Shen, Jialin (Blumenstr. 6/2, Bernstadt, 89182, DE)
Pfeifer, Rolf (Bromenlandweg 27, Böblingen-Dagersheim, 71034, DE)
Shen, Jialin (Blumenstr. 6/2, Bernstadt, 89182, DE)
| 1. | Beschichtetes Pulvermaterial für generative rapid proto typing Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Pulvermaterial aus Einzelpartikeln und/oder Gra nulaten aus Kunststoff, Metall und/oder Keramik besteht und die Beschichtung im wesentlichen aus einem aktivier baren Klebemittel und sinterfähigem und/oder glasbilden dem Feinkornmaterial aufgebaut ist. |
| 2. | Beschichtetes Pulvermaterial nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur und/oder Glastemperatur des Feinkornmaterials unterhalb der Sintertemperatur oder Glastemperatur des Pulvermaterials liegt. |
| 3. | Beschichtetes Pulvermaterial nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Feinkornmaterial mindestens ein Oxid, Carbid oder Nitrid der Elemente Si, B, Ti oder Al umfasst. |
| 4. | Beschichtetes Pulvermaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Feinkornmaterial Silikate, Borsilikate oder Alumosilikate enthält. |
| 5. | Beschichtetes Pulvermaterial nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Feinkornmaterial mindestens ein Metall oder ein Metallsalz umfasst. Beschichtetes Pulvermaterial nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Feinkornmaterial durch Nanopartikel und/oder Mikropartikel mit einer mittleren Korngröße unterhalb 5 um gebildet wird. Beschichtetes Pulvermaterial nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur und/oder Glastemperatur des Feinkornmaterials um mindestens 30°C unterhalb der Sin tertemperatur und/oder Glastemperatur des Pulvermaterials liegt. Beschichtetes Pulvermaterial nach einem der vorangegange nen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel aus einem in einer Binderflüssigkeit löslichen Kleber besteht. Beschichtetes Pulvermaterial nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber aus organischen und/oder metallorgani schen Polymeren geringer Wasserlöslichkeit aufgebaut ist. Beschichtete Pulvermaterial nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber in einer Binderflüssigkeit aus organi schen Lösungsmitteln mit einem Wassergehalt unter 45 % quellbar oder löslich ist. Beschichtetes Pulvermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel aus einem Polymer besteht, das eine Schmelzoder Sintertemperatur im Bereich von 50 bis 250°C aufweist. |
| 6. | 12 Beschichtetes Pulvermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel aus einem lichthärtenden Bindemittel besteht. |
| 7. | 13 Verfahren zum Herstellen eines Körpers aus einem Pulver material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassend die Schritte Ausbringen einer Pulverschicht auf einer Unterlage, Befeuchten definierter Bereiche der Pulverschicht mit einer Binderflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Binderflüssigkeit aus organischen Lösungsmitteln ausgewählt ist und einen Wassergehalt unterhalb 45 % auf weist. |
| 8. | 14 Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil unlöslicher Bestandteile in der Binder flüssigkeit unterhalb 5 Gew% liegt. |
| 9. | 15 Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Befeuchtung des Pulvers verwendete Menge an Binderflüssigkeit im Bereich von 5 bis 70 Vol% des zu be schichtenden Pulvervolumens liegt. |
| 10. | 16 Verfahren zum Herstellen eines Körpers aus einem Pulver material gemäß Anspruch 11, umfassend die Schritte Ausbringen einer Pulverschicht auf einer Unterlage, Bestrahlung definierter Bereiche der Pulverschicht mit Laserlicht, Aufschmelzen oder Versintern des Klebemittels zumindest der ausgebrachten Pulverschicht durch die Laserbestrah lung, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des Laserlichtes im wesentlichen nicht zum Aufschmelzen oder Sintern der Pulverpartikel der Pul verschicht ausreicht. |
| 11. | 17 Verfahren zur Herstellung von Sinterkörpern aus einem Pulvermaterial gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 und nach ei nem Formgebungsverfahren gemäß den Ansprüchen 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zur Sinterung der über das Formge bungsverfahren hergestellten Grünkörper unterhalb der Sinteroder Glastemperatur des Pulvermaterials und ober halb derjenigen des in der Beschichtung enthaltenen Fein kornmaterials liegt. |
| 12. | 18 Verwendung eines Sinterkörpers nach Anspruch 17 in der Gießereitechnik oder im Formenbau. |
| 13. | 19 Verwendung eines Sinterkörpers nach Anspruch 17 in der Feinmechanik oder im Werkzeugbau. |
Zu den neueren und besonders interessanten pulverbasierten generativen rapid prototyping Verfahren gehört das 3D- Binderdruckverfahren.
