DE69330495T2

DE69330495T2 - Dreidimensionale drucktechnik

Info

Publication number: DE69330495T2
Application number: DE69330495T
Authority: DE
Inventors: David Brancazio; James F. Bredt; Michael Cima; Alain Curodeau; Tailin Fan; Satbir Khanuja; Alan Lauder; Sang-J-On John Lee; Stephen P. Michaels; Emanuel Sachs; Harald Tuerck
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1992-06-05
Filing date: 1993-06-04
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2013-06-05
Also published as: JPH07507508A; CA2136748C; EP0644809A1; EP1099534A2; EP0644809B1; DE69330495D1; EP1099534A3; JP2862674B2; CA2136748A1; EP0644809A4; WO1993025336A1; US5387380A

Description

Einleitung

Diese Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Werkzeugeinrichtungs- und Prototypteilen und insbesondere die Verwendung von dreidimensionalen Drucktechniken unter Verwendung von Computermodellen für diese.

Technischer Hintergrund der Erfindung -

Bei der Schaffung effizienter industrieller Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit besteht zum einen Bedarf zur Verringerung der Zeit, die zur Markteinführung von neuen Produkten erforderlich ist, und zum anderen für die Schaffung der Möglichkeit zur flexiblen Herstellung von Produkten in geringen Mengen. Somit ist es erstrebenswert, einen raschen Teileausstoß mit einer möglichst geringen Investition in die Werkzeugherstellung zu schaffen. Die Techniken dafür sollten die Fähigkeit haben, Konstruktionen fur spezielle Anforderungen maßzuschneidern, die Taktzeit von der Konstruktion zur Herstellung zu verkürzen und/oder zur Herstellung in sehr kleinen Losgrößen bis hinab zum Einzelbauteil, und all dies zu vertretbaren Kosten. Einen wesentlichen Anteil an der zur Markteinführung von neuen Produkten erforderlichen Zeit hat der Zeitraum, der zur Herstellung von funktionierenden Prototypen erforderlich ist. Eine rasche Prototypenherstellung kann den Produktentwicklungszeitraum verkürzen und den Konstruktionsprozess verbessern, indem der Konstrukteur rasch und effektiv Erkenntnisse gewinnt. Darüberhinaus ist in einigen Anwendungsgebieten die rasche Prototypenherstellung von nicht funktionierenden Teilen zur Verwendung bei der Einschätzung von ästhetischen Aspekten einer Konstruktion oder der Passgenauigkeit und des Zusammenbaus derselben erforderlich.
Einen weiteren Hauptanteil an der Zeit bis zur Markteinführung eines Produktes hat die zur Entwicklung von Werkzeugen, wie z. B. Gieß- und Prägeformen, erforderliche Zeit. Bei einigen Arten von Werkzeugen, wie z. B. Spritzgussformen, erstreckt sich die erforderliche Zeit zur Konstruktion und Herstellung eines Werkzeugs routinemäßig auf mehrere Monate. Die langen Vorlaufzeiten sind durch die Tatsache bedingt, dass die Werkzeuge oftmals als Einzelstücke hergestellt werden und äußerst kompliziert sein können, wofür ein hoher Anteil von menschlicher Aufmerksamkeit auf Details gerichtet werden muss. Somit wirkt sich die Werkzeugherstellung nicht nur auf die Vorlaufzeit, sondern auch auf die Herstellungskosten aus. Tatsächlich bestimmen die Werkzeugherstellungskosten oftmals die kleinste wirtschaftliche Chargengröße für einen bestimmten Prozess. Die Erfordernisse bei der Prototypenherstellung, die Werkzeugherstellungsvorlaufzeit und die Werkzeugherstellungskosten sind insofern miteinander verbunden, als die Kombination von langen Vorlaufzeiten und hohen Kosten es in der Praxis unpraktisch macht, vor der Produktion hergestellte Prototypen durch denselben Prozess herzustellen, der bei der Produktion verwendet werden wird.
In den vergangenen Jahren bestand beträchtliches Interesse an der Entwicklung von computerisierten dreidimensionalen Drucktechniken, manchmal als "Desktop Manufacturing"-Techniken bezeichnet, für die keine Werkzeugherstellung erforderlich ist. Ein solches System, das SLA 1 System, hergestellt und verkauft von 3D Systems Inc., Valencia, Kalifornien, ist bekannt. Dieses System arbeitet mit einem Stereolithographie genannten Prinzip, bei dem ein fokussierter Ultraviolett-(W-)Laser über die Oberseite eines Bades eines photopolymerisierbaren flüssigen Polymerkunststoffmaterials vektorabgetastet wird. Der W-Laser verursacht die Polymerisierung des Bades dort, wo der Laserstrahl auf die Oberfläche des Bades auftrifft, was zur Erzeugung einer ersten festen Kunststoffschicht auf und unmittelbar unterhalb der Oberfläche führt. Die feste Schicht wird anschließend in das Bad abgesenkt und der durch den Laser hervorgerufene Polymerisierungsprozess wird zur Erzeugung der nächsten Schicht mehrfach wiederholt, bis eine Vielzahl von übereinander liegenden Schichten, die das gewünschte Teil bilden, erhalten wird. Die letzte erzeugte Schicht wird in jedem Fall in eine Position zur Erzeugung der nächsten Schicht geringfügig unterhalb der Oberfläche des Flüssigkeitsbades abgesenkt.
Ein alternativer Lösungsansatz, gelegentlich als selektives Lasersintern (SLS) bezeichnet, wurde ferner durch die DTM Corporation, Austin, Texas vorgeschlagen. In einem derartigen System wird ein Laserstrahl verwendet, um Bereiche einer Schicht von lose verdichtetem Kunststoffpulver zu sintern, welches Pulver Schicht für Schicht aufgetragen wird. Der Begriff "Sintern" bezieht sich auf den Prozess, durch welchen aus Partikeln bestehende Stoffe, wie z. B. Kunststoffpulver, mittels extern zugeführter Energie veranlasst werden, zu einer festen Masse zusammenzuhaften. Ein SLS-System verwendet die von einem Laser zugeführte optische Energie für diesen Zweck. Dabei wird eine dünne Pulverschicht mittels einer Walzeneinrichtung gleichmäßig auf einer flachen Oberfläche verteilt. Die dünne Pulveroberfläche wird anschließend von oben mit einem Hochleistungslaserstrahl rasterabgetastet. Das von dem Laserstrahl getroffene Pulvermaterial wird miteinander verschmolzen. Die nicht von dem Laserstrahl getroffenen Bereiche verbleiben lose und fallen von dem Teil ab, wenn es aus dem System entnommen wird. Aufeinander folgende Pulverschichten werden jeweils übereinander aufgetragen und rasterabgetastet, bis ein gesamtes Teil vollständig ist. Jede Schicht wird tief genug gesintert, um sie mit der vorangehenden Schicht zu verbinden. Eine ähnliche Lasersinterlösung wurde von Hydronetics Inc., Chicago, Illinois vorgeschlagen. Ein weiterer Prozess, der von derselben Firma vorgeschlagen wurde, wird als eine geschichtete Objektherstellungs-(LOM-)Technik bezeichnet, bei welcher dünne Metallfolienschichten in entsprechende Formen ausgeschnitten werden, um ein Teil zu bilden, und die geformten geschichteten Stücke übereinander gelegt werden und in geeigneter Weise verbunden werden, um das betreffende Teil zu bilden.
Ein weiterer Prozess, der zur Schaffung von 3D-Modellen und Prototypen vorgeschlagen wurde, manchmal als Ballistic Particle Manufacturing (BPM) bezeichnet, wurde durch Automated Dynamic Corporation, Troy, NY, vorgeschlagen. Dieser Prozess verwendet eine Tintenstrahldrucktechnik, bei welcher ein Tintenstrahl aus flüssigem geschmolzenem Metall oder einem Metallverbundmaterial verwendet wird, um dreidimensionale Objekte unter Computersteuerung zu schaffen, ähnlich der Art und Weise, in der ein Tintenstrahldrucker zweidimensionale graphische Drucke erzeugt. Ein Metall- oder Metallverbundteil wird durch Tintenstrahldrucken von aufeinander folgenden Querschnitten Schicht für Schicht auf einem Target unter Verwendung einer Kaltschweiß-(d. h. raschen Verfestigungs-)Technik erzeugt, die die Verbindung zwischen den Teilchen und den nachfolgenden Schichten verursacht. Eine weitere Technik, gelegentlich als photomechanische Bearbeitung bezeichnet, die von Formigraphic Engine Co., Berkeley, Kalifornien, vorgeschlagen wurde, verwendet einander schneidende Laserstrahlen, um einen Polymerkunststoffblock selektiv zu härten oder aufzuweichen. Der zugrunde liegende Mechanismus, der hier verwendet wird, ist die photomechanische Vernetzung oder Zersetzung des Materials.
Es ist erwünscht, eine Technik zum Herstellen derartiger geschichteter Teile zu konzipieren, die in zufriedenstellender Weise mit Keramik- oder Metallmaterialien oder Kombinationen derartiger Materialien miteinander oder mit anderen Materialien funktioniert, die aber ebenfalls zufriedenstellend mit Kunststoffpartikeln oder mit anderen anorganischen Materialien funktioniert. Eine derartige Technik könnte universeller zur Herstellung von Bauteilen aus einer großen Bandbreite von Materialien eingesetzt werden als die gegenwärtig vorgeschlagenen Techniken.
EP-A-0431924 beschreibt ein dreidimensionales Druckverfahren, in welchem ein Bauteil durch das Ablagern aufeinander folgender Pulvermaterialschichten aufgebaut wird, wobei jede neue Schicht nur in ausgewählten Bereichen mit Bindermaterial in Kontakt gebracht wird, um diese Bereiche mit einer vorausgehenden Schicht zu verbinden, wobei die nicht mit dem Bindermaterial in Kontakt gebrachten Teile der Schicht vom Schichtbauteil getrennt werden werden.
