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Technisches Gebiet
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der additiven Fertigung und betrifft ein polymerfilamentbasiertes Verfahren.
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Vorbekannter Stand der Technik
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Die thermoplastische Formgebung keramischer Formteile findet zunehmend Akzeptanz in Industrieunternehmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Giess- und Presstechniken von keramischen Bauteilen ist das Ausbrennen des thermoplastischen Bindersystems zeitaufwendiger. Dafür ist jedoch eine einfache Lagerung des Feedstocks (Keramik-Polymer-Mischung), exakte Einstellung der Gründichte, präzise Herstellung von komplexen oder dünnwandigen Strukturen, usw. möglich. Im Vergleich zu herkömmlichen thermoplastischen Umformungstechniken (Spritzgiessen, Extrusion) bietet das thermoplastische 3D Drucken von Keramiken und Metallen die Möglichkeit, Bauteile individuell über einen schichtweisen Aufbau herzustellen. Typischerweise werden thermoplastische Filamente über einen Bowdenextruder einer geheizten Düse zugeführt. Der Polymerbinder wird aufgeschmolzen und an einer gewünschten Position abgelegt. Durch die Abkühlung und Erhärtung kann so eine Struktur, mit einer Schichtdicke zwischen 0,03 und 1,2 mm, aufgebaut werden, typischerweise 50 - 200 µm.
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Verfahren, die diese Technologie zur additiven Fertigung umsetzen bezeichnet man als Filament Freeform Fabrication FFF oder Fused Deposition Modelling FDM. Derzeit werden mit dem FDM- oder FFF-Verfahren mit keramischen oder metallischen Pulvern gefüllte Polymerfilamente zunächst zu einem (Roh-)Bauteil gestapelt bzw. aneinander gefügt, welches dann in die Entbinderung durch chemische und thermische Behandlung zur Vorbereitung für einen abschließenden Sinterprozess gegeben wird. Der Sinterprozess erfolgt selbstredend ebenfalls thermisch, aber bei erheblich höheren Temperaturen (typisch sind Temperaturen > 1000°C) als die thermische Entbinderung (typischerweise < 650°C).
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Derartige Verfahren gliedern sich typischerweise in mehrere aufeinander folgende Herstellungsschritte:
- - Kompoundierung des keramischen oder metallischen Pulvers und des thermoplastischen Binders;
- - Herstellung von Filament für den thermoplastischen 3D Druck;
- - 3D Druck über Aufschmelzen des Feedstocks und schichtweiser Auftrag des Materials; und
- - Thermische Behandlung (Entbinderung und Sinterung der Bauteile).
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Selbstredend können auch vorgefertigte partikelgefüllte Polymerfilamente verwendet werden, sodass sich diese Verfahren auf den 3D-Druck und die thermische Behandlung, umfassend Enbindern und Sintern reduzieren lassen.
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Vorliegend werden die in der englischsprachigen Fachliteratur gebräuchlichen Begriffe Filament Freeform Fabrication (FFF) und Fused Deposition Modelling (FDM) synonym deutsch als Schmelzschichtungsverfahren bezeichnet. Schmelzschichtungsverfahren werden der additiven Fertigung, insbesondere dem 3D-Druck zugeordnet. Zugehörige Verfahren der Filamentherstellung und die Verwendung des Filaments sind im weitesten Sinne den Materialextrusionsverfahren zuzuordnen.
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Nachteile des Standes der Technik
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Die vorbekannten Lösungen sind jedoch nur teilweise zufriedenstellend und erfordern einen hohen technischen Aufwand. Dabei ist das Entbindern, d.h. das Austreiben des polymeren Anteils des Bauteils, so dass ein sinterfähiger keramischer oder metallischer Pulverkompakt (Braunkörper) übrigbleibt, einer der schwierigsten Punkte in der genannten Prozesskette. Der Prozess ist zeitaufwendig und führt selbst bei sehr vorsichtiger und umso zeitaufwendigerer Behandlung des Bauteils (Grünkörpers) durch chemische und thermische Entbinderung immer wieder zu Defekten. Das Problem liegt hierbei in der Tatsache begründet, dass es keine offene Porosität im grünen, also wie gedruckt erhaltenen, Bauteil gibt. Alle Zwischenräume zwischen den keramischen oder metallischen Partikeln sind mit Polymer gefüllt. Daher muss zunächst durch ein chemisches Auflösen des Polymers, zumeist in Aceton, und eine vorsichtige thermische Behandlung, das Polymer von außen nach innen aufgelöst oder verdampft werden.
