Die Offenbarung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines 3D-Formkörpers unter Verwendung einer Siebplatte. Sie betrifft das Technologiegebiet des Additive Manufacturing, was auch als 3D-Druck bezeichnet wird.

Hintergrund der Offenbarung

In den letzten Jahren haben sich die Anforderungen an die Fertigungsindustrie, insbesondere im Bereich der Entwicklung, der Prototypenherstellung sowie der Produktionsanforderungen, stark gewandelt. Die zunehmende Anzahl an Produktvarianten, bei einer größeren Komplexität, lässt den Bedarf an Prototypen und flexiblen Produktionsverfahren ständig steigen. Unter dem Leitbegriff ,, Rapid Prototyping" oder ,, Rapid Manufacturing" oder „Additive Manufacturing" (AD) oder 3D-Druck sind eine Vielzahl neuartiger Technologien entstanden, mit deren Hilfe sich der Anspruch an eine flexiblere Fertigung und erhöhte Qualitäts- und Fertigungsstandards realisieren lässt.

Wesentliches Merkmal dieser Verfahren ist die Erstellung von Prozesssteuerdaten aus CAD-Geometriedaten mit anschließender Steuerung von Bearbeitungseinrichtungen. Allen diesen Verfahren sind folgende Merkmale gemein. Die Formgebung geschieht nicht durch Materialabtrag, sondern durch Zugabe von Material, oder durch den Phasenübergang eines Materials von flüssig nach fest bzw. es findet eine Kompaktierung eines pulverförmigen Ausgangsmaterials statt. Weiterhin bauen alle Verfahren auf Teilgeometrien aus Schichten endlicher Dicke, die durch einen Slice-Prozess realisiert werden, direkt aus CAD-Daten auf.

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Bestätigungskopie Die heute zur Verfügung stehenden Verfahren unterscheiden sich im Ausgangszustand der Materialien, also fest, flüssig oder gasförmig, bei der Schichtenaddition bzw. dem Bauprozess. Nachfolgend werden verschiedene Verfahren diskutiert.

Binder-Jetting ist ein additives Herstellungverfahren zur Produktion von 3D- Fromteilen, bei dem partikelförmiges Material auf eine Bauplattform aufgebracht wird und mittels selektiv aufgetragenem Bindemittel an ausgewählten Stellen verklebt wird, wobei so dreidimensionale Bauteile hergestellt werden.

Das Selective Laser Sintering (SLS) wurde ursprünglich für Pulver aus Nylon, Polycarbonat und Wachsen entwickelt und später auf Metallpulver übertragen. Hier wird ebenfalls partikelförmiges Material auf eine Bauplattform aufgebracht und mittels Laser selektiv aufgeschmolzen.

Bei der Multiphase Jet Solidification (MJS) werden Metallpulver-Bindergemische ähnlich dem Spritzgussverfahren durch computerkontrollierte verfahrbare Düsen zu Schichten verarbeitet, die dann wiederum das Bauteil aufbauen.

Die Stereolithographie verwendet flüssige UV-sensitive Polymere als Ausgangsmaterialien, die schichtweise durch Lasereinstrahlung aushärten und auf dem Substrat abgeschieden weden. Das Werkstück wird sukzessive auf einer Plattform aufgebaut, die nach Aushärten der jeweiligen Schicht im Harzbad um die entsprechende Schichthöhe abgesenkt wird.

Ebenfalls flüssige Polymere als Ausgangsmaterial werden beim Solid Ground Curing (SGC) verwendet. Dünne Polymerschichten härten nach Belichten durch UV-Strahlung an den gewünschten Stellen aus und bauen so ein Bauteil schichtweise auf.

Simultaneous shot peening (SSP) wird ein Verfahren genannt, bei dem die Oberfläche einer geeigneten Form durch Besprühen mit flüssigem Metall abgebildet wird. Diese Abbildung kann beispielsweise als Teil eines Spritzgusswerkzeuges oder einer Pressform dienen. Dem MJS-Prozess sehr ähnlich ist das Fused Deposition Modelling (FDM). Auch hier wird eine Düse NC-gesteuert über das höhenverstellbare aufzubauende Werkstück gefahren. Durch schichtenweises Abschneiden von geschmolzenem Material und entsprechendes Absenken der Plattform wird das Bauteil aufgebaut.

Laminated Object Manufacturing (LOM) wurde ursprünglich für die Herstellung von Komponenten aus Papier oder Kunststoff entwickelt. Ein Laser schneidet aus einzelnen Lagen die entsprechenden Bauteilschichten, die unter Verwendung von Klebern zum Werkstück zusammenlaminiert werden. Ebenso können gerakelte AI ₂ O ₃ Folien geschnitten und laminiert werden.

Gemäß der DE 101 28 664 werden keramische Formkörper durch Sintern mit einem Laserstrahl von ausgewählten Stellen eines keramischen Materials gebildet. Das Verfahren umfasst die Schritte: - Aufträgen einer Schicht einer flüssigen Suspension oder plastischen Masse, - Trocknen der jeweils aufgetragenen Schicht, und - Sintern der jeweils getrockneten Schicht mit dem Laserstrahl an ausgewählten Stellen und wird verkürzt als Layer-wise Slurry Deposition (LSD) bezeichnet.

Beim 3D Druck werden Schichten polymerer, metallischer oder keramischer Pulver aufgetragen und ortsselektiv mittels lokalem Dosieren eines Binders in tröpfchenform über eine dem Tintenstrahldruck vergleichbare Technologie verfestigt. US 6,596,224 beschreibt ein dazu vergleichbares Verfahren, nur dass das die jeweiligen Pulverschichten nicht als lose Pulverschüttungen erzeugt, sondern mittels Schlickerguss als kompakte Pulverschichten generiert werden, jedoch nicht mit definierter Dicke, sondern wellig und damit nicht planar.

In der EP 2 714 354 Bl wird ein Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper beschrieben, bei dem eine flüssige Suspension mittels Hohlrakel auf eine Baufläche aufgetragen und anschließend getrocknet wird. Anschließend wird die Schicht mit einem Binder selektiv bedruckt und der Vorgang wiederholt bis die gewünschte Bauhöhe erreicht ist. Zuletzt werden die bedruckten Bereiche vom restlichen getrockneten Material durch Behandlung mit Lösungsmittel befreit. Ein Problem bei den bekannten 3D-Druckprozessen ist ihre begrenzte Auflösung und Qualitätsprobleme sowie das Problem von hohem Ausschuss bei angestrebt hoher Auflösung und hohen Produktionsgeschwindigkeiten. Insbesondere bei schnellen Auftragszyklen oder/und dünnen Auftragsschichten kommt es häufig bei bekannten Verfahren zum sog. Curling oder/und einfach zu einer Mitnahme oder teilweisen Mitnahme und zum Aufreißen der vorher aufgetragenen Schicht und somit zu Ungenauigkeiten oder dem Unbrauchbarwerden eines so hergestellten 3D-Formteiles. Somit können nur schwierig sehr dünne Schichten erstellt werden. Beispielsweise erzeugt eine Hohlrakel bei dünnen Schichten viel Reibung und zerreißt im schlimmsten Fall den Film.

Ein weiteres Problem bei bekannten 3D-Druckprozessen sind die Materialeigenschaften der so hergestellten Grünkörper, die von jenen eines konventionell hergestellten Grünkörpers abweichen. Dies Abweichung erlaubt in der Regel nur mit großem technologischem Aufwand oder gar nicht, keramische Bauteile herzustellen, deren Eigenschaften mit einem konventionell hergestellten keramischen Bauteil vergleichbar sind. Als Beispiel sei ein keramischer Grünkörper genannt, der mittels Stereolithographie hergestellt wird. Dieser Grünkörper ist mit bis zu 60 Volumen-% Organik besser als Keramikgefülltes Polymer zu beschreiben. Die Organik muss in aufwendigen Entbinderungsprozessen ausgetrieben werden, bevor der eigentliche Sintervorgang beginnen kann. Je nach Bauteilgeometrie kann das Entbindern zu Defekten im Grünkörper führen, die durch anschließendes Sintern im Allgemeinen nicht beseitigt werden können.

