Dadurch verschlechtert sich möglicherweise die Prozessstabilität und -leistungsfähigkeit. Für die Wiederaufarbeitung kann der Kupfereinsatz bevorzugt herausgenommen und ausgetauscht werden, anstelle den gesamten Stempel ausbauen zu müssen. Somit werden Stillstandzeiten vorteilhafterweise minimiert. Außerdem ist durch den Stempelhalter, welcher vorzugsweise Stahl umfasst, eine größere Druckkraft möglich, da dieser bevorzugt als Armierung bzw. Verstärkung dient.
• Dabei ist der Stempel selber vorzugsweise elektrisch isoliert gegenüber der Einheit, damit er vorzugsweise direkt mit einem Chassis einer Sintervorrichtung in Verbindung stehen kann, ohne dass von einer Elektrode eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom übertragen wird.
• Das leitfähige Material kann jedoch vorzugsweise auch von mindestens einer Haspel umfasst sein. Eine Haspel ist vorzugsweise ein technisches Hilfsmittel zum Auf- und Abwickeln von langgestreckten Materialien, insbesondere Bändern. Das leitfähige Material wird vor allem von einem Band umfasst, welches bevorzugt von einer Haspel abgewickelt und von einer zweiten Haspel aufgewickelt werden kann. Zwischen den Haspeln liegt vorzugsweise die Stempeleinheit mit dem Stempel vor, welcher das Band von oben kontaktiert. Das Band hat dabei vorzugsweise eine Breite, welche im Wesentlichen der Breite der Unterseite des Stempels entspricht und bedeckt diesen vorzugsweise im Wesentlichen von unten. Es kann dabei vorzugsweise ein Stempel komplett aus Kupfer genutzt werden. Durch diese Alternative der Ausführungsform kann ein sehr schneller Prozess ermöglicht werden, da lediglich das Band, welches vorzugsweise Kupfer-Blech umfasst, in Kontakt mit dem Pulverwerkstoff kommt und die unerwünschten metallischen Reste nach Sintervorgängen vorzugsweise durch ein weiteres Abwickeln der Haspel entsorgt werden, ohne dass der Stempel bzw. Stempeleinsatz wesentlich beeinträchtigt wird. Hierdurch ergibt sich vorteilhafterweise auch ein verringerter Wartungsaufwand für den Stempel. Die Haspel(n) bewegen sich vorzugsweise während des Stromsinterns nicht, sondern nur zwischen den Sinteroperationen bei bevorzugt angehobenen Stempel.
• Durch diese Ausführungsform kann ein Verdichten und ein Sintern durch Aktivieren einer Elektrode bevorzugt durch die Stempeleinheit, vorzugsweise gleichzeitig vorgenommen werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet nach einem bevorzugt schichtweisen Sintern eine Fertigstellung des Körpers durch eine mechanische Endbearbeitung statt. Dabei können vorzugsweise Pulveranteile, welche während des Sinterns nicht von einem Strompfad umfasst waren, im Nachgang manuell entfernt werden. Dabei kann z. B. ein Abschlagen oder ein spanendes Lösen des Pulvers vorgenommen werden. Es kann ebenso bevorzugt sein, eine manuelle Nachbearbeitung eines gesinterten Körpers vorzunehmen, um bei einer groben minimalen Auflösung der Formgebung durch das Verfahren eine Nachbearbeitung zur Verfeinerung der Formgebung zu realisieren. Das kann z. B. bevorzugt sein, da eine grobe minimale Auflösung der Formgebung oftmals mit einem einfacheren Verfahren und einer entsprechenden Vorrichtung möglich ist, wodurch Kosten gespart werden können.
• Die entfernten Pulveranteile können vorteilhafterweise bei einem weiteren Sinterprozess wiederverwendet werden, wodurch ein besonders ressourcenschonendes Verfahren ermöglicht wird.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen gesinterten Körper, hergestellt nach einem Verfahren gemäß der vorstehenden Beschreibung.
• Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch für den erfindungsgemäßen Körper gelten.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung konfiguriert für die Herstellung von Körpern umfassend Körperschichten durch einen stromunterstützten Sinterprozess nach einem Verfahren nach der vorstehenden Beschreibung, umfassend
• - einen Kasten, welcher an einem Boden ein Substrat umfassend mindestens eine aktivierbare Gegenelektrode aufweist,
• - ein Schüttwerk zum Einbringen mindestens einer elektrisch leitfähigen Pulverschicht,
• - mindestens eine aktivierbare Elektrode, welche auf einer im Kasten umfassten Pulverschicht aufgelegt werden kann,
wobei eine Steuerung der räumlichen Anordnung mindestens einer aktivierten Elektrode und/oder mindestens einer aktivierten Gegenelektrode vorgenommen werden kann.
• Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Körpers auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung gelten.
• Diese Vorrichtung betrifft insbesondere durch die Vorrichtung vorzunehmende Sinterprozesse, bei denen eine räumliche Steuerung eines Strompfades gemäß dem vorstehenden Verfahren durch eine räumliche Anordnung der Elektrode und/oder Gegenelektrode vorgenommen wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine in x- und/oder y-Richtung angeordnete Matrix von aktivierbaren Elektroden und/oder Gegenelektroden umfasst.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind aktivierbare Elektrode und Kasten und/oder aktivierbare Gegenelektrode und Kasten konfiguriert für eine Relativbewegung in x- und/oder y-Richtung.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Walze zum Verdichten umfasst, welche Segmente aufweist in Form aktivierbarer Elektroden.
• Diese Walze weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf und umfasst bevorzugt nebeneinander auf einer Walzenachse gelagerte Segmente, welche ebenfalls eine zylindrische Form aufweisen. Die Walzenachse dient vorzugsweise als Walzenaufnahmepunkt zum Lagern der Walze und/oder als eine Stromzuleitung bzw. -ableitung. Die Segmente dienen bevorzugt als aktivierbare Elektroden. Die Aktivierung kann z. B. über Schleifkontakte erfolgen, welche mit jedem Segment einzeln in Verbindung stehen und separat angesteuert und bevorzugt mit einer elektrischen Spannung versorgt werden können. Die Walzensegmente sind bevorzugt in ihren Mantelflächen leitend, jedoch an den anderen Flächen vorzugsweise isolierend, da sie mit diesen Flächen mit den anderen Segmenten in Kontakt stehen und so eine separaten Ansteuer- und Aktivierbarkeit jedes Segments ermöglicht wird. Die Walze kann vorzugsweise zur räumlichen Anordnung der Elektroden in eine Richtung entlang der Walzenachse verwendet werden, in dem mindestens eine der Elektroden aktiviert wird. In eine Richtung senkrecht dazu kann eine räumliche Anordnung vorzugsweise vorgenommen werden, in dem die Walze in diese Richtung translatiert wird. Dabei „walzt“ die Walze vorzugsweise über die Pulverschicht, da die Segmente vorzugsweise drehbar auf der Achse gelagert sind. Dabei kann die Walze gleichzeitig vorzugsweise als Presselement zum Verdichten des Pulvers verwendet werden. Dabei kann vorzugsweise die Gewichtskraft der Walze ausreichen, z: B. wenn dies massives Metall umfasst, es kann ebenso bevorzugt sein, dass die Walze zusätzlich auf die Pulverschicht gedrückt wird.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die aktivierbare Elektrode eine auf der Pulverschicht auflegbare Kupferplatte zum Verdichten und einen auf der Kupferplatte verfahrbaren elektrisch aktivierbaren Stift.
• Die Kupferplatte dient dabei vorzugsweise als Presselement bzw. Stempel. Die Kupferplatte kann vorzugsweise hoch- und runtergefahren werden und so auf die Pulverschicht aufgelegt werden. Vorzugsweise kann die Kupferplatte von den Abmessungen her die gesamte Pulverschicht bedecken. Auf der von der Pulverschicht abgewandten Seite der Kupferplatte wird dabei vorzugsweise ein stabförmiges Element, insbesondere ein Stift verfahren, welcher der Länge nach senkrecht zur Platte angeordnet ist und mit einer Spitze die Kupferplatte berührt. Vorzugsweise ist diese Spitze elektrisch leitend und kann elektrisch aktiviert werden, indem eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom angelegt wird. Der Stift wirkt vorzugsweise durch die Kupferplatte hindurch als aktivierbare Elektrode zum Sintern der Pulverschicht durch Erzeugung eines Strompfades. Der Stift kann dabei über der Kupferplatte in x- und/oder y-Richtung translatiert werden, wodurch eine räumlich anordenbare Elektrode bereitgestellt wird. In einem übertragenen Sinn kann durch den Stift ein zu sinternder Bereich der Pulverschicht „gemalt“ werden.
• Der Stift kann vorzugsweise an der unteren Spitze auch eine elektrisch leitfähige rollende Kugel ähnlich dem Prinzip einer Kugelschreiberspitze umfasst ist. So kann vorzugsweise der Widerstand bei einer Führung des Stiftes über die Kupferplatte minimiert werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kasten Wände umfassend mindestens eine aktivierbare Gegenelektrode auf.
