DE102022110873A1 - Additives Fertigungsverfahren mit Modifizierung von Teilschichten - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren umfassend die Schritte:- additives Aufbringen einer Materialschicht (1), und- Modifizieren eines Teils der aufgebrachten Materialschicht (1) in einer Eigenschaft, sodass eine Teilschicht (3) in der Materialschicht (1) strukturiert wird, wobei sich die Teilschicht (3) zumindest in der modifizierten Eigenschaft von der übrigen Materialschicht unterscheidet.Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechend gefertigtes Bauelement und einen geeigneten Fertigungsapparat.
Description
- Die vorliegende Anmeldung betrifft ein additives Fertigungsverfahren, während dem Teilschichten in Bauelementen modifiziert werden.
- Im Stand der Technik sind zahlreiche additive Fertigungsverfahren bekannt. Additive Fertigung ermöglicht den strukturierten Aufbau von Bauelementen, auch mit ungewöhnlicher Formgebung, ohne Materialverlust durch anschließende Bearbeitung. Die Formgebung des Bauelements geschieht bei dessen Herstellung.
- Dennoch sind im Stand der Technik Bauelemente mit bestimmten Bauelementen limitiert oder erschwert bis gar nicht additiv fertigbar. Beispielsweise werden elektronische oder katalytisch aktive Komponenten nach wie vor separat in oder auf dem Bauelement angebracht und können nicht während des additiven Fertigungsprozesses gedruckt werden.
- Ein beispielhaftes Verfahren zum Aufbringen und Modifizieren elektrisch leitender Komponenten insbesondere auf 2D-Substraten ist das Aufbringen eines Substratmaterials und dessen anschließende Modifikation mittels eines Laser-induzierten Graphen-Prozess, der beispielsweise aus den Druckschriften
US 2020/0 112 026 A1 US 2020/0 348 121 A1 CN 111 879 341 A oderWO 2018 085 789 A1 bekannt ist. - Die elektrische Leitfähigkeit des modifizierten LIG-Materials kann in Nachbehandlungsschritten noch erhöht werden wie die Druckschriften
CN 109 440 145 A ,US 2018/0 199 441 A1 WO 2020 197 606 A2 zeigen. - Die Druckschriften
US 2021/0 395 420 A1 WO 2017 051 182 A1 offenbaren weiterhin hochtemperaturfeste Werkstoffe aus dem Stand der Technik. - Ein Ziel der vorliegenden Anmeldung ist es, ein Verfahren, ein Bauelement und einen Apparat bereitzustellen, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik überwinden.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren, das mehrere Schritte umfasst.
- In einem ersten Schritt wird eine Materialschicht additiv aufgebracht. Die Schicht kann beispielsweise auf eine dafür vorgesehene Bauplatte oder auf eine zuvor additiv aufgetragene Schicht aufgebracht werden. Die Schicht kann ein beliebiges Material umfassen, das für additive Fertigung bzw. 3D-Druck geeignet ist.
- In einem weiteren Schritt wird zumindest ein Teil der zuvor aufgebrachten Materialschicht in einer Eigenschaft modifiziert, sodass eine Teilschicht in der Materialschicht strukturiert wird. Ein Teilbereich der Materialschicht kann hier als Teilschicht bezeichnet werden. Die Teilschicht unterscheidet sich zumindest in einer Eigenschaft des Materials von der übrigen Materialschicht, außerhalb des modifizierten Teils der Schicht. In einer Ausführungsform wird die gesamte Materialschicht modifiziert.
- Beim Modifizieren kann unter anderem eine chemische, eine physikalische, eine morphologische und/oder eine strukturelle Eigenschaft der Materialschicht verändert werden. Unter anderem wird in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung die elektrische Leitfähigkeit, die Porosität oder die Korngröße der Materialschicht verändert oder ein organisches Material in ein anorganisches Kohlenstoffmaterial verkohlt.
- Beispielsweise wird ein Teil der aufgebrachten Materialschicht so modifiziert, dass die elektrische Leitfähigkeit in dem Teil der Schicht geändert wird und somit eine Teilschicht strukturiert wird, deren elektrische Leitfähigkeit von der Leitfähigkeit der übrigen Materialschicht abweicht.
- Während des Modifizierens können mehrere Eigenschaften der Materialschicht durch einen Modifizierungsschritt verändert werden. So kann sich die nach dem Modifizieren strukturierte Teilschicht beispielsweise sowohl in ihrer elektrischen Leitfähigkeit wie auch in der Porosität und der Korngröße von der übrigen Materialschicht unterscheiden.
- Durch das beschriebene Verfahren kann eine Schichtstruktur mit verschiedenen gewünschten Eigenschaften erzeugt werden, ohne dass hierfür separate Schichten gedruckt werden.
- Weiterhin können die Eigenschaften der gedruckten Materialschicht bereits während des additiven Fertigungsprozesses angepasst werden, sodass auf entsprechende Nachbearbeitungsschritte verzichtet werden kann.
- Die gezielte Veränderung von Eigenschaften der zuvor additiv gefertigten Schichten ermöglicht darüber hinaus das additive Fertigen von Bauelementen mit Eigenschaften, die in einem herkömmlichen additiven Fertigungsprozess nicht hergestellt werden können. Zu diesen Eigenschaften zählen insbesondere die zuvor genannten Eigenschaften elektrische Leitfähigkeit, Korngröße, Porosität sowie weitere vergleichbare Materialeigenschaften.
- Nach dem Aufbringen und Modifizieren der Materialschicht kann in einem weiteren Verfahrensschritt eine weitere Materialschicht aufgebracht und wiederum so modifiziert werden, dass zumindest eine Materialeigenschaft in dem Teil der Schicht geändert wird und somit eine Teilschicht strukturiert wird, die in einer Materialeigenschaft von der Leitfähigkeit der übrigen Materialschicht abweicht. Alternativ kann auch eine Materialschicht aufgebracht werden, in der keine Teilschicht modifiziert wird.
- Insbesondere kann die Teilschicht so strukturiert werden, dass sie zur Teilschicht in der ersten Materialschicht passt und die beiden Teilschichten beispielsweise eine zusammenhängende Schicht mit homogenen Eigenschaften bilden.
- Insbesondere wird in einer Ausführungsform in der Teilschicht und der weiteren Teilschicht jeweils dieselbe elektrische Leitfähigkeit eingestellt. So kann in einem elektrisch nichtleitenden Material eine elektrisch leitfähige Schicht, beispielsweise eine Innenelektrode, strukturiert werden.
- In einer Ausführungsform werden die Materialschicht und die weitere Materialschicht direkt aufeinander oder direkt nebeneinander aufgebracht. In weiteren Ausführungsformen können die Materialschichten sowohl nebeneinander wie auch aufeinander aufgebracht werden.