Das 3D Drucken führt wegen der geringen Schüttdichte der keramischen Pulver zu Grünkörpern geringer Dichte. Mittels Sintern lassen sich aus diesen Grünkörpern in der Regel keine dichten Keramiken generieren. Herumfliegende Pulverpartikel der losen Pulverschicht verunreinigen beim 3D Drucken immer wieder den Druckkopf und verkleben die Druckdüsen. Bei der Verwendung feinster keramischer Pulver, die z.B. zur Steigerung der Sinteraktivität oder zur Ausbildung eines besonders feinkristallinen Gefüges des keramischen Bauteils eingesetzt werden, verstärken sich diese negativen Effekte in aller Regel noch. Nach dem Stand der Technik werden zum Aufträgen von Pulverschichten beim dreidimensionalen Drucken Suspensionen (für Keramik auch Schlicker genannt) eingesetzt, jedoch nicht mit definierter Schichtdicke aufgetragen. Bei der vorgeschlagenen Nutzung der Suspensionen entfällt die Problematik einer Verunreinigung des Druckkopfes durch umherfliegende Pulverpartikel. Beim Druckprozess auf Pulverschichten, wie dies im Stand der Technik vorgesehen ist, werden immer wieder lose Keramikpartikel an den Druckkopf geschleudert und verkleben dort die Druckdüsen.

Weiter entfällt beim vorgeschlagenen Verfahren die Problematik, dass sehr feine Partikel eine geringe Fließfähigkeit im trocknen Zustand besitzen und daher ab einer bestimmten minimalen Größe nicht mehr zum Schichtauftrag geeignet sind, oder ein erheblicher technologischer Aufwand betrieben werden muss, um homogene Schichten feinster Pulver zu generieren. Genau diese Probleme sind wegen des Auftragens einer Suspension vermieden. Feine Partikel sind von Vorteil bei zum Beispiel der Oberflächenqualität der Prototypen, deren Sinterfähigkeit oder bei der Einstellung bestimmter besonders feinkristalliner Gefüge in dem Keramikbauteil.

Es wird auch immer angestrebt, kostenintensives Partikelmaterial einzusparen und Verfahrenslösungen zu finden, die einen verminderten Partikelmaterialeinsatz erlauben.

In einem Aspekt war es deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein schnelles, zuverlässiges 3D-Druckverfahren mit guten Qualitätseigenschaften für die Herstellung von Zwischenprodukten, z.B. Grünkörpern, in keramischen, metallischen oder polymeren Werkstoffen bereit zu stellen.

In einem weiteren Aspekt war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein 3D-Druckverfahren mit guter Auflösung und hoher Ausbringung bereit zu stellen.

Nicht zuletzt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem die Dichte der mit dem vorgeschlagenen Verfahren erhältlichen Grünkörper der von konventionell hergestellten Grünkörpern ähnelt. Dies erlaubt dann die Fertigung von Bauteilen aus Keramik, Metall oder anderen Werkstoffen, die ohne großen technologischen Aufwand in nachgeschalteten Verfahren (Post-Prozessing) in ihren wesentlichen Eigenschaften jenen konventionell hergestellter gesinterter Bauteile entsprechen.

Zusammenfassung der Offenbarung

Die der Anmeldung zugrunde liegenden Aufgaben werden offenbarungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines 3D- Formkörpers nach Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Offenbarung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ausführliche Beschreibung der Offenbarung

Im Folgenden werden einige Begriffe im Sinne der Offenbarung definiert, wobei im übrigen das allgemeine Verständnis des einschlägigen Fachmanns anzunehmen ist.

Im Sinne der Offenbarung sind „Schichtbauverfahren" bzw. „3D-Druckverfahren" oder „3D-Verfahren" oder „3D-Druck" alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen ermöglichen und mit den hier im Weiteren beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungsteilen kompatibel sind.

Unter „Binder-Jetting" im Sinne der Offenbarung ist zu verstehen, dass schichtweise Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht wird, jeweils die Querschnitte des Bauteils auf dieser Pulverschicht mit einer oder mehreren Flüssigkeiten bedruckt werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist. Unter Binder-Jetting sind hier auch Schichtbauverfahren zu verstehen, die eine weitere Verfahrens-Komponente wie z.B. eine schichtweise Belichtung z.B. mit IR- oder UV- Strahlung benötigen. Das Binder- Jetting ist ein Verfahren, das unter dem Oberbegriff Additive Manufacturing bekannt ist.

„3D-Formteil", „Formkörper" oder „Bauteil" im Sinne der Offenbarung sind alle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.

„Bauraum" ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial, d.h. durch Suspensions (Schlicker) - oder Pastenauftrag, wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien durchläuft. Der Bauraum kann durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt sein. Bei kontinuierlichen Prinzipien existieren meist ein Förderband und begrenzende Seitenwände. Der Bauraum kann auch durch eine sogenannte Jobbox ausgestaltet sein, die eine in die Vorrichtung ein- und ausfahrbare Einheit darstellt und eine Batch-Herstellung erlaubt, wobei eine Jobbox nach Prozessabschluss ausgefahren wird und sofort eine neue Jobbox in die Vorrichtung eingefahren werden kann, sodass das Herstellungsvolumen und somit die Vorrichtungsleistung erhöht wird.

Als „Baumaterial " oder „Partikelmaterial" oder „Pulver" oder „Pulverschüttung" im Sinne der Offenbarung können alle für den 3D-Druck bekannten fließfähigen Materialien und Pulver verwendet werden, gemäß der vorliegenden Offenbarung als Schlicker, Suspension oder als Paste bezeichnet.

Als „Schlicker" oder „Paste" oder „Suspension" im Sinne der Offenbarung können Suspensionen aus einem oder mehreren Partikelmaterialien und einer Trägerflüssigkeit verstanden werden.

Die darin enthaltenen Partikel können beispielsweise Metalle, Keramikpulver, Polymere und andere Pulver aus anorganischen oder organischen Materialien wie Kunststoffe, Faserwerkstoffe, sowie andere Arten von organischen, pulverförmigen Materialien umfassen. Die Partikel weißen typische mittlere Korngrößen von 0,5pm bis 50pm auf.

Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken, frei fließendes Pulver, aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver kann verwendet werden. Diese Kohäsivität wird durch die Beimengung einer Trägerflüssigkeit eingestellt. Die Beimengung führt dazu, dass das Partikelmaterial in Form eines Schlickers frei fließfähig ist. Generell können Partikelmaterial im Sinne der Offenbarung auch als Fluide bezeichnet werden. Als Trägerflüssigkeit werden Flüssigkeiten und Flüssigkeitsgemische bezeichnet, die sich mit den Partikelmaterialien zu einer Suspension mischen lassen. Die Suspension muss dabei möglichst stabil sein und über eine eingestellte Viskosität und Oberflächenspannung verfügen. Die Trägerflüssigkeit sollte leicht zu trocknen sein und die flüchtigen Bestandteile leicht zu handhaben. Als Trägerflüssigkeiten kommen ohne Einschränkung der Allgemeinheit Wasser, verschiedene Alkohole oder verschiedene Öle zur Anwendung.

Der „Partikelmaterialauftrag" ist der Vorgang bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Nach der vorliegenden Offenbarung wird das Partikelmaterial als Suspension (Schlicker) oder Paste über eine Siebplatte auf das Baufeld bzw. die vorher aufgebrachte Partikelmaterialschicht aufgebracht. Dies kann entweder auf der Bauplattform (Baufeld) oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipien erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird im Weiteren auch „Beschichtung" oder „Recoaten" genannt.

„Selektiver Flüssigkeitsauftrag" oder „selektiver Binderauftrag" oder „selektiver Bindemittelauftrag" kann im Sinne der Offenbarung nach jedem Partikelmaterialauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.

Als „Vorrichtung" zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Offenbarung kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Gemäß der Offenbarung umfasst die Vorrichtung eine Siebplatte. Weitere übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Job-Box, Dosiervorrichtungen und Wärme- und Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.

