DE202017006170U1

DE202017006170U1 - Materialzusammensetzung für die Verwendung bei der Herstellung von räumlichen Strukturen bzw. Formkörpern und ein daraus hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE202017006170U1
Application number: DE202017006170.8U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2027-12-01

Abstract

Materialzusammensetzung für die Verwendung bei der Herstellung von räumlichen Strukturen bzw. Formkörpern mittels schichtaufbauender Verfahren in Form von ungebrannten bzw. ungesinterten Rohlingen aus keramischen Werkstoffen als Vorstufe für den Brenn- bzw. Sinterprozeß ausgebildet als Dispersion, umfassend eine viskose Flüssigkeit und einem Feststoff in Pulverform, wobei die Flüssigkeit einen Anteil von 25 bis 90 Vol.% und der Feststoff einen Anteil von 10 bis 75 Vol.% an der Materialzusammensetzung einnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Materialzusammensetzung für die Verwendung bei der Herstellung von räumlichen Strukturen bzw. Formkörpern mittels schichtaufbauender Verfahren in Form von ungebrannten bzw. ungesinterten Rohlingen aus keramischen Werkstoffen als Vorstufe für den Brenn- bzw. Sinterprozess und ein daraus hergestelltes Bauteil.
In letzter Zeit hat sich die Additive Fertigung, auch als 3D-Druck bezeichnet, weitgehend etabliert. Der 3D-Druck bzw. die Additive Fertigung wird als ein Prozeß definiert, bei dem durch – gewöhnlich lagenweises – Hinzufügen von Material ein Objekt auf Basis von 3D-Daten erzeugt wird. Es sind mehrere unterschiedliche Verfahren, die die Herstellung von Prototypen, Bauteilen usw. ermöglichen.
Eine dieser üblichen Techniken ist die Fused-Deposition-Methode (FDM) für Kunststoffe und teilweise Kunstharze. Bei FDM wird ein Objekt durch Strahlaustritt, Extrusion oder andere Mittel Schicht für Schicht auf ein Substrat gedruckt und somit das 3D-Objekt vertikal auf dem Substrat aufgebaut. Wenn das Material aus einer Strahldüse abgegeben werden soll, ähneln die Anforderungen an das zum Druck verwendete Material denjenigen einer festen Tinte. Das Material muss eine niedrige Schutzviskosität haben, um im Strahl bei einer zweckmäßigen Temperatur aus dem Druckkopf abgegeben zu werden, jedoch einem robusten Feststoff bilden, wenn es auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
Weitere Techniken des 3D-Druckens bzw. der Additiven Fertigung sind unter anderem das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle und das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik und Metalle, die Stereolithographie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling.
Aus der DE 10 2012 219 989 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Grünkörpers, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers sowie dem Grünkörper und dem keramischen Formkörper selbst bekannt.
Das Verfahren umfasst a) die Bildung einer Schicht, die ein keramisches, Glaskeramisches oder Glaspulver enthält, auf einer Unterlage, b) das Applizieren einer Verfestigungszusammensetzung auf die zuvor genannte Schicht, c) das Wiederholen der Schritte a) und b), bis das Bauteil fertig ist, und d) abschließend das Entfernen des losen nicht gebundenen keramischen Pulvers, wobei der Grünkörper freigelegt wird.
Die DE 10 2005 058 121 B4 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Bauteils, bei dem ein Grünling aus einer mindestens 45 Vol-% keramisches Pulver enthaltenden Suspension mit einer organischen, aushärtbaren Komponente als Binder gewonnen wird, indem die Suspension durch lokales Einbringen von Strahlungsenergie unter Ausbildung der geometrischen Struktur des Grünlings ausgehärtet wird und der Grünling der Suspension entnommen und einer Wärmebehandlung zur Entfernung des Binders zugeführt wird, wobei die Temperatur unterhalb der Sintertemperatur liegt aber hoch genug ist, damit eine thermische Zersetzung der organischen Bestandteile des Grünlings erfolgt.
Die EP 0431 924 B1 offenbart einen Prozeß zur Herstellung einer Komponente, indem eine erste Schicht aus einem Pulvermaterial in einer eingeschränkten Zone niedergeschlagen wird und dann ein Bindematerial auf ausgewählte Zonen der Schicht aus dem Pulvermaterial niedergeschlagen wird, um eine Schicht aus einem gebundenen Pulvermaterial an den ausgewählten Zonen herzustellen. Solche Schritte werden eine ausgewählte Anzahl von Malen wiederholt, um aufeinanderfolgende Schichten der ausgewählten Zonen des gebundenen Pulvermaterials herzustellen, um die gewünschte Komponente auszubilden. Das ungebundene Pulvermaterial wird dann entfernt.
Die DE 69425428 T2 beschreibt ein System zum Erzeugen einer dreidimensionalen Komponente, indem aufeinaderfolgende Schichten eines porösen Materials mit Tröpfchen eines Bindematerials aneinander gebunden werden, wobei das System folgendes aufweist: einen Bindemittel-Druckkopf mit einer Gruppe von Düsen, um Strahlen aus den Bindematerial-Tröpfchen zu ausgewählten Zonen der Schichten des porösen Materials zuzuführen; eine Einrichtung zum Steuern der Zufuhr der Tröpfchen-Strahlen; eine Einrichtung zum Bewegen des Druckkopfes nach Art einer Rasterabtastung über eine Schicht des porösen Materials, so dass der Druckkopfwährend jeder Abtastung entlang einer Abtastachse in einer Richtung bewegt wird, um eine erste Vielzahl an Abtastpfaden der Tröpfchen vorzusehen, in Bezug auf die Abtastachse nachfolgend der Bewegung des Druckkopfes in der einen Richtung lateral bewegt wird und entlang der Abtastachse in einer Richtung entgegengesetzt zu der genannten einen Richtung bewegt wird und zwar nach der lateralen Bewegung, um eine zweite Vielzahl an Abtastpfaden der Tröpfchen vorzusehen, die mit der ersten Vielzahl der Abtastpfade verschachtelt sind.