- Die Materialschicht kann hierbei aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere aus einem Strukturmaterial und aus einem modifizierbaren Material, bestehen.
- Die unterschiedlichen Materialien werden insbesondere in mehreren Schritten des Druckprozesses aufgebracht. Ein Strukturmaterial eignet sich nicht für den beschriebenen Modifizierungsschritt gibt aber eine gewünschte Struktur des zu fertigenden Bauelements vor.
- Ein modifizierbares Material eignet sich für eine Modifizierung während des Modifizierungsschrittes. Somit kann ein Teil des modifizierbaren Materials modifiziert werden, um eine Struktur mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.
- Das modifizierbare Material sollte bevorzugt ein hochtemperaturfestes Material sein, das insbesondere mittels der badbasierten Fotopolymerisation 3D-druckbar ist wie beispielsweise die Kunststoffklassen ThermoBlast oder DL-400.
- Ein Material kann hier als „hochtemperaturfest“ angesehen werden, wenn es eine Umgebungstemperatur von zumindest 300 °C aushält. Dementsprechend liegt der Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt eines hochtemperaturfesten Materials bei über 300 °C und die Struktur des hochtemperaturfesten Materials wird bei Temperaturen bis zu 300 °C nicht verändert.
- Hierbei kann es sich beispielsweise um aktive Schichten oder Innenelektroden in den Materialschichten handeln. Die übrige Materialschicht, die nicht modifiziert wird, trägt weiterhin zur Gesamtstruktur des Bauelements bei.
- In einer Ausführungsform umfasst die Materialschicht oder die weitere Materialschicht Keramikmaterialien.
- In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Materialschicht oder die weitere Materialschicht Metalle.
- In einem Teil der aufgebrachten Materialschicht kann das Schichtmaterial dann durch Sintern modifiziert werden und so die Strukturierung der Teilschicht ausgeführt werden. Die Teilschicht kann beispielsweise ein Metall- oder Keramikmaterial umfassen oder aus einem solchen bestehen.
- Gezieltes, ortsaufgelöstes Sintern ermöglicht die Strukturierung spezifischer Teilschichten mit gewünschten Eigenschaften. Beispielsweise kann beim Sintern das Keramikmaterial so modifiziert werden, dass sich leitfähige metallische Teilschichten in der Keramikschicht ausbilden. Ein organisches Material mit metallischen oder keramischen Einlagerungen kann beispielsweise so modifiziert werden, dass organische Bestandteile entfernt werden und metallische oder keramische Teilschichten ausgebildet werden, die vorwiegend ein Metall oder eine Keramik umfassen oder aus einem solchen Material bestehen.
- Weiterhin wird durch das Sintern die Porosität der Teilschicht modifiziert. Insbesondere können Strukturen mit größeren Poren ausgebildet werden. Durch die Modifizierung der Poren kann zum Beispiel die Eignung des Materials als Katalysator, Trägersubstanz oder Filtereinheit eingestellt werden.
- In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Materialschicht oder die weitere Materialschicht ein organisches Material oder besteht aus organischem Material. In die organischen Materialien, insbesondere Kunststoffe, sind bevorzugt zusätzlich Keramik- und/oder Metallmaterialien eingelagert, die z.B. wie zuvor beschrieben modifiziert werden können.
- Bevorzugt umfasst die Materialschicht oder die weitere Materialschicht Kunststoffe oder besteht aus Kunststoffen.
- Daneben können als organische Materialien auch natürliche Materialien wie z.B. Cellulose-basierte Materialien, modifizierte natürliche Materialien wie z.B. Gummi, Viskose und Cellophan eingesetzt werden.
- Es können verschiedene Kunststoffe eingesetzt werden. Insbesondere sind homogene Materialschichten aus einem einheitlichen Grundstoffmaterial vorzuziehen. Mögliche Materialien sind beispielsweise PI, PEI, PE, PP, etc.
- Daneben sind auch Blends, also nicht chemisch vernetzte Mischungen, aus zwei reinen Kunststoffmaterialien oder chemisch vernetzte Copolymere wie ABS denkbar. In weiteren Ausführungsformen umfassen die Materialien der Materialschichten auch Verbundmaterialien wie GSK oder PCB oder Polymermaterialien mit Füllstoffen wie zum Beispiel mit eingebetteten Keramik- oder Metallpartikeln.
- Im Kunststoffmaterial kann eine Teilschicht in einer Ausführungsform strukturiert werden, indem der Kunststoff in anorganischen Kohlenstoff umgewandelt wird.
- Besonders bevorzugt handelt es sich um einen hochtemperaturfesten Kunststoff, an welchem der Laser-induzierte Graphen-Prozesses angewandt werden kann und der insbesondere mittels der badbasierten Fotopolymerisation 3D-druckbar ist. Insbesondere hochtemperaturfeste Kunststoffe eignen sich aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer Verarbeitbarkeit bei hohen Temperaturen zur Anwendung des LIG-Prozesses. Eine gezielte Umwandlung des organischen Materials per Laser in Graphen- oder Graphit-Strukturen des Kohlenstoffs ist hier möglich.
- Die Kunststoffzusammensetzung umfasst bevorzugt mindestens eine monomolekulare oder oligomere chemische Spezies, die jeweils mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung umfasst, die durch radikalische Polymerisation polymerisierbar ist, wobei die monomolekulare oder oligomere chemische Spezies in einer Gesamtmenge von 25 bis 99 Gew.-% bezogen auf die Kunststoffzusammensetzung vorliegt.
- Bevorzugt umfasst die die Kunststoffzusammensetzung weiterhin mindestens einen Photoinitiator, besonders bevorzugt einen Titanocen-Photoinitiator, der bevorzugt in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 15 Gew.-% vorliegt, und weiterhin mindestens einen Coinitiator, besonders bevorzugt einen Thiol-Coinitiator, der bevorzugt in einer Gesamtmenge von 0,5 bis 20 Gew.-% vorhanden ist.
- Alternativ umfasst die Kunststoffzusammensetzung beispielsweise eine hitzehärtbare Komponente A, die eine oder mehrere chemische Spezies aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Monomeren und/oder Oligomeren und/oder Präpolymeren von Maleinimidderivaten gemäß Formel (I) sowie deren Isomere, besteht, wobei:
- n eine ganze Zahl zwischen 1 und 10 ist,
- R1 H, CH3 oder CH2 darstellt, und
- R2 unabhängig einen linearen, verzweigten oder cyclischen aliphatischen oder aromatischen C5-C40-Rest aus einer oder mehrerer der Gruppen Phenyl, Benzyl, Phenethyl, Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Octyl, Decanyl, Dodecanyl, Essigsäure, Propansäure, Butansäure, Pentansäure, Undecansäure, Dodecansäure, Benzoesäure und entsprechende Ester, Alkyl- oder aromatische Ester, Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Adamantyl, Isobornyl, Propenyl, Biphenyl, Naphthyl, Anthracenyl, Pyrenyl, Bis(methylen)oxy, Bis(ethylen)oxy, Bis(phenyl)methan, Bis(phenyl)ethan, Bis(phenyl)propan, Bis(phenyl)butan, Bis(phenyl)ether, Bis(phenyl)thioether, Bis(phenyl)amino oder Bis(phenyl)sulfon darstellt.
