EP4519037A1 - Additives fertigungsverfahren mit modifizierung von teilschichten - Google Patents

Additives fertigungsverfahren mit modifizierung von teilschichten

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EP4519037A1
EP4519037A1 EP23722521.4A EP23722521A EP4519037A1 EP 4519037 A1 EP4519037 A1 EP 4519037A1 EP 23722521 A EP23722521 A EP 23722521A EP 4519037 A1 EP4519037 A1 EP 4519037A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
material layer
additive manufacturing
partial
structured
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23722521.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik REICHARTZEDER
Thomas Lenzen
Johann Pichler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C04B2235/6026—Computer aided shaping, e.g. rapid prototyping

Definitions

  • the present application relates to an additive manufacturing process during which partial layers in components are modified.
  • Additive manufacturing enables the structured construction of components, even with unusual shapes, without loss of material due to subsequent processing.
  • the component is shaped during its manufacture.
  • components with certain components are limited or difficult, if not impossible, to produce additively.
  • electronic or catalytically active components are still mounted separately in or on the device and cannot be printed during the additive manufacturing process.
  • An exemplary method for applying and modifying electrically conductive components, in particular on 2D substrates is the application of a substrate material and its subsequent modification using a laser-induced graphene process, which is disclosed, for example, in the publications US 2020/0 112 026 A1, US 2020 / 0 348 121 Al, CN 111 879 341 A or WO 2018 085 789 Al is known.
  • the electrical conductivity of the modified LIG material can be increased in post-treatment steps as shown in the publications CN 109 440 145 A, US 2018/0 199 441 A1 and WO 2020 197 606 A2.
  • Al also disclose high-temperature-resistant materials from the prior art.
  • the CN 114322741 A shows an example of a manufacturing process for a ceramic film sensor.
  • a metal component is provided as a substrate and a precursor layer for a ceramic insulating film is applied, for example by screen printing.
  • the method does not enable the structuring of a partial layer in a font that has already been printed.
  • DE 102019101268 A1 discloses a method for producing and modifying objects containing silicon carbide.
  • WO 2017/176251 A1 shows a printing process in which a photosensitive additive is distributed on a section of a previously applied polymer layer using a liquid ink as a vehicle.
  • US 2018/0129002 A1 discloses various possible post-treatment steps for surface treatment of additively manufactured electrical components.
  • US 9,827,713 Bl shows a robot arm that dips a substrate into different resins at several stations in order to form the different layers of a component.
  • the present invention relates to an additive manufacturing process that includes several steps.
  • a layer of material is applied additively.
  • the layer can be applied, for example, to a building board intended for this purpose or to a previously additively applied layer.
  • the layer can comprise any material suitable for additive manufacturing or 3D printing is suitable.
  • At least part of the previously applied material layer is modified in a property so that a partial layer is structured in the material layer.
  • a portion of the material layer can be referred to here as a partial layer.
  • the partial layer differs from the remaining material layer, outside of the modified part of the layer, at least in one property of the material. In one embodiment, the entire material layer is modified.
  • a chemical, a physical, a morphological and/or a structural property of the material layer can be changed, among other things.
  • the electrical conductivity, the porosity or the grain size of the material layer is changed or an organic material is carbonized into an inorganic carbon material.
  • a part of the applied material layer is modified in such a way that the electrical conductivity in that part of the layer is changed and thus a partial layer is structured whose electrical conductivity deviates from the conductivity of the remaining material layer.
  • the partial layer structured according to the modification can differ from the rest of the material layer in terms of its electrical conductivity as well as its porosity and grain size.
  • the method described can be used to create a layer structure with various desired properties without having to print separate layers. Furthermore, the properties of the printed material layer can be adjusted during the additive manufacturing process, so that corresponding post-processing steps can be dispensed with.
  • the targeted modification of the properties of the previously additively manufactured layers also enables the additive manufacturing of components with properties that cannot be produced in a conventional additive manufacturing process. These properties include, in particular, the aforementioned properties of electrical conductivity, grain size, porosity and other comparable material properties.
  • a further material layer can be applied in a further process step and in turn modified in such a way that at least one material property in the part of the layer is changed and thus a partial layer is structured which has a material property of the Conductivity of the remaining material layer differs.
  • a material layer can also be applied in which no partial layer is modified.
  • the partial layer can be structured in such a way that it matches the partial layer in the first material layer and the two partial layers, for example, form a coherent layer with homogeneous properties.
  • the same electrical conductivity is set in the partial layer and the further partial layer.
  • An electrically conductive layer for example an internal electrode, can be structured in an electrically non-conductive material.
  • the material layer and the further material layer are applied directly to one another or directly next to one another.
  • the material layers can be applied both next to one another and one on top of the other.
  • the material layer can consist of different materials, in particular a structural material and a modifiable material.
  • a Structural material is not suitable for the modification step described but does provide a desired structure for the component to be manufactured.
  • a modifiable material is suitable for modification during the modifying step.
  • a portion of the modifiable material can be modified to produce a structure with desired properties.
  • the modifiable material should preferably be a high-temperature-resistant material that can be 3D printed in particular using bath-based photopolymerization, such as the plastic classes ThermoBlast or DL-400.
  • a material can be considered “high temperature resistant” if it can withstand an ambient temperature of at least 300 °C. Accordingly, the melting or
  • Decomposition point of a high temperature resistant material is above 300 °C and the structure of the high temperature resistant material is not changed at temperatures up to 300 °C.
  • These can be, for example, active layers or internal electrodes in the material layers.
  • the remaining material layer, which is not modified, continues to contribute to the overall structure of the component.
  • the material layer or the further material layer comprises ceramic materials.
  • the material layer or the further material layer comprises metals.
  • the layer material can then be modified by sintering and the partial layer can thus be structured.
  • the partial layer can, for example, comprise or consist of a metal or ceramic material.
  • Targeted, spatially resolved sintering enables the structuring of specific partial layers with desired properties.