Das DE 20 2005 020 596 U1 beschreibt ein Pulver für die Verwendung bei der Herstellung von räumlichen Strukturen bzw. Formkörpern mittels schichtaufbauender Verfahren (pulverbasiertes generative rapid prototyping-Verfahren), wie z. B. nach der SLS(selektives Laser-Sintern)- oder der Laser-Schmelz-Technologie, mit einem ersten in Form von im Wesentlichen sphärischen Pulverteilchen vorliegenden Anteil, der von einem Matrix-Werkstoff gebildet ist, und zumindest einem weiteren Anteil in Form von versteifenden und/oder verstärkenden Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Länge L50 der Fasern maximal dem Wert der mittleren Korngröße d50 der sphärischen Pulverteilchen entspricht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Materialzusammensetzung für die Herstellung von räumlichen Strukturen bzw. Formkörpern mittels schichtaufbauender Verfahren in Form von ungebrannten bzw. ungesinterten Rohlingen aus keramischen Werkstoffen als Vorstufe für den Brenn- bzw. Sinterprozeß anzugeben, mit der es in einfacher Weise gelingt, dreidimensionale keramische Bauteile unterschiedlichster Form mit hoher Dimensionsgenauigkeit und gleichbleibenden Eigenschaften herzustellen und dabei das Problem der Stabilität und des Dispergierzustandes und der Eignung der die suspendierten Keramikteilchen enthaltenden Druckflüssigkeit für die Verwendung beim Stereolithographie- bzw. SLA-Verfahren zu lösen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Materialzusammensetzung für die Verwendung bei der Herstellung von räumlichen Strukturen bzw. Formkörpern mittels schichtaufbauender Verfahren in Form von ungebrannten bzw. ungesinterten Rohlingen aus keramischen Werkstoffen als Vorstufe für den Brenn- bzw. Sinterprozeß als Dispersion ausgebildet ist und eine viskose Flüssigkeit und einen Feststoff in Pulverform umfasst, wobei die Flüssigkeit einen Anteil von 25 bis 90 Vol.% und der Feststoff einen Anteil von 10 bis 75 Vol.% an der Materialzusammensetzung einnimmt.
Die viskose Flüssigkeit ist ein synthetisches Harz in Form einer Suspension oder Emulsion mit einer Teilchengröße < 1 nm. Vorzugsweise wird ein Acrylat eingesetzt. Der Feststoff ist ein Pulver mit einer Korngröße im Bereich von 0,01 bis 500 μm aus einem Oxid, Silicid, Nitrid, Carbid oder deren Gemische auf der Basis beispielsweise von AL, Zr, Si, Ti, Mg, Ca, W, Co oder B.
Ganz bevorzugt wird in der Materialzusammensetzung als Pulver Bornitrid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid oder ein Mischoxid, insbesondere Silikate, dieser Oxide eingesetzt. Zum Einsatz können aber auch Mischnitride, Carbonnitride, Oxiumtride oder Oxicarbide der zuvor genannten Elemente kommen.
Das keramische Pulver hat vorzugsweise eine Korngröße im Bereich von 0,01 bis 500 μm, wodurch zum einen eine zu hohe Oberflächenrauhigkeit am späteren Formkörper oder in der Struktur vermieden wird und zum anderen eine hohe Abbildschärfe des späteren Formkörpers oder der Struktur gegeben wird.
Mit dem Stereolithographie-Verfahren ist es möglich, sehr filigrane, hochkomplexe Strukturen und glatte Oberflächen zu erzeugen. Das Werkstück befindet sich dabei in einem Flüssigbad aus einem Photopolymes, in dem es nach und nach tiefer abgesenkt wird. Ein Laser fährt bei jedem Schritt über den Ausgangsstoff, um die gewünschte Form zu schaffen.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher beschrieben werden. Die dazugehörige 1 zeigt einen Prototypen in Form eines Miniaturkühlkörpers für elektronische Bauteile.
Als Ausgangsmaterial für den 3D-Druckprozess nach dem Stereolithographie-Verfahren zur Herstellung eines Miniaturkühlkörpers aus einem keramischen Material kommt eine Materialzusammensetzung zur Anwendung, die als viskose Flüssigkeit ein Acrylat und als Feststoff ein Bornitrid, wobei der Anteil des Acrylats bei 50 Vol.% und der des Bornitrids bei 50 Vol.% liegt, umfasst.
Mit Hilfe eines CAD-Programms wurde der Kühlkörper mit einer chaotischen Gitterstruktur zum Zwecke der Probenherstellung (Kantenlänge ca. 2,5 cm) entworfen. Dieser Datensatz wurde von einem 3D-Drucker umgesetzt. Den gedruckten Kühlkörper zeigt die 1.
Zur Herstellung des Kühlkörpers wird zunächst eine dünne Schicht der erfindungsgemäßen Materialszusammensetzung auf eine Fertigungsplattform aufgetragen. Ein Laserstrahl schmilzt die Materialszusammensetzung exakt an den Stellen auf, die die computergenerierten Bauteil-Konstruktionsdaten vorgeben.
Danach senkt sich die Fertigungsplattform ab und es erfolgt ein weiterer Materialauftrag. Das Material wird erneut aufgeschmolzen und verbindet sich an den definierten Stellen mit der darunterliegenden Schicht. Die Schritte werden solange wiederholt, bis das fertige Bauteil als Grünling vorliegt.
Der entstandene Grünling wird nach dem Druckvorgang einer Wärmebehandlung unterzogen, d. h., das Acrylat wird herausgelöst und die Keramik verdichtet (gesintert). Die so hergestellten Bauteile – hier der Kühlkörper – weisen nahezu die gleichen Eigenschaften auf, wie die konventionell hergestellten Bauteile.
Die 1 zeigt einen Kühlkörper mit einer chaotisch ausgebildeten Struktur, die sowohl für die passive als auch aktive Temperierung von beispielsweise elektronischen Bauteilen ausgelegt ist.
Die chaotische Struktur besteht in einer variablen Anordnung von polyedrisch ausgeformten Hohlräumen mit innenliegenden Verstrebungen von variabler Anordnung und Dichte als Luftkanäle.
Hierdurch ist es möglich, bisher industriell unmöglich herstellbare komplexe Strukturen auch auf kleinsten Raum zu realisieren.
Die Erfindung ist nicht begrenzt auf das hier ausgeführte Beispiel Kühlkörper, sondern beinhaltet die Erstellung jeglicher Formkörper und Strukturen aus einem keramischen Material aus einem Stück bei kompletter Freiheit der Formgebung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012219989 B4 [0005]
DE 102005058121 B4 [0007]
EP 0431924 B1 [0008]
DE 69425428 T2 [0009]
DE 202005020596 U1 [0010]