- Weiterhin umfasst die Kunststoffzusammensetzung dann eine lichthärtbare Komponente B mit einer oder mehreren chemischen Spezies, ausgewählt aus der Gruppe der (Meth)acrylat-, (Meth)acrylamid-, Vinylester-, Vinylether-, Vinyl-, Allyl-, Alkinyl- oder Styrolverbindungen sowie deren Derivate, substituiert mit mindestens einem Molekül aus der Gruppe, aus der die Komponente A ausgewählt ist, wobei die Menge der Komponente A im Bereich von 30 Gew.-% bis 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten A und B, liegt und die Menge der lichthärtbaren Komponente B im Bereich von 5 bis 70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten A und B, liegt.
- Insbesondere bevorzugt umfasst die Komponente A dann eine Spezies der Komponente A, wobei n eine ganze Zahl von 2 bis 10 ist, die einen aromatischen Rest aufweist, der an das N-Atom des Maleimidrings der Formel I gebunden ist, vorzugsweise über eine Methylengruppe, in einer Menge im Bereich von 20 Gew.-% bis 100 Gew.-%, vorzugsweise von 30 Gew.-% bis 100 Gew.-% und noch bevorzugter von 40 Gew.-% bis 100 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponente A.
- Die Teilschicht im Kunststoff kann mittels eines geeigneten Verfahrens modifiziert und insbesondere in anorganischen Kohlenstoff umgewandelt werden. Beispiele für solche geeigneten Verfahren sind thermische Verfahren, mechanische Verfahren wie Schleifen oder Aufrauen oder Ultraschallverfahren, die Anwendung von Plasma, die Bestrahlung beispielsweise durch Elektronenstrahlen, Laser, UV-VIS-Strahlung, IR-Strahlung oder Röntgen-Strahlung, Mikrowellen-Strahlung und chemische Verfahren wie z.B. Ätzen oder chemische Aktivierung der Oberfläche.
- Zum Beispiel kann eine Teilschicht im Kunststoff mittels eines Laser-induzierten Graphen-Prozesses strukturiert werden. Im Laser-induzierten Graphen-Prozess, auch LIG-Prozess, wird durch Einwirkung von Laserstrahlung am Einwirkungspunkt der Energie das behandelte Material chemisch und/oder physikalisch angeregt und verändert. Insbesondere setzt herbei eine thermische Umwandlung oder Zersetzung am Einwirkungspunkt ein.
- Im Speziellen wird im LIG-Prozess so der organische Kohlenstoff des Kunststoffs per gezieltem Energieeintrag mittels Laserstrahlung ortsaufgelöst in anorganische Kohlenstoffmodifikationen wie beispielsweise Graphen, Graphit oder Fullerene umgewandelt („Verkohlung“). Der LIG-Prozess ist im Allgemeinen also nicht auf die spezielle Umwandlung des Kohlenstoffs in Graphen beschränkt, sondern kann auch die Umwandlung des Kohlenstoffs in andere anorganische Modifikationen umfassen.
- Insbesondere können so elektrisch leitende Kohlenstoffstrukturen in den Materialschichten ausgebildet werden. Weiterhin unterscheiden sich die genannten anorganischen Kohlenstoffmodifikationen beispielsweise auch hinsichtlich ihrer Porosität und Kristallinität.
- Insbesondere können durch den LIG-Prozess Modifikationen gezielt an der Oberfläche einer Materialschicht vorgenommen werden oder es können Modifikationen vorgenommen werden, die tief in die Materialschicht eindringen und unter Umständen die gesamte Dicke der Teilschicht umfassen.
- In einer Ausführungsform umfasst die Materialschicht Hilfsstoffe, die den Laser-induzierten Graphen-Prozess unterstützen, wie insbesondere Katalysatoren, Vordotierungen oder reaktive Gruppen.
- Als Katalysatoren können beispielsweise in der Schicht dispergierte Metallpartikel, Metallsalze oder Metallkomplexe eingesetzt werden.
- Als Vordotierungen können insbesondere die zu erzeugenden Kohlenstoffmaterialien und deren Derivate eingesetzt werden.
- Als reaktive Gruppen kommen in verschiedenen Ausführungsformen beispielsweise kurzkettige organische Moleküle mit geeigneten reaktiven (End-)Gruppen wie z.B. Aromaten zum Einsatz.
- Die genannten Hilfsstoffe werden bevorzugt im Spurenbereich eingesetzt. Bevorzugt läuft der Prozess ohne expliziten Zusatz von Hilfsstoffen ab. Die Hilfsstoffe können insbesondere schon in Spuren in den verwendeten Rohmaterialien vorhanden sein.
- In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die strukturierte Teilschicht einem Nachbehandlungsschritt unterzogen, um die Eigenschaften der Teilschicht weiter zu modifizieren und um insbesondere die durch Modifikation eingestellten Eigenschaften zu verstärken. Bevorzugt wird hierfür eine Oberflächenbehandlung an einer an der Oberfläche der Materialschicht strukturierten Teilschicht vorgenommen.
- Schon während des additiven Fertigungsprozesses können so die gewünschten Eigenschaften des fertigen Bauelements eingestellt werden.
- In einer Ausführungsform, in der die strukturierte Teilschicht zumindest eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zur übrigen Materialschicht aufweist, umfasst ein möglicher Nachbehandlungsschritt eine Oberflächenbehandlung der strukturierten Teilschicht zur weiteren Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Teilschicht.
- Beispielsweise umfasst die Oberflächenbehandlung Prozesse wie eine Galvanisierung, Sputtern oder Siebdruck oder Teilschritte hiervon. Die Oberflächenbehandlung ist aber nicht auf die genannten Prozesse beschränkt. Durch die genannten Prozesse können insbesondere metallische Oberflächenbeschichtungen, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, aufgetragen werden. Die elektrische Leitfähigkeit der Teilschicht kann so signifikant erhöht werden.
- Eine weitere Option der Oberflächenbehandlung ist das Aufbringen eines Katalysators um katalytische Eigenschaften des modifizierten Materials zu verstärken. Ein Katalysator ist in diesem Kontext jede Form eines katalytisch aktiven Materials, das beispielsweise in Pulverform aufgetragen werden kann. Der Katalysator kann insbesondere auf der Oberfläche aufgebracht oder in die Poren des modifizierten Materials eingebracht werden.
