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