In einer ersten Variante des 3D-Binderdrucks, wird eine Schicht aus Partikeln oder Granulaten auf eine Unterlage aus- gebracht und hierauf in vorgegebenen Bereichen, die jeweils einer Schicht eines zu erzeugenden Gegenstandes entsprechen, mit einer Bindeflüssigkeit befeuchtet. Die Partikel werden in den befeuchteten Bereichen von der Binderflüssigkeit benetzt und verklebt. Durch anschließendes Verdampfen der Lösungsmit- tel in der Binderflüssigkeit haften die Partikel unmittelbar aneinander, wobei sie zumindest in ihren Randbereichen mit- einander verschmelzen. 3D-Binderdruckverfahren, die sich ins- besondere auf diesen Typ beziehen, sind beispielsweise aus den europäischen Patenten EP 0644 809 B1, EP 0686 067 Bl und der europäischen Patentanmeldung EP 1 099 534 A2 bekannt.
In einer weiteren Variante dieses Verfahrens wird eine Sin- terhilfsstoffe enthaltende Binderflüssigkeit eingesetzt, die beim Trocknen der befeuchteten Bereiche Sinterhilfsstoffe zu- rücklässt, die eine festes Versintern der Partikel in einer
folgenden Sinterbehandlung ermöglichen. Hierdurch sind harte und dichte Sinterkörper erhältlich.
Aus der EP 0 925 169 B1 ist eine weitere Variante des 3D- Binderdruckverfahrens bekannt, in der Mischungen aus Parti- keln, Füllern und Klebern eingesetzt werden. Die Binderflüs- sigkeit wird im wesentlichen nur noch aus einem Lösungsmittel für den in der Mischung enthaltenen Kleber gebildet. Der Kle- ber kann dabei als Beschichtung der Partikel vorliegen.
Eine weiteres Verfahren des generativen rapid prototyping (RP) sieht die Verfestigung der Partikel in der Schicht mit- tels Licht oder laserinduziertem Sintern vor (im folgenden Lasersintern). Hierzu wird die Schicht in definierten Berei- chen mittels Belichtung, gegebenenfalls auch durch eine Mas- ke, oder Laserstrahlung so weit erhitzt, dass die Partikel zusammenschmelzen oder zusammensintern können.
Die bekannten generativen RP-Verfahren haben bei der Herstel- lung von Sinterkörpern den Nachteil, dass der fertige Grün- oder Sinterkörper gegenüber dem ursprünglich mittels Binder- flüssigkeit, Licht oder Laserlicht aktivierten Bereich eine deutliche Schrumpfung aufweist. Dies ist auf Effekte während der Aktivierung und während des Sinterns zurückzuführen, wo- bei unter Sintern sowohl die laserinduzierten Vorgänge beim Härten der Schicht als auch die Herstellung von Sinterkörpern aus den durch die RP-Verfahren erhältlichen Grünkörper zu verstehen ist.
Beim Binderdruck rücken die Partikel beim Befeuchten unter Einwirkung der Kapillarkräfte und der Oberflächenspannung nä- her zusammen, insbesondere dann, wenn vorhandene Kleber durch die Binderflüssigkeit gequollen oder aufgelöst werden, so dass bereits nach während der Formgebung beziehungsweise nach der Trocknung zum Grünkörper eine deutliche Schwindung statt- gefunden hat. Auch beim Belichten oder Lasersintern der Par- tikel treten Schwindungsprozesse auf.