• In dieser Ausführungsform ist die mindestens eine aktivierbare Gegenelektrode nicht nur vom Substrat am Boden des Kastens umfasst, sondern auch in mindestens einer Wand des Kastens. Ansonsten gilt für diese Gegenelektrode und ihre bevorzugte räumliche Anordenbarkeit vorzugsweise gleiches wie ansonsten in diesem Dokument für Elektrode und/oder Gegenelektrode beschrieben. Durch diese Ausführungsform kann ein Strompfad vorzugsweise auch schräg in der Pulverschicht zwischen Elektrode und Gegenelektrode in der Wand des Kastens verlaufen.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung konfiguriert für die Herstellung von Körpern umfassend Körperschichten durch einen stromunterstützten Sinterprozess nach einem Verfahren nach der vorstehenden Beschreibung, umfassend
• - einen Kasten, welcher an einem Boden ein Substrat umfassend mindestens eine aktivierbare flächige Gegenelektrode aufweist,
• - mindestens eine Einbringvorrichtung zum Einbringen mindestens einer elektrisch leitfähigen Pulverschicht und/oder einer elektrisch isolierenden Pulverschicht
• - mindestens eine aktivierbare Elektrode, welche flächig auf einer gesamten im Kasten umfassten Pulverschicht aufgelegt werden kann,
wobei die Einbringvorrichtung konfiguriert ist für eine Steuerung einer räumlichen Anordnung mindestens eines elektrisch leitfähigen Gebiets innerhalb der Pulverschicht durch Einbringen des elektrisch leitfähigen Pulvers innerhalb des Gebiets und Einbringen eines elektrisch isolierenden Pulvers außerhalb des elektrisch leitfähigen Gebiets.
• Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Körpers auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung gelten.
• Diese Vorrichtung betrifft insbesondere durch die Vorrichtung vorzunehmende Sinterprozesse, bei denen eine räumliche Steuerung eines Strompfades gemäß dem vorstehenden Verfahren durch eine räumliche Anordnung mindestens eines elektrisch leitfähigen Gebiets innerhalb der Pulverschicht vorgenommen wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einbringvorrichtung mindestens eine aktivierbare Pulverdüse oberhalb eines Einbringpunktes für ein punktweises Einbringen des elektrisch leitfähigen Pulvers innerhalb des Gebiets und/oder des isolierenden Pulvers außerhalb des Gebiets.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine in x- und/oder y-Richtung angeordnete Matrix von aktivierbaren Pulverdüsen umfasst.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind aktivierbare Pulverdüse und Kasten konfiguriert für eine Relativbewegung in x- und/oder y-Richtung.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für jede Sorte Pulver mindestens eine separate Pulverdüse umfasst.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Pulverdüse eine Mehrdüseneinheit, welche konfiguriert ist für ein punktweises Einbringen mehrerer Sorten Pulver, umfassend mindestens ein elektrisch leitfähiges Pulver und ein isolierendes Pulver.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kasten Wände umfassend eine abriebfeste, elektrisch isolierte Schicht auf. So ist der Kasten besonders robust und Kurzschlüsse zwischen (Gegen-) Elektrode und Kastenwand kann vorzugsweise vermieden werden. Die Schicht kann z. B. ein Polymer und/oder ein vorzugsweise synthetisches Gummi umfassen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kasten von einem bevorzugt in z-Richtung verfahrbaren Hubtisch mit starren Wänden umfasst. Durch diesen Hubtisch kann der Kasten vorzugsweise in z-Richtung verfahren werden. Das Verfahren kann dabei z. B. durch einen (bspw. elektrischen) Motor, hydraulisch und/oder pneumatisch erfolgen. Dabei kann vorzugsweise auch ein Verdichten und/oder ein Abheben eines Presselements, einer Elektrode und/oder eine Aufwärtsbewegung einer Pulverdüse durch Verfahren des Hubtisches (zumindest teilweise) vorgenommen werden, da es vorzugsweise bei all diesen Bewegungen nur auf eine Relativbewegungen ankommt und diese somit auch durch eine vertikale Bewegung des Kastens durch den Hubtisch realisiert werden können.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine aktivierbare Elektrode und/oder Gegenelektrode Kupfer und/oder Graphit. Kuper ist als Elektrodenmaterial insbesondere aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit besonders geeignet.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Verdichten der Pulverschicht durch eine Stempeleinheit vorgenommen werden, wobei die Stempeleinheit einen Stempel und ein leitfähiges Material und/oder einen leitfähigen Stempel für eine aktvierbare Elektrode umfasst.