Claims

Materialzusammensetzung für die Verwendung bei der Herstellung von räumlichen Strukturen bzw. Formkörpern mittels schichtaufbauender Verfahren in Form von ungebrannten bzw. ungesinterten Rohlingen aus keramischen Werkstoffen als Vorstufe für den Brenn- bzw. Sinterprozeß ausgebildet als Dispersion, umfassend eine viskose Flüssigkeit und einem Feststoff in Pulverform, wobei die Flüssigkeit einen Anteil von 25 bis 90 Vol.% und der Feststoff einen Anteil von 10 bis 75 Vol.% an der Materialzusammensetzung einnimmt.
Materialzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die viskose Flüssigkeit ein synthetisches Harz in Form einer Emulsion oder Suspension mit einer Teilchengröße < 1 nm ist.
Materialzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff ein Pulver mit einer Korngröße im Bereich von 0,01 bis 500 μm aus einem Oxid, Silicid, Nitrid, Carbid oder deren Gemische ist.
Materialzusammensetzung in einer bevorzugten Form nach Anspruch 1 bis 3 umfasst diese als viskose Flüssigkeit ein Acrylat und als Feststoff ein Bornitrid, wobei der Anteil des Acrylats bei 50 Vol.% und der des Bornitrides bei 50 Vol.% liegt.
Verwendung der Materialzusammensetzung nach Anspruch 1 bis 3 oder Anspruch 4 zur Herstellung von räumlichen Strukturen bzw. Formkörpern mittels schichtaufbauender Verfahren, wobei als Verfahren das Stereolithographie- oder SLA-Verfahren zum Einsatz kommt.
Bauteil hergestellt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Kühlkörper, der eine variable Anordnung von polyedrisch ausgeformten Hohlräumen und innenliegenden Verstrebungen als Luftführungskanäle umfasst.