Das Baumaterial gemäß der Offenbarung wird immer in einer „definierten Schicht" oder „Schichtstärke" aufgebracht, die je nach Baumaterial und Verfahrensbedingungen individuell eingestellt wird. Sie beträgt beispielsweise 0,05 bis 15 mm, vorzugsweise 0,07 bis 2 mm.

„Heizmittel" oder „Entfeuchtungsmittel" im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel, das dazu dient das die Suspension nach ihrem Aufbringen zu entfeuchten. Ein Heizmittel kann jede bekannte und mit den anderen Vorrichtungsteilen kompatible Heizeinheit sein, die dem Fachmann bekannt sind und deshalb hier nicht näher beschrieben werden müssen. Das Heizmittel wird in der Vorrichtung an geeigneter Position angebracht oder dorthin verfahren.

„3D-Drucker" oder „Drucker" im Sinne der Offenbarung bezeichnet das Gerät in dem ein 3D-Druckverfahren stattfinden kann. Ein 3D-Drucker im Sinne der Offenbarung weist ein Auftragsmittel für Baumaterial, z.B. ein Fluid wie ein Partikelmaterial, und eine Verfestigungseinheit, z.B. einen Druckkopf oder ein Energieeintragsmittel wie einen Laser oder eine Wärmelampe, auf. Weitere dem Fachmann bekannte Maschinenkomponenten und im 3D-Druck bekannte Komponenten werden je nach den speziellen Anforderungen im Einzelfall mit den oben erwähnten Maschinenkomponenten kombiniert.

„Baufeld" ist die Ebene oder in erweitertem Sinn der geometrische Ort, auf dem oder in dem eine Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit einer Suspension oder Paste durch die Siebplatte wächst. Häufig wird das Baufeld durch einen Boden, die „Bauplattform", durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt.

Der Prozess „Drucken" oder „3D-Drucken" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Zusammenfassung der Vorgänge Materialauftrag als Suspension oder Paste durch die Siebplatte, selektives Verfestigen oder auch Bedrucken und Arbeitshöhe verstellen und findet in einem offenen oder geschlossenen Prozessraum statt.

Der „Druckkopf" oder Mittel zum selektiven Verfestigen im Sinne der Offenbarung setzt sich üblicherweise aus verschiedenen Komponenten zusammen. Unter anderem können dies Druckmodule sein. Die Druckmodule verfügen über eine Vielzahl an Düsen, aus denen das „Bindemittel" in Tröpfchenform auf das Baufeld gesteuert ausgestoßen wird. Die Druckmodule sind relativ zum Druckkopf ausgerichtet. Der Druckkopf ist relativ zur Maschine ausgerichtet. Damit kann die Lage einer Düse dem Maschinenkoordinatensystem zugeordnet werden. Die Ebene in der sich die Düsen befinden wird üblicherweise als Düsenplatte bezeichnet. Ein weiteres Mittel zum selektiven Verfestigen kann auch ein oder mehrere Laser oder andere Strahlungsquellen oder eine Wärmelampe darstellen. Dabei kommen auch Arrays solcher Strahlungsquellen, wie z.B. Laserdiodenarrays in Betracht. Es ist im Sinne der Offenbarung möglich, dass die Einbringung der Selektivität von der Verfestigungsreaktion getrennt erfolgt. So kann über einen Druckkopf oder eine oder mehrere Laser eine selektive Behandlung der Schicht erfolgen und durch andere Schichtbehandlungsmittel, die Verfestigung gestartet werden. In einer Ausführungsform wird das Partikelmaterial mit einem IR-Absorber bedruckt und anschließend mit einer Infrarotquelle verfestigt.

Unter „Siebplatte" im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel zu verstehen, das dazu geeignet ist auf einem Baufeld oder über oder auf bereits aufgebrachten Partikelmaterialschichten angeordnet zu werden, wobei in einem Verfahrensschritt ein Partikelmaterial als Schlicker (Suspension) oder Paste auf die Siebplatte dosiert und durch die Siebplatte z.B. mittel einer verfahrbaren Rakeleinrichtung auf die vorher aufgebrachte Partikelmaterialschicht aufgebracht wird. Die Siebplatte kann aus einem Metall, einer Legierung, Holz, einem Gewebe oder anderen geeigneten Materialien gefertigt sein. In bekannten Siebdruckverfahren verwendete Siebplatten können hierzu Anwendung finden. Die Siebplatte bzw. die Bauplattform wird nach dem Partikelmaterialauftrag so verfahren, dass die aufgetragene Schicht getrocknet werden kann und anschließend ein Druckkopf Zugang zu der zuletzt aufgebrachten Partikelmaterialschicht hat und ein selektiver Bindemittelauftrag erfolgen kann. Dazu kann die Siebplatte z.B. verfahren werden, z.B. weggekippt oder weggeschwenkt oder vom Baufeld weggefahren werden.

Das Siebgewebe der Siebplatte weist eine Öffnungsweite auf, die geeignet ist, die Suspension am Durchlaufen aufgrund Schwerkraft oder Kapillarwirkung zu verhindern. Typische Öffnungsweiten betragen 0,5 - 15 pm, vorzugsweise 2 - 10 pm. Die Gewebestärke des Siebgewebes ist ebenfalls von hoher Bedeutung für den Prozess, da dieses wie ein Steg wirkt, der eine Ablage der Suspension an den Stellen des Steges verhindert. Typische Siebgewebe weisen deshalb eine Gewebestärke von 5 - 20 pm auf.

Ein wesentlicher erfinderischer Schritt eines Aspektes der Offenbarung liegt in der Herstellung keramischer, aber auch metallischer und/oder polymerer Grünschichten durch eine Kombination eines Siebdruckverfahrens mit einem selektiven Binderdruck.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Offenbarung werden im Folgenden weiter beschrieben.

Die Offenbarung umfasst in einem Aspekt ein Verfahren zum Herstellen eines 3D-Formkörpers (im Folgenden auch als Formkörper bezeichnet), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst oder aufweist:

- Ausbilden eines 3D-Formkörpers aus einem Partikelmaterial, indem wiederholt die folgenden Schritte ausgeführt werden:

- Aufträgen einer Schicht einer Suspension umfassend ein oder mehrere Partikelmaterialien, die in einer Suspensionsflüssigkeit dispergiert sind, in einem Arbeitsvolumen, wobei die Suspension über eine Siebplatte aufgebracht wird.

- Entfeuchten bzw. Aufheizen bzw. Temperieren der aufgetragenen Schicht im Arbeitsvolumen und

- lokales Aufbringen auf die getrocknete Schicht und Aushärten eines Bindemittels einem Schichtmodell des herzustellenden Formkörpers entsprechend, derart, dass Partikel in der getrockneten Schicht untereinander und wahlweise zusätzlich mit Partikeln mindestens einer unter der getrockneten Schicht liegenden Schicht lokal haftend verbunden werden, und

- Entformen des Formkörpers, indem bindemittelfreies Restmaterial von den mit Hilfe des Bindemittels untereinander verbundenen Partikeln gelöst wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen bzw. Erzeugen eines Formkörpers bzw. eines Grünkörpers offenbart, wobei das Erzeugen der Schicht ein zumindest teilweises Eindringen eines Binders in eine getrocknete Schicht einer Suspension umfasst, die keinen Binder enthält. Das bietet Vorteile geringerer Einschränkungen in Hinsicht auf die Zusammensetzung der Suspension, die mittels Siebplatte aufgebracht wird, da der Binder keinen Einfluss auf die Dispersionsstabilität der Suspension hat. Andererseits kann eine getrocknete Schicht mit einer höheren Dichte erzielt werden. Entmischungen während des Setzens der Suspension sind vollständig ausschließbar.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen bzw. Erzeugen eines Formkörpers bzw. eines Zwischenproduktes bzw. eines

