DE102021000576A1

DE102021000576A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit elektrisch leitenden Schichten

Info

Publication number: DE102021000576A1
Application number: DE102021000576.7A
Authority: DE
Inventors: Elisa Arikan; Thomas Schuster; Mathias Zimmermann; Sebastian Eibl; Tobias Hehn
Original assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit elektrisch leitenden Schichten weist folgende Merkmale auf:• das Verfahren verwendet einen 3D-Drucker,• der 3D-Drucker ist ein Selektiver-Laser-Sinter(SLS)-Drucker (50),• das Verfahren weist folgende Schritte auf:a) Auftragen einer Pulverschicht, die ein Pulver (6) aus einem Polymer aufweist,b) partielle Versinterung dieser Pulverschicht mit einem Laserstrahl (52) einer Lasereinrichtung (51) des SLS-Druckers (50) unter Erhalt einer Sinterschicht (S1, S2, S3) des Bauteils,c) Wiederholung der Schritte a) und b) nach Art einer Schleife so lange, bis eine letzte Sinterschicht (S3) des Bauteils (1) erhalten ist,• derart, dass mindestens einmal während des Durchlaufens des Schrittes b) mit dem Laserstrahl (52) der Lasereinrichtung (51) in einem Abschnitt der Sinterschicht (S1, S2, S3) elektrisch leitfähige Rußpartikel erzeugt werden unter Erhalt eines leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts (R1, R2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit elektrisch leitenden Schichten, bei dem ein 3D-Drucker verwendet wird.
Aus der US 2018/0295728 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit elektrisch leitenden Schichten bekannt. Das Verfahren verwendet einen Multi-Jet-Modelling-Drucker. Mit dem Multi-Jet-Modelling-Drucker wird ein flüssiger Kunststoff schichtweise aufgetragen und mit einem UV-Licht ausgehärtet. Dadurch werden einzelne Modellierungsschichten des Bauteils erhalten. Um zwischen aufeinander folgenden Modellierungsschichten des Bauteils einen elektrisch leitenden Film zu erzeugen, wird eine Suspension mit leitfähigen Partikeln aufgetragen. Nach einer Verdampfung der Flüssigkeit der Suspension bilden die leitfähigen Partikel den elektrisch leitenden Film.
Aus der US 9 905 389 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer integrierten elektronischen Komponente bekannt. Die elektronische Komponente kann eine Diode mit einer Kathode und Anode sein. Das Verfahren verwendet einen 3D-Drucker zum Drucken des Bauteils. Mit dem 3D-Drucker können leitende und nichtleitende Materialien schichtweise ausgedruckt werden. Ausgedruckte Schichten aus einem nichtleitenden Material weisen Aussparungen auf, in die Leiterbahnen und elektronische Komponenten hineingedruckt werden.
Aus der WO 2016/147284 A1 , der WO 2016/146374 A1 , der WO 2016/142147 A1 und der US 2015/0305158 A1 sind weitere Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles mit leitenden Strukturen bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit elektrisch leitenden Schichten auszubilden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die Vorteile der Erfindung beruhen zunächst darauf, dass zur Herstellung eines Bauteils mit elektrisch leitenden Schichten ein Selektiver-Laser-Sinter(SLS)-Drucker verwendet wird. Bei einem SLS-Drucker ist bereits eine Lasereinrichtung zur Erzeugung elektrisch leitender Schichten integriert. Dadurch ist ein SLS-Drucker wirtschaftlich. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

a) Auftragen einer Schicht eines Pulvers. Verwendet wird ein Pulver aus einem Polymer, um eine Bildung von Rußpartikeln zu ermöglichen.
b) Partielle Versinterung dieser Pulverschicht mit einem Laserstrahl einer Lasereinrichtung des SLS-Druckers unter Erhalt einer Sinterschicht des Bauteils.
c) Wiederholung der Schritte a) und b) nach Art einer Schleife so lange, bis eine letzte Sinterschicht des Bauteils erhalten ist.