WO-A-90/03893 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines aus einzeln profilierten Schichten gebildeten Gegenstands, die erfolgreich aus Pulver- oder Folienmaterial produziert werden, wobei die aufeinander folgenden Schichten jeweils aufeinander abgelagert werden und jede neue Schicht eine von einem Energie- oder Materiestrahl auf sie aufgedruckte Form hat, die sie mit ihrem unmittelbaren Vorgänger verbindet und so die Form des Gegenstands aufbaut. Das von dem Strahl nicht markierte Material wird nicht an die anderen Schichten gebunden und kann somit vom geschichteten Gegenstand geschieden werden.
EP-A-0470705 offenbart eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Modells durch Ablagern aufeinander folgender Schichten eines Photopolymermaterials in einer auswählbaren Gestaltung, wobei jede neu abgelagerte Schicht ausgehärtet wird, bevor die nachfolgende Schicht abgelagert wird.
US-A-4247508 beschreibt ein Formverfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Artikels. In einer Ausführungsform werden ebene Schichten eines Gussmaterials aufeinander folgend aufgebracht. Vor dem Aufbringen der nächsten Schicht wird jeweils ein Teil jeder Schicht verfestigt, um diesen Teil des Artikels in dieser Schicht zu definieren. Die selektive Verfestigung jeder Schicht wird mit Hilfe von Wärme und einer Maske oder aber unter Verwendung eines geregelten Wärme-Abtast- Verfahrens erreicht.
US-A-4863538 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für das selektive Sintern aufeinander folgender Pulverschichten zum Produzieren eines Teils, das eine Mehrzahl von gesinterten Schichten beinhaltet. Ein Computer steuert den Laser, so dass seine Energie auf das Pulver gerichtet wird, um eine gesinterte Maske nach einem vorbestimmten Querschnittsmuster zu produzieren. Pulver wird aufgetragen und aufeinander folgende Schichten werden jeweils gesintert, bis ein komplettes Teil hergestellt worden ist.
US-A-4675216 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines synthetischen dekorativen Überzugs auf einem Trägermaterial, wobei ein Pulver von einer Siebdruckwalze entsprechend einem Muster oder einer Verzierung selektiv auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Das Pulver enthält warmverschweißbare Partikel, und das dekorative Muster wird durch eine Wärmebehandlung auf dem Träger fixiert.
US-A-5016683 beschreibt eine Vorrichtung zum kontrollierbaren Zuführen eines Partikelmaterials in einen Tiegel, wobei die Vorrichtung eine Walze mit einem in ihr befindlichen Hohlraum aufweist, welche mit einer Öffnung in einer unteren Wand der Walze kommuniziert, so dass Partikelmaterial während des Rotierens der Walze schwerkraftbedingt geregelt aus der Trommel abgelassen wird.
Bei hoch fließfähigen Partikeln bilden durch das ballistische Aufprallen von Bindertröpfchen verursachte Vertiefungen und Spritzer ein potenzielles Problem.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils vor, das die folgenden Schritte umfasst:
(1) Aufbringen einer vorausgewählten Menge eines Pulvermaterials in einem begrenzten Bereich, wobei das Pulvermaterial verstärkt ist, um beim Auftragen des Bindemittelmaterials auf es die Bildung von Vertiefungen und Spritzern zu verhindern,
(2) Auftragen eines Bindemittelmaterials auf ausgewählte Bereiche der genannten Pulvermaterialschicht, wodurch bewirkt wird, dass die genannte Pulvermaterialschicht an den genannten ausgewählten Bereichen gebunden wird,
(3) Wiederholen der Schritte 1 und 2 eine ausgewählte Anzahl von Malen, um eine ausgewählte Anzahl von aufeinander folgenden Schichten zu produzieren, wobei das genannte Bindemittelmaterial bewirkt, dass die genannten aufeinander folgenden Schichten aneinander gebunden werden,
(4) Entfernen von nicht gebundenem Pulvermaterial, das sich nicht an der genannten einen oder mehreren ausgewählten Regionen befindet, um das Bauteil bereitzustellen.
Gegenstand der abhängigen Ansprüche bilden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Der Stand der Technik (einschließlich EP-A-0431 9924, das als der nächstliegende Stand der Technik betrachtet wird) erkennt weder Probleme oder Schwierigkeiten, die durch Vertiefungen und Spritzer des Pulvermaterials entstehen, welche durch das ballistische Aufprallen von Bindemitteltröpfchen bei ihrem Auftragen verursacht werden, noch erkennt er sie an. Darüber hinaus wird die Möglichkeit zur Minimierung dieser Schwierigkeiten oder Probleme durch die Verwendung einer Menge von Pulvermaterial, die verstärkt wurde, um einer solchen Bildung von Vertiefungen oder Spritzern zu widerstehen, vom Stand der Technik weder erläutert noch vorgeschlagen oder gelehrt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird pulverisiertes Material, z. B. pulverisiertes Keramikmaterial, pulverisiertes Metall oder pulverisierter Kunststoff, in aufeinander folgenden schlagfesten, aufeinander liegenden Schichten abgelagert. Im Anschluss an die Ablagerung jeder Schicht von pulverisiertem Material wird ein flüssiges Bindermaterial selektiv der Schicht des Pulvermaterials unter Verwendung einer Tintenstrahldrucktechnik gemäß einem Computermodell des in Herstellung befindlichen dreidimensionalen Teils zugeführt. Nach der aufeinander folgenden Auftragung aller erforderlichen Pulverschichten und des Bindermaterials, um das betreffende Teil zu bilden, wird das nicht gebundene Pulver in geeigneter Weise entfernt, was zur Bildung des gewünschten dreidimensionalen Teiles führt. Es wurde festgestellt, dass eine derartige Technik die effiziente Formung von komplexen Metall-, Keramik- oder Metallkeramikverbundteilen erlaubt, und zwar mit einem sehr hohen Grad der Auflösung in einem angemessen kurzen Zeitraum.
Eine derartige Technik sollte beispielsweise zum Ermöglichen der raschen Herstellung von Formen für den Metallguss und der raschen Bildung von Vorformen für Metallmatrixverbundstoffe besonders nützlich sein. Eine derartige Technik kann auch mit Kunststoffmaterialien verwendet werden, um Kunststoffbau teile oder Teile für verschiedene Zwecke zu formen.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung kann unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben werden. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 Schnittdarstellungen von verschiedenen Stufen bei der Herstellung eines Teiles gemäß der Erfindung;
Fig. 3, 4 und 5 verschiedene beispielhafte Techniken zum Setzen der Pulverpartikel durch Anlegen von mechanischen Vibrationen und akustischer Energie an diese;
Fig. 6 beispielhafte Stufen bei der Verwendung einer Senkkolbeneinrichtung zum Ablagern von Pulverpartikeln gemäß der Erfindung;
Fig. 7 eine Schnittansicht einer Walzenvorrichtung zum Verteilen und Verdichten einer Pulverschicht;
Fig. 8A-8C ein Verfahren zum Verteilen und Verdichten einer Pulverschicht;
Fig. 9 eine Rakelvorrichtung zum Glätten einer Pulverschicht;
Fig. 10 eine Schwimmkolbenvorrichtung, die beim Drucken dreidimensionaler Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
Fig. 11-13 ein Verfahren zum Eingrenzen einer Pulvermaterialmenge während des Druckens;
Fig. 14 eine Siebtrommelvorrichtung zum Ablegen einer Pulvermaterialspur und
Fig. 15 eine Siebtrommelvorrichtung zum Verteilen einer Pulverschicht vor dem Drucken.
In den diversen Abbildungen der Zeichnungen zeigen entsprechende Bezugszeichen entsprechende Teile an.
Eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt, die eine Vorrichtung 10 zur Bildung einer keramischen Form zeigt, welche sechs Hohlräume 12A bis 12F hat, die zum Gießen von sechs im Wesentlichen identischen Teilen verwendet werden können. Ein Pulververteilkopf 13 wird in einer hin- und hergehenden Bewegung wiederkehrend über die Länge der in Formung befindlichen Form angetrieben. Eine geeignete lineare Schrittmotoreinrichtung 18 kann zur Bewegung des Pulververteilkopfes 13 und des Binderablagerungskopfes 15 (nachfolgend besprochen) verwendet werden. Das pulverisierte Material, z. B. ein Keramikpulver, wird in einem begrenzten Bereich abgegeben, beispielsweise durch eine Form 14 gebildet, wobei das Pulver in einer Linie abgegeben wird, während der Verteilkopf 13 in Einzelschritten entlang der Länge der Form bewegt wird, so dass eine relativ lose Schicht desselben gebildet wird, die typischerweise eine Dicke von beispielsweise etwa 100 bis 200 Mikrometern hat. Während das Material hier als pulverisiertes Material beschrieben wird, kann es bei einigen Anwendungen beispielsweise in Form von Fasern verteilt werden. Zur Einfachheit der Beschreibung der Erfindung wird der Begriff Pulvermaterial so ausgelegt, dass er auch Fasermaterial einschließt. Der Schrittmotor kann mit so hohen Geschwindigkeiten bewegt werden, dass die Bewegung des Kopfes 13 tatsächlich kontinuierlicher Art ist. Alternativ kann es sich um einen Motor handeln, der von sich aus eine kontinuierliche Bewegung vorsieht, wie z. B. ein servogesteuerter Motor. Eine Anfangsschicht wird am Boden der Form 14 verteilt und jede nachfolgende Schicht wird aufeinander folgend auf der vorangehenden Schicht verteilt.