Grünkörpers offenbart, wobei das Eindringen des Binders durch Besprühen der getrockneten Schicht mit dem Binder und/oder durch Tauchen der getrockneten Schicht in den Binder oder in eine den Binder enthaltende Flüssigkeit bewirkt wird. Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus einer größeren Palette der einsetzbaren Binder und der Möglichkeit, den Durchdringungsgrad der getrockneten Schicht mit dem Binder über die Konzentration des Binders in seiner Lösung einstellen und steuern zu können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen bzw. Erzeugen eines Formkörpers bzw. eines Zwischenproduktes bzw. eines

Grünkörpers offenbart, wobei der ausgehärtete und/oder vernetzte Binder im flüssigen Medium nicht löslich ist. Auf diese Art und Weise werden selektiv diejenigen Anteile ausgewaschen, die nicht vom Binder verfestigt wurden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen bzw. Erzeugen eines Formkörpers bzw. eines Grünkörpers offenbart, wobei das Medium Wasser und/oder ein organisches Lösungsmittel umfasst, und wobei das organische Lösungsmittel ausgewählt ist unter: Aceton, Cycloheyan, Dioxan, n- Hexan, n-Oktan, Toluol, Trichlorethanol, Dimethylethylketon, iso-Propanol, Ethylalkohol, Methyl-ethyl-keton, oder daraus erhältlichen Mischungen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen bzw. Erzeugen eines Formkörpers bzw. eines Grünkörpers offenbart, wobei eine Dichte des Grünkörpers mindestens 60% der mittleren Materialdichte einer keramischen Komponente einer Suspension beträgt, wenn die Dichte des Grünkörpers als Quotient aus einer Masse des Grünkörpers und einem Volumen, das an Hand von äußeren Konturen des Grünkörpers berechnet wird, definiert ist. Im Falle von Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ) mit einer theoretischen Dichte von 3,94 g-cm ³ bedeutet dies, dass mittels Schlickerdeposition schichtweise aufgebaute Al ₂ 0 ₃ -Grünkörper eine Dichte größer als 2,36 g-cm ³ aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen bzw. Erzeugen eines Formkörpers bzw. eines Zwischenproduktes, z.B. eines Grünkörpers, offenbart, wobei zur verbesserten Auflösung an den Grenzflächen zwischen bedruckten und unbedruckten Bereichen folgende Varianten zum Einsatz kommen können:

•Eine Kombination aus Druckbild — erzeugt durch den Druckkopf und dem entsprechenden Binder — mit einem Laser, der für hochauflösende Bauteile zur Verbesserung der Detailauflösung die Grenzflächen zwischen bedruckten und unbedruckten Bereichen abscannen kann.

•Eine Kombination aus 2 Druckfluiden Binder A und Fluid B. Binder A wird dabei in Bereichen aufgetragen, an denen das Bauteil entstehen soll. Grundsätzlich soll dabei das zweite Druckfluid Fluid B komplementär zum Binder A aufgebracht werden. D.h. in Bereichen an denen nicht der primär formgebende Binderauftrag mit Binder A erfolgt ist wird ein weiteres Fluid B zur Detailverbesserung aufgetragen. Dabei kann entweder nur die Grenzfläche zwischen mit Binder A bedrucktem und unbedrucktem Schlicker mit Fluid B bedruckt werden oder die gesamte mit dem ersten Binder A unbedruckte Fläche. Vorteile können hier neben der Verbesserung der Detaillierung, auch ein verbessertes Recycling bei der Wiederaufbereitung des nicht mit Binder A bedruckten Materials sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung umfasst das Erzeugen des Formkörpers das lokal begrenzte Aufbringen eines die Löslichkeit des Partikelmaterialhaufwerks ändernden flüssigen Bindemittels. Dabei wird unter dem Partikelmaterialhaufwerk die aufgebrachte Schicht der Partikel bzw. das Partikelmaterial verstanden. Dieses - gemäß dem Schichtmodell des herzustellenden Formkörpers - lokal begrenzte Aufbringen des die Löslichkeit des Partikelmaterials ändernden flüssigen Bindemittels bewirkt, dass sich die Löslichkeit des Partikelmaterials der Schicht gegenüber der Löslichkeit der nicht mit dem Bindemittel versehenen Partikel ändert, bzw. sich die Löslichkeit betreffender Anteile der Schicht ändert. Damit wird die Löslichkeit der für den Aufbau des Formkörpers selbst bestimmten Abschnitte der Partikelschicht geändert. Beim Entformen umgebenden Partikelmaterials bildet sich somit der Formkörper heraus.

Nach einem weiteren Aspekt der Offenbarung wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines 3D-Formkörpers mit den folgenden Merkmalen offenbart:

- einem weitestgehend geschlossenen Arbeitsraum, in dem der Prozess des Aufbaus des Formkörpers stattfindet,

- einem Vorratsvolumen, welches konfiguriert ist, eine Suspension aus einem oder mehreren Partikelmaterialien aufzunehmen, die in einer Suspensionsflüssigkeit dispergiert sind,

- mindestens eine Bauplattform, welche konfiguriert ist, die gewünschte Anzahl an Schichten aufzunehmen und gegebenenfalls über eine maschinenlesbare Markierung zu Positionserkennung verfügt,

- eine Aufnahmeeinrichtung für die mindestens eine Bauplattform, wobei die Aufnahmeeinrichtung eine Fördereinrichtung für die Bauplattform beinhalten kann, wobei die Fördereinrichtung geeignet ist, die Bauplattform zu verschiedenen Stationen im Prozessablauf automatisch zu befördern,

- eine Schicht bildende Auftragseinrichtung, welche konfiguriert ist, wiederholt eine Suspensionsmenge aus dem Vorratsvolumen zu entnehmen und in ein Arbeitsvolumen zu übertragen und dort als Schicht aufzutragen. Diese beinhaltet eine Siebplatte über die bzw. mittels derer die Suspension auf das Baufeld bzw. die zuletzt aufgebrachte Partikelmaterialschicht aufgebracht wird, eine Rakeleinrichtung, die die Suspension durch die Siebplatte auf die zuletzt gefertigte Schicht aufträgt und die notwendigen Bewegungseinrichtungen für die Siebplatte und die Rakel. - eine Entfeuchtungseinrichtung bzw. eine Heiz- oder Temperiervorrichtung, welche konfiguriert ist, die aufgetragene Schicht im Arbeitsvolumen zu entfeuchten. Die Entfeuchtungseinrichtung kann sich im Prozessraum befinden, in dem auch die Schichtaufbringung erfolgt. Wirtschaftlicher lässt sich die Anlage jedoch betreiben, wenn die Prozesse Schichtauftrag und Entfeuchten getrennt und gleichzeitig stattfinden können. Dazu kann der Prozessraum über eine weitere angeschlossene Kammer verfügen, in die eine Bauplattform mit einer gerade aufgebrachten Schicht eingebracht und getrocknet wird. In dem anderen Prozessraum mit der Schichtaufbringungsvorrichtung wird zur gleichen Zeit eine neue Schicht eines anderen Bauvorganges auf eine weitere Bauplattform aufgebracht. Prinzipiell ist auch eine vollkommene räumliche Trennung der beiden Teilprozesse Schichtaufbringung und Entfeuchtung denkbar. In diesem Fall werden die Bauplattformen über geeignete Förderstrecken von einer Prozessstation zur nächsten transportiert. Eine solche Förderstrecke könnte z.B. eine Förderanlage sein, die die Bauplattformen im Kreis durch die einzelnen Stationen bewegt.