• DETAILLIERTE BESCHREBUNG
• Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
• Figurenliste
• Schematische Darstellung eines Sinterprozesses, wobei ein Strompfad durch räumliche Anordnung von Elektroden gesteuert wird.
• Schematische Darstellung einer Vorrichtung mit aktivierbaren Elektroden in einer Matrixanordnu ng.
• Beispielhafte schematische Darstellung einer Matrixanordnung von Elektroden.
• Beweglicher Stift auf eine Kupferplatte als räumlich anordenbare Elektrode.
• Walzenförmige Elektrode mit einzelnen aktivierbaren Segmenten.
• Schematische Darstellung eines Sinterprozesses, wobei ein Strompfad durch räumliche Anordnung elektrisch leitfähiger Gebiete gesteuert wird.
• Pulverdüsen in einer Matrixanordnung.
• Verschiedene Realisierungen einer Mehrdüseneinheit.
• Stempel umfassend Stempeleinheit mit einem Stempel und einem leitfähigen Material und/oder einen leitfähigen Stempel für eine aktivierbare Elektrode.
• Ausführliche Beschreibung der Abbildungen
• stellt das Verfahren des selektiv steuerbaren Strompfades für zwei Pulverschichten vereinfacht dar. Zu Beginn (ganz links oben) wird eine elektrisch leitfähige Pulverschicht 3 eingebracht. Dieses Pulver wird durch Schließen des Werkzeugs verdichtet (oben, mittig). Nach dem Verdichten wird unter Beibehaltung des Drucks der Lichtbogen gezündet bzw. der dementsprechende Strompfad 7. Dieser verläuft von einer aktivierten, mittleren Elektrode 6 vertikal zu der vom Substrat umfassten Gegenelektrode 5, die vom Strompfad 7 umfassten Pulverpartikel verbinden sich. Aufgrund der Position von Elektrode 6 und des Gegenpols 5 bildet sich der Lichtbogen bzw. Strompfad 7 bevorzugt grob angenähert in einer Säulenform aus. Nach dem Sinterprozess wird das Werkzeug wieder geöffnet (oben rechts) und die nächste elektrisch leitfähige Pulverschicht 3 wird eingebracht (unten links). Insbesondere durch die verbesserte elektrische Leitfähigkeit der gesinterten Struktur 9 fungiert diese lokal als verlängerte Gegenelektrode 5 (Prinzip „Blitzableiter“), welcher für den Lichtbogen/Strompfad 7 für die nächste Schicht genutzt wird (unten in der Mitte). Die Richtung des Strompfades 7 kann durch die selektive Ansteuerung der angrenzenden Elektroden 1 entsprechend beeinflusst werden. Analog gilt dies für die Position einer beweglichen Elektrode und einer bereits gesinterten Struktur 9. Ein Aufschmelzen von bereits gesinterten Strukturen 9 ist durch die erhöhte thermische Leitfähigkeit der selbigen vorzugsweise ausgeschlossen.
• zeigt eine Vorrichtung mit einer Matrixanordnung von Elektroden 11. Die Vorrichtung für das Verfahren besteht aus einem in der Höhe (z-Richtung) verfahrbaren Hubtisch mit starren Wänden 15 („Kasten“), welche den Bauraum, in dem die Pulverschicht eingebracht wird, zu den Seiten abdichten. Der Hubtisch nimmt das Substrat auf und kann ebenso wie die Hubtischwände selektiv als Gegenelektrode 5 für die Elektroden 1 dienen. Die Pulverzufuhr wird über ein Schüttwerk (in der Abbildung nicht dargestellt) realisiert, welches bevorzugt über den gesamten Querschnitt hinweg fährt und das Pulver gleichmäßig verteilt. Zum Verdichten des Ausgangsmaterials wird z. B. ein Werkzeug in Form eines Stempels mit bevorzugt einer Druckplatte genutzt. Das Werkzeug ist dabei mit Elektroden 1 aus einem elektrisch leitfähigen Material (vorzugsweise Kupfer/Kupferlegierungen) versehen, welche in einer Matrix 11 angeordnet sind. Die Elektroden 1 sind dabei bevorzugt elektrisch vom Werkzeug isoliert, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Das Werkzeug wird gegebenenfalls gekühlt. Die Elektroden 1 werden bevorzugt einzeln über Leistungsschalter angesteuert (Matrix-Ansteuerung) und sind elektrisch mit dem Hubtisch, insbesondere dem Substrat und/oder den Hubtischwänden über eine regelbare Stromquelle 13 miteinander verbunden. Es können bevorzugt auch Elektroden 1 im Werkzeug als Gegenelektrode 5 geschaltet werden, damit z.B. zwischen jeweils einer positiven und einer negativen Elektrode eine Struktur generiert werden kann und man somit von einem gemeinsamen einzelnen Gegenelektrode 5 (z.B. Substrat des Hubtisches) unabhängig ist. Wenn notwendig, dann könnte eine Matrix-Anordnung von Gegenelektroden 5 auch im Hubtisch integriert werden, um einen gerichteten Lichtbogen/Strompfad 7 zu erhalten bzw. zu steuern.