Ein Tintenstrahldruckkopf 15 mit einer Vielzahl von Tintenstrahlausgabeeinrichtungen wird ebenfalls durch die Schrittmotoranordnung in derselben hin- und hergehenden Weise angetrieben, so dass er der Bewegung des Pulverkopfes folgt und selektiv Strahlen eines flüssigen Bindermaterials an ausgewählten Bereichen 16 erzeugt, die die Wände jedes Hohlraumes darstellen, wodurch verursacht wird, dass das pulverisierte Material in diesen Bereichen gebunden wird. Die Binderstrahlen werden entlang einer Linie des Druckkopfes 15 verteilt, der im Wesentlichen in derselben Weise wie der Verteilkopf 13 des Pulvermaterials bewegt wird, d. h. durch einen Hochgeschwindigkeits-Schrittbetrieb oder durch einen kontinuierlichen Servomotorbetrieb, wobei in jedem Fall effektiv eine kontinuierliche Bewegung des Kopfes 15 erzeugt wird, wie vorstehend unter Bezug auf den Kopf 13 erörtert. Typische Bindertröpfchengrößen liegen im Bereich von beispielsweise etwa 15 bis 50 Mikrometern. Der Pulver-/Binderschichtbildungsprozess wird wiederholt, um so die Formteile Schicht um Schicht aufzubauen.
Eine Darstellung, die ein gemäß der Erfindung in Herstellung befindliches Teil zeigt, ist in Fig. 2 dargestellt, welche den Ablauf schematisch darstellt. Für ein betreffendes Teil 40 wird eine Pulverschicht von einem Pulververteilkopf 41 in eine Form 42 über eine zuvor gebildete Schicht abgegeben, auf der bereits Bindermaterial abgelagert wurde (A). Eine Bindermaterialschicht wird anschließend von dem Binderstrahlkopf 43 auf die Pulverschicht gedruckt, um die nächste Schicht 44 von gebundenen Pulverpartikeln zu bilden (B). Dieser Betriebsablauf wird für jede nachfolgende Schicht wiederholt. Eine beispielhafte Zwischenstufe der Bildung des Teiles 40 ist in (C) gezeigt. Wenn die abschließende verbundene Schicht wie unter (D) gezeigt gedruckt wird, wird überschüssiges nicht gebundenes Pulver entfernt, und das schließlich geformte Teil selbst ist in (E) dargestellt.
Während die Schichten beim Auftragen jeder Schicht gehärtet werden oder wenigstens teilweise gehärtet werden, kann es bei einigen Anwendungen erwünscht sein, dass dann, wenn die gewünschte Endkonfiguration des Teiles erreicht ist und der Schichtungsprozess vollendet ist, die Form und ihr Inhalt bei einer in geeigneter Weise gewählten Temperatur erwärmt oder gehärtet werden, um die Bindung der Pulverpartikel weiter zu fördern. In jedem Fall, ob eine weitere Härtung erforderlich ist oder nicht, werden die losen nicht gebundenen Pulverpartikel z. B. in Bereichen 17 (Fig. 1) unter Verwendung einer geeigneten Technik, wie z. B. Ultraschallreinigung, entfernt, so dass das endbearbeitete Teil zur Verwendung bleibt.
Zur effektiven Verwendung sollten die Pulverpartikel mit einer relativ hohen Geschwindigkeit einheitlich abgelagert werden, wobei die Geschwindigkeit gemäß der Anwendung ausgewählt wird, für welche die Methode verwendet wird. Für viele nützliche Anwendungen können die Pulverpartikel vorzugsweise mit relativ hoher Dichte verdichtet sein, während die Dichte bei anderen Anwendungen beträchtlich geringer sein kann, wenn Teile mit größerer Porosität gewünscht sind. In den Bereichen Kolloidwissenschaft und Pulververteilungschemie bekannte Methoden können verwendet werden, um die gewünschten einheitlichen Ablagerungen derartiger Pulver mit den gewünschten Geschwindigkeiten und Dichten bereitzustellen. Derartige Pulver können somit entweder als trockene Pulver oder in einem flüssigen Medium, wie in einem Kolloiddispergator oder in einer wässrigen Suspension, abgegeben werden. Im trockenen Zustand kann die erwünschte Partikelverdichtung mit Hilfe mechanischer vibrierender Verdichtungsmethoden oder durch Anwenden akustischer Energie, z. B. entweder Schall- oder Ultraschallschwingungen, auf das abgelagerte Pulver oder durch Anwenden einer piezoelektrischen Abziehvorrichtung am abgelagerten Pulver erreicht werden.
Derartige Techniken sind beispielsweise in Fig. 3, 4 bzw. 5 dargestellt. Fig. 3 zeigt die Form 14, die mechanisch vibriert wird, wie durch einen Pfeil 60 dargestellt, und zwar unter Verwendung eines Vibrationstransducersystems 61 zum Setzen der darin befindlichen Pulverpartikel 62. In Fig. 4 wird ein akustisches Transducersystem 63 verwendet, um akustische Energie 64 der Oberflächenschicht des Pulvers 62 zu diesem Zweck zuzuführen. In Fig. 5 wird ein Vibrationstransducersystem 65 verwendet, um eine piezoelektrische Abzieheinrichtung 66 in Vibration zu versetzen, wie durch einen Pfeil 67 dargestellt, während es sich in der beispielhaften Richtung des Pfeiles 68 bewegt, um das Pulver 62 zu setzen.
Das Pulver kann auch in trockener oder feuchter Form unter Verwendung einer Senkkolbeneinrichtung abgelagert werden, bei der trockenes oder feuchtes Pulver auf der Oberseite eines vertikal beweglichen Kolbens abgelagert wird und der Kolben nach unten in eine Kammer bewegt wird, wobei überschüssiges Pulver mit einer geeigneten Abzieheinrichtung abgezogen wird.
Wie Fig. 6 zeigt, hält ein Kolben 70 das Teil 71, das teilweise fertiggestellt gezeigt ist, in der Darstellung (A) innerhalb einer Kammer 72. Zum Ablagern einer Pulverschicht wird der Kolben in der Kammer nach unten bewegt und macht einen Bereich 73 in der Kammer an deren Oberseite zur Ablagerung von Pulverpartikeln frei, wie in der Darstellung (B) gezeigt. Pulverpartikel 74 werden in diesem Bereich abgelagert und eine Rakel 75 wird beispielsweise verwendet, um überschüssiges Pulver abzuziehen, wie in der Darstellung (C) gezeigt. Das Teil 71, auf dem die neu abgelagerte Pulverschicht 76 vorhanden ist, ist anschließend zum Auftragen von Bindermaterial auf diese bereit, wie in der Darstellung (D) gezeigt.
In Fig. 7 wird ein Mechanismus zum gleichzeitigen Einebnen und Verdichten oder Komprimieren eines Pulvers dargestellt. In diesem Mechanismus ist eine horizontale Walze zum gleichzeitigen Rotieren und Vibrieren montiert. Die Endwellen der Walze 101 liegen in Lagern 103 und 105, die wiederum auf Blattfedern montiert sind, die im Winkel von ungefähr 45 Grad zur Vertikalen geneigt sind. Die Walze 101 wird in Rotation von einem geeigneten Motor (nicht dargestellt) angetrieben, und das gesamte Walzensystem wird von einem elektromagnetischen Treiber vibriert, der allgemein mit Bezugszeichen 109 bezeichnet ist. Zum Glätten der Pulverschicht wird die Walze quer über die Oberfläche der neu abgelagerten Schicht bewegt, um sie zu glätten und zu verdichten. Wie sich versteht, hat die Vibration somit eine Komponente, die längs zur Walze ist, und auch eine Komponente, die vertikal oder normal zur Pulverschicht ist und daher zur Verdichtung oder Komprimierung des Pulvers beiträgt. Vorzugsweise ist die Rotation der Walze der Querbewegungsrichtung entgegengesetzt, so dass überschüssiges Pulver während des Ausbreitungsschrittes vor der Walze hergetrieben wird. Für maximale Glätte ist es eventuell vorteilhaft, die Walze erst mit Vibration über den Bereich zu führen und dann nur mit Rotation über den Bereich zu führen, um die glättestmögliche Oberfläche zu erzielen.
Wo bedeutende Verdichtung gewünscht wird, ist es angebracht, den die Pulvermasse und das zu formende Teil haltenden Kolben nach dem Verteilen und vor der Verdichtung anzuheben. Ein derartiger Vorgang wird in den Fig. 8A-8C dargestellt. In Fig. 8A wird das neu abgelagerte Pulver auf der Oberseite der Pulvermasse, die in einem Zylinder 112 eingeschlossen ist und von dem Kolben 113 getragen wird, mit einer Walze 114 verteilt, die quer über den Druckbereich (von links nach rechts, wie abgebildet) bewegt wird und in einer der Querbewegung entgegengesetzten Richtung (entgegen dem Uhrzeigersinn, wie abgebildet), gedreht wird, um überschüssiges Pulver vor der Walze her zu schieben.