- eine Bindemittel-Austrageinrichtung, welche konfiguriert ist, ein Bindemittel einem Schichtmodell des herzustellenden Formkörpers entsprechend auf die entfeuchtete Schicht lokal aufzutragen, derart, dass Partikel in der entfeuchteten Schicht untereinander und wahlweise zusätzlich mit Partikeln mindestens einer unter der entfeuchteten Schicht liegenden Schicht lokal haftend verbunden werden. Die Bindemittel-Auftragseinrichtung kann in Form eines Druckkopfes gebildet sein, der eine Vielzahl an Düsen aufweist und mäanderförmig über das Baufeld bewegt werden muss, um dieses in festgelegter Auflösung bedrucken zu können. Es ist aber auch denkbar, dass der Druckkopf sich über eine Seitenlänge des Baufeldes erstreckt und so viele Düsen aufweist, dass er das Baufeld in einer Überfahrt bedrucken kann. Nicht zuletzt ist in diesem Fall auch möglich, dass sich der Druckkopf in der Anlage nicht bewegt und die Bauplattform mit dem jeweiligen Baufeld unter dem Druckkopf hindurchgeführt wird. Die Bindemittel- Auftragseinrichtung kann in dem Prozessraum der Schichtaufbringungseinrichtung untergebracht sein, es besteht aber die Möglichkeit auch diesen Prozess räumlich von den anderen Teilprozessschritten zu trennen und über verschiedene Bauplattformen zu koppeln. Auch hier bietet sich die kreislaufförmige Bewegung von Bauplattformen über die verschiedenen Prozessstationen an. Die Registriermarke auf der Bauplattform gibt dabei zusammen mit der Fördergeschwindigkeit der Bauplattform ein geeignetes Mittel zum genauen Positionieren und Referenzieren des Druckbildes. Die Bindemittel- Auftragseinrichtung verfügt dabei über geeignete Mittel zur Bindermittelversorgung, zur Datenversorgung, zur Reinigung der Düsen und zum sogenannten Cappen - dem gezielten Sichern der Düsen vor Eintrocknung durch Abdecken - beim möglichen Stillstand der Anlage.

- vorzugsweise eine Entformungseinrichtung, welche konfiguriert ist, den Formkörper zu entformen, indem bindemittelfreies Restmaterial von den mit Hilfe des Bindemittels untereinander verbundenen Partikeln gelöst wird. Dazu wird der getrocknete Baukörper einem Lösungsmittel, vorzugsweise einer wässrigen Lösung ausgesetzt, die die Bindewirkung der eingetrockneten Suspension ohne Binder löst.

Die Offenbarung umfasst in einem Aspekt die Verwendung einer Siebplatte über die eine Suspension mit Partikelmaterial aufgebracht wird und mittels Bindemittel eine selektive Verfestigung erzielt wird, wobei die Siebplatte vor dem selektiven Aufträgen des Bindemittels verfahren wird und gegebenenfalls überschüssige Suspension vor dem Verfahren von der Siebplatte entfernt wird. Die Auswahl der Charakteristika der Siebplatte erlaubt es so vorteilhafter Weise zum einen sehr dünne Schichten in vorteilhafter Qualität aufzutragen und weitere Vorteile zu erzielen, wie gegebenenfalls Materialeinsparungen, wenn der Suspensionsauftrag in Bereichen ausgespart wird.

Bei dem offenbarten Verfahren wird der 3D-Formkörper in einem hinsichtlich der äußeren Gestaltung des herzustellenden Formkörpers formfreien Arbeitsvolumen erzeugt, indem nacheinander mehrere Schichten einer Suspension aus Pulverpartikeln, die in einer Suspensionsflüssigkeit dispergiert sind, aufgebracht werden. Die Suspension umfassend die Pulverpartikel wird über eine Siebplatte auf die vorher aufgebrachte Partikelschicht aufgebracht, wobei die Siebplatte vor dem selektiven Aufträgen des Bindemittels in geeigneter Weise verfahren wird, um das selektive Aufträgen des Bindemittels ungehindert zu ermöglichen. Nach dem Aufbringen erfolgt jeweils eine Trocknung (Aufheizen/Entfeuchtung) der aufgebrachten Schicht, worauf dann ein Bindemittel lokal aufgetragen wird, um die Partikel in der getrockneten Schicht untereinander dem Schichtmodell des herzustellenden Formkörpers entsprechend zu verbinden. Wahlweise erfolgt der Auftrag des Bindemittels derart, dass das Bindemittel sich nicht nur in den vorgesehenen Bereichen der getrockneten Schicht ausbreitet, sondern auch in eine oder mehrere darunterliegende Schichten, sodass die aktuell aufgetragene Schicht an die darunterliegenden Schichten angebunden wird. Die Verteilung des Bindemittels kann beispielsweise mittels des Druckes eingestellt werden, mit dem das Bindemittel auf die getrocknete Schicht aufgetragen wird. Das lokale (selektive) Aufträgen des Bindemittels wird einem elektronischen Datensatz für das Schichtmodell des herzustellenden Formkörpers entsprechend gesteuert. In dem Schichtmodell ist der herzustellende Formkörper vorher in Schichten zerlegt, woraus ein für den Herstellungsprozess angepasster Datensatz zur Steuerung des Verfahrens abgeleitet ist. Die Bereitstellung des Schichtmodells ist als solche bekannt und wird hier deshalb nicht weiter erläutert.

Verschiedene Aspekte und bevorzugte Aspekte der Offenbarung können wie folgt beschrieben werden:

In einem Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen von 3D- Formkörpern, wobei eine Suspension umfassend metallisches, keramisches oder polymeres Partikelmaterial oder zementgebundene Werkstoffe als Suspensionsschicht auf eine Bauplattform zum Herstellen einer Schicht aufgetragen wird, zumindest teilweises Entfeuchten der so aufgetragenen Schicht, selektives Aufbringen eines Bindemittels und Verfestigen des selektiv aufgebrachten Bindemittels, wobei diese Schritte solange wiederholt werden bis der gewünschte 3D-Formkörper erhalten wurde und gegebenenfalls Entfernen des nicht mittels Bindemittel verfestigten Partikelmaterials und Entpacken des 3D-Formkörpers, wobei das Aufträgen der Suspension zur Herstellung einer Schicht mittels Siebplatte erfolgt, die auf die zuletzt aufgetragene Schicht auf der Bauplattform positioniert wird und durch die die Suspension auf die letzte Partikelmaterialschicht aufgebracht wird und wobei die Siebplatte vor dem selektiven Aufbringen des Bindemittels wieder entfernt wird. Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass sich das Partikelmaterial auf das im vorhergehenden Verfahrensschritt aufgebrachte Partikelmaterial absetzt.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Suspension weitere Partikelmaterialien zugegeben werden, vorzugsweise ein Füllmaterial oder ein zweites oder weiteres Partikelmaterial zur Erzielung eines Partikelmaterialgemisches.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Suspension mit einem oder mehreren Rakeln durch die Siebplatte aufgetragen wird.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das metallische Partikelmaterial ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Werkzeugstahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Titan oder einer Titanlegierung, einer Chrom-Cobalt-Molybdän Legierung, einer Bronzelegierung, einer Edelmetalllegierung, einer Nickelbasislegierung, und einer Kupferlegierung, das keramische Partikelmaterial ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxidkeramik, Silikatkeramik, Zirkonkeramik, das polymere Partikelmaterial ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Methylacrylat (MMA), Polymethylacrylat (PMMA), Polyamid 12 (PA12),

Polypropylen (PP), Thermoplastisches Polyurethan (TPU) und Polyether Blockamid (PEBA).