• zeigt eine beispielhafte räumliche Anordnung der aktivierbaren Elektroden 1 in einer Matrix 11 im Werkzeug (Draufsicht).
• stellt eine räumlich bewegliche Elektrode 1, in Form eines zylindrischen Stifts 16 mit einer Rundung am unteren Ende oder einer rollenden Kugel ähnlich dem Prinzip einer Kugelschreiberspitze, auf einem elektrisch leitfähigen Stempel dar, z.B. einer Kupferplatte 20. Die bewegliche Elektrode 1 wird dabei kontinuierlich translatorisch über den Stempel geführt. Die abgefahrene Trajektorie der Elektrode stellt bevorzugt für die jeweilige Pulverschicht die zu sinternde Bauteilkontur 9 dar. Vorzugsweise werden der Stempel und/oder die bewegliche Elektrode 1 auf die Pulverschicht bzw. den Stempel mit einer definierten Kraft gepresst.
• zeigt eine walzenförmige Elektrode 17. Der notwendige Druck auf eine Pulverschicht wird dabei durch die Elektrode selbst erzeugt, weiche sich direkt auf dem Pulverbett (der Schicht) bewegt. Die Walze 17 besteht vorzugsweise aus einzelnen Segmenten 19, die alle voneinander elektrisch isoliert sind. Durch Schleifkontakte (hier nicht dargestellt) können diese einzeln aktiviert werden.
• zeigt einen Sinterprozess, wobei ein Strompfad 7 durch räumliche Anordnung elektrisch leitfähiger Gebiete 3 gesteuert wird. Zum Ausgangszustand ist der durch die Wände 15 und das Substrat gebildete Kasten vorzugsweise leer. Je nach Anforderung für die anschließende Verarbeitung können verschiedene Kastentypen eingesetzt werden: bodenlos, Kastenform, wobei entweder ein vertikal beweglicher Hubtisch eingesetzt wird, der innerhalb der Kastenform bzw. den Kasten verfährt und/oder wobei eine Substratplatte unter dem Kasten anliegt, oder ein Kasten mit festem Boden und an einer oder mehreren Seiten zu öffnenden Wänden. Um einen Kurzschluss mit den Wänden 15 zu vermeiden, werden die Wände 15 vorzugsweise mittels einer abriebfesten Beschichtung elektrisch isoliert.
• Im Wesentlichen besteht der innovative stromunterstütze Sinterprozess zur räumlichen Anordnung elektrisch leitfähiger Gebiete aus drei Schritten:
1. 1. Pulverwerkstoffe bestimmter Art (isolierend 18 und elektrisch leitfähig 3) lokal definiert einbringen;
2. 2. Verdichten des Pulvers und stromunterstütztes Sintern;
3. 3. Freilegen des fertig gesinterten Bauteils 9.
• Die Pulververteilung ist beispielhaft in , obere Abbildung dargestellt. Das Pulver wird durch die Vorrichtung vorzugsweise kontinuierlich schichtweise auf der gesamten Baufläche in dem Behälter verteilt. Hierbei wird durch die Mehrdüseneinheit 22 wahlweise ein elektrisch leitender oder elektrisch isolierender Pulverwerkstoff lokal eingebracht, wodurch ein elektrisch leitfähiges Netzwerk 3 entsteht umfassend mindestens ein elektrisch leitfähiges Gebiet 3. Je nachdem wie klein der Pulverpartikel-Durchmesser und damit der Einzeldüsen-Durchmesser der zum Einbringen verwendeten Düsen 21 gewählt werden ergibt sich eine entsprechende Genauigkeit und/oder Aufbaurate. Das Pulver wird mit vorzugsweise mit niedriger Geschwindigkeit und niedrigem Druck verteilt, um ein Wegtragen bereits verteilter Pulverschichten durch den Pulvermassenstrom zu vermeiden. Als Trägermedium wird dabei vorzugsweise Gas (z.B. Helium oder Argon) oder Druckluft eingesetzt. Zusätzlich wird der Pulvermassenstrom in geeigneter Weise mit der Aufwärtsbewegung des Düsenwerkzeugs 22 geregelt werden, wodurch das Werkzeug vorzugsweise die gleiche Verfahrgeschwindigkeit hat, wie die vertikale Aufbaurate je Voxel. Eine weitere bevorzugte Variante für die Pulververteilung stellt die Vibration eines vorzugsweise oberhalb des Kastens befindlichen Pulverbehälters dar, durch den sich die Pulverpartikel durch die Rüttelbewegung verschieben und so den Pulverdüsen 21 zugeführt werden können.