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Insbesondere umfasst der Grünkörper (gedruckt erhaltener Rohling des Bauteils) ein keramisches oder metallisches Pulver, welches durch ein Polymer verklebt ist. Allerdings weist dieser Rohling des Bauteils keine offenen Poren auf, die das Entweichen flüchtiger Bestandteile beim Entbindern erheblich erleichtern würden. Der Grünkörper ist also besser beschrieben als ein mit keramischem oder metallischem Pulver gefüllter Polymerkörper. Das Zersetzen des Polymers beim Entbindern erfolgt zeitaufwendig von außen nach innen.
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Problemstellung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Schaffung einer offenen Porosität eines Rohlings des Bauteils, bzw. eines offenporigen Grünkörpers noch im Druckprozess bereitzustellen.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 durch teilweises Entfernen des Polymers unter Verwendung einer Strahlungsquelle nach jedem Schichtauftrag. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
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Gemäß einer Ausführungsform wird Schmelzschichtungsverfahren zur Herstellung eines Bauteils vorgeschlagen. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Prozessschritte:
- - zumindest teilweises Aufschmelzen eines mit keramischen und/oder metallischen Partikeln gefüllten Polymerfilaments;
- - Auftragen einer ersten Schicht des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments gemäß einer ersten Schicht eines Schichtmodells des Bauteils;
- - Erstarrenlassen des schichtweise aufgetragenen zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments;
- - Wiederholtes schichtweises Auftragen des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments sukzessive auf einer zuvor aufgetragenen und erstarrten Schicht gemäß der ersten Schicht des Schichtmodells nachfolgenden Schichten des Schichtmodells solange, bis ein Rohling des Bauteils vorliegt; und
- - Entbindern umfassend ein Entfernen des erstarrten Polymers des Rohlings des Bauteils und Sintern der keramischen und/oder metallischen Partikel zum Bauteil;
wobei vor dem wiederholten schichtweisen Auftragen eine zumindest abschnittsweise Exposition der zuvor aufgetragenen und erstarrten Schicht des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments gegenüber einer Laserstrahlung erfolgt.
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Vorteilhaft kann so die Fertigung von Bauteilen erleichtert und beschleunigt werden, da eine das Bauteil in jeder Schicht durchdringende offene Porosität wenigstens an bestimmten mit der elektromagnetischen Strahlung behandelten Positionen generiert wird. Diese Porosität durchdringt das Bauteil in der Ebene einer Schicht idealerweise von einer äußerer Kontur der Schicht zu der nächst gelegenen gegenüberliegenden äußeren Kontur.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die elektromagnetischen Strahlung so ausgewählt und eingestellt, dass in Zwischenräumen von zueinander benachbarten keramischen und/oder metallischen Partikeln des schichtweise aufgetragenen Filaments vorliegendes Polymer zersetzt und/oder verdampft, wenn eine geeignete Expositionsdauer gewählt wird, sodass der Rohling des Bauteils schichtweise offene Poren umfasst.
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Vorteilhaft erleichtern die als offene Poren freigelegten Partikelzwischenräume das thermische Behandeln, insbesondere das Entbindern, indem beim thermischen Entbindern auftretende Gase ungehindert entweichen können, und eine Anordnung der zueinander benachbarten Partikel des Bauteilrohlings („Grünkörpers“) nicht verletzen.
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Gemäß einer Ausführungsform entsprechen Maße von aufgetragenen Schichten des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments Maßangaben korrespondierender Schichten eines schichtweise aufgebauten Modells des Bauteils.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Modell des Bauteils ein CAD/CAM-Modell.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die zum Entbindern auf eine zuvor aufgetragene Schicht des Polymerfilaments applizierte Laserstrahlung gepulst, wobei die Länge von Pulsen der Laserstrahlung in einem Bereich von einer oder wenigen Femtosekunden bis zu einer oder wenigen µs, bevorzugt bis zu < 1000 fs, weiter bevorzugt bis < 100 fs liegt.