Mindestens einmal während des Durchlaufens des Schrittes b) werden mit dem Laserstrahl der Lasereinrichtung in einem Abschnitt der Sinterschicht elektrisch leitfähige Rußpartikel erzeugt. Dabei wird ein leitfähiger Sinterschichts-Abschnitt erhalten. Hierdurch werden auf eine alternative Art und Weise elektrisch leitende Schichten geschaffen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden mit dem Laserstrahl der Lasereinrichtung über eine gesamte Schichttiefe des leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts elektrisch leitfähige Rußpartikel erzeugt. Dies bewirkt, dass aufeinanderliegende Sinterschichts-Abschnitte elektrisch miteinander verbunden sind. Dies erlaubt, dass komplexe leitende Strukturen erstellt werden können. Weil der Querschnitt des elektrisch leitenden Sinterschichts-Abschnitts sich dadurch erhöht, verringert sich auch sein elektrischer Widerstand.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zum Erzeugen des über eine gesamte Schichttiefe leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts mit dem Laserstahl der Lasereinrichtung folgende Schritte mehrfach wiederholt:

• Bildung von Rußpartikeln. Die Bildung der Rußpartikel erfolgt am Übergang zwischen der Oberfläche des Polymers und der Außenluft.
• Daher erfolgt auch eine Verteilung der erhaltenen Rußpartikel durch Aufschmelzung des leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts. Durch das Aufschmelzen wird auch die stoffschlüssige Verbindung verbessert. Jedoch nimmt man einen erhöhten elektrischen Widerstand in Kauf, weil die Rußpartikel aufgrund der feineren Verteilung zum Teil voneinander isoliert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Bauteil mechanisch niedrig belastete Bereiche und mechanisch hoch belastete Bereiche auf. Die Sinterschichts-Abschnitte sind in den mechanisch niedrig belasteten Bereichen des Bauteils angeordnet. Hierdurch erfährt das Bauteil eine geringe Schwächung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Pulver ein Polymerpulver, das aus einer Gruppe bestehend aus PEI-Pulver, Pl-Pulver, PEEK-Pulver und PES-Pulver ausgewählt ist. Die vorgenannten Kunststoffe lassen sich mit einem Laserstrahl verrußen, um eine Leitfähigkeit zu erhalten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Erzeugung der elektrisch leitfähigen Rußpartikel unter freiem Luftzutritt. Dies kommt einer guten Verrußung zu Gute.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen

1 einen Selektiven-Laser-Sinter(SLS)-Drucker zur Herstellung eines Bauteiles mit elektrisch leitenden Schichten, in einer räumlichen Darstellung;
2a bis 2e einzelne Bauteil-Fertigungszustände, wobei die 2d den Fertigungszustand in 1 repräsentiert;
3 einen Algorithmus der in den 2a bis 2e illustrierten Bauteilfertigung, dargestellt als Flussdiagramm.

Die 1 illustriert ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit elektrisch leitenden Schichten. Das Verfahren verwendet einen Selektiven-Laser-Sinter(SLS)-Drucker 50. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

a) Auftragen einer Schicht eines Pulvers 6. Das Pulver 6 besteht zu mehr als 90 Gewichtsprozent aus einem Polymer, weil Polymere verrußt werden können.
b) Partielle Versinterung dieser Pulverschicht mit einem Laserstrahl 52 einer Lasereinrichtung 51 des SLS-Druckers 50. Wie dargestellt, liegen die Sinterschichten S₁ und S₂ vor.
c) Wiederholung der Schritte a) und b) nach Art einer Schleife so lange, bis eine letzte Sinterschicht des Bauteils 1 erhalten ist.