  • the ceramic material can be modified in such a way that conductive metallic partial layers are formed in the ceramic layer.
  • An organic material with metallic or ceramic inclusions can, for example, be modified in such a way that organic components are removed and metallic or ceramic partial layers are formed, which predominantly comprise a metal or a ceramic or consist of such a material.
  • the porosity of the partial layer is modified by sintering.
  • structures with larger pores can be formed.
  • the suitability of the material as a catalyst, carrier substance or filter unit can be adjusted.
  • the material layer or the further material layer comprises an organic material or consists of organic material. Ceramic and/or metal materials are preferably additionally incorporated into the organic materials, in particular plastics, for example. B. can be modified as described above.
  • the material layer or the further material layer preferably comprises plastics or consists of plastics.
  • natural materials such as cellulose-based materials, modified natural materials such as rubber, viscose and cellophane can also be used as organic materials.
  • plastics can be used.
  • homogeneous material layers made from a uniform base material are preferable. Possible materials are, for example, PI, PEI, PE, PP, etc.
  • blends i.e. non-chemically cross-linked mixtures, made from two pure plastic materials or chemically cross-linked copolymers such as ABS are also conceivable.
  • the materials of the material layers also include composite materials such as GSK or PCB or polymer materials with fillers such as embedded ceramic or metal particles.
  • a partial layer can be in one
  • Execution form can be structured by converting the plastic into inorganic carbon.
  • it is a high-temperature-resistant plastic to which the laser-induced graphene process can be applied and which can be 3D printed in particular using bath-based photopolymerization.
  • High-temperature-resistant plastics in particular are suitable for using the LIG process due to their chemical composition and their ability to be processed at high temperatures. A targeted conversion of the organic Material by laser in graphene or graphite structures of carbon is possible here.
  • the plastic composition preferably comprises at least one monomolecular or oligomeric chemical species, each of which comprises at least one carbon-carbon double bond that can be polymerized by radical polymerization, the monomolecular or oligomeric chemical species being in a total amount of 25 to 99% by weight on the plastic composition.
  • the plastic composition preferably further comprises at least one photoinitiator, particularly preferably a titanocene photoinitiator, which is preferably present in a total amount of 0.1 to 15% by weight, and furthermore at least one coinitiator, particularly preferably a thiol coinitiator, which is preferred is present in a total amount of 0.5 to 20% by weight.
  • at least one photoinitiator particularly preferably a titanocene photoinitiator, which is preferably present in a total amount of 0.1 to 15% by weight
  • at least one coinitiator particularly preferably a thiol coinitiator, which is preferred is present in a total amount of 0.5 to 20% by weight.
  • the plastic composition comprises, for example, a thermosetting component A which has one or more chemical species selected from the group consisting of monomers and/or oligomers and/or prepolymers of maleimide derivatives according to formula (I) and their isomers, where: n is an integer between 1 and 10, Ri represents H, CHs or CH2, and
  • R2 independently represents a linear, branched or cyclic aliphatic or aromatic C5-C40 radical from one or more of the groups phenyl, benzyl, phenethyl, methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, octyl, decanyl, dodecanyl, acetic acid, propanoic acid, Butanoic acid, pentanoic acid, undecanoic acid, dodecanoic acid, benzoic acid and corresponding Esters, alkyl or aromatic esters, cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, adamantyl, isobornyl, propenyl, biphenyl, naphthyl, anthracenyl, pyrenyl, bis(methylene)oxy, bis(ethylene)oxy, bis
  • the plastic composition then comprises a light-curable component B with one or more chemical species selected from the group of (meth)acrylate, (meth)acrylamide, vinyl ester, vinyl ether, vinyl, allyl, alkynyl or styrene compounds and their derivatives, substituted with at least one molecule from the group from which component A is selected, the amount of component A being in the range from 30% by weight to 95% by weight, based on the total weight of components A and B, and the amount of the light-curable component B is in the range from 5 to 70% by weight, based on the total weight of components A and B.
  • one or more chemical species selected from the group of (meth)acrylate, (meth)acrylamide, vinyl ester, vinyl ether, vinyl, allyl, alkynyl or styrene compounds and their derivatives, substituted with at least one molecule from the group from which component A is selected, the amount of component A being in the range from 30% by weight to 95% by weight, based on the total weight
  • component A then comprises a species of component A, where n is an integer from 2 to 10, which has an aromatic radical which is bonded to the N atom of the maleimide ring of the formula I, preferably via a methylene group an amount in the range from 20% by weight to 100% by weight, preferably from 30 % by weight to 100% by weight and more preferably from 40% by weight to 100% by weight, based on the total weight of component A.
  • the partial layer in the plastic can be modified using a suitable process and in particular converted into inorganic carbon.
  • suitable processes are thermal processes, mechanical processes such as grinding or roughening or ultrasound processes, the use of plasma, irradiation, for example by electron beams, lasers, UV-VIS radiation, IR radiation or X-rays, microwave radiation and chemical Processes such as etching or chemical activation of the surface.
  • a partial layer in the plastic can be structured using a laser-induced graphene process.
  • the treated material is chemically and/or physically stimulated and changed by the action of laser radiation at the point of impact of the energy.
  • thermal conversion or decomposition occurs at the point of impact.
  • the organic carbon of the plastic is converted into inorganic carbon modifications such as graphene, graphite or fullerenes in a spatially resolved manner using targeted energy input using laser radiation ("charring").
  • the LIG process is generally not limited to the specific conversion of the plastic Carbon in graphene is limited, but can also include the conversion of the carbon into other inorganic modifications.
  • Carbon structures are formed in the material layers. Furthermore, the inorganic carbon modifications mentioned also differ, for example in terms of their porosity and crystallinity.
  • modifications can be made specifically to the surface of a material layer or modifications can be made that penetrate deep into the material layer and, under certain circumstances, cover the entire thickness of the partial layer.