Der Effekt des Sinterns, insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von Sinterkörpern, lässt sich in mehrere Stadien aufteilen. Im Anfangs-oder Frühstadium sind die ursprüngli- chen Teilchen noch sichtbar. Der erste Zusammenhalt zwischen den Pulverteilchen entsteht durch Brückenbildung und Korn- wachstum. Es erfolgt eine geringe Schwindung. Im mittleren Stadium erfolgt die Ausbildung eines zusammenhängenden Poren- raums. Die Erkennbarkeit der einzelnen Teilchen geht verloren und gleichzeitig beginnt die Sinterschwindung. Im Spätstadium erfolgt die Verringerung des Porenraums, der in zunehmendem Maße von außen zugänglich wird (geschlossene Poren). Im Grenzfall erfolgt eine vollständige Verdichtung (Dichtsinte- rung).
Die wesentlichen Anteile der Schwindung sind auf das mittlere Stadium zurückzuführen.
Die bekannten Beschichtungen haben den Nachteil, dass sie hydrophil sind und daher Wasser aus der Umgebung aufnehmen.
Dies führt zum Einen zu einer Agglomeration der Partikel und zum Anderen zu einer hohen Bindeflüssigkeitsaufnahme bei 3D- Binderdruckverfahren. Dies hat einen negativen Einfluss auf die Abbildungsschärfe des 3D-Binderdruckverfahrens, die Mate- rialschwindung unter Einwirkung der Binderflüssigkeit, die Lagerfähigkeit, sowie das Handling des Pulvers.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, beschichtete Partikel für pulverbasierte generative rapid prototyping Verfahren, insbe- sondere den 3D-Binderdruck anzugeben, die eine verbesserte Lagerfähigkeit, ein verbessertes Handling aufzeigen und eine höhere Abbildeschärfe zulassen, sowie Verfahren zur schwin- dungsarmen Herstellung von Körpern oder Sinterkörpern aus diesen Partikeln bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch beschichtetes Pulvermaterial aus Kunststoff, Metall oder Keramik, dessen Beschichtung im wesentlichen aus einem Klebemittel und sinterfähigem und/oder glasbildendem Feinkornmaterial besteht, sowie Verfahren zum Aufbau von Körpern aus dem beschichteten Pulvermaterial, bei dem die Aktivierung des Klebemittels entweder mittels eines polaren organischen Lösemittels, oder mittels Bestrahlung durch Licht oder Laserlicht erfolgt, sowie einem Verfahren zur Herstellung von Sinterkörpern, wobei die Grünkörper un- terhalb der Sinter-oder Glasbildungstemperatur des Pulverma- terials und oberhalb denjenigen des Feinkornmaterials gesin- tert wird. Eine Vorteilhafte Verwendung der Sinterkörper liegt in der Gießereitechnik, dem Formenbau und der Herstel- lung von Gussformen.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft die erfindungemäße Beschichtung des Pulvermaterials.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein 3D-Binderdruckverfahren und hierfür besonders geeignete Par- tikel. Das Klebemittel besteht erfindungsgemäß aus einem Kle- ber, der durch eine geeignete Binderflüssigkeit zumindest zum Teil angelöst oder zur Quellung gebracht wird, so dass be- nachbarte Partikel des Pulvermaterials miteinander verkleben können. Die Dicke der den Kleber enthaltenden Oberflächen- schicht liegt dabei bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 10% des mittleren Durchmessers des Pulvermaterials. Die bevorzugte Menge an Kleber liegt im Bereich von 0,3 bis 8 Gew% des je- weils beschichteten Pulvermaterials.