- In einem optionalen Schritt wird in einer Ausführungsform vor einen der genannten Oberflächenbehandlungsschritte ein Seed-Layer auf der Oberfläche der strukturierten Teilschicht aufgebracht, welcher als Basis für die anschließende Oberflächenbehandlung dient. Insbesondere kann ein solcher Seed-Layer das Aufbringen metallischen Materials begünstigen und somit beispielsweise einen Galvanisierungs-Prozess oder einen Siebdruckprozess oder einen Sputter-Prozess vereinfachen und/oder beschleunigen. Insbesondere kann es sich bei dem Seed-Layer um einen nano-skaligen Seed-Layer handeln.
- In einigen Ausführungsformen weist die strukturierte Teilschicht zumindest eine erhöhte Porosität im Vergleich zur übrigen Materialschicht auf.
- In einem optionalen Nachbehandlungsschritt können dann in die Poren der strukturierten Teilschicht leitfähige Materialien eingebracht werden und die Leitfähigkeit des Materials so erhöht werden.
- Bevorzugt wird der Nachbehandlungsschritt in den Ausführungsformen vor dem Aufbringen der weiteren Materialschicht durchgeführt. So kann jede einzelne Materialschicht separat gezielt modifiziert werden bzw. können so die modifizierten Eigenschaften verstärkt werden.
- Die additive Fertigung selbst, also das additive Aufbringen der Materialschichten (3D-Druck), kann mittels eines beliebigen geeigneten Fertigungsverfahrens wie Vat Photopolymerization, Materialextrusion, Material Jetting, Binder Jetting, Powder Bed Fusion, Direct Energy deposition oder Sheet Lamination durchgeführt werden.
- Aufgrund seiner hohen Präzision ist das Verfahren Vat Photopolymerization für den hier beschriebenen Prozess besonders geeignet.
- In einer Ausführungsform werden mehrere Teilschichten in der Materialschicht in einem Schritt strukturiert. Hierfür wird beispielsweise eine Materialschicht mit mehreren Lasern bestrahlt, um parallel mehrere LIG-Prozesse durchzuführen. Analog können auch mehrere Sinter-Prozesse oder ähnliche Modifizierungsschritte parallel an mehreren Abschnitten der Materialschicht durchgeführt werden.
- Bevorzugt wird in dem Verfahren ein Bauelement aus mehreren Materialschichten gebildet, wobei dann in mehreren der Materialschichten jeweils wie beschrieben Teilschichten strukturiert werden.
- Bevorzugt wird in mindestens einer Materialschicht keine strukturierte Teilschicht gebildet. Eine solche Materialschicht kann insbesondere aus Strukturmaterial bestehen. Das Strukturmaterial kann ein nicht modifizierbares Material sein. Eine solche Schicht kann beispielsweise die Stabilität des Bauelements erhöhen oder die Struktur des Bauelements definieren.
- Die strukturierten Teilschichten können beliebig oder in einem bestimmten System angeordnet sein. In einer Ausführungsform sind die strukturierten Teilschichten so angeordnet, dass jeweils mehrere Teilschichten benachbarter Materialschichten aneinander angrenzen. Beispielsweise können mehrere elektrisch leitende modifizierte Teilschichten so aneinander angrenzenden, dass eine Innenelektrode im Bauelement ausgebildet wird.
- Zwischen und/oder nach den vorgenannten Herstellungsschritten können in Ausführungsformen des Fertigungsverfahrens Hilfsschritte in beliebiger Anzahl und Abfolge durchgeführt werden. Insbesondere kann es sich dabei um die Schritte Reinigen, Waschen, Spülen, Neutralisieren, Aktivieren Trocknen etc. handeln. Die genaue Auswahl und Reihenfolge richtet sich beispielsweise nach dem herzustellenden Bauelement, seinen gewünschten Eigenschaften, dem verwendeten Material oder dem angewandten additiven Herstellverfahren.
- Insbesondere wenn die aufgebrachten und modifizierten Materialschichten als Grünschichten vorliegen, können sich Schritte zum Entbindern und Sintern anschließen.
- Ferner können sich in Ausführungsformen des Fertigungsverfahrens weitere, in der Regel abschließende, Schritte anschließen, die erfolgen, nachdem die letzte Materialschicht aufgebracht ist. Hierbei kann es sich z.B. um Konfektionierung, Außenmetallisierung, Isolierung, Lackierung, Entbindern und Sinterung handeln. Die konkreten Schritte richten sich bevorzugt nach dem herzustellenden Bauelement, seinen gewünschten Eigenschaften, dem verwendeten Material oder dem verwendeten additiven Herstellverfahren. Die Schritte können nacheinander oder simultan ausgeführt werden.
- Die vorliegende Erfindung richtet sich auch auf ein entsprechend des beschriebenen Verfahrens hergestelltes elektrisches Bauelement. Ein solches Bauelement kann alle der zuvor im Zuge des Verfahrens beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
- In einer Ausführungsform umfasst das Bauelement mehrere Materialschichten, wobei mehrere der Materialschichten strukturierte Teilschichten mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist in mindestens einer Materialschicht keine strukturierte Teilschicht ausgebildet.
- Insbesondere kann das elektrische Bauelement als elektrischer Kondensator, z.B. als Plattenkondensator, ausgestaltet sein. Die Platten des Kondensators sind dann bevorzugt vertikal zur Stapelrichtung des additiven Fertigungsverfahrens ausgerichtet. Die Innenelektroden des Kondensators werden durch mehrere benachbarte modifizierte Teilschichten mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit gebildet. Dazwischen sind in jeder Materialschicht jeweils nicht modifizierte Abschnitte mit niedrigerer oder ohne elektrische Leitfähigkeit vorhanden.