  • the material layer includes auxiliary materials that support the laser-induced graphene process, such as in particular catalysts, pre-doping or reactive groups.
  • metal particles, metal salts or metal complexes dispersed in the layer can be used as catalysts.
  • the carbon materials to be produced and their derivatives can be used as predopings.
  • Examples of embodiments include short-chain organic molecules with suitable reactive (end) groups such as: B. Aromatics are used.
  • the auxiliary substances mentioned are preferably used in trace amounts.
  • the process preferably takes place without the explicit addition of auxiliary substances.
  • the additives can especially be present in traces in the raw materials used.
  • the structured partial layer is subjected to a post-treatment step in order to further modify the properties of the partial layer and in particular to strengthen the properties set by modification.
  • a surface treatment is preferably carried out on a partial layer structured on the surface of the material layer.
  • the desired properties of the finished component can be set during the additive manufacturing process.
  • a possible post-treatment step includes a surface treatment of the structured partial layer to further increase the electrical conductivity of the partial layer.
  • surface treatment includes processes such as electroplating, sputtering or screen printing or sub-steps thereof.
  • the surface treatment is not limited to the processes mentioned.
  • the processes mentioned can in particular be used to apply metallic surface coatings that have high electrical conductivity.
  • the electrical conductivity of the partial layer can thus be significantly increased.
  • Another surface treatment option is the application of a catalyst to enhance the catalytic properties of the modified material.
  • a catalyst is any form of a catalytically active material that can be applied, for example, in powder form.
  • the catalyst can in particular be applied to the surface or introduced into the pores of the modified material.
  • a seed layer is applied to the surface of the structured partial layer, which serves as a basis for the subsequent surface treatment.
  • a seed layer can promote the application of metallic material and thus, for example, simplify and/or accelerate an electroplating process or a screen printing process or a sputtering process.
  • the seed layer can be a nano-scale seed layer.
  • the structured partial layer has at least increased porosity compared to the remaining material layer.
  • conductive materials can then be introduced into the pores of the structured partial layer and the conductivity of the material can thus be increased.
  • the post-treatment step in the embodiments is preferably carried out before the further layer of material is applied. Every single person can do this Material layer can be specifically modified separately or In this way the modified properties can be strengthened.
  • the additive manufacturing itself i.e. the additive application of the material layers (3D printing)
  • can be carried out using any suitable manufacturing process such as photopolymerization, material extrusion, material jetting, binder jetting, powder bed fusion, direct energy deposition or sheet lamination.
  • Vat Photopolymerization process is particularly suitable for the process described here.
  • several partial layers in the material layer are structured in one step.
  • a material layer is irradiated with several lasers in order to carry out several LIG processes in parallel.
  • several sintering processes or similar modification steps can be carried out in parallel on several sections of the material layer.
  • a component is preferably formed from several material layers, with partial layers then being structured in several of the material layers as described.
  • no structured partial layer is formed in at least one material layer.
  • a material layer can in particular consist of structural material.
  • the structural material can be a non-modifiable material.
  • Such a layer can, for example, Increase stability of the component or define the structure of the component.
  • the structured sub-layers can be arranged arbitrarily or in a specific system. In one embodiment, the structured sub-layers are arranged in such a way that several sub-layers of adjacent material layers adjoin one another. For example, several electrically conductive modified partial layers can adjoin one another in such a way that an internal electrode is formed in the component.
  • auxiliary steps can be carried out in any number and sequence in embodiments of the manufacturing process.
  • this can include the steps of cleaning, washing, rinsing, neutralizing, activating, drying, etc. act .
  • the exact selection and order depends, for example, on what is to be produced
  • Component its desired properties, the material used or the additive manufacturing process used.
  • the applied and modified material layers are in the form of green layers, steps for debinding and sintering can follow.
  • steps can follow, which take place after the last layer of material has been applied.
  • This can be e.g. B.
  • steps include assembly, external metallization, insulation, painting, debinding and sintering.
  • the specific steps preferably depend on what is to be produced Component, its desired properties, the material used or the additive manufacturing process used.
  • the steps can be carried out one after the other or simultaneously.
  • the present invention is also directed to an electrical component produced in accordance with the method described.
  • a component can have all of the properties previously described in the course of the method.
  • the component comprises a plurality of material layers, with several of the material layers comprising structured sub-layers with increased electrical conductivity. In a preferred embodiment, no structured partial layer is formed in at least one material layer.
  • the electrical component can be used as an electrical capacitor, e.g. B. be designed as a plate capacitor.
  • the plates of the capacitor are then preferably aligned vertically to the stacking direction of the additive manufacturing process.
  • the internal electrodes of the capacitor are formed by several adjacent modified partial layers with increased electrical conductivity. In between, each material layer contains unmodified sections with lower or no electrical conductivity.
  • the present invention is also directed to an apparatus for carrying out the described process for producing the component.
  • the apparatus includes at least one transport system and individual Processing stations where the steps of the process are carried out.
  • the transport system is then designed in such a way that the component can be transported from station to station in the operating state or the stations can be moved to the component. This means that all processing steps of the process can be carried out using one device.
  • Figure 1 Worktop with additively applied material layer.
  • Figure 2 Material layer after modification to form partial layers.
  • Figure 3 Post-treatment of the surface of the modified material layer.
  • Figure 4 Component after applying a second material layer.
  • Figure 5 Component with two modified material layers.
  • Figure 6 Post-treatment of the surface of the second modified material layer.
  • Figure 7 Component after applying a third material layer.
  • Figure 8 Alternative embodiment of a component after the formation of partial layers in a first material layer.
  • Figure 9 Alternative embodiment of a component after the formation of partial layers in a second material layer.
  • Figure 10 Exemplary component with different material layers arranged one above the other and next to one another in cross section.
  • Figure 11 Another exemplary component with different material layers.
  • Figure 12 Micrograph of porous LIG-modified plastic material.
  • FIG. 1 shows schematically an exemplary additive manufacturing process.