Unter dem Begriff Pulvermaterial sind dabei sowohl die ein- zelnen Partikel oder Primärpartikel aus Kunststoff, Metall o- der Keramik als auch Aggregate oder Granulate, die insbeson- dere Bindephasen enthalten können, zu verstehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Pulvermaterial durch Granulate gebildet, deren Bindephase zum überwiegenden Teil aus dem Kleber besteht.
Zu den erfindungsgemäß geeigneten Klebern zählen insbesondere organische-oder metallorganische polymere Verbindungen mit geringer Hydrophilie. Bevorzugt handelt es sich um polare Gruppen enthaltende Polymere mit geringer Wasserlöslichkeit, die in organischen Lösungsmitteln, wie beispielsweise Alkoho- len, Ketonen oder Polyethern löslich sind. Insbesondere hin- sichtlich der Einstellung der gewünschten Löslichkeiten, kann die Verwendung von Polymerblends von Vorteil sein. Zu den er- findungsgemäß geeigneten Polymeren gehören unter anderem Po- ly (meth) acrylate, Polyvinylalkohole, Polyvinylacetate, oder Polyvinylpyrrolidone. In einer besonders bevorzugten Ausfüh- rung der Erfindung wird als Kleber ein Polyvinylbutyral oder Mischungen hieraus verwendet.
Unter den metallorganischen Polymeren sind insbesondere Poly- silane, Polycarbosilane oder Polysilazane von Bedeutung.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Kleber aus im wesentlichen unpolaren Polymeren, beispielsweise Wach- se aufgebaut. Diese Kleber sind insbesondere für metallisches Pulvermaterial geeignet.
Durch die erfindungsgemäß bevorzugten Kleber wird auf der 0- berfläche des Pulvermaterials eine wasserunlösliche bis hyd- rophobe Schicht gebildet, die nicht mehr zur Aufnahme von Wasser aus der Umgebung, insbesondere der Luftfeuchtigkeit neigt. Dies hat den Vorteil, dass die beschichteten Partikel eine hohe Lagerfähigkeit und ein ausgezeichnetes Handling aufweisen. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verbesserung der Abbildeschärfe (Genauigkeit, Oberflächenqualität) des Binder- drucks. Da die einzelnen beschichteten Partikel nicht mehr unter dem Einfluss von Luftfeuchtigkeit zur Verklebung nei- gen, werden keine sekundären Agglomerate gebildet. Die mini- male Dicke einer im 3D-Binderdruckverfahren ausgebrachten Ma-
terialschicht liegt daher beim Durchmesser der Partikel des Pulvermaterials und nicht beim Durchmesser gegebenenfalls hieraus gebildeter sekundärer Agglomerate.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf das Laserinduzierte Sintern als Verfahren des generativen RP so- wie besonders geeignete Beschichtungen.
Im Unterschied zu dem ausgeführten 3D-Binderdruck findet die Aktivierung des Klebemittels hierbei durch Laserbestrahlung statt. Erfindungsgemäß ist als Klebemittel eine polymere Be- schichtung vorgesehen, die durch die eingebrachte thermische Energie des Lasers sintert oder zumindest teilweise auf- schmilzt. Als Klebemittel sind dabei insbesondere Polymere mit einem Schmelzpunkt unterhalb 150°C geeignet. Wird als Pulvermaterial Kunststoff verwendet, so sollte die Schmelz- oder Sintertemperatur des Klebemittels mindestens 20°C unter- halb denen der Kunststoffpartikel liegen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf ein lichtinduziertes Verfahren des generativen RP, sowie beson- ders geeignete Beschichtungen.
Die Aktivierung des Klebemittels erfolgt hierbei durch Be- strahlung mit Licht. Als Klebemittel sind dabei lichtindu- ziert härtende Binder, wie beispielsweise UV-Lacke auf der Basis von (Meth) acrylaten, vorgesehen. Gegebenenfalls ist die Befeuchtung der zu aktivierenden Bereiche mittels einer Bin- derlösung von Vorteil.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das in der Be- schichtung enthaltene Feinkornmaterial aus sinterfähigen und/oder glasbildenden Mikropartikeln.