Während des ersten Durchlaufens des Schrittes b) wurden mit dem Laserstrahl 52 der Lasereinrichtung 51 in einem Abschnitt der Sinterschicht S₁ elektrisch leitfähige Rußpartikel erzeugt, wobei ein leitfähiger Sinterschichts-Abschnitt R₁ erhalten wurde. Während des zweiten Durchlaufens des Schrittes b) wurden mit dem Laserstrahl 52 der Lasereinrichtung 51 in einem Abschnitt der Sinterschicht S₂ elektrisch leitfähige Rußpartikel erzeugt, wobei ein weiterer leitfähiger Sinterschichts-Abschnitt R₂ erhalten wurde.
Die 2a bis 2e illustrieren einzelne Bauteil-Fertigungszustände. Die 2a zeigt einen anfänglichen Bauteil-Fertigungszustand. Dargestellt ist eine erzeugte Sinterschicht S₁ des Bauteils. Die erzeugte Sinterschicht S₁ des Bauteils wurde erhalten durch eine partielle Versinterung einer Pulverschicht mit dem Laserstrahl 52 der Lasereinrichtung 51 des SLS-Druckers 50. Die 2b zeigt einen sich anschließenden Bauteil-Fertigungszustand. Mit dem Laserstrahl 52 der Lasereinrichtung 51 wurden in einem Abschnitt der Sinterschicht S₁ elektrisch leitfähige Rußpartikel erzeugt, wobei ein leitfähiger Sinterschichts-Abschnitt R₁ erhalten wurde. Die 2c weist eine neue Sinterschicht S₂ des Bauteils auf. Die 2d illustriert, dass mit dem Laserstrahl 52 der Lasereinrichtung 51 in einem Abschnitt der Sinterschicht S₂ elektrisch leitfähige Rußpartikel erzeugt werden, wobei ein leitfähiger Sinterschichts-Abschnitt R₂ erhalten wird. Die 2e zeigt eine partielle Versinterung einer neuen Pulverschicht mit dem Laserstrahl 52 der Lasereinrichtung 51 unter Erhalt einer Sinterschicht S₃ des Bauteils.
Die 3 illustriert einen vereinfachten Algorithmus des Verfahrens. Nach dem Auftragen einer Pulverschicht wird in Abhängigkeit davon, ob eine Leitfähigkeit erforderlich ist, entweder nur gesintert oder gesintert und verrußt. Die Schritte werden bis zur letzten Schicht des Bauteiles wiederholt.
Die 1 illustriert, dass mit dem Laserstrahl 52 der Lasereinrichtung 51 über eine gesamte Schichttiefe t (in 2c eingezeichnet) am Beispiel des leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts R₁ elektrisch leitfähige Rußpartikel erzeugt wurden. Eine geringe elektrische Leitfähigkeit der Rußpartikel wird durch eine große Querschnittsfläche ausgeglichen.
Die 1 illustriert, dass zum Erzeugen des über eine gesamte Schichttiefe t (in 2c eingezeichnet) leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts R₂ mit dem Laserstahl 52 der Lasereinrichtung 51 folgende Schritte mehrfach wiederholt werden:

• Bildung von Rußpartikeln. Dies erfolgt an der Oberfläche des Polymers.
• Verteilung der erhaltenen Rußpartikel durch Aufschmelzung des leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts R₂.

Abweichend zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann ein Bauteil mechanisch niedrig belastete Bereiche und mechanisch hoch belastete Bereiche aufweisen. Um das Bauteil nicht allzu sehr zu schwächen, ordnet man die Sinterschichts-Abschnitte in den mechanisch niedrig belasteten Bereichen des Bauteils an.
Das Pulver 6 ist zu mehr als 90 Gewichtsprozent ein Polymerpulver, das aus einer Gruppe bestehend aus PEI-Pulver, PI-Pulver, PEEK-Pulver und PES-Pulver ausgewählt ist.
Die Erzeugung der elektrisch leitfähigen Rußpartikel erfolgt unter freiem Luftzutritt,
Um leitfähige Sinterschichts-Abschnitte zu erhalten, sind folgende Ausführungs-Faktoren zu beachten:

• die Laserparameter,
• die Art der Polymere,
• die Umgebungsbedingungen.