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Dicke der nacheinander aufgetragenen Suspensionsschichten 10 bis 180 pm beträgt.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die erhaltene Partikelmaterialschicht 5 bis 150 miti beträgt.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Suspension als Lösemittel eine wässrige Flüssigkeit umfasst. Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass nach dem Aufträgen der Suspension ein Entfeuchtungsschritt mittels Warmluft oder Temperieren des Bauraumes, vorzugsweise bei einer Temperatur von 90 bis 110 °C durchgeführt wird.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass nach jedem oder jedem zweiten oder jedem dritten Aufträgen der Suspension ein Bindemittel selektiv aufgetragen wird.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass ein organisches Bindemittel verwendet wird, welches nach dem Aushärten nicht wasserlöslich und/oder nicht löslich in organischen Lösungsmitteln ist.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Bindemittel geeignet ist die Löslichkeit der selektiv bedruckten Bereiche gegenüber den unbedruckten Bereichen für ein Lösungsmittel zu erhöhen oder zu erniedrigen.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Verfestigen mittels Laserstrahl, thermischem Energieeintrag oder Temperaturänderung erfolgt.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Bindemittel über einen Warmhärteprozessverfestigt wird, das Bindemittel über einen UV- Härteprozess ausgehärtet wird, das Bindemittel durch Abkühlen durch einen Phasenwechsel verfestigt wird, das Bindemittelmit einer Komponente in der Suspension chemisch oder physikalisch reagiert uns ausgehärtet wird oder/und das Bindemittel in der Suspension enthalten ist und mit einer selektiv mit dem Druckkopf aufgetragenen Druckflüssigkeit das Bindemittel aktiviert oder gelöst oder gestoppt wird. Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Siebplatte Lochungen aufweist oder ein Sieb ist.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass in dem Verfahren ein 3D-Formkörper als Grünkörper hergesteilt wird, der vorzugsweise weiteren Verfahrensschritten unterzogen wird, vorzugsweise einem Wärmebehandlungsschritt, mehr bevorzugt einem Sinterschritt.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass wobei der Vorgang des Suspensionsauftragens auf ein 400 x 400 mm Baufeld ca 3 bis 6 Sekunden, vorzugsweise ca. 4 Sekunden beträgt.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass ein Laserstrahl die Grenzfläche zwischen unbedruckten und bedruckten Bereichen einer Schicht vor oder nach dem Binderauftrag abscannt, um an Funktionsflächen einen noch höheren Detaillierungsgrad zu erreichen.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass vor und/oder nach dem Binderauftrag ein Medium an der Grenzfläche zum unbedruckten Bereich oder auf dem kompletten unbedruckten Bereich aufgetragen wird.

Das hier beschriebene Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Medium ein in Kombination mit dem verwendeten Binder oder/und Partikelmaterial reaktionshemmender (Beispiel alkalische Lösung bei Phenolbinder) oder/und eine Lösung ist, vorzugsweise ist es eine alkalische Lösung in Verbindung mit einem Phenolbinder.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Formkörpern, die eine Bauplattform, eine oder mehrere Siebplatten, ein Partikelsuspensionsmaterialauftragsmittel und mindestens einen Druckkopf zum selektiven Aufträgen von Bindemittel aufweist. Die hier beschriebene Vorrichtung kann weiterhin eine Trocknungseinrichtung aufweisen.

Die hier beschriebene Vorrichtung kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die Bauplattform höhenverfahrbar (Z-Achse) ist oder kontinuierliche Verfahrmittel, z.B. Rollen, aufweist.

Die hier beschriebene Vorrichtung kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die eine oder mehrere Siebplatten in Z-, X- und/oder Y-Achse verschieblich sind.

Die hier beschriebene Vorrichtung kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die Siebplatte besteht aus oder umfasst ein Metall, ein Gewebe, ein Kunststoff oder ein Komposit.

Die hier beschriebene Vorrichtung kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die Bauplattform in einem Bauraum angeordnet ist, der einen geschlossenen Raum darstellt.

Das hier offenbarte Verfahren bzw. die hier offenbarte Vorrichtung bieten gegenüber dem Stand der Technik weitreichende Vorteile:

Mit dem hier offenbarten Verfahren mit Siebplatte kann ein vorteilhaft sauberes Arbeiten gewährleistet werden. Das liegt zum einen daran, dass die Paste auf dem Sieb verbleibt, wenn gerade kein Dosiermittel, wie z.B. ein Rakel (Hohlrakel) darüber streicht. Bei Verwendung eines Hohlrakel gibt es ein Start- Stop-Verhalten, das zu ungewolltem Ausfluss von Suspension/Partikelmaterial/Schlicker führt. Zudem läuft auch an der Seite stets Schlicker ab. Bei der Verwendung einer Siebplatte wird nur dort beschichtet, wo die Siebplatte frei ist, d.h. Öffnungen aufweist.

Bei der Verwendung eines Hohlrakel kann der Schlicker u.U. an der relativ großen Öffnung abtrocknen und zu einem Verschließen des Spaltes führen. In der verwendeten Siebplatte kann die Paste hingegen einfacher feucht gehalten werden.

Der Schichtauftrag kann mit einer Siebplatte sehr schnell durchgeführt werden ohne die Integrität der Schicht zu gefährden. Ein 400 x 400 mm Feld kann z.B. in 4 Sekunden beschichtet werden.

Weiterhin kann bei Verwendung einer Siebplatte sehr exakt gearbeitet werden und ein vorteilhafter Weise eine hohe Qualität der Schichten erzielt werden. Es kann so eine sehr gleichmäßige dünne Schicht hergestellt werden. Es können so auch sehr dünne Schichten verarbeitet werden und der Nachteil aus dem Stand der Technik bei z.B. beim Einsatz eines Spaltrecoaters und dem Erzeugen von dünnen Schichten der Reibungserzeugung und dem Zerreißen der Schichten vermieden werden kann.

Weiterhin bietet sich der Vorteil bei Verwendung einer Siebplatte, dass Partikelmaterial eingespart werden kann. Z.B. kann durch teilselektives Aufbringen der Schicht durch eine Siebplatte mit einer an eine gewünschte Teilegeometrie angepasste Siebplatte nur in Teilbereichen Partikelmaterial mittels Suspension aufgebracht werden und so erfolgt vorteilhafter Weise eine signifikante Einsparung von Material.

Weiterhin wird es vorteilhafter Weise auch möglich durch eine Kombination von Drucktechnikaspekten verschiedene Prozessabläufe zu definieren. Z.B. kann ein positiver Druck nach Schichtauftrag und Zwischen-Trocknen durchgeführt werden oder ein negativer Druck ebenfalls nach Schichtauftrag und Trocknen.

Die Dicke der nacheinander aufgetragenen Suspensionsschichten beträgt vorzugsweise zwischen etwa 1 pm und etwa 200 miti.

Nachdem das wiederholte Aufträgen der Suspensionsschichten und deren Bearbeitung abgeschlossen sind, wird der so hergestellte Formkörper entformt. Dieses bedeutet, dass die mit dem Bindemittel untereinander verbundenen Partikel, welche den Formkörper bilden, vom bindemittelfreien Restmaterial in dem Arbeitsvolumen getrennt werden. Das Arbeitsvolumen selbst ist für den hergestellten Formkörper nicht formgebend. Vielmehr wird die äußere Gestaltung des Formkörpers mit Hilfe des lokalen Auftragens des Bindemittels bewirkt, welches nach dem Aushärten für den Zusammenhalt der Partikel sorgt.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Offenbarung sieht vor, dass das Bindemittel mit Hilfe einer Druckvorrichtung lokal aufgebracht wird. Das Aufträgen des Bindemittels erfolgt bei der Druckvorrichtung zweckmäßigerweise mit Hilfe eines geeigneten Druckkopfes. Derartige Druckköpfe sind dem Fachmann bekannt. Mit der Druckvorrichtung wird ein dreidimensionales Drucken zur Herstellung des Formkörpers realisiert.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Offenbarung kann vorgesehen sein, dass die aufgetragene Schicht beim Entfeuchten erhitzt wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Offenbarung kann vorsehen, dass der Formkörper als ein poröser Formkörper hergestellt wird.

Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Offenbarung vor, dass beim Aushärten des Bindemittels ein oder mehrere Schritte aus der folgenden Gruppe von Schritten ausgeführt werden: Lufttrocknen, Wärmezuführen und UV-Lichtbestrahlen. Das Aushärten des Bindemittels kann allein durch Lufttrocknung erfolgen. Ergänzend oder alternativ können eine Wärmezufuhr und / oder eine UV-Lichtbestrahlung eingesetzt werden, um das Bindemittel nach dem Aufträgen auszuhärten. Alternativ sind auch möglich chemische oder physikalische Starterreaktionen.