Dieser Aspekt wird anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen : Fig. l zwei unterschiedliche Partikel mit einer Beschichtung aus Klebemittel und Feinkornmaterial,
Fig. 2 zwei unterschiedliche Partikel, die durch eine Sinter- brücke aus Feinkornmaterial verbunden sind.
Im Sinne der Erfindung ist zwischen dem Pulvermaterial aus einzelnen Partikeln eines Pulvers (2) oder auch durch Agglo- meration gebildete Aggregate (1), insbesondere Granulate, die durch nichtpulvrige Bindephasen durchsetzt sein können und dem Feinkornmaterial (4,5, 6) zu unterscheiden. Das Fein- kornmaterial besteht aus einzelnen Partikeln, deren Abmessun- gen deutlich unterhalb den Abmessungen des Pulvermaterials liegt. Die mittleren Partikelgrößen des Feinkornmaterials liegen typischerweise unterhalb 30 % der Partikelgröße des Pulvermaterials und bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 5 %. Be- sonders bevorzugt besteht das Feinkornmaterial aus Submikron- oder Nanopartikeln. Das Feinkornmaterial (4) liegt dabei zu- mindest zum Teil innerhalb der durch das Klebemittel (3) ge- bildeten Beschichtung. Auch aus der Beschichtung herausragen- de Partikel (5) sind bevorzugt von Klebemittel bedeckt.
Das Feinkornmaterial ist aus sinterfähigem und/oder glasbil- dendem Material aufgebaut, das geeignet ist, bei einer späte- ren Temperaturbehandlung des durch das 3D-Binderdruck- verfahren gebildeten Körpers (oder Grünkörper) eine feste Sinter-oder Glasphase auszubilden.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Feinkornpartikel auf der Oberfläche der einzelnen Pulverpartikel führt dazu, dass bei dieser Temperaturbehandlung Sinter-oder Glasbrücken (8) zwi- schen benachbarten Pulverpartikeln (1, 2) ausgebildet werden.
Dadurch findet eine Verfestigung des Grünkörpers beziehungs- weise die Ausbildung eines festen Sinterkörpers statt. Die hierbei stattfindende Schwindung ist minimal, da sie auf die kleinen Feinkornpartikel begrenzt ist (7). Die an den Kon- taktflächen liegenden Feinkornpartikel (6) bewirken, dass auch die Entbinderung der Körper zu keiner nennenswerten
Schwindung führen kann, wie sie durch die Entfernung des Kle- bers zu erwarten wäre.
Wird diese Temperaturbehandlung unterhalb der Glasbildungs- oder Sintertemperatur des Pulvermaterials ausgeführt, so tritt nahezu keine Sinterschwindung des gesamten Körpers oder Grünkörpers auf.
Bevorzugt werden daher Pulvermaterial und Feinstkornmaterial so ausgewählt, dass die Feinkornpartikel eine geringere Sin- ter-oder Glasbildungstemperatur aufweisen als das Pulverma- terial. Bevorzugt liegt dieser Temperaturunterschied oberhalb 30°C und besonders bevorzugt oberhalb 100°C.
Grundsätzlich gilt bei artgleichem Material, dass die kleine- ren Partikel aufgrund ihrer höheren Oberflächenenergie eine geringere Sintertemperatur bzw. Glasbildungstemperatur auf- weisen als die größeren. Dieser Effekt ist insbesondere bei den bevorzugten Feinkornpartikeln im Submikrometer-oder Na- nobereich sehr deutlich. Daher umfassen die erfindungsgemäß bevorzugten Materialkombinationen sowohl unterschiedliche wie gleiche chemische Verbindungen.