• Wenn das Pulver vollständig verteilt wurde, wird der Elektrodenstempel 1 von oben auf die Pulverschicht gedrückt und der notwendige Druck zum Verdichten aufgebaut (siehe mittig). Sobald der Enddruck erreicht ist erfolgt vorzugsweise ein erster Stromimpuls, welcher einen ersten Strompfad 7 bildet, wobei der Stempel als Elektrode 1 und der Boden des Behälters bzw. der Hubtisch als Gegenelektrode 5 wirkt. Durch das metallische Pulver 3 wird der Strom 7 nur durch dieses elektrisch leitfähige Netzwerk 3 der leitfähigen Gebiete fließen. Die dabei entstehende joulesche Wärme erhitzt das Metallpulver bis unter den Schmelzpunkt. Die Kombination aus Wärme und Druck bewirkt ein Verbinden der Metallpartikel untereinander zu einer Körperschicht 9. Wenn erforderlich werden weitere Stromimpulse bzw. Strompfade 7 in das elektrisch leitfähige Netzwerk 3 der elektrisch leitfähigen Gebiete 3 für ein Nachsintern bzw. eine Wärmebehandlung abgegeben.
• Nach dem stromunterstützten Sintern wird der Elektrodenstempel hochgefahren (siehe unten). Das Keramikpulver wird mechanisch durch Schlagen oder spanend von dem gesinterten Bauteil 9 gelöst und mittels einer Absaugvorrichtung aus dem Arbeitsraum entfernt. Das Keramikpulver kann nach einem Aufbereitungsprozess wiederverwendet werden. Das gesinterte Bauteil 9 kann dann in nachfolgenden Schritten weiter bearbeitet werden, um z.B. eine geforderte Oberflächenqualität zu erhalten.
• Für eine erweiterte Funktionalität können Bauteile 9 Kavitäten (z.B. Kühlkanäle) aufweisen, welche mit dieser Erfindung ebenfalls realisierbar sind. In Kavitäten befindliches Isolatorpulver 18 wird mittels eines Fluides herausgespült bzw. aufgelöst. Sind verschlossene Hohlräume gefordert, dann wird das Bauteil durch das stromunterstützte Sintern nur an einer Stelle offen gelassen. Diese Öffnung wird in ihrer Größe so gewählt, dass das im Inneren des Bauteils befindliche Isolatorpulver 18 herausgespült, gelöst oder herausgesaugt werden kann. Nach dem Extrahieren des Isolatorwerkstoffes wird die Öffnung mittels Auftragsschweißen oder ähnlichen Verfahren verschlossen.
• zeigt mehrere mögliche räumliche Anordnungen von aktivierbaren Pulverdüsen 21 in Matrizen 24. Grundsätzlich ergeben sich für die Erfindung verschiedene Varianten der Pulverzuführung:
• - Ein Werkzeug (Werkzeug beschreibt vorzugsweise die Aufhängung/das Gehäuse für die Pulverdüsen 21) mit Mehrdüseneinheiten 22 in Matrixanordnung 24, vorzugsweise auch „Düsenmatrixwerkzeug“ 24 genannt.
• - Ein Werkzeug mit Mehrdüseneinheit in Linienanordnung 23, vorzugsweise auch „Düsenlinienwerkzeug“ 23 genannt.
• - Einzelne Mehrdüseneinheiten 22.
• - Ein Werkzeug mit Einzeldüsen 21, welche nur eine Art und/oder nur ein Material (bzw. Sorte) des Pulvers einbringen können, in Matrix- 24 oder Linienanordnung 23 mit externer Pulverdosiereinrichtung.
• Die einzelnen Varianten sind teilweise in in der Draufsicht und mit entsprechendem Schnitt der Düsen 21 dargestellt. Für alle gezeigten Varianten gilt, dass diese eine oder mehrere Mehrdüseneinheiten 22 aufweisen. Eine Mehrdüseneinheit 22 erzeugt dabei vorzugsweise Pulver in einem Voxel (Volumenelement), indem der Pulverstrom auf einen Punkt konzentriert wird. Durch eine Mehrdüseneinheit 22 (z.B. bestehend aus drei Einzeldüsen jeweils z. B. für die Werkstoffe Stahl, Aluminium und Keramik) kann die räumliche Verteilung der Werkstoffe sehr genau eingestellt werden. Somit ergeben sich geringe Sintertoleranzen, die eine spätere Zerspanung auf die Endmaße begünstigen. Prinzipiell lassen sich Pulverdüsen 21 mit sehr kleinen Durchmessern (0,05 mm) einsetzen. Diese können z.B. mittels Senkerodieren bzw. Bohrerodieren oder anderen abtragenden Mikroverfahren realisiert werden.
• Die ganz links gezeigte Variante stellt ein Düsenmatrixwerkzeug 24 dar, welches simultan über die gesamte Arbeitsfläche durch nebeneinander angeordneten Mehrdüseneinheiten Pulver auftragen kann (siehe , links).
• Bei einer zweiten Variante (siehe , rechts) sind die Einzeldüsen so angeordnet, dass z.B. eine Zeile aus drei Einzeldüsen 21 eine Mehrdüseneinheit 22 darstellt. Diese Mehrdüseneinheiten verlaufen auf einer Linie. Das Düsenlinienwerkzeug 23 wird dabei in dem Arbeitsraum (vorzugsweise der Kasten) in zwei translatorischen Richtungen (vertikal bzw.- in z- und/oder in x-Richtung) verfahren. Alternativ wird das Werkzeug in konstanter Höhe gehalten und bewegt sich nur in x-Richtung. Dann ist vorzugsweise der Kasten durch den Hubtisch vertikal verfahrbar, um vorzugsweise einen im Wesentlichen konstanten Abstand zwischen Düsen 21 und (oberster) Pulverschicht zu erhalten.
• Für eine dritte Variante gilt, dass dieses als Düsenwerkzeug nur aus einer einzelnen Mehrdüseneinheit 22 besteht (siehe , mittig). Im Gegensatz zu den vorgenannten Varianten wird die Mehrdüseneinheit 22 in dem Arbeitsraum in vorzugsweise alle drei translatorischen Richtungen (vertikal in z- sowie in x- und y-Richtung) verfahren.