  • a material layer 1 is applied to a worktop 2.
  • the material layer 1 is applied using a suitable additive process.
  • suitable additive processes include Vat Photopolymerization (VPP), Material Extrusion (MEX), Material Jetting (MJT), Binder Jetting (BJT), Powder Bed Fusion (PBF), Direct Energy deposition (DED) and Sheet Lamination (SHL).
  • VPP Vat Photopolymerization
  • MEX Material Extrusion
  • MJT Material Jetting
  • BJT Binder Jetting
  • PPF Powder Bed Fusion
  • DED Direct Energy deposition
  • SHL Sheet Lamination
  • the material layer 1 comprises a single homogeneous material.
  • the same homogeneous material can always be used in the further course of the process, so that all material layers comprise the same material.
  • two or more materials with different mechanical, electrical, optical, chemical, biological or toxicological properties can be used to build a single or different material layers.
  • a material is, for example, a structural material that defines the mechanical properties of the component.
  • the structural material can have other desired properties such as electrical properties or thermal properties.
  • a modifiable material which can be converted particularly well into a conductive material, can be present in the same layer or in further layers.
  • the material layer 1 is a plastic layer that includes or consists of materials made of plastic.
  • material layers made from natural materials are also conceivable, such as: B. made from cellulose.
  • the plastic layer can be modified natural materials such as rubber, viscose or cellophane or any include industrially produced polymers such as polyimide (PI), polyethylene (PE), polypropylene (PP) and their derivatives such as PEI etc.
  • Material layers made of uniform materials as well as chemically non-crosslinked mixtures of two or more materials are possible.
  • Other possible materials include chemically cross-linked copolymers such as ABS as well as composite materials such as GRP, PCB and polymer materials with fillers such as polymers with embedded ceramic particles.
  • the material layer 1 is modified in some sections.
  • the modified layer is shown in Figure 2.
  • the sections can be connected or separate.
  • the sections can include any parts of the previously applied material layer 1.
  • the sections and their dimensions can be specifically selected.
  • the layer thicknesses of the material layers can also be selected so that the desired properties of the layer composite are optimized to their target values.
  • the geometric extent of the material layers can be controlled in the material application and modification steps.
  • the individual layers can be applied additively in different forms in the first step.
  • the modification can also change the expansion of partial layers in a stacking direction of the material layers.
  • both the structural material and the modifiable material can be present in one plane.
  • the modification of sections of the material layer 1 is carried out by a LIG process. During this process, restructured sub-layers 3 are generated in the material layer 1 in the corresponding sub-sections.
  • the partial layer 3 differs from the remaining material layer in at least one property.
  • the partial layer 3 differs from the remaining material layer 1 in terms of its electrical conductivity or, for example, also in terms of its porosity. Furthermore, the partial layer 3 can alternatively or additionally also differ from the remaining material layer in terms of grain size or in terms of the charring of the material.
  • the structured partial layer is electrically conductive and the remaining material layer 1 is hardly or not electrically conductive.
  • the porosity of the structured partial layer 3 is still higher than that of the remaining layer.
  • a microscope image of the highly porous LIG-modified plastic material of partial layer 3 is shown in Figure 12.
  • the structuring can only take place on the surface of the partial layer 3, over part of the layer thickness or, as shown, over the entire layer thickness.
  • the plastic material is thermally induced and chemically converted by a laser, so that a structure based on inorganic carbon material is created.
  • the structured partial layer can, for example, have a material based on graphene, graphite, fullerene, their (partially) oxidized derivatives or the like.
  • the (organic) plastic material of the remaining material layer 1 is preferably electrically non-conductive and the material of the structured partial layer 3 is electrically conductive.
  • the LIG process can be supported by auxiliary materials such as suitable catalysts, pre-doping in the material layer 1 and reactive groups introduced into the material layer 1.
  • Catalysts can be metal particles, metal salts or metal complexes dispersed in the material layer 1.
  • Pre-doping can in particular be the carbon materials to be produced and their derivatives.
  • Reactive groups can be short-chain organic molecules with suitable reactive (end) groups such as aromatics.
  • auxiliary substances mentioned are used in trace amounts.
  • the process preferably takes place without the explicit addition of auxiliary substances.
  • the auxiliary substances can, in particular, be present in traces in the raw materials used.
  • Such a suitable process can be a galvanic process such as: electroplating, electroless plating, adsorption etc.
  • the application can also be for example, by sputtering, infiltration or screen printing.
  • a seed layer is applied to the surface of the structured partial layers 3, which serves as a basis for the subsequent surface treatment.
  • a seed layer can promote the application of metallic material and thus, for example, simplify and/or accelerate the electroplating process or the screen printing process or the sputtering process.
  • the seed layer is a nano-scale seed layer.
  • a further material layer 6 is applied to the first material layer 1 and, as shown in FIGS Surface ( Figure 6), if necessary.
  • the partial layers 3 are preferably modified in such a way that several partial layers of material layers arranged one above the other form a coherent structure.
  • a material layer 7, as shown in FIG. 7, may not extend over the entire surface of the underlying material layer.
  • the material layers can optionally also be applied next to each other.
  • FIGS. 8 and 9 An alternative embodiment is shown in FIGS. 8 and 9.
  • the partial layers are partly structured only on the surface of the material layer and partly over the entire layer thickness.
  • a structure can comprise a single sublayer.
  • FIGS. 10 and 11 Exemplary representations of finished components 10 with several material layers printed one above the other are shown in FIGS. 10 and 11.
  • Figure 10 shows a cross-sectional view.
  • the material layer 1 comprises an organic material in which a metal is embedded, which in the second step of the method is sintered on selected sections of the material layer 1 in order to produce metallic sub-layers as electrically conductive structures.
  • final steps can follow, which take place after the last layer of material has been applied. This can be e.g. B. about assembly, Exterior metallization, insulation, painting, debinding and sintering.