Bei dem Feinkornmaterial kann es sich ebenso wie bei dem Pul- vermaterial um Kunststoff, Metalle oder Keramik handeln. Da- bei sind chemisch kompatible Materialien bevorzugt, da das Feinkornmaterial hierdurch besonders fest anhaftende Sinter- oder Glasbrücken ausbilden kann. Üblicherweise umfasst das Material der Feinkornpartikel die für das jeweilige Pulverma- terial üblichen Sinterhilfsmittel.
Im Falle von keramischem Pulvermaterial wird das Feinkornma- terial bevorzugt aus der Gruppe der Oxide, Nitride, oder Car- bide der Elemente B, Si, Ti, Al und/oder Zr ausgewählt. Be- sonders bevorzugt sind SiO2, Silikate, Borsilikate oder Alu- mosilikate, insbesondere in Verbindung mit Pulvermaterial aus Oxidkeramik.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Pulvermaterial im wesentlichen aus ZrSiO4, ZrO2, und/oder A1203 und das Feinkornmaterial aus SiO2, insbesondere Si02-Nanopulver, gebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden Pulverma- terial und Feinkornmaterial im wesentlichen durch SiC gebil- det. In diesem Fall sind Kleber auf der Basis von silizium- organischen Polymeren bevorzugt.
Im Falle von metallischem Pulvermaterial wird das Feinkornma- terial bevorzugt aus Metallen oder Legierungen der Elemente Cu, Sn, Zn, Al, Bi, Fe oder Pb gebildet.
Für metallisches Pulvermaterial sind als Feinkornmaterial e- benso auch Metallsalze geeignet, die sich thermisch zu den entsprechenden Metallen zersetzen lassen.
Die Herstellung der Beschichtung kann nach den üblichen Be- schichtungsverfahren für Pulverpartikel erfolgen. Bevorzugt wird die Beschichtung in einem Wirbelschichtreaktor oder ei- nem Sprühtrockner aufgebracht.
Im Wirbelschichtreaktor erfolgt die Zufuhr des Klebemittels durch Einsprühen oder Verdüsen einer Lösung in einem geeigne- ten Lösungsmittel. Die Zufuhr des Feinkornmaterials erfolgt beispielsweise über das Einsprühen oder Verdüsen von geeigne- ten Suspensionen oder kolloidalen Lösungen. Ebenso kann das Feinkornmaterial aber auch als Feststoff in gleicher Weise wie das Pulvermaterial zudosiert werden.
Je nach Verweilzeit des Pulvermaterials in der Beschichtungs- vorrichtung können die Pulverpartikel einzeln beschichtet werden, oder mittels Kleber als Binderphase zu Granulaten aufgebaut werden. Die Schichtdicke des aufgetragenen Klebers lässt sich beispielsweise über die Konzentration des Klebers in der eingesprühten Lösung, die Verweilzeit und die Tempera- tur im Reaktor, beziehungsweise Sprühtrockner einstellen.
In alternativer Weise kann das Feinkornmaterial auch erst auf die mit Klebemittel beschichteten Pulverpartikel aufgetragen werden. Dies geschieht dann bevorzugt durch mechanisches Mi- schen, beispielsweise in einem Hybridizer. Das härtere Fein- kornmaterial wird dabei in die weichere Beschichtung durch einen Mischvorgang mechanisch eingearbeitet.
Durch diese Verfahren können sowohl beschichtete Primärparti- kel als auch beschichtete Granulate erzeugt werden. Insbeson- dere ist es auch möglich, mit Kleber gebundene Granulate aus Partikeln des Pulvermaterials und des Feinkornmaterials zu erhalten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus dem erfindungsgemäß beschichte- ten Pulvermaterial. Das Pulvermaterial wird hierbei zunächst als dünne Pulverschicht ausgebracht. Hierbei können insbeson- dere die bei der 3D-Binderdrucktechnik üblichen Verfahren an- gewendet werden. Durch die geringe Wasseraufnahme der erfin- dungsgemäß beschichteten Pulver treten bei diesem Verfahrens- schritt deutliche Vorteile hinsichtlich Gleichmäßigkeit der Pulverschicht und beim Pulverhandling auf. Bevorzugt ist die Pulverschicht nur wenige Pulverlagen dick, und besonders be- vorzugt besteht sie nur aus einer Pulver-Monolage. Die bevor- zugte Schichtdicke liegt im Bereich von 10 bis 50um.