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Vorteilhaft lässt sich Laserstrahlung, beispielsweise eine fokussierte Laserstrahlung, mit einer Scannervorrichtung, beispielsweise mit einem Spiegelscanner, softwaregesteuert gezielt über die Schicht lenken und, beispielsweise, hinsichtlich Intensität, Verweildauer, Fortschrittsgeschwindigkeit, Wellenlänge und/oder Pulsdauer so steuern, dass ein als Bindemittel eingesetztes Polymer (oder ein Polymeranteil) des Filaments zersetzt und/oder verdampft wird. Hierbei kann sowohl eine kontinuierlich applizierte Laserstrahlung oder eine gepulste Laserstrahlung mit Pulslängen von fs bis µs eingesetzt werden. Kurzpulse, insbesondere im Pulslängenbereich von Femtosekunden, haben den Vorteil, dass das keramische Material während des Prozesses nicht bereits thermisch gesintert wird. Die Wellenlänge der Laserstrahlung kann bis in das IR, beispielsweise bis 800 nm, bis 1800 nm oder bis 4,5 µm reichen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zumindest abschnittsweise Exposition der zuvor aufgetragenen Schicht des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments beispielsweise zueinander benachbarte Linien aus und bildet so, beispielsweise, eine Schraffur. Ebenso kann die Exposition der Schicht mit der Laserstrahlung auch in Form eines sich periodisch wiederholenden Raster und/oder als ein Muster erfolgen, sodass der exponierte Bereich der Schicht geordnet oder ungeordnet einer Strukturierung unterzogen wird. Insbesondere wird eine in die Tiefe der Schicht hineinreichende Musterung der jeweils exponierten Schicht erzeugt.
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Vorteilhaft erfolgt dabei eine Freilegung von Partikelzwischenräumen. Das heißt, Polymer wird - zumindest teilweise oder sogar vollständig - aus den Zwischenräumen von zueinander benachbarten Partikeln der erstarrten Schicht entfernt. Jedoch erfolgt das Entfernen des Polymers nur abschnittsweise, so dass das als Bindemittel fungierende Polymer die erzeugte Partikel-Anordnung immer noch gemäß den Steuerdaten (CAD-CAM-Daten) des Schichtmodells des Bauteils fixiert.
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Gemäß einer Ausführungsform beträgt eine mittlere Schichtdicke des erstarrten, schichtweise aufgetragenen zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments 25 µm - 5.000 µm, bevorzugt 30 µm - 3.000 µm, weiter bevorzugt 50 µm - 1.200 µm, insbesondere 50 µm - 200 µm.
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Vorteilhaft bewirkt eine Verminderung der Schichtdicke eine feinere Strukturierung der Oberfläche. Es liegt auf der Hand, dass ein aus mehreren dünnen Schichten aufgebautes Bauteil feiner strukturiert werden kann, als ein weniger Schichten größerer Dicke umfassendes Bauteil identischer Höhe (Größe).
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine sich orthogonal zu einer Ebene der Schicht erstreckende Tiefe der in den Zwischenräumen von zueinander benachbarten keramischen und/oder metallischen Partikeln erzeugten offenen Poren zwischen einem Fünftel und einer Hälfte der mittleren Schichtdicke des erstarrten, schichtweise aufgetragenen zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments.
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Das ermöglicht eine zuverlässige Stabilität des durch konsekutive Anbindung benachbarter Schichten schrittweise aufgebauten Bauteil-Rohlings. Vorteilhaft werden die Positionen der mittels Laser lokal entbinderten Bereiche in der jeweiligen Schichtebene in ihrer Position gegenüber vorherigen Schichtebenen variiert. Dadurch wird die Stabilität des Rohlings gewährleistet.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das thermische Entbindern bei einer Temperatur typischerweise unterhalb von 800 °C, insbesondere unterhalb von 650 °C.
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Vorteilhaft entweicht der Binder über einen breiten Temperaturbereich kontinuierlich und baut dabei einen konstanten über die Temperatur steuerbaren Dampfdruck auf, der über die Wahl des Heizprogramms unter der Zerstörungsschwelle des zu entbindernden Bauteils gehalten werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das schichtweise aufgetragene Polymerfilament zu 50 vol-% bis 80 vol-%, bevorzugt bis zu einem Anteil von 60 vol-% mit keramischen und/oder mit metallischen Partikeln gefüllt.
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Vorteilhaft ermöglicht das hohe resultierende Dichten des gesinterten Bauteils, die wiederum eine verlängerte Standzeit und höhere mechanische Stabilität ermöglichen.