  • steps taken depend on the specific component to be manufactured, its desired properties, the material used, the additive manufacturing process used, etc.
  • An apparatus required for the process described can essentially consist of a transport system, such as. B. a robot arm, or conveyor belt, and individual processing stations. Either the component to be built can be transported from station to station or the stations can be moved to a fixed component to be built.
  • a transport system such as. B. a robot arm, or conveyor belt
  • a plastic component can be manufactured into which ceramic - for the desired functionalities - and metallic - e.g. B. for electrical contacting layers are embedded.
  • a multilayer component comprising plastics, ceramics and metals can therefore be produced using additive manufacturing, for example 3D printing, with modification steps.
  • passive electronic components preferably multi-layered and with internal electrodes and with carrier substrates made of plastic, such as PCB, FR4 and/or ceramics such as AlOx or AIN, PZT, PLZT, PCZT, ferrite, varistor ceramics such as ZnO, PTC Ceramics, NTC ceramics, LTCC, HTCC.
  • plastic such as PCB, FR4 and/or ceramics such as AlOx or AIN, PZT, PLZT, PCZT, ferrite, varistor ceramics such as ZnO, PTC Ceramics, NTC ceramics, LTCC, HTCC.
  • the method described can be used, for example, to produce a layer structure of a capacitor with internal electrodes.
  • a material layer made of plastic is provided.
  • a section of the surface of the plastic layer is modified so that the electrical conductivity changes compared to the plastic.
  • the conductivity is specifically increased in order to form an electrode of the capacitor.
  • the modification is carried out as previously described by converting the plastic into a conductive carbon derivative in the LIG process.
  • the modified partial layer is then reinforced by galvanic deposition of copper and the conductivity is further increased.
  • the next plastic layer is then applied over the first layer of material that is now already present.
  • the partial layers with increased conductivity then form the internal electrodes of the capacitor.
  • the sub-layers are arranged in such a way that sub-layers of adjacent material layers adjoin one another and form a coherent, uniform electrode structure.
  • Such an electrode structure which forms an internal electrode of the capacitor, then extends perpendicular to the stacking direction of the material layers.
  • the layer sections in between with lower conductivity act as separators.
  • unused raw material can be returned and the surface of the material layer produced can be cleaned. Then the LIG process is carried out, then cleaned again. After galvanic copper plating, the material layer is neutralized, washed, rinsed and dried.
  • a ceramic-containing plastic material such as ceramic particles embedded within a polymer matrix
  • steps for debinding or sintering and shaping can be followed by hard processing steps such as grinding at the end of the process.
  • an external contact can be applied to an outside of the capacitor by sputtering or similar suitable processes and the remaining surface of the capacitor can be coated with a protective coating/insulation.
  • the capacitor can be assembled, for example cut to size, and an additional enclosure can be attached.

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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

Additives Fertigungsverfahren mit Modi fi zierung von Teil schichten
Die vorliegende Anmeldung betri f ft ein additives Fertigungsverfahren, während dem Teilschichten in Bauelementen modi fi ziert 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 Modi fi zieren elektrisch leitender Komponenten insbesondere auf 2D- Substraten ist das Aufbringen eines Substratmaterials und dessen anschließende Modi fikation mittels eines Laserinduzierten Graphen-Prozess , der beispielsweise aus den Druckschri ften US 2020/ 0 112 026 Al , US 2020/ 0 348 121 Al , CN 111 879 341 A oder WO 2018 085 789 Al bekannt ist .
Die elektrische Leitfähigkeit des modi fi zierten LIG-Materials kann in Nachbehandlungsschritten noch erhöht werden wie die Druckschri ften CN 109 440 145 A, US 2018 / 0 199 441 Al und WO 2020 197 606 A2 zeigen . Die Druckschriften US 2021/0 395 420 Al und WO 2017 051 182
Al offenbaren weiterhin hochtemperaturf este Werkstoffe aus dem Stand der Technik.
Die CN 114322741 A zeigt beispielhaft ein Herstellungsverfahren für einen keramischen Filmsensor. Hierzu wird ein Metallbauteil als Substrat bereitgestellt und eine Precursor- Schicht für einen Keramik-Isolierfilm z.B. per Siebdruck aufgebracht. Das Verfahren ermöglicht jedoch nicht, das Strukturieren einer Teilschicht in einer bereits fertig gedruckten Schrift.
Die DE 102019101268 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung und Modifizierung von siliciumcarbidhaltigen Ob ekten .
Die WO 2017/176251 Al zeigt ein Druckverfahren, bei dem mithilfe einer flüssigen Tinte als Vehikel, ein photosensitives Additiv auf einem Abschnitt einer zuvor aufgebrachten Polymerschicht verteilt wird.
Die US 2018/0129002 Al offenbart verschiedene mögliche Nachbehandlungsschritte zur Oberflächenbehandlung von additiv gefertigten elektrischen Bauteilen.
US 9,827,713 Bl und WO 2020/236455 Al offenbaren schließlich spezielle Apparaturen für den 3D Druck, die mehrere Bearbeitungsstationen aufweisen, in denen die einzelnen Schritte des Druckverfahrens durchgeführt werden.
In US 9,827,713 Bl ist ein Roboterarm gezeigt, der ein Substrat an mehreren Stationen in verschiedene Harze eintaucht, um so die verschiedenen Schichten eines Bauteils zu bilden.
In WO 2020/236455 Al werden mehrere Platten nacheinander zu Schichten eins Bauteils verschmolzen. 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 betri f ft 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 modi fi ziert , 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 modi fi zierten Teils der Schicht . In einer Aus führungs form wird die gesamte Materialschicht modi fi ziert .