Da ein SLS-Drucker nicht zur Verfügung stand, wurden Versuche mit folgender Lasereinrichtung durchgeführt;

Modell: Trumpf TruMark 6350
Lasermedium: Nd:YV04
Wellenlänge: 355 nm
Leistung: max. 10W
Vorschubgeschwindigkeit: beispielsweise 75 mm/s
Pulsfolgefrequenz: 1kHz bis 120 kHz, oder auch cw
Fokusdurchmesser: minimal 21 µm bei Brennweite 100 mm

Für die Durchführung der Versuche wurden extrudierte Folien aus PEEK, PI, PEI und PES verwendet.
In einem Versuch wurde eine PEEK-Folie mit einer Lasereinrichtung mit verschiedenen Laserparametern behandelt und der Ruß mit Hilfe einer Klebeprobe gebunden. Eine unterschiedlich dunkle Färbung des Klebstoffs zeigte eine unterschiedliche Menge an Ruß abhängig von der Laser-Behandlungsintensität.
Die Widerstandsvergleichsmessung an einer unbehandelten Folie aus PEEK ergab beim Aufsetzen der Elektroden einen angezeigten Widerstand von mehr als 1 Tera-Ohm (1×10¹² Ohm). Beim Aufsetzen auf eine verrußte Bahn zeigte das Messgerät einen Wert von 75 Mega-Ohm (75×10⁶ Ohm) an. Die Bahn ist also deutlich elektrisch leitfähiger als das unbehandelte Polymer.
In einem weiteren Versuch wurden die Umgebungsbedingungen verändert. Dazu wurde ein hoher Plexiglas-Zylinder um die zu lasernde Stelle gestellt. Dieser Luftabschluss führte dazu, dass mit den gleichen Laserparametern und dem gleichen Polymer weniger Ruß produziert wurde. Dies belegt, dass ein freier Luftzutritt eine Rußbildung fördert.
Wie zuvor dargelegt, erfolgen mit dem Laserstrahl 52 der Lasereinrichtung 51 folgende Fertigungsschritte:

a) eine Sinterung,
b) eine Bildung von Rußpartikeln, und
c) eine Verteilung der erhaltenen Rußpartikel durch Aufschmelzung des leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts.

Die Fertigungsschritte a), b) und c) erfolgen mit einer jeweiligen Einstellung der Laserparameter einer jeweils eingesetzten Lasereinrichtung eines SLS-Druckers. SLS-Drucker sind rechnergesteuert, wobei ein Programm die Laserparameter des Fertigungsschrittes der Sinterung vorgibt. Die in SLS-Druckern eingesetzten Lasereinrichtungen unterscheiden sich erheblich. Daher ist es notwendig, mit Hilfe von einfachen, routinemäßigen Versuchen die Laserparameter einer jeweils eingesetzten Lasereinrichtung für den Fertigungsschritt der Bildung von Rußpartikeln und den Fertigungsschritt der Verteilung der erhaltenen Rußpartikel durch Aufschmelzung des leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts zu bestimmen. Die zu variierenden Laserparameter können umfassen:

• Laserstrahl:
- o Wellenlänge
- Ausgangsleistung
- ◯ Strahldurchmesser, Strahlfläche
• Betriebsart des Lasers:
- ◯ cw: continous wave - kontinuierlicher Betrieb
- ◯ pw: pulse wave - Pulsbetrieb
• Pulseigenschaften:
- ◯ Pulsfrequenz
- ◯ Tastverhältnis
- ◯ Impulslänge
- ◯ Impulsspitzenleistung
• Strahlführung:
- ◯ Fokussierung des Laserstrahls
- ◯ Vorschubgeschwindigkeit
- ◯ Art der Bewegung, wie eine Zick-Zack-Bahn oder eine kreisende Bewegung
• Gasumgebung im Prozess:
- ◯ Zufuhr von inerten Gasen, zum Beispiel Stickstoff
- ◯ Zufuhr von reaktiven Gasen, zum Beispiel Sauerstoff