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Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein mikroskopisch, elektronenmikroskopisch oder mittels dynamischer Lichtstreuung bestimmbarer Durchmesser der keramischen und der metallischen Partikel 0,2 µm - 100 µm, bevorzugt 5 µm - 50 µm.
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Vorteilhaft ermöglichen kleinere Partikeldurchmesser eine verringerte Porosität des fertiggestellten Bauteils. Eine gezielt eingestellte Partikelgrößenverteilung ermöglicht die Optimierung der physikochemischen Eigenschaften des gesinterten keramischen Bauteils.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.
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Detaillierte Beschreibung
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Erfindungsgemäß erfolgt ein Eingriff in den zuvor bekannten Druckprozess derart, dass nach jeder abgelegten Schicht vor dem Ablegen einer Folgeschicht ein fokussierter Laserstrahl einen Teil des Polymers der jeweils abgelegten Schicht verdampft, sodass sukzessive durch das ganze Bauteil hindurch während des Aufbaus des Bauteils eine offene Porosität geschaffen wird, die eine schnelle chemische und thermische Entbinderung erlaubt.
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Dazu wird nach der Fertigstellung jeder einzelnen Schicht des Bauteils der Extruderdruckkopf des FDM Druckers zur Seite gefahren, so dass die oberste Schicht des Bauteils bequem von einem Laser bestrahlt werden kann. Nun führt eine Laseroptik (z.B. Spiegelscanner) einen fokussierten Laserstrahl über die Oberfläche der Schicht und verdampft lokal einen Teil des Polymers. Dabei kann der Laserstrahl bzw. dessen Fokus auch in Form eines Musters auf der Oberfläche der betreffenden oberen Schicht geführt werden. Das betreffende Muster auf der Schicht, welches vom Laserspot abgefahren wird, hängt von unterschiedlichen Parametern ab, ist aber nicht erfindungswesentlich. Es sollte nur nicht so viel Polymer verdampft werden, dass sich ausschließlich vollständig loses Pulver auf der Oberfläche der Schicht befindet, da an dieses keine neue Polymerschicht fest anbinden könnte. Diese Festigkeit wird benötigt, um das Filament der nächsten (nachfolgenden) Schicht sicher fixiert abzulegen. Es wird gerade so viel Polymer verdampft, dass auch nach Ablegen der nachfolgenden Schicht eine offene Porosität die im Wesentlichen parallel zu einer Ebene der aufeinander gestapelten Schichten erhalten bleibt und diese offene Porosität mit der äußeren Kontur des Bauteils verbindet, so dass Gase bei der Entbinderung leicht aus dem inneren Volumen das Bauteils an dessen äußere Oberfläche oder offen zugängliche innere Oberflächen des Bauteils gelangen können.
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Die Energie des Lasers bzw. die Energie im Laserfokus wird dabei so eingestellt, dass bedingt durch eine jeweils ausgewählte, das heißt an das Polymerfilament angepasste, Fortschrittsgeschwindigkeit des Lasers im Falle einer kontinuierlichen Bewegung des Lasers (des Laserfokus), oder durch eine abgestimmte Verweildauer („dwell time“) des Laserspots (Laserfokus) in Kombination mit einer gewählten Intensität (Leistungsdichte), kontinuierlich oder gepulst, des Lasers und dessen schrittweisem, beispielsweise rasterartigem oder kontinuierlichen Bewegen die lokal erzeugte Temperatur ein zuverlässiges - zumindest teilweises - Entfernen des Polymers aus Zwischenräumen von zueinander benachbarten Feststoffpartikeln (metallische oder keramische Partikel) der betreffenden Schicht bis auf eine vorgebbare Tiefe erfolgt, jedoch noch kein Sinterprozess einsetzt.