- Die vorliegende Erfindung richtet sich weiterhin auch auf einen Apparat zur Durchführung des beschriebenen Prozesses zur Herstellung des Bauelements. Der Apparat umfasst mindestens ein Transportsystem und einzelne Bearbeitungsstationen, an denen die Schritte des Prozesses durchgeführt werden. Das Transportsystem ist dann derart gestaltet, dass das Bauelement im Betriebszustand von Station zu Station transportiert werden kann oder die Stationen zu dem Bauelement bewegt werden können. Somit können alle Bearbeitungsschritte des Verfahrens mittels eines Apparates durchgeführt werden.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf die folgenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
-
1 : Arbeitsplatte mit additiv aufgebrachter Materialschicht. -
2 : Materialschicht nach dem Modifizieren zur Bildung von Teilschichten. -
3 : Nachbehandlung der Oberfläche der modifizierten Materialschicht. -
4 : Bauelement nach dem Aufbringen einer zweiten Materialschicht. -
5 : Bauelement mit zwei modifizierten Materialschichten. -
6 : Nachbehandlung der Oberfläche der zweiten modifizierten Materialschicht. -
7 : Bauelement nach dem Aufbringen einer dritten Materialschicht. -
8 : Alternative Ausführungsform eines Bauelements nach der Bildung von Teilschichten in einer ersten Materialschicht. -
9 : Alternative Ausführungsform eines Bauelements nach der Bildung von Teilschichten in einer zweiten Materialschicht. -
10 : Beispielhaftes Bauelement mit verschiedenen übereinander und nebeneinander angeordneten Materialschichten im Querschnitt. -
11 : Weiteres beispielhaftes Bauelement mit verschiedenen Materialschichten. -
12 : Mikroskopaufnahme von porösem LIG-modifizierten Kunststoffmaterial. - Ähnliche oder augenscheinlich gleiche Elemente in den Figuren sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
- Die
1 bis7 zeigen schematisch einen beispielhaften additiven Fertigungsprozess. In einem ersten Schritt, der in1 gezeigt ist, wird eine Materialschicht 1 auf einer Arbeitsplatte 2 aufgebracht. Die Materialschicht 1 wird mithilfe eines geeigneten additiven Verfahrens aufgebracht. Beispiele für additive Verfahren, die hier geeignet sind, sind die Vat Photopolymerization (VPP), Materialextrusion (MEX), Material Jetting (MJT), Binder Jetting (BJT), Powder Bed Fusion (PBF), Direct Energy deposition (DED) und Sheet Lamination (SHL). Das Verfahren VPP ist insbesondere aufgrund seiner hohen Druckgenauigkeit bevorzugt. Auch weitere gängige additive Verfahren können angewandt werden. - Beispielsweise umfasst die Materialschicht 1 ein einziges homogenes Material. Beim Aufbau der weiteren Materialschichten kann im weiteren Verfahrensverlauf immer dasselbe homogene Material eingesetzt werden, sodass alle Materialschichten das gleiche Material umfassen.
- Alternativ können zwei oder mehrere Materialien unterschiedlicher mechanischer, elektrischer, optischer, chemischer, biologischer oder toxikologischer Eigenschaften zum Aufbau einer einzelnen oder verschiedener Materialschichten eingesetzt werden.
- Ein Material ist beispielsweise ein Strukturmaterial, welches die mechanischen Eigenschaften des Bauelements definiert. Weiterhin kann das Strukturmaterial weitere gewünschte Eigenschaften wie beispielsweise elektrische Eigenschaften oder thermische Eigenschaften aufweisen. Neben dem Strukturmaterial kann in derselben Schicht oder in weiteren Schichten ein modifizierbares Material, welches besonders gut in ein leitfähiges Material umgewandelt werden kann, vorliegen.
- In einem ersten Beispiel ist die Materialschicht 1 eine Kunststoffschicht, die Materialien aus Kunststoff umfasst oder aus diesen besteht. Neben Kunststoff sind grundsätzlich auch Materialschichten aus natürlichen Materialien denkbar, wie z.B. aus Cellulose.
- Die Kunststoffschicht kann modifizierte natürliche Materialien wie Gummi, Viskose oder Cellophan oder beliebige industriell hergestellte Polymere wie Polyimid (PI), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und deren Derivate wie PEI etc. umfassen. Es sind sowohl Materialschichten aus einheitlichen Materialien möglich wie auch chemisch nicht vernetzte Mischungen (Blends) aus zwei oder mehreren Materialien. Weitere mögliche Materialien umfassen chemisch vernetzte Copolymere wie z.B. ABS sowie Verbundmaterialien wie z.B. GFK, PCB und Polymermaterialien mit Füllstoffen wie z.B. Polymere mit eingebetteten Keramikpartikeln.
- In einem zweiten Prozessschritt wird die Materialschicht 1 an einigen Teilabschnitten modifiziert. Die modifizierte Schicht ist in
2 abgebildet. Die Teilabschnitte können verbunden oder getrennt sein. Die Teilabschnitte können beliebige Teile der zuvor aufgebrachten Materialschicht 1 umfassen. Die Teilabschnitte und deren Abmessungen können gezielt ausgewählt werden. - Beispielsweise können auch die Schichtdicken der Materialschichten so gewählt werden, dass die gewünschten Eigenschaften des Schichtverbunds auf ihre Zielgrößen hin optimiert werden. Die geometrische Ausdehnung der Materialschichten kann in den Schritten der Materialaufbringung und Modifikation gesteuert werden. Insbesondere können die einzelnen Schichten im ersten Schritt in unterschiedlicher Form additiv aufgebracht werden. Im zweiten Schritt kann durch die Modifikation auch die Ausdehnung von Teilschichten in einer Stapelrichtung der Materialschichten verändert werden. Somit kann in einer Ebene sowohl das Strukturmaterial als auch das modifizierbare Material vorliegen.
- Im ersten Beispiel wird die Modifikation von Teilabschnitten der Materialschicht 1 durch einen LIG-Prozess durchgeführt. Während dieses Prozesses werden in den entsprechenden Teilabschnitten umstrukturierte Teilschichten 3 in der Materialschicht 1 erzeugt. Die Teilschicht 3 unterscheidet sich in zumindest einer Eigenschaft von der übrigen Materialschicht. Beispielsweise unterscheidet sich die Teilschicht 3 bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit oder beispielsweise auch bezüglich ihrer Porosität von der übrigen Materialschicht 1. Weiterhin kann sich die Teilschicht 3 alternativ oder zusätzlich auch bezüglich der Korngröße oder in Bezug auf die Verkohlung des Materials von der übrigen Materialschicht unterscheiden.
- Insbesondere ist die strukturierte Teilschicht elektrisch leitend und die übrige Materialschicht 1 kaum oder nicht elektrisch leitend. Insbesondere ist weiterhin die Porosität der strukturierten Teilschicht 3 höher als die der übrigen Schicht. Eine Mikroskopaufnahme des hochporösen LIG-modifizierten Kunststoffmaterials der Teilschicht 3 ist in
12 dargestellt. - Die Strukturierung kann nur an der Oberfläche der Teilschicht 3, über einen Teil der Schichtdicke oder wie gezeigt über die gesamte Schichtdicke erfolgen.
- Während des LIG-Prozesses wird das Kunststoffmaterial thermisch induziert durch einen Laser chemisch umgewandelt, so dass eine Struktur basierend auf anorganischem Kohlenstoffmaterial entsteht. Die strukturierte Teilschicht kann beispielsweise ein Material basierend auf Graphen, Graphit, Fulleren, deren (teil-) oxidierten Derivaten oder Ähnlichem aufweisen.
- Bevorzugt ist das (organische) Kunststoffmaterial der übrigen Materialschicht 1 elektrisch nicht leitend und das Material der strukturierten Teilschicht 3 elektrisch leitend.