Nach dem Verteilen wird der Kolben um einen Betrag angehoben, der dem gewünschten Verdichtungsgrad entspricht, wie in Fig. 8B gezeigt. Dann wird die Wälze 114 wieder quer über den Druckbereich in der Drehrichtung zurück bewegt, die der Walzbewegungsrichtung entspricht, so dass die neu verteilte Pulverschicht verdichtet wird, wie in Fig. 8C veranschaulicht. Eine Alternative zum Walzschritt von Fig. 8C wäre die Verwendung einer flachen Formplatte, die auf die neu verteilte Schicht aufgepresst wird. Wie es sich versteht, muss die Verformung nur auf die oberste Schicht begrenzt sein, da zuvor aufgebaute Teile des Teils durch Pressen verzogen werden könnten. Glücklicherweise wechseln granulierte Systeme über einen relativ schmalen Verdichtungsdichtebereich von plastischem auf elastisches Verhalten. Es kann daher erwartet werden, dass die Verformung während der Verdichtung auf die oberste Schicht begrenzt ist, wenn während des Aufbauprozesses eine Mindestdichte hergestellt wird. Für das Werkstoffdesign bestehen viele Möglichkeiten zum Sicherstellen, dass die Verdichtung auf die oberste Schicht begrenzt ist. Viele Pulverdruckvorgänge verwenden granuliertes Pulver zur Verbesserung der Fließfähigkeit. Das Granulat wird typischenfalls durch Sprühtrocknen angefertigt und setzt sich aus feinen Partikeln und organischem Binder zusammen. Der Binder ist stark plastiziert, so dass sie sich beim Pressen leicht verformen. Presskörper weisen eine überraschend einheitliche Packungsdichte auf, weil das Granulat stark nichtlineare mechanische Eigenschaften aufweist. Der endgültige Körper wäre dann im Wesentlichen ein durch Schichtung gebildetes, trocken gepresstes Bauteil. Trockenpressen regelt die Partikelpackung bekanntermaßen gut, wenn die Dimensionen des Körpers in der Lastanlegungsrichtung klein sind. Das Entfernen des gedruckten Bauteils würde mit Hilfe eines wasserlöslichen Binders für das sprühgetrocknete Granulat und eines Latexbinders für das Tintenstrahldrucken erreicht werden, Ultraschalldesintegration der Schichtstruktur in Wasser würde dann nur das überschüssige Material entfernen, da das getrocknete Latex in Wasser nicht wieder dispergiert wird.
Ein alternativer Ansatz ist das Erreichen der Verdichtung oder Komprimierung durch Sprühen einer kleinen Flüssigkeitsmenge auf die Oberfläche, wodurch sich die Partikel während des Trocknens neu verdichten können. Bei einem Beispiel werden Aluminiumoxidpartikel im Bereich von 0,5-5 Mikrometern verteilt und dann die verteilte Schicht mit Wasser besprüht oder mit Wassernebel befeuchtet. Das Wasser bewirkt, dass sich die Partikel umordnen und neu verdichten, was zu einer hoch dichten Schicht führt. Wenn eine kleine Menge Wasser verwendet wird, besteht keine Notwendigkeit zum Trocknen der Schicht vor dem Drucken. Wenn eine große Menge Wasser verwendet wird, dann muss die Schicht vor dem Drucken eventuell teilweise getrocknet werden.
Das Verteilen mit Hilfe einer Walze ist zwar in vielen Situationen angebracht, aber einige Materialien lassen sich mit einer Rakel besser verteilen, wie oben erwähnt. Eine verbesserte Rakelform ist in Fig. 9 abgebildet. Die mit dem Bezugszeichen 117 bezeichnete Rakel hat eine Form, die sich am besten als eine Schneepflugkonfiguration beschreiben lässt, d. h. die zu dem zu verteilenden Material weisende Oberfläche ist konkav und endet in einem Rand, der den Druckbereich berührt. Dementsprechend wird beim Bewegen der Rakel quer über den Druckbereich überschüssiges abgelagertes Pulver effektiv von der Pulvermasse abgespalten und vor der sich vorwärts bewegenden Rakel her gerollt.
Eine verbesserte Form des Kolbenmechanismus ist in Fig. 10 abgebildet. Während ein von den Zylinderwänden geführter Kolben in vielen Situationen einsetzbar ist, kann der Kolben zum Klemmen oder Steckenbleiben neigen, wenn Pulverpartikel in den Gleitzwischenbereich zwischen Kolben und Zylinder eindringen. Im Mechanismus von Fig. 10 wird ein separates Mittel zum Ausrichten des Kolbens im Zylinder bereitgestellt und sorgt für einen wahrnehmbaren Spalt zwischen ihnen. Ln Fig. 10 ist der Zylinder mit einem Bezugszeichen 120 bezeichnet, die Platte, die das Pulverbett trägt, d. h. der Kolben, ist mit dem Bezugszeichen 121 bezeichnet. Die Platte 121 ist mit Hilfe einer Unterdruckspannvorrichtung 123 an einem Ende des Stößels 125 befestigt. Das andere Ende des Stößels ist auf einem Schlitten 127 montiert, der an einem linearen Lager 129 entlang läuft. Das Linearlagersystem sorgt für die präzise Positionierung der Kolbenplatte 121 im Zylinder 120, unabhängig von einem Kontakt zwischen diesen Teilen. Die vertikale Bewegung des Kolbens wird von einem linearen Stellglied 130 gesteuert. Den Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder füllt eine Faserdichtung 131. Die Dichtung muss nicht absolut abdichtend sein. Wenn etwas Pulver an der Dichtung vorbei gelangt, schadet das nicht, vielmehr kann es nach Ende des Druckens aus dem Raum unter dem Kolben beseitigt werden. Eine Faltenbalgdichtung 133 verhindert das Entweichen von Pulver aus dem Kolbenbereich zum linearen Lager und Schlitten. In einigen Fällen braucht eventuell überhaupt keine nachgiebige Dichtung bereitgestellt werden, da die natürliche Brückenbildungstendenz des Pulvers ausreichend sein kann, um das Entweichen übermäßiger Mengen zu verhindern.
Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist, dass die Kolbenplatte 121 und der Zylinder 120 eine modulare Einheit bilden, die nach dem Druckvorgang mit dem im Pulverbett befindlichen gedruckten Teil vom Antriebsmechanismus getrennt werden kann. Diese modulare Einheit kann dann im Ofen gebrannt und das Bauteil nach dem Brennen aus dem Pulverbett entfernt werden. Auf diese. Weise kann ein empfindliches Bauteil gebrannt werden, bevor es gestört wird. Wie sich ebenfalls versteht, können mehrere derartige modulare Einheiten benutzt werden, so dass ein Teil gedruckt werden kann, während ein weiteres Teil gebrannt wird.
Sofern das Bindermaterial, das gedruckt wird, ausreichend härtet, kann die Notwendigkeit einer Zylinderwand für die gesamte Tiefe des gedruckten Volumens effektiv dadurch vermieden werden, dass ein begrenzendes Wandelement gedruckt wird. Ein solcher Vorgang ist in den Fig. 11-13 abgebildet. Außer dem Druck des zu formenden Teils 141 druckt der Druckkopf auch eine Wand oder einen Behälter um den Umfang des Pulverbetts herum. Das Drucken der Umfangswand wird schrittweise auf die gleiche Weise durchgeführt wie das Drucken des Teils. Auf jeder Stufe wird der Kolben 143 im Verhältnis zu einer feststehenden Formplatte 145, wie in Fig. 11 gezeigt, einen Schritt nach unten bewegt, und dann wird eine neue Pulverschicht auf dem Bett verteilt, wie in Fig. 12 illustriert. Die Verteilung kann z. B. mit dem in Fig. 7 dargestellten rotierenden und vibrierenden Zylindermechanismus durchgeführt werden. Die Formplatte 145 hat eine Öffnung, welche die gerade verteilte Pulverschicht lose begrenzt. Nach dem Verteilen wird ein Druckschritt durchgeführt, wie in Fig. 13 abgebildet, währenddessen die Tintenstrahldüse 151 Bindermaterial ablagert, nicht nur wie dies zum Formen des Teils erforderlich ist, sondern auch zum Aufbauen einer Umfangswand 144, die vom Rand der Formplattenöffnung leicht nach innen beabstandet ist, wie abgebildet. Wenn die Kolbenplatte dann um den nächsten Schritt gesenkt wird, dient der neu gedruckte Umfangswandabschnitt zum Begrenzen des Pulverbetts unter der Öffnung in der Formplatte.
Während die Fig. 11-13 voraussetzen, dass das Pulverbett im Verhältnis zu einer festen Formplatte abwärts bewegt wird, sollte davon ausgegangen werden, dass im Wesentlichen die gleiche Art der Herstellung einer tragenden Umfangswand genutzt werden kann, bei der die Formplatte und assoziierten Pulververteilungs- und Druckmechanismen nach oben bewegt werden, d. h. im Verhältnis zu einem stehenden Unterteil, das das Pulverbett einschließlich seiner schrittweise geformten Umfangswand trägt. Diese letztere Anordnung kann von besonderem Nutzen sein, wenn das geformte Teil besonders massiv ist und es leichter ist, die Formplatte und die Druckteile anzuheben, als das Pulverbett zu senken.
Es ist auch davon auszugehen, dass es unter einigen Umständen nützlich sein kann, ein Umfangswandelement zu drucken, obwohl ein Zylinder benutzt wird, um das Pulver während des Druckens einzugrenzen. Das so gebildete Umfangswandelement kann die Handhabung des Bauteils nach dem Entfernen aus dem Zylinder ermöglichen, z. B. vor der abschließenden Wärmebehandlung oder dem abschließenden Sintern.
Ein verbesserter Mechanismus zum Legen des Pulverstrangs, der dann über das Pulverbett verteilt wird, ist in Fig. 14 dargestellt. Der abgebildete Mechanismus verwendet einen Pulverspenderkopf, der die Form eines geneigten zylindrischen Gehäuses hat und quer über einen Rand des Druckbereichs geführt werden kann, wobei Pulver durch einen Auslass 163 abgelassen wird. In dem zylindrischen Gehäuse 161 befindet sich eine rotierbare Trommel 165. Die zylindrische Wand der Trommel 165 ist aus einem geeigneten Sicht- oder Siebmaterial gefertigt und die Trommel ist zur Drehung um ihre Längsachse mit Achszapfen versehen. Das untere Ende der Trommel ist vorzugsweise massiv und geschlossen, wie abgebildet, während das obere Ende der Trommel eine Öffnung 167 hat, durch die das zu verteilende Material in das Trommelinnere gegeben werden kann. Ein geeigneter Vorratsbehälter wird allgemein von dem Bezugszeichen 171 angezeigt, wobei der Behälter mit einem Ventil 173 versehen ist, das geöffnet werden kann, um das Material in die Trommel zu geben, wenn der Spender sich an einem Ende seiner Bewegung befindet, d. h. dem linken Ende, wie abgebildet.