• Prinzipiell ist es mit einer nicht gezeigten vierten Variante auch möglich, dass die unterschiedlichen Pulver in einer Dosiereinrichtung außerhalb des Düsenwerkzeugs entsprechend geregelt dosiert werden, um das jeweils benötigte Pulver dann durch Einzeldüsen 21 der Düsenwerkzeuge dem Arbeitsraum zuzuführen. Dabei sind bevorzugt auch alle bereits genannten Düsenanordnungen anwendbar.
• Alle Varianten der Düsenwerkzeuge können auch in konstanter Höhe verweilen, wobei die vertikale Bewegung dann durch einen beweglichen Hubtisch realisiert wird.
• stellt verschiedene mögliche Varianten für eine Mehrdüseneinheit 22 dar. Bei der ersten und zweiten Anordnung werden die Zuführungen 25 so ausgerichtet, dass diese am unteren Ende des Werkzeugs in Richtung Arbeitsfläche an einer Austrittsöffnung 27 zusammenmünden und somit eine Zusammenführung der einzelnen Pulverströme auf einen Punkt erfolgt (siehe links, zweite von links sowie ganz rechts). Bei der Variante links sind dabei die Zuführungen 25 von vorneherein in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet, so dass sich die Düse Richtung Austrittsöffnung 27 immer weiter zuspitzt. Bei der Variante, welche als zweite von links gezeigt ist, verlaufen die Zuführungen 25 parallel, die Düse verengt sich nur an der Austrittsöffnung 27. Bei der ganz rechts gezeigten Variante verläuft eine Zuführung 25 vertikal gerade und bildet am unteren Ende die Austrittsöffnung 27 der Düse, wobei zwei andere Zuführungen 25 vor der Austrittsöffnung 27 in einem Winkel zur vertikalen Zuführung 25 in diese münden. Eine vierte Anordnung umfasst mehrere vertikal gerade verlaufende Zuführungen 25 (vorzugsweise auch Düsenkanal genannt), wobei jede Zuführung 25 ihre eigene Austrittsöffnung 27 aufweist, diese jedoch nah zueinander angeordnet sind ( , zweite von rechts). Weitere Düsenanordnungen sind prinzipiell ebenfalls möglich.
• stellt eine Stempeleinheit zum Verdichten dar, welche ebenfalls eine Elektrode 1 umfasst. Dabei werden in einer Reihenfolge von oben nach unten verschiedene Ausführungen gezeigt:
• S1: Vorzugsweise isolierter Stempel 29 mit austauschbarem Einsatz 31 aus elektrisch leitfähigen Material.
• S2: Stempel 33 aus elektrisch leitfähigem Material.
• S3: Kombination aus vorzugsweise isoliertem Stempel 29 (hier mit Einsatz 31) und elektrisch leitfähigem Verbrauchsmaterial 35 auf einem Band.
• Generell werden die Stempel bzw. das Verbrauchsmaterial aus Werkstoffen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (z.B. Kupfer bzw. Kupferlegierungen oder Graphit) hergestellt, um möglichst hohe Stromstärken zu erreichen. Dabei ist aber auch die mechanische Festigkeit zu berücksichtigen.
• Bei Variante S1 wird ein hochfester elektrisch isolierter Stempel 29 mit einer auswechselbaren Elektrode 31 aus elektrisch leitfähigem Werkstoff als Stempeleinsatz angewendet.
• Der Stempel 33 kann wie bei Variante S2 auch komplett aus dem elektrisch leitfähigen Material bestehen, wobei die maximale Belastung des Stempels 33 kleiner sein kann als bei Variante S1, da das leitfähige Material oftmals nicht die gleiche Widerstandsfähigkeit, Masse und/oder Festigkeit aufweist wie bevorzugt das Stempeleinsatzmaterial 31 und/oder Stempelmaterial von Variante S1.
• Für Variante S3 wird vorzugsweise ein elektrisch isolierter Stempel 29 mit austauschbarem Einsatz 31 (vgl. Variante S1) als Elektrode und ein elektrisch leitfähiges Verbrauchsmaterial in Form von Blech 35 eingesetzt. Das Blech 35 befindet sich zu Beginn in Form eines langen Bandes auf einem Coil bzw. einer Rolle oder einer Haspel 37, von dem es abgehaspelt und der Arbeitsfläche zugeführt. Parallel dazu wird das verbrauchte Elektrodenmaterial 35 auf einem zweiten Coil 37 wieder aufgewickelt. Die Antriebe für die Haspeln 37 werden so geregelt, dass bei dem Herunterdrücken des Stempels 29 das Blech 35 auf das verteilte Pulver gepresst wird, wobei der Stempel 29 (oder der Einsatz 31) auf das Blech 35 gedrückt wird, ohne dass das Blech 35 reißt. Als Alternative zu einem geregelt angetriebenen Coil-Paar 37 kann das Blech 35 auch als einzelnes Halbzeug dem Arbeitsraum zugeführt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Aktivierbare Elektrode