Eine Weiterbildung der Offenbarung kann vorsehen, dass das Entformen zumindest teilweise in einem Flüssigkeitsbad ausgeführt wird. Bei dem Flüssigkeitsbad kann es sich beispielsweise um ein Wasserbad handeln. Mit Hilfe des Flüssigkeitsbades werden die nicht mit Bindemittel gebundenen Partikel vom Formkörper gelöst.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Offenbarung sieht vor, dass der Formkörper mit einer Dichte von wenigstens 60Vol.-%, bevorzugt von wenigstens 65Vol.-% und weiter bevorzugt von wenigstens 70Vol.-% hergestellt wird. Gemäß einer typischen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen bzw. Erzeugen eines Formkörpers bzw. eines Grünkörpers vorgeschlagen, wobei eine Dichte des Grünkörpers mindestens 60% der mittleren Materialdichte einer feststoffförmigen Komponente einer Suspension beträgt, wenn die Dichte des Grünkörpers als Quotient aus einer Masse des Grünkörpers und einem Volumen, das an Hand von äußeren Konturen des Grünkörpers berechnet wird, definiert ist. Im Falle von Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ) mit einer theoretischen Dichte von 3,94 g-cm ³ bedeutet dies, dass mittels Schlickerdeposition schichtweise aufgebaute Ai ₂ 0 ₃ -Grünkörper eine Dichte größer als 2,36 g-cm ³ aufweisen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Offenbarung sieht vor, dass ein organisches Bindemittel verwendet wird, welches nach dem Aushärten nicht wasserlöslich und / oder nicht löslich in organischen Lösungsmitteln ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass beim anschließenden Entformen unbeabsichtigt Partikel von den gebundenen Schichten gelöst werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Offenbarung kann vorgesehen sein, dass der entformte Formkörper gesintert wird. In einer Ausgestaltung wird das organische Bindemittel beim Sintern des Formkörpers pyrolysiert. In dieser oder anderen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass der Formkörper durch das Sintern zusätzlich verdichtet wird, sodass der Formkörper mit einer Materialdichte hergestellt wird, die größer als die Materialdichte des Formkörpers nach dem Entformen ist.

Im Zusammenhang mit der Vorrichtung zum Herstellen des 3D-Formkörpers kann vorgesehen sein, dass die Bindemittel-Austrageinrichtung eine Druckereinrichtung ist, mit der, vergleichbar der Technologie des Tintenstrahldruckens, das Bindemittel auf die zuvor getrocknete Schicht lokal, d.h. selektiv, aufgetragen wird.

Teil der Entformungseinrichtung zum Entformen des Formkörpers kann ein Flüssigkeitsbad sein, in welchem die bindemittelfreien Restpartikel von den mit Hilfe des Bindemittels untereinander verbundenen Partikeln gelöst werden.

Die schichtbildende Auftragseinrichtung kann eine Fördereinrichtung umfassen, um die zur Schichtbildung notwendige Suspensionsmenge aus dem Vorratsvolumen auf die Siebplatte zu fördern. Eine Rakeleinrichtung kann vorgesehen sein, um die Schichtausbildung zu unterstützen.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens weist die so erhaltene Schicht definierter Dicke eine konstante Dicke auf. Ein wesentliches Merkmal einer so erhaltenen Schicht definierter Dicke besteht darin, dass die jeweils aufgebrachte Schicht eine über ihre gesamte Ausdehnung konstante Höhe aufweist und sich somit insbesondere durch eine ebene, nicht gewellte und damit planare Oberfläche auszeichnet. Jede mit der Siebplatte gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erhaltene Schicht ist somit dadurch gekennzeichnet, dass sie vorteilhafterweise eine ebene, nicht gewellte Oberfläche aufweist.

Damit besteht der verfahrensgemäß erhaltene Formkörper durchgängig aus in sich planaren Schichten und ist im Wesentlichen frei von Wellungen, da jede Schlickerschicht stets auf eine planare Oberfläche aufgetragen wird. Das bietet besondere Vorteile für ein gleichmäßiges Trocknen und die damit erreichbare gleichmäßige Haftung nachfolgend übereinander angeordneter Schichten, die ja den schichtweise aufgebauten Formkörper kennzeichnen.

In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Entfeuchtungseinrichtung mit einer Heizeinrichtung gebildet, die konfiguriert ist, der aufgetragenen Suspensionsschicht Wärme zuzuführen, sodass diese getrocknet wird.

Die Beschreibung weiterer bevorzugter Ausführungsbeispiele der Offenbarung folgt im Weiteren.

Die Offenbarung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es werden Ausgestaltungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines metallischen oder keramischen Formkörpers beschrieben, die wenigstens zum Teil dem Rapid Prototyping oder dem Rapid Manufacturing/Additive Manufacturing zuzuordnen sind.

Bei dem Verfahren wird zunächst in üblicher Weise mit einem Rechnerprogramm das herzustellende Bauteil entworfen, geeignet in Schichten geschnitten und als Datensatz exportiert. Mit dem Zerlegen in Schichten entsteht ein Schichtmodell des herzustellenden Formkörpers. Der Datensatz enthält Schichtinformationen für den herzustellenden Formkörper.

Die Schichtdaten werden von einem Rechner der Herstellungsvorrichtung interpretiert, um hieraus Steuerungsdaten abzuleiten, mit denen die Herstellungsvorrichtung gesteuert wird, insbesondere zunächst zum Ausbilden der dünnen Suspensionsschichten, die im Fall eines keramischen Materials auch als Grünschichten bezeichnet werden. Zu den nutzbaren keramischen Pulvermaterialien gehören zum Beispiel Porzellan, Al ₂ 0 ₃ , AIN, Si0 ₂ , Si ₃ N ₄ .

Das Ergebnis des Herstellungsprozesses ist ein Prototyp, der formfrei hergestellt wurde, beispielsweise ein Halbzeug.

Zur Herstellung der Suspensionsschichten wird eine speziell eingestellte Suspension eingesetzt, die im Fall einer Suspension eines keramischen Materials auch als Schlicker bezeichnet wird. Im Vergleich zu konventionellem Gießschlicker muss die Suspension hier in der Regel eine höhere Viskosität bei niedrigerem Wassergehalt aufweisen. In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens bildet ein Schlicker für die Serienfertigung die Grundlage, der einzig über die Erhöhung des Feststoffanteils eingedickt werden muss, oder direkt verwendet werden kann. Damit ist der Herstellungsprozess für den Schlicker in diesem Fall sehr kostengünstig.

Der Vorteil des Einsatzes von flüssiger Suspension gegenüber der im Stand der Technik vorgesehenen Nutzung von Pulver liegt z.B. in der Steigerung der Materialdichte, die im Fall eines keramischen Materials auch als Gründichte bezeichnet wird. Im pulverförmigen Zustand laden sich die Pulverpartikel elektrostatisch auf und stoßen sich gegenseitig ab, was zum einen zu einer geringen Schüttdichte, zum anderen zu relativ dicken Schichten führt. Beide Effekte resultieren in einer unbefriedigenden Abbildungsgenauigkeit.

Bei dem offenbarten Verfahren wird die zur Herstellung des Formkörpers bereitgestellte Suspension mittels einer Fördereinrichtung aus einem Speicheroder Vorratsgefäß mit Hilfe eines Rakels durch eine Siebplatte gepresst. Ein Manipulator drückt dazu die Siebplatte auf die zuletzt prozessierte Schicht, auf der sich eine ausreichende Menge Paste oder Schlicker befindet. Hierzu kann die Suspension z.B. linienförmig vor das Rakel dosiert werden, das sich auf einer Längsseite des Siebes befindet. Aufgrund der Oberflächenspannung verbleibt die Suspension auf der Siebplatte und tropft nicht durch diese hindurch ab. Dann wird die Suspension über eine Rakel, die mittels eines Manipulators über die Siebplatte geführt wird, durch die Siebplatte gepresst. Der Schlicker trifft auf die vorhergehende Schicht und verbindet sich mit dieser. Nachdem die Rakel die gesamte Siebplatte überstrichen hat, wird die Siebplatte von der Schicht abgezogen. Der Schlicker, der sich zwischen dem Siebgewebe befindet, verbleibt teilweise auf der vorherigen Schicht und verteilt sich aufgrund Schwerkraft und Oberflächenkräften gleichmäßig. Es entsteht eine dünne Schicht definierter Dicke Die Bauplattform (Platte) kann temperiert sein, um das Aufbringen der ersten Schichten zu erleichtern. Die Temperatur der Bauplattform wird dabei unter 100°C an ihrer Oberfläche liegen, um ein Aufkochen des Wasseranteils in der Suspension bei Verwendung wasserbasierter Schlicker während des Auftragens der ersten Schichten zu verhindern. Mit steigender Schichtanzahl kann die Temperatur deutlich gesteigert werden, da die bereits aufgebrachten Lagen sehr saugfähig sind und die Feuchtigkeit der neuen Schicht innerhalb von Sekundenbruchteilen zunächst aufnehmen. Die neue Schicht wird dadurch stabilisiert, und die Feuchtigkeit wird innerhalb von weniger als 30 Sekunden verdampft.