- Der LIG-Prozess kann durch Hilfsstoffe wie geeignete Katalysatoren, Vordotierungen in der Materialschicht 1 und in die Materialschicht 1 eingebrachte reaktive Gruppen unterstützt werden. Katalysatoren können in der Materialschicht 1 dispergierte Metallpartikel, Metallsalze oder Metallkomplexe sein. Vordotierungen können insbesondere die zu erzeugenden Kohlenstoffmaterialien und deren Derivate sein. Reaktive Gruppen können kurzkettige organische Moleküle mit geeigneten reaktiven (End-)Gruppen wie z.B. Aromaten sein.
- Die genannten Hilfsstoffe werden hierbei im Spurenbereich eingesetzt. Bevorzugt läuft der Prozess ohne expliziten Zusatz von Hilfsstoffen ab. Die Hilfsstoffe können insbesondere schon in Spuren in den verwendeten Rohmaterialien vorhanden sein.
- In einem dritten Schritt, der in
3 gezeigt ist, wird die strukturierte Teilschicht 3 nachbehandelt. Im vorliegenden Beispiel wird hierfür ein elektrisch leitfähiges Metall wie Kupfer, Silber, Gold, Platin oder Palladium mittels eines geeigneten Verfahrens in die Poren der Teilschichten 3 und/oder als Dünnschicht 4 auf die Oberflächen der Teilschichten 3 aufgebracht. - Ein solches geeignetes Verfahren kann ein galvanischer Prozess sein wie z.B.: Electroplating, Electroless plating, Adsorption etc. Alternativ kann das Aufbringen aber auch beispielsweise durch Sputtern, Infiltrieren oder Siebdruck erfolgen.
- Das Behandeln der Oberfläche wird in
3 schematisch durch eine Kappe 5 angedeutet, die die nachzubehandelnde Oberfläche abdeckt. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Apparat handeln, mittels dessen die Nachbehandlung der Oberfläche durchgeführt wird. - In einem optionalen Schritt wird vor der beschriebenen Oberflächenbehandlung ein Seed-Layer auf die Oberfläche der strukturierten Teilschichten 3 aufgebracht, welcher als Basis für die anschließende Oberflächenbehandlung dient. Insbesondere kann ein solcher Seed-Layer das Aufbringen metallischen Materials begünstigen und somit beispielsweise den Galvanisierungs-Prozess oder den Siebdruckprozess oder den Sputter-Prozess vereinfachen und/oder beschleunigen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Seed-Layer um einen nano-skaligen Seed-Layer.
- Anschließend wird in einem vierten Schritt, gezeigt in
4 , eine weitere Materialschicht 6 auf die erste Materialschicht 1 aufgetragen und es werden wie in den5 bis7 gezeigt die weiteren Prozessschritte Modifizieren der aufgebrachten Materialschicht 6 (5 ), Nachbehandlung der Oberfläche (6 ), ggf. Aufbringen weiterer Schichten (7 ) einmal oder mehrmals wiederholt. Die Teilschichten 3 werden wie in5 gezeigt bevorzugt so modifiziert, dass mehrere Teilschichten übereinander angeordneter Materialschichten eine zusammenhängende Struktur bilden. - Optional kann sich eine Materialschicht 7 wie in
7 gezeigt auch nicht über die gesamte Fläche der darunterliegenden Materialschicht erstrecken. Die Materialschichten können optional auch nebeneinander aufgetragen werden. - In den
8 und9 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt. Die Teilschichten werden in diesem Ausführungsbeispiel teilweise nur an der Oberfläche der Materialschicht und teilweise über die gesamte Schichtdicke strukturiert. - Die einzelnen strukturierten Teilschichten mehrerer benachbarter Materialschichten hängen teilweise zusammen oder bilden beispielsweise auch unabhängige Strukturen, die nicht zusammenhängen. Dies ist ebenfalls in den
8 und9 dargestellt. Eine Struktur kann eine einzelne Teilschicht umfassen. - Beispielhafte Darstellungen fertiger Bauelement 10 mit mehreren übereinander gedruckten Materialschichten sind in den
10 und11 dargestellt.10 zeigt eine Querschnittsansicht. - Es kann so ein Bauelement hergestellt werden, dass eine Vielzahl von Materialschichten und Teilschichten 1a bis 1f aus verschiedenen Materialien umfasst. Beispielsweise bilden 1e und 1f eine Schicht, die verschiedene Materialien umfasst. Durch das zuvor beschriebene Verfahren können in dem Bauelement elektrisch leitfähige Strukturen strukturiert werden. Somit kann ein elektrisches Bauelement additiv gefertigt werden, ohne dass weitere Nachbehandlungsschritte notwendig sind. Beispielsweise kann so ein Kondensatorelement, z.B. ein Plattenkondensator, gefertigt werden.
- In einem zweiten Beispiel umfasst die Materialschicht 1 ein organisches Material, in das ein Keramikmaterial eingebettet ist. Das Keramikmaterial umfasst in seiner Zusammensetzung ein metallisches Element. Das Keramikmaterial ist nicht weiter eingeschränkt. Im zweiten Schritt des Verfahrens werden dann durch gezieltes Sintern des Keramikmaterials an ausgewählten Teilabschnitten der Keramikschicht metallische und elektrisch leitfähige Strukturen erzeugt. Weiterhin können keramische Teilschichten erzeugt werden, die kein organisches Material mehr umfassen.
- In einem dritten Beispiel umfasst die Materialschicht 1 ein organisches Material, in das ein Metall eingebettet ist, das im zweiten Schritt des Verfahrens an ausgewählten Teilabschnitten der Materialschicht 1 gesintert wird um metallische Teilschichten als elektrisch leitfähige Strukturen zu erzeugen.
- Zwischen und/oder nach den vorgenannten Herstellungsschritten können sich Hilfsschritte in beliebiger Anzahl und Abfolge befinden. Insbesondere handelt es sich dabei um die Schritte Reinigen, Waschen, Spülen, Neutralisieren, Aktivieren Trocknen, etc. Die genaue Auswahl und Reihenfolge richtet sich nach dem herzustellenden Bauelement, seinen gewünschten Eigenschaften, dem verwendeten Material, dem angewandten additiven Herstellverfahren etc.
- Ferner können sich abschließende Schritte anschließen, die erfolgen, nachdem die letzte Materialschicht aufgebracht ist. Hierbei kann es sich z.B. um Konfektionierung, Außenmetallisierung, Isolierung, Lackierung, Entbindern und Sinterung handeln. Auch hier richten sich die vorgenommenen Schritte nach dem konkret herzustellenden Bauelement, seinen gewünschten Eigenschaften, dem verwendeten Material, dem verwendeten additiven Herstellverfahren etc.