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Damit erstrecken sich die so erzeugten Poren auch in die Tiefe der jeweiligen Schicht. Beispielsweise kann für eine Schicht von 100 µm eine Tiefe der sich von der Oberfläche aus in die Tiefe der betreffenden Schicht freigelegten Partikelzwischenräume auf 20 µm oder 25 µm erstrecken. Die hieran anschließend aufgebrachte, also nachfolgend angebundene Filamentschicht verschließt die eröffneten Partikelzwischenräume teilweise wieder, jedoch verbleiben offene Poren, verzweigten Kanälen ähnlich, in dem sukzessive aufgebauten Bauteil.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, wird nach jeder im FDM Prozess fertiggestellten Schicht des Bauteils die jeweils oberste Schicht des Bauteils mit einer Strahlungsquelle, beispielsweise einem Laser, so bestrahlt, dass ein Teil des Polymers der jeweils obersten Schicht entfernt wird und mit der äußeren Kontur des Bauteils derart verbunden ist, dass Gase bei der Entbinderung leicht aus dem inneren Volumen das Bauteils an dessen äußere Oberfläche oder offen zugänglichen inneren Oberflächen des Bauteils gelangen können. Das kann mittels Zersetzung aber auch einfach mittels Verdampfen erfolgen. Dabei entsteht ein mittels FDM aufgebauter Körper, dessen einzelne Schichten durchgängig eine offene Porosität aufweisen. Der Rohling des Bauteils ist gewissermaßen schichtweise porös, wobei sich eine vorherrschende Raumorientierung der offenen Porenräume parallel zur Schichtebene erstreckt. Vorteilhaft ermöglicht das eine schnellere und sicherere (im Bezug auf die Bauteilqualität) Entbinderung von mittels FDM/FFF additiv gefertigten keramischen oder metallischen Bauteilen.
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Die Erfindung kann durch die folgenden Aspekten umrissen werden:
- 1. Ablegen einer Schicht aus einem aufschmelzbaren thermoplastischen Polymer, welches mit keramischen und/oder metallischen Pulverpartikeln gefüllt ist, in Form von einzelnen Filamenten, entsprechend dem FDM/FFF Materialextrusionsprozess, und anschließendes Bestrahlen dieser Schicht mit energiereicher Laserstrahlung zum Zweck einer teilweisen Verdampfung des Polymers aus Partikelzwischenräumen und Ablegen einer nachfolgenden (zweiten oder weiteren) Schicht, wobei der Laserbestrahlungsprozess bei jeder abgelegten Schicht wiederholt wird.
- 2. Das Polymer ist mit dem keramischen und/oder metallischen Pulver hochgefüllt (bis zu 60 vol%).
- 3. Kontinuierliches oder diskontinuierliches Verfahren des Lasers oder des Fokus des Lasers auf der obersten Schicht des schichtweise erzeugten Bauteils gemäß einem Muster, welches dem Bauteil entspricht und dieses auf dessen gesamten Querschnittsfläche der jeweils obersten Schicht vollständig abdeckt (bedeckt) oder in einzelnen feinen Linien abrastert, sodass das im jeweils schichtweise abgelegten Filament befindliche Polymer an der Oberfläche der jeweils obersten Schicht vollflächig oder gerastert verdampft wird.
- 4. Ausbilden offener Poren in der jeweiligen laserexponierten Schicht bzw. durchgehend im noch ungesinterten Bauteil, derart, dass die offene Porosität mit der äußeren Kontur des Bauteils verbunden ist, so dass Gase bei der Entbinderung leicht aus dem inneren Volumen das Bauteils an dessen äußere Oberfläche oder offen zugängliche innere Oberflächen des Bauteils gelangen können.
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Zusammenfassend lässt sich die Erfindung beschreiben als ein Schmelzschichtungsverfahren zur Herstellung eines Bauteils, umfassend: zumindest teilweises Aufschmelzen eines mit keramischen und/oder metallischen Partikeln gefüllten Polymerfilaments; Auftragen einer ersten Schicht des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments gemäß einer ersten Schicht eines Schichtmodells des Bauteils; Erstarrenlassen der aufgetragenen ersten Schicht zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments; wiederholtes Auftragen einer Schicht des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments auf einer zuvor aufgetragenen und erstarrten Schicht gemäß der ersten Schicht des Schichtmodells nachfolgenden Schichten des Schichtmodells solange, bis ein Rohling des Bauteils vorliegt; und Entbindern, umfassend ein Entfernen des erstarrten Polymers des Rohlings des Bauteils und Sintern der keramischen und/oder metallischen Partikel zum Bauteil; wobei vor dem wiederholten schichtweisen Auftragen eine zumindest abschnittsweise Exposition der zuvor aufgetragenen und erstarrten Schicht des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Polymerfilaments gegenüber einer Laserstrahlung erfolgt.
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Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.