Sobald eine geeignete Pulvermaterialmenge in die Trommel 165 gegeben worden ist, wird die Rotation der Trommel zusammen mit einer Querbewegung über den Rand des Druckbereichs eingeleitet. Die Rotationsgeschwindigkeit ist so ausgewählt, dass das eingeschlossene Material durcheinander geworfen, aber nicht von Zentrifugalkraft an die Oberfläche der Trommel gedrückt wird. Desgleichen wird die Siebgröße im Verhältnis zur Größe der Pulverpartikel ausgewählt, so dass Material nur ausgeschleudert wird, wenn die Trommel rotiert. Die Geschwindigkeit, mit der das Material vom Mechanismus ausgegeben wird, kann eingestellt werden, indem das Sieb zunehmend verdeckt wird, z. B. mit Hilfe einer nichtperforierten Hülle, die über das Siebmaterial passt. Die entlang der Pulverlinie, die gelegt wird, ausgegebene Menge kann auch durch Variieren der Geschwindigkeit, mit der der Spenderkopf querbewegt wird, angepasst oder profiliert werden. Wenn z. B. festgestellt wird, dass es wünschenswert ist, am Anfang und am Ende der Line mehr Pulver abzulegen, kann das dadurch erreicht werden, dass der Spenderkopf in diesen Bereichen langsamer bewegt wird.
Eine alternative Anordnung ist, eine Siebtrommel bereitzustellen, die so lang ist wie die Breite des Druckbereichs, und sie mit Rotation über den Druckbereich zu bewegen, um eine weitgehend einheitliche Schicht zu legen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 15 dargestellt. Eine längliche Siebtrommel, allgemein durch Bezugszeichen 171 bezeichnet, ist auf einem Schlitten (nicht abgebildet) montiert, mit dem die Trommel über den Druckbereich bewegt und rotiert werden kann, d. h. über die Oberseite eines Kolben- und Zylindermechanismus 173, der zum Beispiel von dem mit Bezug auf Fig. 10 ausführlicher beschriebenen Typ sein kann.
Allgemein wurde festgestellt, dass größere Partikel, beispielsweise mit einer Größe von ungefähr 20 Mikrometern oder mehr, vorzugsweise in trockenem Zustand abgelagert werden, während kleinere Partikel, beispielsweise mit einer Größe von ungefähr 5 Mikrometern oder kleiner, entweder in trockenem Zustand oder in nassem Zustand in einem flüssigen Trägerstoff abgelagert werden können.
Kolloidale Dispersionen von Partikeln können in einem flüssigen Trägerstoff durch Zugabe von chemischen Dispersionsmitteln erhalten werden. Die bei einer Nasspulverdispersionstechnik verwendete Flüssigkeit wird entfernt bzw. teilweise entfernt, bevor die nächste Schicht abgelagert wird. Dadurch wird das rasche Verdampfen dieser Flüssigkeit, bevor das Bedrucken mit Tintenstrahlbinder ausgeführt wird, veranlasst. Diese Verdampfung kann beispielsweise unter Verwendung von Infraroterwärmungs-, Warmlufterwärmungs- oder Mikrowellenerwärmungstechniken erreicht werden.
Die Tintenstrahlbedruckung mit dem Bindermaterial sollte unter Verwendung von Tröpfchen von Materialien erfolgen, deren Schrumpfungseigenschaften so ausgewählt sind, dass die Maßtoleranzen des Teiles, das hergestellt wird, beim Aushärten desselben beibehalten werden. Während die Binderlösung einen relativ hohen Bindergehalt haben muss, sollte deren Viskosität niedrig genug sein, dass sie durch den Druckkopf zur Ablagerung in dem Pulvermaterial fließen kann. Das Bindermaterial sollte so gewählt sein, dass es in die Schicht eindringt und seine Bindungswirkung relativ rasch in jeder Schicht ausübt, so dass die nächste Pulverpartikelschicht anschließend auf diese aufgetragen werden kann. Bei Verwendung einer bestimmten Tintenstrahltechnologie kann es erforderlich sein, dass das Bindermaterial wenigstens eine minimale elektrische Leitfähigkeit aufweist, insbesondere bei Verwendung von beispielsweise gegenwärtig erhältlichen Druckköpfen mit kontinuierlichem Strahl, für die eine ausreichende Leitfähigkeit erforderlich ist, um eine Ladung auf den Binderlösungströpfchen zu bilden, während sie aus dem Kopf ausgestoßen werden. Wenn keine Leitfähigkeit in dem Binder erzeugt werden kann, wie beispielsweise bei bestimmten organischen Lösungsmitteln, kann der Binder unter Verwendung von Druckköpfen mit bedarfsgesteuerter Tröpfchenabgabe aufgetragen werden.
Das Bindermaterial kann so gewählt sein, dass die gebundenen Partikel eine hohe Bindungsfestigkeit haben, wenn jede Schicht abgelagert wird, so dass dann, wenn alle Schichten verbunden wurden, das dadurch gebildete Bauteil ohne weitere Bearbeitung verwendungsfertig ist. In anderen Fällen kann es erstrebenswert oder erforderlich sein, eine weitere Bearbeitung des Teiles durchzuführen. Wahrend beispielsweise das Verfahren dem geformten Bauteil eine ausreichende Festigkeit verleihen kann, kann das einmal gebildete Teil weiter erwärmt oder gehärtet werden, um die Bindungsfestigkeit der Partikel weiter zu verbessern. Der Binder kann in einigen Fällen während eines derartigen Erwärmungs- oder Brennvorganges entfernt werden, während er bei anderen nach dem Brennen in dem Material verbleiben kann. Welcher Arbeitsablauf vorliegt, ist von dem jeweiligen Bindermaterial, das zur Verwendung ausgewählt wurde, abhängig, sowie von den Bedingungen, z. B. der Temperatur, unter welchen der Erwärmungs- oder Brennvorgang ausgeführt wird. Weitere Nachbearbeitungsvorgänge können ebenfalls der Bildung des Teiles folgend ausgeführt werden. Die Geschwindigkeit, mit der ein keramisches, metallisches, aus Kunststoff oder Verbundmaterial bestehendes Bauteil hergestellt werden kann, ist von den Geschwindigkeiten abhängig, die zur Ablagerung des Pulvers und zur Zufuhr der Binderflüssigkeit verwendet werden, sowie von der Geschwindigkeit, mit welcher jede verbundene Schicht härtet, wenn die Schichten übereinander abgelagert werden.
Wenn eine trockene Pulverdispersion verwendet wird, ist der Schritt des Pulverauftragens als begrenzender Faktor bei der Bestimmung der gesamten Druckgeschwindigkeit weniger bedeutsam. Wenn eine Pulverdispersion in einem flüssigen Träger verwendet wird, muss die Schicht jedoch zumindest teilweise trocken sein, bevor das Bindermaterial durch Tintenstrahl aufgetragen wird. Die Trocknungszeit ist von der spezifischen Art des verwendeten Pulvers, Binders und Lösungsmittels abhängig.
Die Abmessungen der einzelnen Abschnitte des in Herstellung befindlichen Bauteiles, gelegentlich als die "Merkmals"-Größe desselben bezeichnet, sind hauptsächlich von der Größe der verwendeten Bindertröpfchen abhängig, während die Toleranz bei diesen Abmessungen hauptsächlich von dem Ausmaß der Reproduzierbarkeit der Tröpfchenverteilungseigenschaften des verwendeten Bindermaterials abhängig ist.
Das Tintenstrahldrucken eines flüssigen Binders unter Verwendung von gegenwärtig bekannten Tintenstrahlvorrichtungen kann Strahltröpfchengrößen bis hinab zu einer Größenordnung von beispielsweise 15 Mikrometern erzeugen. Es ist möglich, dass sogar kleinere Tröpfchengrößen praktisch ausführbar sind, da die Untergrenze der Tröpfchengröße aus Oberflächenenergiebetrachtungen bei der Schaffung von neuen Oberflächenbereichen und aus der gesteigerten Wahrscheinlichkeit des Verstopfens von kleinen Strahldüsen entsteht.
Die gesamte Toleranz des Teiles ist nicht nur von der Tropfenverteilung, sondern ebenso auch von der Materialschrumpfung und der Reproduzierbarkeit von Schrumpfungseigenschaften abhängig. Wenn z. B. die Binder/Pulverkombination um 1% schrumpft und die Schrumpfung auf einen Wert innerhalb von 5% ihres Nennwertes von 1% reproduzierbar ist, kann eine durch Schrumpfung bedingte Gesamtvariation annähernd 0,0005 Zoll/Zoll betragen. Die tatsächliche Schrumpfung, die während der Aushärtung des Binders oder dessen Ablagerung auftritt, ist eine relativ starke Funktion der Partikelneuanordnung. Die Maßtoleranz und Partikelpackung kann empirisch bestimmt werden, um in jedem Fall die besten Resultate zu erhalten.
Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Zirkon (d. h. Zirkonsilikat) und Siliziumcarbid sind beispielhafte Keramikmaterialien, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Techniken gebunden werden können. Sowohl natürliche als auch synthetische Dispergierungsmittel sind für diese Materialien in organischen Trägerstoffen verfügbar. Beispielsweise wird Aluminiumoxid sehr effizient von oberflächenaktiven Glyceriden in Toluol/MEK- Lösungsmitteln dispergiert, wie es zum Gießen von dünnen Platten aus Partikeln in der Herstellung von dielektrischen Substraten in der elektronischen Packungsindustrie verwendet wird. Siliziumcarbid kann beispielsweise ohne weiteres in Hexan dispergiert werden, wenn geringe Mengen von OLOA 1200 (wie beispielsweise von Chevron Chemical Co., Oronite Additives Div:, San Francisco, Kalifornien, erhältlich) anwesend sind. OLOA wird hauptsächlich als ein Additiv in Motvröl verwendet, wo es als ein Dispergierungsmittel für durch den Motorverschleiß erzeugte Metallpartikel dient. Organische Binder sind seit langem in der Keramikindustrie in Verwendung und sind typischerweise polymere Harze, die aus einer Vielzahl von Quellen erhalten werden. Sie können entweder wasserlöslich sein, wie z. B. Zellulosebinder, wie sie in der Extrusionstechnik verwendet werden, oder sie können nur in flüchtigen organischen Lösungsmitteln lösbar sein, wie z. B. Butyralharze, wie sie in der Bandgießtechnik verwendet werden. Die letzteren wasserlöslichen Systeme können relativ rasch entfernt werden und scheinen für die erfindungsgemäße Technik besonders nützlich. Ein weiterer Typ von organischem Binder wäre ein keramisches Vorläufermaterial, wie z. B. Polycarbosilazan. Anorganische Binder sind in den Fällen nützlich, in welchen der Binder in das fertige Bauteil inkorporiert werden soll. Derartige Binder basieren allgemein auf Silikat und werden typischerweise durch die Polymerisation von Kieselsäure oder deren Salzen in wässeriger Lösung gebildet. Ein weiterer beispielhafter anorganischer Binder, der verwendet werden kann, ist TEOS (Tetraethylorthosilikat). Während der Trocknung verklumpt sich das kolloidale Siliziumoxid an den Hälsen der Matrixpartikel und bildet so eine zementartige Verbindung. Während des Brennens fließt das Siliziumoxid und wirkt so, dass die Matrixpartikel durch die Wirkung von Oberflächenspannungskräften neu angeordnet werden, und verbleibt nach dem Brennen so. Lösliche Silikatmaterialien wurden beispielsweise als Binder in gießbaren Feuerfestmaterialien verwendet und haben den Vorteil, dass sie bei Verwendung in der erfindungsgemäßen Technik im Wesentlichen denselben Typ eines geformten Feuerfestkörpers erzeugen, der in der Gussindustrie verwendet wird.
In einigen Anwendungsgebieten Wann es bevorzugt werden, dass der Binder relativ rasch nach der Ablagerung aushärtet, so dass die nächste Partikelschicht, die auf der Oberfläche der vorangehenden Schicht angeordnet wird, nicht der Änderung der Partikelanordnung aufgrund von Kapillarkräften unterworfen ist. Darüberhinaus unterliegt ein gehärteter Binder nicht der Verschmutzung durch Lösungsmittel, die bei der Pulverablagerung eventuell verwendet werden. In anderen Fällen ist es nicht erforderlich, dass der Binder zwischen den Schichten vollständig ausgehärtet ist, und eine nachfolgende Pulverpartikelschicht kann auf eine vorangehende Schicht abgelagert werden, die noch nicht vollständig ausgehärtet ist. Wenn die Härtung zum Zeitpunkt der Ablagerung des Binders auftritt, würde eine thermische Härtung, d. h. die Verdampfung der Binderträgerflüssigkeit, zu diesem Zweck allgemein erfordern, dass das in Herstellung befindliche Bauteil erwärmt wird, wenn das Drucken des Bindermaterials durchgeführt wird, während der Druckkopf selbst gekühlt wird, so dass das nicht aufgedruckte Bindermaterial im Vorratsbehälter des Tintenstrahlkopfes seine erwünschten Eigenschaften behält. Eine derartige Härtung kann erzielt werden, indem das Bindermaterial indirekt erwärmt wird, wie etwa durch Erwärmen der gesamten Vorrichtung, in welcher das Teil geformt wird, beispielsweise unter Verwendung einer geeigneten externen Wärmequelle, oder durch Erwärmen des Bindermaterials direkt, wie etwa durch Aufblasen von Warmluft auf das Bindermaterial oder durch Aufstrahlen von Infrarotenergie oder Mikrowellenenergie auf dieses. Alternativ könnten eine Vielzahl von thermisch aktivierten chemischen Reaktionen ebenfalls zum Härten des Binders verwendet werden. Beispielsweise kann das Auftreten der Gelierung von Alkalisilikatlösungen durch eine Veränderung des pH veranlasst werden, die mit der Zersetzung von organischen Reagentien einhergeht. Somit könnte eine Mischung von Alkalisilikat und Formamid auf ein heißes in Herstellung befindliches Bauteil gedruckt werden. Der rasche Temperaturanstieg würde die Formamid-Zersetzungsrate rasch steigern und daher rasch den pH des Binders verändern. Weitere thermisch oder chemisch ausgelöste Techniken zur Härtung des Binders bei Auftragen desselben könnten vom Fachmann ausgearbeitet werden. Beispielsweise kann bei der Herstellung von Feuerfestkeramikkörpern zur Verwendung als Metallgussformen ein Keramikpulver verteilt und durch Drucken von kolloidalem Siliciumdioxid, wie z. B. Nyacol 830 von der Nyacol Corp., Ashland, MA, gebunden werden. Dieses Material ist eine alkalische Formulierung von kolloidalem Siliciumdioxid und kann durch Senken seines pH-Wertes durch Kontakt mit einer Säure zum Flocken und Gelieren gebracht werden. Eine saure Komponente kann dem Pulver zugesetzt werden, so dass das kolloidale Siliciumdioxid, wenn es gedruckt wird und auf das Pulver auftrifft, geliert. Beispielsweise kann Zitronensäure granuliert und zu einem Aluminiumoxidpulverbett hinzugefügt werden, um die Gelierung zu fördern. Eine solche Gelierung tritt beim Drucken des kolloidalen Siliciumdioxids rasch auf. Eine solche rasche Gelierung lässt die schnelle Verteilung der nachfolgenden Schicht zu und dient auch zum schnellen Fixieren des Binders an Ort und Stelle, wodurch ein mögliches Ausbluten des Binders im Pulverbett verhindert wird.
Ein solches Ausbluten könnte zu einem Verlust der Definition der Teileoberfläche und der Teileabmessungen führen. Als Alternative zur Integrierung in das verteilfertige Pulver könnte das Gelierung verursachende Material, z. B. Säure, auf die Pulverschicht gesprüht werden, bevor sie gedruckt wird.
Während flüssige und kolloidale Bindermaterialien vorstehend erörtert wurden, kann in einigen Anwendungsgebieten Bindermaterial in Form von Binderpar-tikeln, die in einer Flüssigkeit mitgerissen werden, aufgetragen werden. Derartige Bindermaterialien können über speziell konstruierte Verbundtintenstrahlstrukturen zugeführt werden, die in der Lage sind, derartige mitgerissene Bindermaterialien abzugeben. Ein Beispiel für eine derartige Verbundstruktur ist beispielsweise in dem Artikel "Ink-Jet Printing", J. Heinzle und C. H. Hertz, Advances in Electronics and Electron Physics, Band 65, beschrieben. Wegen dem Potenzial einer hohen Packungsdichte, einer verbesserten Oberflächenbeschaffenheit und Mikrodesignstrukturen ist direktes Drucken von Materialien mit hohem Feststoffanteil besonders attraktiv. Beispielsweise wurden unter Verwendung von halbkontinuierlicher Zentrifugalsichtung Partikel der Größe 0,5 bis 0,8 um aus einer Aluminiumoxidsuspension (Reynolds RC-DBM 172) ausgewählt. Der pH- Wert der dadurch erhaltenen Aufschlämmung wurde durch Hinzufügen von Salpetersäure auf 3,6 gehalten, um die Aluminiumoxidpartikel in Suspension mit 20 Volumenprozent dispergiert zu halten. Diese Aufschlämmung wurde dann durch eine 60-mm-Keramikdüse mit einem Durchfluss von 1,5 cm³/min auf Aluminiumoxidpulverschichten gedruckt.
Darüberhinaus kann bei einigen Anwendungen bei der Herstellung eines Teiles das verwendete Bindermaterial nicht ein einzelnes Bindermaterial sein, sondern verschiedene Bindermaterialien können für verschiedene Bereiche des in Herstellung befindlichen Teiles verwendet werden, wobei die verschiedenen Materialien durch getrennte Binderauftragköpfe zugeführt werden. Ein Doppelkopfsystem ist in. Fig. 2 gezeigt, bei dem ein zweiter Kopf 43A unter (B) mit Phantomlinien dargestellt ist.
Viele mögliche Kombinationen von Pulver- und Bindermaterialien können gemäß der Erfindung gewählt werden. Beispielsweise können keramische Pulver oder keramische Fasern entweder mit anorganischen oder organischen Bindermaterialien oder mit einem metallischen Bindermaterial verwendet werden, ein Metallpulver kann mit einem metallischen Binder oder einem keramischen Binder verwendet werden und ein Kunststoffpulver kann mit einem Lösungsmittelbinder oder einem Kunststoffbinder, z. B. einem Epoxykunststoffmaterial niedriger Viskosität verwendet werden. Andere geeignete Kombinationen von Pulver und Bindermaterialien sind dem Fachmann für verschiedene Anwendungen bekannt.