Beim Modi fi zieren kann unter anderem eine chemische , eine physikalische , eine morphologische und/oder eine strukturelle Eigenschaft der Materialschicht verändert werden . Unter anderem wird in verschiedenen Aus führungs formen der Erfindung die elektrische Leitfähigkeit , die Porosität oder die Korngröße der Materialschicht verändert oder ein organisches Material in ein anorganisches Kohlenstof fmaterial verkohlt . Beispielsweise wird ein Teil der aufgebrachten Materialschicht so modi fi ziert , 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 Modi fi zierens können mehrere Eigenschaften der Materialschicht durch einen Modi fi zierungsschritt verändert werden . So kann sich die nach dem Modi fi zieren 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 Materialeigenschaf ten . Nach dem Aufbringen und Modi fi zieren der Materialschicht kann in einem weiteren Verfahrensschritt eine weitere Materialschicht aufgebracht und wiederum so modi fi ziert 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 modi fi ziert 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 Aus führungs form in der Teilschicht und der weiteren Teilschicht j eweils dieselbe elektrische Leitfähigkeit eingestellt . So kann in einem elektrisch nichtleitenden Material eine elektrisch leitfähige Schicht , beispielsweise eine Innenelektrode , strukturiert werden .
In einer Aus führungs form werden die Materialschicht und die weitere Materialschicht direkt aufeinander oder direkt nebeneinander aufgebracht . In weiteren Aus führungs formen können die Materialschichten sowohl nebeneinander wie auch aufeinander aufgebracht werden .
Die Materialschicht kann hierbei aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere aus einem Strukturmaterial und aus einem modi fi zierbaren 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 Kunststoff klassen 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 Aus führungs form umfasst die Materialschicht oder die weitere Materialschicht Keramikmaterialien.
In einer weiteren Aus führungs form umfasst die Materialschicht oder die weitere Materialschicht Metalle. In einem Teil der aufgebrachten Materialschicht kann das Schichtmaterial dann durch Sintern modi fi ziert 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 spezi fischer Teilschichten mit gewünschten Eigenschaften . Beispielsweise kann beim Sintern das Keramikmaterial so modi fi ziert werden, dass sich leitfähige metallische Teilschichten in der Keramikschicht ausbilden . Ein organisches Material mit metallischen oder keramischen Einlagerungen kann beispielsweise so modi fi ziert 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 modi fi ziert . Insbesondere können Strukturen mit größeren Poren ausgebildet werden . Durch die Modi fi zierung der Poren kann zum Beispiel die Eignung des Materials als Katalysator, Trägersubstanz oder Filtereinheit eingestellt werden .
In einer weiteren Aus führungs form umfasst die Materialschicht oder die weitere Materialschicht ein organisches Material oder besteht aus organischem Material . In die organischen Materialien, insbesondere Kunststof fe , sind bevorzugt zusätzlich Keramik- und/oder Metallmaterialien eingelagert , die z . B . wie zuvor beschrieben modi fi ziert 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 Aus führungs formen 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
Aus führungs form 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 hochtemperaturf este 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 Kunststoff Zusammensetzung 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 Kunststoff Zusammensetzung vorliegt.
Bevorzugt umfasst die die Kunststoff Zusammensetzung 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 Kunststoff Zusammensetzung 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, Ri H, CHs 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.
( Formel I ) ,
Weiterhin umfasst die Kunststoff Zusammensetzung 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
Kohlenstof f Strukturen in den Materialschichten ausgebildet werden . Weiterhin unterscheiden sich die genannten anorganischen Kohlenstof fmodi fikationen beispielsweise auch hinsichtlich ihrer Porosität und Kristallinität .
Insbesondere können durch den LIG-Prozess Modi fikationen gezielt an der Oberfläche einer Materialschicht vorgenommen werden oder es können Modi fikationen vorgenommen werden, die tief in die Materialschicht eindringen und unter Umständen die gesamte Dicke der Teilschicht umfassen .
In einer Aus führungs form umfasst die Materialschicht Hil fsstof fe , die den Laser-induzierten Graphen-Prozess unterstützen, wie insbesondere Katalysatoren, Vordotierungen oder reaktive Gruppen .
Als Katalysatoren können beispielsweise in der Schicht dispergierte Metallpartikel , Metallsal ze oder Metallkomplexe eingesetzt werden .
Als Vordotierungen können insbesondere die zu erzeugenden Kohlenstof fmaterialien und deren Derivate eingesetzt werden .
Als reaktive Gruppen kommen in verschiedenen
Aus führungs formen beispielsweise kurzkettige organische Moleküle mit geeigneten reaktiven (End- ) Gruppen wie z . B . Aromaten zum Einsatz .
Die genannten Hil fsstof fe werden bevorzugt im Spurenbereich eingesetzt . Bevorzugt läuft der Prozess ohne expli ziten Zusatz von Hil fsstof fen ab . Die Hil fsstof fe können insbesondere schon in Spuren in den verwendeten Rohmaterialien vorhanden sein .
In einer Aus führungs form des Verfahrens wird die strukturierte Teilschicht einem Nachbehandlungsschritt unterzogen, um die Eigenschaften der Teilschicht weiter zu modi fi zieren und um insbesondere die durch Modi fikation 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 Aus führungs form, 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 signi fikant erhöht werden . Eine weitere Option der Oberflächenbehandlung ist das Aufbringen eines Katalysators um katalytische Eigenschaften des modi fi zierten Materials zu verstärken . Ein Katalysator ist in diesem Kontext j ede 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 modi fi zierten Materials eingebracht werden .
In einem optionalen Schritt wird in einer Aus führungs form 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 Aus führungs formen 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 Aus führungs formen vor dem Aufbringen der weiteren Materialschicht durchgeführt . So kann j ede einzelne Materialschicht separat gezielt modi fi ziert werden bzw . können so die modi fi zierten Eigenschaften verstärkt werden .
Die additive Fertigung selbst , also das additive Aufbringen der Materialschichten ( 3D-Druck) , kann mittels eines beliebigen geeigneten Fertigungsverfahrens wie Vat Photopolymeri zation, Materialextrusion, Material Jetting, Binder Jetting, Powder Bed Fusion, Direct Energy deposition oder Sheet Lamination durchgeführt werden .