Im 3D-Binderdruckverfahren wird die Pulverschicht darauf in definierten Bereichen mit einer Binderflüssigkeit benetzt, die den Kleber der Beschichtung aktiviert. Bevorzugt werden als Binderflüssigkeitsdüsen hochauflösende Tintenstrahldruck- köpfe für Tintenstrahldrucker verwendet.
Die erfindungsgemäße Binderflüssigkeit wird im wesentlichen durch organische Lösungsmittel oder deren Mischungen gebil- det. Dabei handelt es sich bevorzugt um polare Lösungsmittel, wobei deren Mischungen bevorzugt einen Wassergehalt unterhalb
45 Gew% und besonders bevorzugt unterhalb 5 Gew% aufweisen.
Die chemische Zusammensetzung der Binderflüssigkeit ist so gewählt, dass die polymeren Produkte der Beschichtung in ihr löslich oder zumindest quellfähig sind. Zu den bevorzugten Lösungsmitteln gehören C2-bis C7-Alkohole, insbesondere E- thylalkohol, (iso) Propanol oder n-Butanol, C3-bis C8-Ketone, wie beispielsweise Aceton oder Ethyl-Methyl-Keton, cyclische Ether, wie Tetrahydrofuran, oder Polyether, wie Dimethoxye- thanol oder Dimethoxydiethylenglykol.
Im Falle der Verwendung von wachsartigen Klebern sind nieder- molekulare aliphatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere cyc- lische oder lineare C6 bis C8 Aliphaten bevorzugt.
Bevorzugt ist die Binderflüssigkeit nahezu frei von festen o- der unlöslichen Bestandteilen. Die Obergrenze liegt bevorzugt bei 5 Gew% liegt. Der geringe Gehalt bzw. das vollständige Fehlen von Feststoffen in der Binderflüssigkeit zeigt für die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Bindemitteldüsen deutli- che Vorteile. Abrasion und Verstopfung der Druckköpfe treten mit den erfindungsgemäßen Binderflüssigkeiten im Prinzip nicht mehr auf.
Durch die Benetzung der beschichteten Partikel wird der Kle- ber zumindest im Randbereich der Beschichtung angelöst oder zu Quellung gebracht. In beiden Fällen bildet sich eine kleb- fähige Phase aus die an der Kontaktfläche benachbarter Parti- kel eine Verklebung bewirkt.
Erfindungsgemäß ist die Menge an Binderflüssigkeit so ge- wählt, dass sie für die Auflösung des gesamten in der Be- schichtung gebundenen Klebers nicht ausreicht. Vielmehr ist die Menge der Binderflüssigkeit so dosiert, dass sie nur zum Auf-oder Anlösen an den Berührungspunkten benachbarter Par- tikel ausreicht. Die Anreicherung der Binderflüssigkeiten an diesen Kontaktzonen wird durch Kapillarwirkungen unterstützt.
Bevorzugt liegt die zur Befeuchtung des Pulvers verwendete Menge an Binderflüssigkeit im Bereich von 5 bis 70 Vol% des zu beschichtenden Pulvervolumens. Besonders bevorzugt liegt
die Menge an Binderflüssigkeit beim 5 bis 25-fachen Volumen des in der Beschichtung vorhandenen Klebers.
Durch die darauffolgende Verdunstung kann der Kleber seine Wirkung entfalten. Dabei erweist sich die Verwendung der or- ganischen Lösungsmittel gegenüber wässrigen Binderflüssigkei- ten als weiterer Vorteil. Aufgrund des höheren Dampfdruckes der organischen Lösungsmittel trocknen die befeuchteten Stel- len wesentlich schneller aus. Dies wirkt sich positiv auf die Abbildeschärfe und die Prozessgeschwindigkeit aus.