Die Verwendung von kugeligem Pulver bietet besondere Vorteile für den 3D-Druck. Kugelige Pulver erzeugen bekannterweise Pulverzusammensetzungen niedriger Kohäsionsfestigkeit oder Pulver mit kleiner innerer Reibung. Ein solches Pulver erhält dadurch ein ungewöhnlich gutes Fließverhalten. Facettierte oder anisotrope Pulver neigen viel mehr zum Zusammenhaften, und es ist deshalb viel schwieriger, sie in dünnen Schichten zu verteilen. Die von solchen Pulvern aufgewiesene größere innere Reibung ist mit viel häufigerem Kontakt zwischen Partikeln gegenüber dem in kugeligen Pulvern angetroffenen verbunden. Verbesserte Fließfähigkeit hilft auch beim Zumessen konstanter Pulvervolumen zum Verteilermechanismus in der 3D-Druckmaschine. Hoch fließfähiges Pulver wird in Ausgabesystemen meist nicht klumpig. Diese Klumpen sind meistens mit Brücken verbunden, die sich über Verengungen im Fluss bilden. Kugelige Pulver weisen oft ein "Massenfluss"- Verhalten durch solche Verengungen hindurch auf, wo das Pulver weitgehend wie eine Flüssigkeit fließt und keine großen Mengen hat, die im Verhältnis zum Fluss stagnieren. Während kugelige Pulver für die 3D-Druckpraxis nicht notwendig sind, bieten sie doch eindeutig gewisse Verarbeitungsvorteile gegenüber gewöhnlich verwendeten Pulvern für Formvorgänge wie Trockenpressen. Eine Methode zum Bereitstellen von kugeligen Partikeln, die hoch fließfähig sind, ist die Verwendung der Sprühtrocknungstechniken, die kugelige Agglomerate zur Folge haben, die aus von einem Bindemittel zusammengehaltenen kleinen Pulverpartikeln bestehen. Bei bestimmten Materialien, besonders denen, die hoch fließfähig sind, wie z. B. Pulver, die im Wesentlichen kugelige Partikel umfassen, kann es erwünscht sein, jede nachfolgende verteilte Schicht vor ihrem Drucken etwas zu verstärken. Mit dieser Verstärkung kann die Pulverschicht der Bildung von Vertiefungen und Spritzern des Pulvers, die durch das ballistische Aufprallen von Bindertröpfchen verursacht werden, widerstehen. Außerdem trägt sie zur Vermeidung der Bildung von Hohlräumen bei, die verursacht werden können, wenn die Kapillarspannung des flüssigen Binders, der in die Pulverschicht gezogen wird, größer ist als die Kohäsionsfestigkeit der Pulverschicht.
Geeignete Verstärkung kann z. B. durch Verbinden der Partikel in der verteilten Schicht durch den Einsatz eines Mechanismus erreicht werden, der schwächer oder weniger permanent als der Bindemechanismus ist, der vom Druckprozess selbst ausgeführt wird. Ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Verbindung besteht in der Anwendung von Energie zum Formen einer Bindung zwischen aneinander grenzenden Partikeln in der Schicht.
Beispielsweise kann, wenn die Pulverschicht einen Verbundwerkstoff aus Aluminiumoxid und Wachs beinhaltet, Kurzerhitzen zum Schmelzen des Wachses in der obersten Schicht angewendet werden, um eine poröse Matrix zu bilden. Drucken mit einem Binder aus kolloidalem Siliciumdioxid definiert das Teil, wie in den vorhergehenden Beispielen, und Brennen nach dem Drucken entfernt das Wachs durch Verdampfung oder thermische Zersetzung, so dass die überschüssigen Materialfeststoffe leicht entfernt werden können. Das gedruckte Teil bleibt jedoch aufgrund des Vorhandenseins von Siliciumdioxid in ausgewählten Bereichen zurück. Kohäsion der zu druckenden Schicht kann auch durch leichtes Benetzen erreicht werden. Kleine Flüssigkeitsmengen benetzen die Partikeloberflächen und die Flüssigkeit verteilt sich vorzugsweise zu den nächsten Berührungspunkten zwischen den Partikeln. Die durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit erzeugte Kapillarspannung erhöht die zum Trennen der Partikel erforderliche Beanspruchung. Die Kohäsionsfestigkeit der Schicht wird also durch die Zugabe nur kleiner Mengen Flüssigkeit, z. B. Mengen, welche die grundsätzliche Porosität der Schicht nicht zerstören, beträchtlich erhöht. Beispielsweise kann eine Schicht hoch fließfähiger kugeliger Metallpartikel durch einfaches Bedunsten mit Wassernebel merklich gefestigt werden. Der Druck kann dann mit Latex durchgeführt werden. Nach dem Entfernen der ungedruckten Bereiche kann das Teil durch Wärme gesintert werden.
Flüchtige Flüssigkeiten sind beim Verbinden oder Verstärken einer Pulverschicht vorteilhaft, da sie die Ansammlung von Flüssigkeit in den Pulverbetten verringern. Es kann ein Gemisch von Substanzen verwendet werden, um die angemessene Verteilung ohne Füllen der Zwischenräume zu gewährleisten. Beispielsweise kann Methanol mit einer kleinen Zugabe Oktanol auf das Pulverbett gesprüht werden. Das Methanol verdunstet rasch, wobei es das Oktanol in einer dünnen Schicht auf dem Bett verteilt zurücklässt. Somit bleibt nur eine kleine Flüssigkeitsmenge im Bett zurück, wenn die nächste Pulverschicht verteilt wird.
Andere Arten von Verbindungsmitteln oder Fixiermaterialien können ebenfalls vor dem Druck auf die Pulveroberfläche gesprüht werden. Es können entweder organische oder anorganische Fixiermittel verwendet werden. Beispielsweise kann eine kleine Menge Salz, in Wasser aufgelöst, nach dem Verdunsten des Wassers ein sehr effektives Fixiermittel sein. Desgleichen könnten kleine Mengen Polyvinylalkohol (PVA) in Wasser aufgelöst werden. Beim anschließenden Brennen des Pulverbetts wird das Fixiermittel weggebrannt, aber ein anorganischer Binder zurückgelassen, der zum Drucken und Definieren des Teils benutzt wird. Materialien, die einen Phasenübergang aufweisen, können anstelle von Lösungsmittel-Entfernungssystemen ebenfalls eingesetzt werden. Beispielsweise könnte eine warme Flüssigkeit eingesetzt werden, die bei Kontakt mit dem Pulverbett erstarrt. Ein Beispiel für eine derartige Flüssigkeit ist 2-Methylpropan-2-OL, das in Raumtemperaturnähe schmilzt. Eine Alternative ist das Sprühen von zwei Flüssigkeiten, die sich bei Kontakt vernetzten oder gelieren. Ein derartiges Gemisch ist Cyanoacrylmonomere und Wasser, das bei Kontakt rasch polymerisiert. Eine weitere Alternative ist das Integrieren eines Fixiermittels in die verteilte Pulverschicht, das nach dem Verteilen aktiviert wird. Beispielsweise kann ein organisches Fixiermittel in die Pulverschicht gegeben werden und kann dann durch Sprühen eines Lösungsmittels auf die Schicht nach dem Verteilen aktiviert werden. Das aufgelöste Fixiermaterial verbindet die Pulverpartikel miteinander, wenn es trocknet, während es ebenfalls eine poröse Matrix zurücklässt, die gemäß der vorliegenden Erfindung gedruckt werden kann. Ein Beispiel eines sekundären Binders oder Verbindungsmaterials ist ein wasserlösliches Polymer, das nach dem Verteilen der Schicht durch einen Wassernebel aufgelöst werden kann. Außer dem Durchführen der Verbindungs- oder lose bindenden Funktion kann das auf das lose Pulver aufgetragene Material auch eine aktive chemische Funktion liefern, d. h. es kann eine Säure zum Auslösen der Gelierung des während der Druckfunktion hinzugefügten Materials beinhalten.
Eine Alternative zu dem Verstärken der verteilten Schicht fließfähigen Pulvers ist, vorgeformte Schichten oder Bahnen poröser Partikelmaterialien aufzubringen, die dann gedruckt werden, um die permanente Bindung der Partikel, sowohl in jeder Schicht als auch zwischen Schichten, zu bewirken. Wie bereits angedeutet, ist das Gießen von Bändern oder Bögen keramischer Partikel unter Verwendung eines organischen Binders bekannt. Derartige Methoden werden beispielsweise konventionell in der Herstellung elektrischer Kondensatoren verwendet. Der organische Binder wirkt als ein vorübergehendes Verbindungs- oder Fixiermaterial, das dem Bogen oder Band ausreichend Integrität verleiht, um gehandhabt zu werden, dann aber durch Brennen, Verdampfung oder chemische Mittel entfernt wird. Solche Bögen oder Bänder können als sehr dünne poröse Schichten geformt sein. Entsprechend kann durch aufeinander folgendes Ablegen solcher Bögen auf dem Druckbereich und dann anschließendes Drucken jedes Bogens, um die Partikel innerhalb jedes Bogens und mit den darunter liegenden Bögen permanenter zu verbinden, ein komplexes Teil auf eine Weise aufgebaut werden, die im Wesentlichen analog zu den vorhergehenden Ausführungsformen ist. Ein weiterer Vorteil von Fertigbahnen oder -bögen ist, dass sie unter Verwendung sehr feiner Partikel hergestellt werden können, die ansonsten schwierig zu handhaben sind.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung liegen für den Fachmann weitere Abänderungen oder Modifikationen der vorstehend aufgezeigten Techniken nahe. Beispielsweise kann der Binder, anstatt in nassem Zustand aufgetragen zu werden, in trockenem Zustand aufgetragen werden und zwar unter Verwendung von Materialien, die einen niedrigen Schmelzpunkt haben, so dass nach dem Auftragen und Erwärmen das geschmolzene Material in die Pulverpartikel eindringt und diese nach dem Aushärten zusammenbindet. Ferner können zwei oder mehr verschiedene Typen von Pulverpartikeln mittels zwei oder mehr getrennten Pulververteilköpfen aufgetragen werden, um so die verschiedenen Pulver in verschiedenen Bereichen des in Herstellung befindlichen Teils aufzutragen. Das Pulver in diesen Bereichen kann anschließend unter Verwendung derselben oder verschiedener Bindermaterialien gebunden werden, so dass verschiedene physikalische Eigenschaften in diesen verschiedenen Bereichen erzielt werden können. Weitere Modifikationen oder Erweiterungen der Erfindung liegen für den Fachmann innerhalb des Rahmens derselben nahe. Somit ist die Erfindung nicht als auf die vorstehend beschriebenen bestimmten Ausführungsformen eingeschränkt auszulegen, ausgenommen die Definition gemäß den beigefügten Ansprüchen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, das die folgenden Schritte umfasst:

(1) Aufbringen einer vorausgewählten Menge eines Pulvermaterials (74) in einem begrenzten Bereich (14, 42, 72, 112), wobei das Pulvermaterial verstärkt ist, um beim Auftragen des Bindemittelmaterials auf es die Bildung von Vertiefungen und Spritzern zu verhindern,

(2) Auftragen eines Bindemittelmaterials auf ausgewählte Bereiche (16, 44) der genannten Pulvermaterialschicht, wodurch bewirkt wird, dass die genannte Pulvermaterialschicht an den genannten ausgewählten Bereichen gebunden wird,

(3) Wiederholen der Schritte 1 und 2 eine ausgewählte Anzahl von Malen, um eine ausgewählte Anzahl von aufeinander folgenden Schichten zu produzieren, wobei das genannte Bindemittelmaterial bewirkt, dass die genannten aufeinander folgenden Schichten aneinander gebunden werden,

(4) Entfernen von nicht gebundenem (17) Pulvermaterial, das sich nicht an einer oder mehreren ausgewählten Regionen (16, 44) befindet, um das Bauteil (40, 141) bereitzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Aufbringung einer Pulvermaterialmenge das Ausbreiten des genannten Pulvermaterials durch eine längliche Walze (101, 114), die quer über den genannten Bereich bewegt wird, beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die genannte Walze (101, 114) in Rotation in einer Richtung angetrieben wird, die der Querbewegungsrichtung entgegengesetzt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die genannte Walze (101, 114) vibriert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die genannte vibration eine Komponente aufweist, die senkrecht zur genannten Schicht ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Vibration eine Komponente aufweist, die längs zur genannten Walze (101, 114) ist, und eine Komponente, die senkrecht zur genannten Schicht ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Aufbringens einer Pulvermaterialmenge das Verteilen des genannten Pulvermaterials mit einer Rakel (75) beinhaltet.

8. Verfahren von Anspruch 1, das ferner den Schritt des Auftragens des genannten Bindemittelmaterials auf einen voraugewählten Randbereich der genannten Schicht und auf ausgewählte Innenbereiche der genannten Pulvermaterialschicht beinhaltet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die genannte Pulverschicht anfänglich in einer Öffnung in einer Platte (145) eingegrenzt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zuvor gedruckte Schichten durch den gebundenen Randbereich begrenzt sind.

11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem zuvor gedruckte Schichten abgesenkt werden, bevor nachfolgende Schichten gedruckt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zuvor gedruckte Schichten unbeweglich gehalten werden und nachfolgende Schichten auf jeweils höheren Ebenen gebildet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der genannte Schritt des Aufbringens einer Pulvermaterialmenge das Bereitstellen des genannten Pulvers in der Form einer poröses Material umfassenden vorgeformten Bahn beinhaltet, die von einem ersten Material vorübergehend zusammengehalten wird, und der genannte Schritt des Entfernens das Entfernen des genannten porösen Materials und des genannten ersten Materials, die sich nicht an den genannten einen oder mehreren ausgewählten Bereichen befinden, beinhaltet, um das genannte Bauteil bereitzustellen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die genannte vorgeformte Bahn keramische Teilchen beinhaltet, die von einem organischen Bindemittelmaterial zusammengehalten werden.

15. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der genannte Schritt des Aufbringens einer Pulvermaterialmenge den Schritt des Auftragens eines Verbindungsmaterials auf das genannte Pulver vor dem Auftragen des genannten Bindemittelmaterials beinhaltet.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das genannte Verbindungsmaterial eine Flüssigkeit ist, die die Teilchen des genannten Pulvermaterials durch Oberflächenspannung verbindet, ohne die Porosität der genannten Schicht zu beseitigen, und die nachfolgend entfernt werden kann, um die Fließfähigkeit des Pulvermaterials in den ungebundenen Bereichen von jeder der genannten Schichten wiederherzustellen.

17. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das genannte Pulvermaterial im Wesentlichen kugelförmige Metallteilchen beinhaltet.

18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das genannte Verbindungsmaterial als feiner Sprühnebel oder Nebel aufgetragen wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das genannte Verbindungsmaterial Wasser ist.

20. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das genannte Bindemittelmaterial härtbares organisches Materialist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, das ferner den Schritt des Sinterns des genannten Pulvermaterials und des Wegbrennens des genannten organischen Materials während des Sinterns beinhaltet.

22. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das genannte Bindemittelmaterial Latex ist.

23. Verfahren nach Anspruch 1 oder 15, bei dem das genannte Pulvermaterial im Wesentlichen kugelförmige Teilchen umfasst.

24. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das genannte Pulvermaterial das Produkt eines Sprühtrocknungsprozesses ist, der die Fließfähigkeit steigert.

25. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die genannte Schicht von einer Walze (101, 114) verdichtet wird.

26. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Teilchen des genannten Pulvermaterials mit einem Klebstoff beschichtet sind, der durch das genannte Verbindungsmaterial aktiviert wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der genannte Klebstoff ein Polymer ist, das durch das Auftragen eines Nebels aktiviert wird und durch Waschen aufgelöst werden kann, um das Pulvermaterial in den genannten ungebundenen Bereichen in Schritt (4) von Anspruch 1 zu entfernen.

28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem der genannte Nebel Wasser ist.

29. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das genannte Verbindungsmaterial ein Gemisch aus einer hochflüchtigen Flüssigkeit und einer weniger flüchtigen Flüssigkeit ist.

30. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das genannte Verbindungsmaterial ein Gemisch aus Methanol und Oktanol ist.

31. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der genannte Schritt des Bereitstellens einer Pulvermaterialmenge die folgenden Schritte beinhaltet:

Dazunehmen eines ersten Materials, das aktiviert die Teilchen des Pulvermaterials vorübergehend verbindet, um die Fließfähigkeit vorübergehend zu verringern, zu dem genannten Pulver und vor dem genannten Schritt des Auftragens des genannten Bindemittelmaterials den Schritt des Aktivierens des genannten ersten Materials, wobei der genannte Wiederholungsschritt den Schritt der Wiederholung der genannten Schritte Aufbringen von Pulver, Aktivieren des genannten ersten Materials und Auftragen des genannten Bindemittelmaterials beinhaltet.

32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei der genannte Aktivierungsschritt das Anwenden von Wärme beinhaltet.

33. Verfahren nach Anspruch 31, wobei der genannte Aktivierungsschritt das Auftragen eines Flüssigkeitsnebels beinhaltet.

34. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt des Dazunehmens eines Materials beinhaltet, das die Gelierung vorausgewählter kolloidaler Suspensionen beinhaltet, wobei der genannte Schritt des Auftragens eines Bindemittelmaterials den Schritt des Auftragens einer vorausgewählten kolloidalen Suspension auf ausgewählte Bereiche der genannten Pulvermaterialschicht beinhaltet, um dadurch zu bewirken, dass die genannte Pulvermaterialschicht an den genannten ausgewählten Bereichen gebunden wird.

35. Verfahren nach Anspruch 34, bei dem die genannte kolloidale Suspension ein alkalisches Präparat aus kolloidalem Siliciumdioxid ist und das genannte, Gelierung verursachende Material eine Säure ist.

36. Verfahren nach Anspruch 35, bei dem die genannte Säure granulierte Zitronensäure ist.

37. Verfahren nach Anspruch 35, bei dem das genannte Bauteil ferner durch Erhitzen behandelt wird.

38. Verfahren nach Anspruch 35, das ferner den Schritt des Sinterns des genannten Bauteils beinhaltet.

39. Verfahren nach Anspruch 1, das nach dem Schritt des Bereitstellens des Pulvermaterials und vor dem Schritt des Auftragens eines weiteren Materials ferner den Schritt des Verdichtens des genannten Pulvermaterials zum Bilden einer Schicht reduzierter Dicke beinhaltet, wobei der genannte Schritt des Wiederholens von Schritten den Schritt des Wiederholens der folgenden Schritte beinhaltet: Aufbringen von Pulver, Verdichten des genannten Pulvers und Auftragen eines weiteren Materials.

40. Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die genannte Schicht durch das Anwenden von Druck verdichtet wird.

41. Verfahren nach Anspruch 40, bei dem der genannte Druck von einer Walze (114) ausgeübt wird, die über den genannten Bereich geführt wird.

42. Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die genannte Schicht durch Oberflächenspannung verdichtet wird.

43. Verfahren nach Anspruch 42, bei dem die genannte Oberflächenspannung durch das Auftragen einer Flüssigkeit auf die genannte Pulverschicht produziert wird.