Aufgrund seiner hohen Präzision ist das Verfahren Vat Photopolymeri zation für den hier beschriebenen Prozess besonders geeignet .
In einer Aus führungs form 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 Modi fi zierungsschritte 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 j eweils 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 modi fi zierbares 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 Aus führungs form sind die strukturierten Teilschichten so angeordnet , dass j eweils mehrere Teilschichten benachbarter Materialschichten aneinander angrenzen . Beispielsweise können mehrere elektrisch leitende modi fi zierte Teilschichten so aneinander angrenzenden, dass eine Innenelektrode im Bauelement ausgebildet wird .
Zwischen und/oder nach den vorgenannten Herstellungsschritten können in Aus führungs formen des Fertigungsverfahrens Hil fsschritte 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 modi fi zierten Materialschichten als Grünschichten vorliegen, können sich Schritte zum Entbindern und Sintern anschließen .
Ferner können sich in Aus führungs formen 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, I solierung, 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 Aus führungs form umfasst das Bauelement mehrere Materialschichten, wobei mehrere der Materialschichten strukturierte Teilschichten mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit umfassen . In einer bevorzugten Aus führungs form 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 modi fi zierte Teilschichten mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit gebildet . Dazwischen sind in j eder Materialschicht j eweils nicht modi fi zierte 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.
Figur 1 : Arbeitsplatte mit additiv aufgebrachter Materialschicht .
Figur 2: Materialschicht nach dem Modifizieren zur Bildung von Teilschichten.
Figur 3: Nachbehandlung der Oberfläche der modifizierten Materialschicht .
Figur 4 : Bauelement nach dem Aufbringen einer zweiten Materialschicht .
Figur 5: Bauelement mit zwei modifizierten Materialschichten.
Figur 6: Nachbehandlung der Oberfläche der zweiten modifizierten Materialschicht.
Figur 7 : Bauelement nach dem Aufbringen einer dritten Materialschicht . Figur 8 : Alternative Aus führungs form eines Bauelements nach der Bildung von Teilschichten in einer ersten Materialschicht .
Figur 9 : Alternative Aus führungs form eines Bauelements nach der Bildung von Teilschichten in einer zweiten Materialschicht .
Figur 10 : Beispielhaftes Bauelement mit verschiedenen übereinander und nebeneinander angeordneten Materialschichten im Querschnitt .
Figur 11 : Weiteres beispielhaftes Bauelement mit verschiedenen Materialschichten .
Figur 12 : Mikroskopaufnahme von porösem LIG-modi f i zierten Kunststof fmaterial .
Ähnliche oder augenscheinlich gleiche Elemente in den Figuren sind mit dem gleichen Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse in den Figuren sind nicht maß stabs get reu .
Die Figuren 1 bis 7 zeigen schematisch einen beispielhaften additiven Fertigungsprozess . In einem ersten Schritt , der in Figur 1 gezeigt ist , wird eine Materialschicht 1 auf einer Arbeitsplatte 2 aufgebracht . Die Materialschicht 1 wird mithil fe eines geeigneten additiven Verfahrens aufgebracht . Beispiele für additive Verfahren, die hier geeignet sind, sind die Vat Photopolymeri zation (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 modi fi zierbares Material , welches besonders gut in ein leitfähiges Material umgewandelt werden kann, vorliegen .
In einem ersten Beispiel ist die Materialschicht 1 eine Kunststof f schicht , die Materialien aus Kunststof f umfasst oder aus diesen besteht . Neben Kunststof f sind grundsätzlich auch Materialschichten aus natürlichen Materialien denkbar, wie z . B . aus Cellulose .
Die Kunststof f schicht kann modi fi zierte 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 Figur 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 Modi fikation 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- modi f i zierten Kunststof fmaterials der Teilschicht 3 ist in Figur 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 Kunststof fmaterial thermisch induziert durch einen Laser chemisch umgewandelt , so dass eine Struktur basierend auf anorganischem Kohlenstof fmaterial 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 Figur 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 Figur 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 Figur 4 , eine weitere Materialschicht 6 auf die erste Materialschicht 1 aufgetragen und es werden wie in den Figuren 5 bis 7 gezeigt die weiteren Prozessschritte Modi fi zieren der aufgebrachten Materialschicht 6 ( Figur 5 ) , Nachbehandlung der Oberfläche ( Figur 6 ) , ggf . Aufbringen weiterer Schichten ( Figur 7 ) einmal oder mehrmals wiederholt . Die Teilschichten 3 werden wie in Figur 5 gezeigt bevorzugt so modi fi ziert , dass mehrere Teilschichten übereinander angeordneter Materialschichten eine zusammenhängende Struktur bilden . Optional kann sich eine Materialschicht 7 wie in Figur 7 gezeigt auch nicht über die gesamte Fläche der darunterliegenden Materialschicht erstrecken . Die Materialschichten können optional auch nebeneinander aufgetragen werden .
In den Figuren 8 und 9 ist eine alternative Aus führungs form gezeigt . Die Teilschichten werden in diesem Aus führungsbeispiel 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 Figuren 8 und 9 dargestellt . Eine Struktur kann eine einzelne Teilschicht umfassen .
Beispielhafte Darstellungen fertiger Bauelement 10 mit mehreren übereinander gedruckten Materialschichten sind in den Figuren 10 und 11 dargestellt . Figur 10 zeigt eine Querschnittsansicht .
Es kann so ein Bauelement hergestellt werden, dass eine Viel zahl von Materialschichten und Teilschichten la bis I f aus verschiedenen Materialien umfasst . Beispielsweise bilden le und I f 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 Hil fsschritte 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, I solierung, 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 auf zubauende Bauelement von Station zu Station transportiert werden oder es können die Stationen zu einem fixen auf zubauenden Bauelement bewegt werden .