Durch die elektrische Leitfähigkeit der Sinterschichts-Abschnitte können beispielsweise folgende Zusatzfunktionen integriert werden:

• Mit den Sinterschichts-Abschnitten können Leiterbahnen zur Signalleitung ausgebildet werden.
• Ebenso lassen sich mit den Sinterschichts-Abschnitten Leiterbahnen zur Leitung elektrischer Energie realisieren.
• Die Sinterschichts-Abschnitte können derart angeordnet und ausgebildet sein, dass eine elektromagnetische Strahlung abgeschirmt wird. Bei der abzuschirmenden, elektromagnetischen Strahlung kann es sich um eine Radarstrahlung handeln. Zur besseren Abschirmung kann die Leitfähigkeit einzelner, aufeinander folgenden Sinterschichts-Abschnitte einen Gradientenverlauf aufweisen.
• Die Sinterschichts-Abschnitte können derart angeordnet und ausgebildet sein, dass nachfolgende Elemente im Bauteil realisiert werden: Dehnungsmessstreifen, Antennen, Heizungswiderstände, Anordnungen von Heizungswiderständen zur Infrarot-Tarnung.

Bezugszeichenliste

6: Pulver
50: SLS-Drucker
51: Lasereinrichtung
52: Laserstrahl
S1, S2, S3: Sinterschicht
R1, R2: leitfähiger Sinterschichts-Abschnitt
t: Schichttiefe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2018/0295728 A1 [0002]
US 9905389 B2 [0003]
WO 2016/147284 A1 [0004]
WO 2016/146374 A1 [0004]
WO 2016/142147 A1 [0004]
US 2015/0305158 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit elektrisch leitenden Schichten, mit folgenden Merkmalen: • das Verfahren verwendet einen 3D-Drucker, • der 3D-Drucker ist ein Selektiver-Laser-Sinter(SLS)-Drucker (50), • das Verfahren weist folgende Schritte auf: a) Auftragen einer Pulverschicht, die ein Pulver (6) aus einem Polymer aufweist, b) partielle Versinterung dieser Pulverschicht mit einem Laserstrahl (52) einer Lasereinrichtung (51) des SLS-Druckers (50) unter Erhalt einer Sinterschicht (S₁, S₂, S₃) des Bauteils, c) Wiederholung der Schritte a) und b) nach Art einer Schleife so lange, bis eine letzte Sinterschicht (S₃) des Bauteils (1) erhalten ist, • derart, dass mindestens einmal während des Durchlaufens des Schrittes b) mit dem Laserstrahl (52) der Lasereinrichtung (51) in einem Abschnitt der Sinterschicht (S1, S2, S3) elektrisch leitfähige Rußpartikel erzeugt werden unter Erhalt eines leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts (R₁, R₂).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit dem Laserstrahl (52) der Lasereinrichtung (51) über eine gesamte Schichttiefe (t) des leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts (R₁, R₂) elektrisch leitfähige Rußpartikel erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zum Erzeugen des über eine gesamte Schichttiefe (t) leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts (R₁, R₂) mit dem Laserstahl (52) der Lasereinrichtung (51) folgende Schritte mehrfach wiederholt werden: • Bildung von Rußpartikeln, • Verteilung der erhaltenen Rußpartikel durch Aufschmelzung des leitfähigen Sinterschichts-Abschnitts (R₁, R₂).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Bauteil 1 mechanisch niedrig belastete Bereiche und mechanisch hoch belastete Bereiche aufweist und bei dem die Sinterschichts-Abschnitte (R₁, R₂) in den mechanisch niedrig belasteten Bereichen des Bauteils angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Pulver (6) ein Polymerpulver ist, das aus einer Gruppe bestehend aus PEI-Pulver, Pl-Pulver, PEEK-Pulver und PES-Pulver ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Erzeugung der elektrisch leitfähigen Rußpartikel unter freiem Luftzutritt erfolgt.