- Ein für den beschriebenen Prozess benötigter Apparat kann hierbei im Wesentlichen aus einen Transportsystem, wie z.B. einem Roboterarm, oder Förderband, und einzelnen Bearbeitungsstationen bestehen. Es kann hierbei entweder das aufzubauende Bauelement von Station zu Station transportiert werden oder es können die Stationen zu einem fixen aufzubauenden Bauelement bewegt werden.
- Im Wesentlichen können mit dem beschriebenen Verfahren alle denkbaren Produkte gefertigt werden, die aus einem additiv auftragbaren organischen Material bzw. Kunststoff und optional weiterhin aus einem Keramikmaterial und/oder einem Metall bestehen und irgendeine Art von elektrischer Kontaktierung aufweisen.
- Additiv gefertigte Bauteil umfassen immer ein additiv auftragbares organischen Material und optional z.B. eingebettete Keramik- und/oder Metallpartikel. Eine modifizierte Teilschicht kann weiterhin mit einer metallischen Oberflächenbeschichtung wie z.B. aus Cu, Pd, Au, Ag, Ni etc. verstärkt werden.
- Somit kann ein Kunststoffbauteil gefertigt werden, in das keramische - für gewünschte Funktionalitäten - und metallische - z.B. für elektrische Kontaktierung - Schichten eingebettet sind.
- Somit kann ein Vielschichtbauteil umfassend Kunststoffe, Keramiken und Metalle durch additive Fertigung, also zum Beispiel durch 3D-Druck, mit Modifikationsschritten hergestellt werden.
- Ein additiv gefertigter Grünkörper muss abschließend gesintert werden um das fertige, einsatzbereite Bauteil zu erhalten.
- Beispielsweise können passive elektronische Bauelemente, bevorzugt vielschichtig und mit Innenelektroden und mit Trägersubstraten aus Kunststoff, wie z.B. PCB, FR4 und/oder aus Keramik wie z.B. aus AlOx oder AlN, PZT, PLZT, PCZT, Ferrit, Varistor-Keramiken wie ZnO, PTC-Keramiken, NTC-Keramiken, LTCC, HTCC, gefertigt werden.
- Das beschriebene Verfahren kann in einer Ausführung beispielsweise zur Herstellung eines Schichtaufbaus eines Kondensators mit Innenelektroden genutzt werden.
- Hierzu wird eine Materialschicht aus Kunststoff bereitgestellt. Ein Teilabschnitt an der Oberfläche der Kunststoffschicht wird so modifiziert, dass sich die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zum Kunststoff ändert. Die Leitfähigkeit wird gezielt erhöht, um eine Elektrode des Kondensators auszubilden.
- Die Modifikation wird wie zuvor beschrieben durch das Umwandeln des Kunststoffs in ein leitfähiges Kohlenstoff-Derivat im LIG-Prozess durchgeführt. Die modifizierte Teilschicht wird dann durch galvanisches Abscheiden von Kupfer verstärkt und die Leitfähigkeit weiter erhöht.
- Anschließend wird die nächste Kunststoffschicht über der nun bereits vorhanden ersten Materialschicht aufgebracht.
- Diese wird dann ebenfalls modifiziert, um die nächste Elektrodenschicht darzustellen usw., bis im letzten Prozessschritt eine weitere Kunststoffschicht aufgebracht wird, die nicht weiter modifiziert wird. Die Modifikationen können sich über die gesamte Materialschichtdicke erstrecken.
- Die Teilschichten mit erhöhter Leitfähigkeit bilden dann die Innenelektroden des Kondensators. Die Teilschichten sind so angeordnet, dass Teilschichten benachbarter Materialschichten aneinander angrenzen und eine zusammenhängende, einheitliche Elektrodenstruktur bilden.
- Eine solche Elektrodenstruktur, die eine Innenelektrode des Kondensators bildet, erstreckt sich dann senkrecht zur Stapelrichtung der Materialschichten. Die dazwischen liegenden Schichtabschnitte mit geringerer Leitfähigkeit wirken als Separatoren.
- Man erhält somit ein Bauelement, das an einer Unterseite eine erste Materialschicht aufweist, welche nur auf Ihrer Oberseite modifiziert ist, folgend eine beliebige Anzahl an Materialschichten mit Modifikationen umfasst, die den eigentlichen Kondensator ausbilden, und an einer Oberseite eine nicht modifizierte Kunststoffschicht als Abschlusslage umfasst.
- Als zusätzliche Hilfsschritte kann nach dem Bereitstellen jeder Materialschicht unbenutztes Rohmaterial rückgeführt werden und die Oberfläche der erzeugten Materialschicht gereinigt werden. Dann wird der LIG-Prozess durchgeführt, dann erneut gereinigt. Nach der galvanischen Verkupferung wird die Materialschicht neutralisiert, gewaschen, gespült und getrocknet.
- Wird für den Kondensator ein keramikhaltiges Kunststoffmaterial verwendet, wie z.B. innerhalb einer Polymermatrix eingebettete Keramikpartikel, können sich zum Abschluss des Prozesses Schritte zum Entbindern bzw. zum Sintern und zur Formgebung Schritte der Hartbearbeitung wie z.B. Schleifen anschließen.
- Zum Abschluss des Prozesses kann weiterhin nach dem Aufbringen aller Materialschichten eine Außenkontaktierung durch Sputtern oder ähnliche geeignete Prozesse auf einer Außenseite des Kondensators aufgebracht werden und die übrige Oberfläche des Kondensators mit einer Schutzlackierung/- isolierung beschichtet werden. Zusätzlich kann der Kondensator noch konfektioniert, also z.B. zugeschnitten, werden und eine zusätzliche Einhausung kann angebracht werden.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Erste Materialschicht
- 2
- Arbeitsplatte
- 3
- Teilschichten
- 4
- Dünnschicht
- 5
- Schematische Kappe zur Oberflächenbehandlung
- 6
- Weitere Materialschicht
- 7
- Weitere Materialschicht mit geringerer Abmessung
- 10
- Additiv gefertigtes Bauelement
- 1a,1b,1c,1d,1e,1f
- Materialschichten
- 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 2020/0112026 A1 [0004]
- US 2020/0348121 A1 [0004]
- CN 111879341 A [0004]
- WO 2018085789 A1 [0004]
- CN 109440145 A [0005]
- US 2018/0199441 A1 [0005]
- WO 2020197606 A2 [0005]
- US 2021/0395420 A1 [0006]
- WO 2017051182 A1 [0006]
Claims (28)
- Additives Fertigungsverfahren umfassend die Schritte: - additives Aufbringen einer Materialschicht (1), - Modifizieren eines Teils der aufgebrachten Materialschicht (1) in einer Eigenschaft, sodass eine Teilschicht (3) in der Materialschicht (1) strukturiert wird, wobei sich die Teilschicht (3) zumindest in der modifizierten Eigenschaft von der übrigen Materialschicht unterscheidet.
- Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 1 , umfassend additives Aufbringen einer weiteren Materialschicht (6) und Modifizieren eines Teils der weiteren Materialschicht (6, 7) in einer Eigenschaft, sodass eine Teilschicht (3) in der Materialschicht (6) strukturiert wird, wobei sich die Teilschicht (3) zumindest in der modifizierten Eigenschaft von der übrigen Materialschicht unterscheidet. - Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 2 , wobei die Materialschicht (1) und die weitere Materialschicht (6) direkt aufeinander und/oder nebeneinander aufgebracht werden. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , wobei die Materialschicht (1) aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere aus Strukturmaterial und aus modifizierbarem Material, besteht. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , wobei die Materialschicht(1, 6, 7) Keramikmaterialien umfasst oder aus Keramikmaterialien besteht und /oder Metalle umfasst oder aus Metallen besteht. - Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 5 , wobei in einem Teil der aufgebrachten Materialschicht (1, 6, 7) Sintern zur Strukturierung der Teilschicht (3) ausgeführt wird. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , wobei die Materialschicht (1, 6, 7) Kunststoffe umfasst oder aus Kunststoffen besteht. - Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 7 , wobei die Kunststoffe hochtemperaturfest sind. - Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 7 oder nachAnspruch 8 , wobei in einem Teil der aufgebrachten Materialschicht (1, 6, 7) der Kunststoff in anorganischen Kohlenstoff umgewandelt wird, um die Teilschicht (3) zu strukturieren. - Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 9 , wobei die Teilschicht insbesondere durch einen thermischen Prozess, thermische Verfahren, mechanische Verfahren, die Anwendung von Plasma, Bestrahlung durch Elektronenstrahlen, Laser, UV-VIS-Strahlung, IR-Strahlung oder Röntgen-Strahlung, Mikrowellen-Strahlung oder chemische Verfahren strukturiert wird. - Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 9 oder10 , wobei in einem Teil der aufgebrachten Materialschicht (1, 6, 7) ein Laser-induzierter Graphen-Prozess zur Strukturierung der Teilschicht (3) ausgeführt wird. - Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 11 , wobei die Materialschicht (1, 6, 7) Hilfsstoffe, die den Laser-induzierten Graphen-Prozess unterstützen, wie insbesondere Katalysatoren, Vordotierungen oder reaktive Gruppen aufweist. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis12 , wobei die strukturierte Teilschicht (3) zumindest eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zur übrigen Materialschicht aufweist, umfassend einen Nachbehandlungsschritt zur Oberflächenbehandlung der strukturierten Teilschicht (3) zur weiteren Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. - Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 13 , wobei der Nachbehandlungsschritt vor dem Aufbringen der weiteren Materialschicht (6, 7) durchgeführt wird. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 13 oder14 , wobei vor dem Nachbehandlungsschritt ein Seed-Layer auf der Oberfläche der strukturierten Teilschicht (3) aufgebracht wird, welcher als Basis für die anschließende Oberflächenbehandlung dient. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 13 bis15 , wobei die Oberflächenbehandlung einen Prozessschritt der Galvanisierung, des Sputterns oder des Siebdrucks umfasst. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis16 , wobei es sich bei der modifizierten Eigenschaft um eine elektrische Leitfähigkeit und/oder um eine Korngrößenverteilung und/oder um eine Porosität handelt und die Teilschicht zumindest eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit und/oder eine veränderte Korngrößenverteilung und/oder eine erhöhte Porosität im Vergleich zur übrigen Materialschicht aufweist. - Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 17 , wobei in einem Nachbehandlungsschritt in Poren der Teilschicht (3) ein elektrisch leitfähiges oder katalytisch aktives Material eingebracht wird. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis18 , wobei das Aufbringen der Materialschicht (1, 6, 7) mittels eines der additiven Verfahren Vat Photopolymerization, Materialextrusion, Material Jetting, Binder Jetting, Powder Bed Fusion, Direct Energy deposition oder Sheet Lamination durchgeführt wird. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis19 , wobei mehrere Teilschichten (3) in der Materialschicht (1, 6) in einem Schritt strukturiert werden. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis20 , wobei eine Teilschicht nur an der Oberfläche einer Materialschicht strukturiert wird oder wobei die Teilschicht (3) über die gesamte Schichtdicke der Materialschicht (1, 6) strukturiert wird. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis21 , wobei ein Bauelement (10) aus mehreren Materialschichten (1, 6, 7, 1a-1f) gebildet wird, wobei in mehreren der Materialschichten Teilschichten (3) strukturiert werden und in mindestens einer Materialschicht (7) keine strukturierte Teilschicht (3) gebildet wird. - Additives Fertigungsverfahren nach
Anspruch 22 , wobei die strukturierten Teilschichten (3) so angeordnet sind, dass sie Innenelektroden im Bauelement ausbilden. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 22 oder23 , wobei die aufgebrachten und modifizierten Materialschichten (1, 6, 7, 1a-1f) des Bauelements (10) in einem weiteren Verfahrensschritt entbindert und gesintert werden. - Additives Fertigungsverfahren nach einem der
Ansprüche 22 bis24 , wobei sich zur Fertigung des Bauelements (10) weitere Fertigungsschritte anschließen, wie insbesondere Konfektionierung, Außenmetallisierung, Isolierung, Lackierung, Entbindern und Sintern, wobei die Fertigungsschritte nacheinander oder simultan ausgeführt werden. - Elektrisches Bauelement (10), das gemäß einem Verfahren der
Ansprüche 1 bis25 hergestellt ist und mehrere Materialschichten (1, 6, 7, 1a-1f) umfasst, wobei mehrere der Materialschichten strukturierte Teilschichten (3) mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit oder erhöhter Porosität oder veränderter Korngrößenverteilung umfassen und in mindestens einer Materialschicht (7) keine strukturierte Teilschicht (3) gebildet ist. - Elektrisches Bauelement (10) nach
Anspruch 26 , das als elektrischer Kondensator ausgestaltet ist. - Apparat zur Durchführung des Prozesses gemäß den
Ansprüchen 1 bis25 zur Herstellung des Bauelements (10) gemäßAnspruch 26 oder27 , umfassend ein Transportsystem und einzelne Bearbeitungsstationen, an denen die Schritte des Prozesses durchgeführt werden, wobei das Transportsystem derart gestaltet ist, dass im Betriebszustand das Bauelement (10) von Station zu Station transportiert werden kann oder die Stationen zu dem Bauelement (10) bewegt werden können.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102022110873.2A DE102022110873A1 (de) | 2022-05-03 | 2022-05-03 | Additives Fertigungsverfahren mit Modifizierung von Teilschichten |
| PCT/EP2023/060901 WO2023213625A1 (de) | 2022-05-03 | 2023-04-26 | Additives fertigungsverfahren mit modifizierung von teilschichten |
Applications Claiming Priority (1)
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