Im Wesentlichen können mit dem beschriebenen Verfahren alle denkbaren Produkte gefertigt werden, die aus einem additiv auftragbaren organischen Material bzw . Kunststof f 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 modi fi zierte Teilschicht kann weiterhin mit einer metallischen Oberflächenbeschichtung wie z . B . aus Cu, Pd, Au, Ag, Ni etc . verstärkt werden .
Somit kann ein Kunststof fbauteil 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 AIN, 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 Kunststoff schicht 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 Kunststoff schicht 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 Kunststoff schicht 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 Kunststoff schicht 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 Schuf zlackierung/- isolierung beschichtet werden. Zusätzlich kann der Kondensator noch konfektioniert, also z.B. zugeschnitten, werden und eine zusätzliche Einhausung kann angebracht werden .
Bezugs zeichenliste
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 la, 1b, 1c, Id, le , I f Materialschichten

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. 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.
3. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 2, wobei die Materialschicht (1) und die weitere Materialschicht (6) direkt aufeinander und/oder nebeneinander aufgebracht werden.
4. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Materialschicht (1) aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere aus Strukturmaterial und aus modifizierbarem Material, besteht.
5. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Materialschicht (1, 6, 7) Keramikmaterialien umfasst oder aus Keramikmaterialien besteht oder Metalle umfasst .
6. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 5, wobei die Materialschicht (1, 6, 7) aus Metallen besteht.
7. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 5 oder nach Anspruch 6, wobei in einem Teil der aufgebrachten Materialschicht (1, 6, 7) Sintern zur Strukturierung der Teilschicht (3) ausgeführt wird.
8. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Materialschicht (1, 6, 7) Kunststoffe umfasst oder aus Kunststoffen besteht.
9. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 8, wobei die Kunststoffe hochtemperaturfest sind.
10. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 8 oder nach Anspruch 9, wobei in einem Teil der aufgebrachten Materialschicht (1, 6, 7) der Kunststoff in anorganischen Kohlenstoff umgewandelt wird, um die Teilschicht (3) zu strukturieren .
11. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 10, wobei die Teilschicht durch einen thermischen Prozess, thermische Verfahren, Bestrahlung durch Elektronenstrahlen, Laser, UV- VTS-Strahlung, IR-Strahlung oder Röntgen-Strahlung oder Mikrowellen-Strahlung strukturiert wird.
12. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Teilschicht durch ein mechanisches Verfahren, die Anwendung von Plasma oder ein chemisches Verfahren strukturiert wird.
13. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei in einem Teil der aufgebrachten Materialschicht (1, 6, 7) ein Laser-induzierter Graphen-Prozess zur Strukturierung der Teilschicht (3) ausgeführt wird.
14. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 13, wobei die Materialschicht (1, 6, 7) Hilfsstoffe, die den Laserinduzierten Graphen-Prozess unterstützen, wie insbesondere Katalysatoren, Vordotierungen oder reaktive Gruppen aufweist.
15. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 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.
16. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 15, wobei der Nachbehandlungsschritt vor dem Aufbringen der weiteren Materialschicht (6, 7) durchgeführt wird.
17. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei vor dem Nachbehandlungsschritt ein Seed-Layer auf der Oberfläche der strukturierten Teilschicht (3) aufgebracht wird, welcher als Basis für die anschließende Oberflächenbehandlung dient.
18. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Oberflächenbehandlung einen Prozessschritt der Galvanisierung, des Sputterns oder des Siebdrucks umfasst .
19 . Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 , wobei es sich bei der modi fi zierten Eigenschaft um eine elektrische Leitfähigkeit und/oder um eine Korngrößenverteilung handelt und die Teilschicht zumindest eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit und/oder eine veränderte Korngrößenverteilung im Vergleich zur übrigen Materialschicht aufweist .
20 . Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 , wobei es sich bei der modi fi zierten Eigenschaft um eine Porosität handelt und die Teilschicht zumindest eine erhöhte Porosität im Vergleich zur übrigen Materialschicht aufweist .
21 . Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 19 oder Anspruch 20 , wobei in einem Nachbehandlungsschritt in Poren der Teilschicht ( 3 ) ein elektrisch leitfähiges oder katalytisch aktives Material eingebracht wird .
22 . Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , wobei das Aufbringen der Materialschicht ( 1 , 6 , 7 ) mittels eines der additiven Verfahren Vat Photopolymeri zation, Materialextrusion, Material Jetting, Binder Jetting, Powder Bed Fusion, Direct Energy deposition oder Sheet Lamination durchgeführt wird .
23 . Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 , wobei mehrere Teilschichten ( 3 ) in der Materialschicht ( 1 , 6 ) in einem Schritt strukturiert werden .
24 . Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23 , 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.
25. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei ein Bauelement (10) aus mehreren Materialschichten (1, 6, 7, la-lf) gebildet wird, wobei in mehreren der Materialschichten Teilschichten (3) strukturiert werden und in mindestens einer Materialschicht (7) keine strukturierte Teilschicht (3) gebildet wird.
26. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 25, wobei die strukturierten Teilschichten (3) so angeordnet sind, dass sie Innenelektroden im Bauelement ausbilden.
27. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 25 oder 26, wobei die aufgebrachten und modifizierten Materialschichten (1, 6, 7, la-lf) des Bauelements (10) in einem weiteren Verfahrensschritt entbindert und gesintert werden .
28. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, 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 .
29. Elektrisches Bauelement (10) , das gemäß einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 28 hergestellt ist und mehrere Materialschichten (1, 6, 7, la-lf) 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.
30. Elektrisches Bauelement (10) nach Anspruch 29, das als elektrischer Kondensator ausgestaltet ist.
31. Apparat zur Durchführung des Prozesses gemäß den Ansprüchen 1 bis 28 zur Herstellung des Bauelements (10) gemäß Anspruch 29 oder 30, 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.
EP23722521.4A 2022-05-03 2023-04-26 Additives fertigungsverfahren mit modifizierung von teilschichten Pending EP4519037A1 (de)

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