Die Prozessschritte Aufbringen des Pulvermaterials und Be- feuchtung werden in bekannter Weise zum Aufbau eines 3D- Körpers wiederholt. Aufgrund der minimalen Quell-und Schwin- dungsvorgänge können auch vergleichsweise große Körper nahe- zu spannungsfrei hergestellt werden. Durch das erfindungsge- mäße Pulvermaterial und den erfindungsgemäßen Prozess lässt sich die Materialschwindung unter 2 % senken.
Beim Laserinduzierten Sintern findet die Aktivierung des Kle- bemittels durch Sintern oder Aufschmelzen mittels Laserbe- strahlung statt. Dabei wird die eingetragene Energie so do- siert, dass sie nicht zum Aufschmelzen oder Sintern der Pri- märpartikel ausreicht. Das als Klebemittel eingesetzte Poly- mer weist dabei bevorzugt eine Schmelz-oder Sintertemperatur im Bereich von 50 bis 250°C auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Herstellung von Sinterkörpern möglichst geringer Sinterschwindung. Dabei wird von den über das dargestellte 3D-Binderdruckverfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen beschichteten Pulver- partikel erhältlichen Grünkörpern ausgegangen.
Erfindungsgemäß werden die Grünkörper bei einer Temperatur unterhalb der Sinter-oder Glastemperatur des Pulvermaterials und oberhalb derjenigen des in der Beschichtung enthaltenen Feinkornmaterials gebrannt. Unter der Sintertemperatur ist hier die Temperatur des mittleren Sinterstadiums zu verste-
hen, bei der die Ausbildung eines zusammenhängenden Poren- raums erfolgt, die Erkennbarkeit der einzelnen Teilchen ver- loren geht und die Sinterschwindung beginnt. Bevorzugt liegt die Brenntemperatur der Grünkörper mindestens 30°C unterhalb der Sinter-oder Glasbildungstemperatur des Pulvermaterials.
Hierdurch beschränkt sich die durch Sinterung und/oder Glas- bildung hervorgerufene Schwindung im wesentlichen auf das Feinkornmaterial. Die hierdurch hervorgerufenen Volumeneffek- te sind minimal, gegenüber dem Gesamtvolumen des Grün-oder Sinterkörpers. Daher können feste Sinterkörper erzeugt wer- den, die gegenüber den im 3D-Binderdruckverfahren vorgegebe- nen Abmessungen eine lineare Schwindung von maximal 2 % auf- weisen.
Die hierdurch erhältlichen Kunststoff-, Keramik-oder Metall- körper weisen gegenüber dichtgesinterten Materialien eine ho- he Porosität auf. Die Porosität liegt dabei typischerweise im Bereich von 40 bis 60 Vol%.
Je nach Verwendungszweck können die Sinterkörper nachverdich- tet oder nachgesintert werden, um die Porosität zu senken.
Eine erfindungsgemäß bevorzugte Anwendung der mittels Kera- mik-Pulvermaterial gewonnenen Grünkörper oder Sinterkörper liegt in der Gießereitechnik und dem Formenbau. So eignen sich beispielsweise durch Si02-Feinkornmaterial gebundene A1203-oder ZrSiO-Keramik als Formen oder Einlegeteile beim Feinguss von Metallen.
Die erfindungsgemäßen metallischen Körper eignen sich, insbe- sondere aufgrund ihrer hohen Porosität und guten thermischen Leitfähigkeit, beispielsweise für Anwendungen in Wärmetau- schern, oder Katalysatoren. Durch Nachsintern oder geeignete Nachverdichtung können Kleinst-und Mikrobauteile für unter- schiedlichste feinmechanische Anwendungen gefertigt werden.
Die erfindungsgemäßen Kunststoff-Körper eignen sich insbeson- dere als Musterformen.
Außerdem sind sie zur Verwendung im Werkzeugbau geeignet.