3

Leitfähiger Bereich der Pulverschicht

5

Gegenelektrode

6

Aktivierte Elektrode

7

Strompfad

9

Körperschicht

11

Elektrodenmatrix

13

Stromquelle

15

Seitenwände des Kastens

16

Elektrisch leitfähiger Stift

17

Walze

18

Elektrisch isolierender Bereich der Pulverschicht

19

Walzensegmente

20

Kupferplatte

21

Pulverdüse

22

Mehrdüseneinheit

23

Düsenlinienwerkzeug

24

Düsenmatrix

25

Zuführung

27

Austrittsöffnung

29

Stempel mit austauschbarem Einsatz

31

Austauschbarerer Einsatz

33

Stempel aus elektrisch leitfähigem Material

35

Blech

37

Haspel

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Körpern umfassend Körperschichten durch einen stromunterstützten Sinterprozess, wobei: - mindestens eine Pulverschicht in einen Kasten eingebracht wird, wobei der Kasten an einem Boden ein Substrat umfassend mindestens eine aktivierbare Gegenelektrode (5) aufweist und wobei die Schicht mindestens ein elektrisch leitfähiges Gebiet (3) umfassend ein elektrisch leitfähiges Pulver aufweist, - das Pulver anschließend verdichtet wird; - zwischen mindestens einer auf der Pulverschicht aufliegenden aktivierbaren aktivierten Elektrode (1, 6) und der aktivierten Gegenelektrode (5) mindestens ein Strompfad (7) durch einen Bereich des elektrisch leitfähigen Gebiets (3) erzeugt wird; - der durch den Strompfad (7) umfasste Bereich durch die erzeugte joulesche Wärme zu mindestens einer Körperschicht (9) gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form der Körperschicht (9) durch eine räumliche Steuerung des Strompfades (7) kontrolliert wird, wobei die räumliche Steuerung des Strompfads (7) durch eine Steuerung einer räumlichen Anordnung von aktivierter Elektrode (6), aktivierter Gegenelektrode (5) und/oder elektrisch leitfähigem Gebiet (3) vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der räumlichen Anordnung der aktivierten Elektrode (6) und/oder Gegenelektrode (5) durch Aktivierung mindestens einer Elektrode (1) und/oder Gegenelektrode (5) innerhalb einer in x- und/oder y-Richtung räumlich angeordneten Matrix (11) von Elektroden und/oder Gegenelektroden vorgenommen wird, wobei das elektrisch leitfähige Gebiet (3) mindestens ein Pulvervolumen zwischen aktivierter Elektrode (6) und aktivierter Gegenelektrode (5) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der räumlichen Anordnung der aktivierten Elektrode (6) und/oder Gegenelektrode (5) durch eine vorhergehende Relativbewegung in x- und/oder y-Richtung zwischen mindestens einer aktivierten Elektrode (6) und dem Kasten und/oder mindestens einer aktivierten Gegenelektrode (5) und dem Kasten vorgenommen wird, wobei das elektrisch leitfähige Gebiet (3) an die aktivierte Elektrode (6) und/oder Gegenelektrode (5) angrenzt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Gebiet (3) die gesamte Pulverschicht umfasst, wobei das elektrische leitfähige Pulver über ein Schüttwerk eingebracht wird, wobei das Pulver gleichmäßig innerhalb der Pulverschicht verteilt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der räumlichen Anordnung des elektrisch leitfähigen Gebiets (3) durch Einbringen des elektrisch leitfähigen Pulvers innerhalb des elektrisch leitfähigen Gebiets (3) und Einbringen eines elektrisch isolierenden Pulvers außerhalb des elektrisch leitfähigen Gebiets vorgenommen wird, wobei das elektrisch leitfähige Gebiet (3) an die aktivierte Elektrode (6) und/oder Gegenelektrode (5) angrenzt und wobei das Einbringen des elektrisch leitfähigen Pulvers innerhalb des Gebiets (3) und/oder des elektrisch isolierenden Pulvers außerhalb (18) des Gebiets ein punktweises Einbringen mindestens einer Schicht durch räumliche Anordnung mindestens einer aktivierten Pulverdüse (21) oberhalb eines Einbringpunktes umfasst.
6. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Anordnung der aktivierten Pulverdüse (21) oberhalb des Einbringpunktes durch Aktivierung mindestens einer Pulverdüse (21) innerhalb einer in x- und/oder y-Richtung angeordneten Matrix (24) von aktivierbaren Pulverdüsen (21) und/oder durch eine Relativbewegung in x- und/oder y-Richtung zwischen mindestens einer aktivierten Pulverdüse (21) und dem Kasten vorgenommen wird.
7. Vorrichtung konfiguriert für die Herstellung von Körpern umfassend Körperschichten (9) durch einen stromunterstützten Sinterprozess nach einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1-4, umfassend - einen Kasten, welcher an einem Boden ein Substrat umfassend mindestens eine aktivierbare Gegenelektrode (5) aufweist, - ein Schüttwerk zum Einbringen mindestens einer elektrisch leitfähigen Pulverschicht (3) - mindestens eine aktivierbare Elektrode (1), welche auf einer im Kasten umfassten Pulverschicht aufgelegt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung der räumlichen Anordnung mindestens einer aktivierten Elektrode (6) und/oder einer mindestens einer aktivierten Gegenelektrode (5) vorgenommen werden kann.
8. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine in x- und/oder y-Richtung räumlich angeordneten Matrix (11) von aktivierbaren Elektroden und/oder Gegenelektroden umfasst ist und/oder aktivierbare Elektrode (1) und Kasten und/oder aktivierbare Gegenelektrode (5) und Kasten konfiguriert sind für eine Relativbewegung in x- und/oder y-Richtung.
9. Vorrichtung konfiguriert für die Herstellung von Körpern umfassend Körperschichten (9) durch einen stromunterstützten Sinterprozess nach einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 und 5-6, umfassend - einen Kasten, welcher an einem Boden ein Substrat umfassend mindestens eine aktivierbare flächige Gegenelektrode (5) aufweist, - mindestens eine Einbringvorrichtung zum Einbringen mindestens einer elektrisch leitfähigen Pulverschicht (3) und/oder einer elektrisch isolierenden Pulverschicht (18), - mindestens eine aktivierbare Elektrode (1), welche flächig auf einer gesamten im Kasten umfassten Pulverschicht aufgelegt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringvorrichtung konfiguriert ist für eine Steuerung einer räumlichen Anordnung mindestens eines elektrisch leitfähigen Gebiets (3) innerhalb der Pulverschicht durch Einbringen des elektrisch leitfähigen Pulvers innerhalb des Gebiets (3) und Einbringen eines elektrisch isolierenden Pulvers außerhalb (18) des elektrisch leitfähigen Gebiets, wobei die Einbringvorrichtung bevorzugt mindestens eine aktivierbare Pulverdüse (21) oberhalb eines Einbringpunktes für ein punktweises Einbringen des elektrisch leitfähigen Pulvers innerhalb des Gebiets (3) und/oder des isolierenden Pulvers außerhalb des Gebiets (18) umfasst.
10. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine in x- und/oder y-Richtung räumlich angeordneten Matrix (24) von aktivierbaren Pulverdüsen umfasst ist und/oder aktivierbare Pulverdüse (21) und Kasten konfiguriert sind für eine Relativbewegung in x- und/oder y-Richtung.

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