Neben der Trocknung von unten über die beheizte Platte (Bauplattform) kann alternativ oder ergänzend eine Strahlungsheizung in Kombination mit einem Lüfter eingesetzt werden. Eine zusätzliche Trocknung von oben ist unter Umständen nötig, wenn entstandene Scherben isolierend wirken und damit die Temperatur der obersten Schichten zu niedrig für eine ausreichend schnelle Trocknung (Entfeuchtung) bei steigender Dicke des Schichtaufbaus werden kann. Die mit diesem Verfahren herstellbaren Schichten weisen eine Dichte vergleichbar zu konventionell hergestellten Grünkörpern von etwa 65Vol.-% auf.

Mittels eines Druckkopfes einer Druckereinrichtung wird, ähnlich einem dreidimensionalen Drucken, ein Bindemittel auf die getrocknete Schicht selektiv in Tröpfchenform aufgetragen. Der Binder benetzt die z.B. keramischen oder metallischen Partikel (oder wahlweise andere hier offenbarten Partikelmaterialien) und durchdringt so die Schicht. Diese Durchdringung der Schicht ist notwendig, um die gewünschten Partikel im Schichtquerschnitt zu verbinden und die obere Schicht an tiefer liegende Schichten lokal zu binden. Die Menge des aufgetragenen Binders ist derart bemessen, dass der Binder bis zu einer gewünschten Tiefe in den Körper, aufgebaut aus Schichten, eindringen kann. Diese Eindringtiefe des Binders richtet sich nach der Schichtdicke einer einzelnen aufgetragenen Schicht und dem gewünschten Durchdringungsgrad des Bindemittels tiefer liegender Schichten.

Der Binder hat die Eigenschaften, dass er nach dem Dosieren aushärtet, zum Beispiel durch Luftkontakt, thermisch, UV-Licht, 2-Phasenaufspritzen und / oder dergleichen, und anschließend nicht oder nur im geringen Maße durch andere den aufgebauten Formkörper ohne Binder auflösende Medien löslich ist.

Ohne den Schritt der thermisch oder photonisch initiierten Aushärtung/Vernetzung hat der Binder keine oder nur eine sehr geringe, für den Prozess unbedeutende Bindewirkung für die Pulverpartikel. Mit seiner thermisch oder photonisch initiierten Aushärtung/Vernetzung sorgt der Binder für eine dauerhafte Verklebung der Pulverpartikel der Suspension.

In einer anderen Ausführungsform weist der Binder in Kombination mit dem Partikelmaterial der Suspension eine „entbindende" Wirkung auf, so dass sich das bedruckte Material nach dem Auftragsprozess leichter lösen lässt. Es ist auch denkbar, dass sich diese entbindende Wirkung erst auf den Sinterprozess bezieht, der nach Abschluss des Schichtaufbaus folgt und die bedruckten Bereich in diesem Prozess-Schritt nicht versintern. Dazu würde in dieser Ausführungsform der gesamte Schichtenkörper einschließlich der unbedruckten Bereich in einem Ofenprozess gesintert werden. Das hätte den Vorteil, dass die gewünschten Bauteile weiterhin im Schichtmaterial eingebettet bleiben und sich im Sinterprozess nicht verbiegen können.

Generell ist es auch denkbar, dass die Schicht sowohl mit bindender Flüssigkeit und entbindender Flüssigkeit bedruckt wird.

Nicht zuletzt kann der Binder weitere Hilfsmittel in flüssiger wie feststoffförmiger Form beinhalten, die z.B. ein Versintern fördern oder Verhindern oder die die Dichte erhöhen oder weitere Funktionalität wie z.B. elektrische oder thermische Leitfähigkeit in den Grünkörper einbringen.

Nach Abschluss des Druckvorgangs wird eine neue Schicht mittels Siebplatte mit z.B. einer Dicke von etwa 1 pm bis etwa 100 pm oder dünner aufgebracht und getrocknet, und der Druckprozess beginnt von neuem. Sukzessive wird derart der Formkörper dem Schichtmodell entsprechend Schicht für Schicht aufgebaut. Nach Abschluss der Aufbauphase wird der nun aus einer Vielzahl von Schichten bestehende Formkörper in ein Wasserbad oder andere den aufgebauten Formkörper ohne Binder auflösende Medien gelegt, und die binderfreien Bereiche lösen sich auf. Auf diese Weise gibt der Formkörper ein Bauteil frei.

Das so generierte Bauteil entspricht in seinen Eigenschaften einem konventionellen Grünkörper, dessen Porenvolumen teilweise mit einem Binder aufgefüllt ist. Bei Verwendung eines organischen Binders wird der Binder beim Sintern des Körpers leicht ausgetrieben. Im Falle eines anorganischen Binders, z.B. bei einem Si0 ₂ -Sol basierten System, kann die Dichte des erhaltenen Grünkörpers sogar noch höher liegen, als bei einem konventionell hergestellten keramischen, polymeren bzw. metallischen Grünkörper.

So hergestellte Formkörper entsprechen im Fall der Nutzung eines keramischen Partikelmaterials in ihren Eigenschaften denen eines konventionellen Grünkörpers, dessen Porosität mit einem Binder teilweise aufgefüllt ist. Die Dichte des ungesinterten keramischen Grünkörpers ist höher als bei allen bekannten generativen Verfahren.

Es können erstmals in einem generativen Herstellungsprozess keramische oder metallische Formkörper generiert werden, die insbesondere im Fall der Verwendung des keramischen Materials eine Dichte vergleichbar oder sogar höher als konventionell hergestellte Grünkörper haben.

Neben einer höheren Gründichte stützt das bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren entstehende Materialbett (Grünbett), im Gegensatz zum Pulverbett, den gedruckten Grünkörper. Damit entfällt das vorherige, zeitaufwendige Modellieren und das nachträgliche Entfernen von Stützkonstruktionen (sog. Supportkonstruktionen). Es werden mit dem offenbarten Verfahren erstmals Grünkörper mittels additiver Fertigung generiert, die Eigenschaften bezüglich Dichte und Festigkeit vergleichbar einem konventionell hergestellten Grünkörper besitzen. Dies ermöglicht in einem anschließenden Sinterschritt die Darstellung von Keramiken mit Eigenschaften vergleichbar zu Keramiken hergestellt in einem konventionellen Prozess.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen bzw. Erzeugen eines Formkörpers bzw. eines Grünkörpers offenbart, wobei der Feststoffe nteil der Suspension ausgewählt ist unter einem Polymer, einem Metall, einem keramischen Material oder aus einer Mischung die zumindest eine Polymer, ein Metall oder ein keramisches Material enthält. Vorteile dieser Ausführungsform bestehen in der Möglichkeit, die Eigenschaften des Grünkörpers und dementsprechend auch die Eigenschaften eines gesinterten Bauteils einstellen und variieren zu können, insbesondere in Hinsicht auf dessen elektrische Leitfähigkeit und/oder Dielektrizitätskonstante.

Ein mittels Schlickerdeposition schichtweise aufgebauter Formkörper bzw. Grünkörper besitzt typischerweise eine Dichte höher 60% der theoretischen Dichte der verwendeten Keramik oder Keramikmischung. Im Falle von Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ) mit einer theoretischen Dichte von 3,94 g-cm ³ bedeutet dies, dass mittels Schlickerdeposition schichtweise aufgebaute Al ₂ 0 ₃ -Grünkörper eine Dichte größer als 2,36 g cm ^'3 besitzen.

Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Offenbarung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Offenbarung allgemein zu definieren.