DE102020208339A1 - Additive manufacturing process and component manufactured using the process - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft additive Herstellungsverfahren sowie Bauteile hergestellt mittels solcher additiven Herstellungsverfahren, wobei bei dem additiven Herstellungsverfahren eine Auftragsmasse verwendet wird, die zur Bauteilfertigung schichtweise aufgetragen wird, wobei die Auftragsmasse mit Partikeln gebildet wird, von denen zumindest 40 % oder von mehr als 2 % an Partikeln, die nach einer in Folge einer thermischen Behandlung auftretenden Phasenumwandlung ein anisotropes Wachstumsverhalten aufweisen, ein Aspektverhältnis größer 1 und die Partikel mit Aspektverhältnis größer 1 mindestens eine anisotrope Materialeigenschaft aufweisen, die entlang einer Hauptachsenrichtung des jeweiligen Partikels einen anderen Wert aufweist als entlang einer Richtung senkrecht zur jeweiligen Hauptachsenrichtung, wobei die Auftragsmasse in zumindest einem Herstellungsschritt einer Scherwirkung so ausgesetzt wird, dass Partikel mit ihrer Hauptachse parallel zueinander ausgerichtet werden, bevor eine Aushärtung der Auftragsmasse erfolgt oder eine stoffschlüssige Verbindung der Partikel erreicht wird. Durch eine gezielte mehrdimensionale Ablage können die anisotropen Partikel mehrdimensional und lokal gezielt im Bauteil abgelegt und verfestigt werden. Es ist möglich mehrere Materialien miteinander zu kombinieren. Die anisotropen Bauteileigenschaften, können durch die Anisotropie des Halbzeugs oder die erzeugte Anisotropie beim Verarbeiten des Halbzeugs entstehen oder verändert werden.The invention relates to additive manufacturing methods and components produced by means of such additive manufacturing methods, with the additive manufacturing method using an application mass that is applied in layers for component manufacture, the application mass being formed with particles of which at least 40% or more than 2% Particles that have an anisotropic growth behavior after a phase transformation that occurs as a result of thermal treatment, have an aspect ratio greater than 1 and the particles with an aspect ratio greater than 1 have at least one anisotropic material property that has a different value along a main axis direction of the respective particle than along a direction perpendicular to the respective main axis direction, wherein the application mass is subjected to a shearing effect in at least one production step in such a way that particles are aligned with their main axis parallel to one another before Au hardening of the application mass takes place or an integral connection of the particles is achieved. Targeted, multi-dimensional deposition allows the anisotropic particles to be deposited and solidified multi-dimensionally and locally in a targeted manner in the component. It is possible to combine several materials with each other. The anisotropic component properties can arise or be changed by the anisotropy of the semi-finished product or the anisotropy generated during processing of the semi-finished product.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der additiven Herstellungsverfahren und Bauteilen, die mit den additiven Herstellungsverfahren hergestellt werden.The invention relates to the field of additive manufacturing processes and components that are manufactured using the additive manufacturing process.

Es sind unterschiedliche additive Herstellungsverfahren bekannt, bei denen Partikel oder Fasern lose oder in einem Trägermaterial verteilt eingesetzt werden. Hierbei werden die Partikel üblicherweise gemahlen, um diesen eine Plättchenform oder sphärische Form zu verleihen. Evtl. vorhandene anisotrope Materialeigenschaften der Partikel heben sich bei konventioneller Fertigung im gefertigten Bauteil gegenseitig auf, da die Partikel sich bezüglich ihrer anisotropen Eigenschaften zufällig im Bauteil anordnen.Various additive manufacturing processes are known in which particles or fibers are used loosely or distributed in a carrier material. Here, the particles are usually ground in order to give them a platelet shape or a spherical shape. Any anisotropic material properties of the particles that may be present cancel each other out in the case of conventional production in the manufactured component, since the particles are randomly arranged in the component with regard to their anisotropic properties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bauteile mit anisotropen Eigenschaften unmittelbar mit einem additiven Herstellungsverfahren gezielt zu fertigen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 10 betrifft ein so hergestelltes Bauteil. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The invention is based on the object of directly producing components with anisotropic properties in a targeted manner using an additive manufacturing process. According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1. Claim 10 relates to a component produced in this way. Advantageous configurations and developments are described in the dependent claims.

Mit der Erfindung soll eine gezielte Fertigung durch Modifikation eines Halbzeugs (Partikel und/oder Auftragsmasse) und/oder durch die Verarbeitungsprozessparameter lokal definiert erreicht werden. Dies kann z.B. durch diskrete Materialablage oder Verfestigung erreicht werden.The invention is intended to achieve targeted production by modifying a semi-finished product (particles and / or coating material) and / or by means of the processing parameters in a locally defined manner. This can be achieved, for example, by discreet material deposition or solidification.

Bei dem erfindungsgemäßen additiven Herstellungsverfahren wird eine Auftragsmasse verwendet, die zur Bauteilfertigung schichtweise aufgetragen wird, wobei in der Auftragsmasse Partikel enthalten sind (Partikel umfasst), von denen zumindest 40 %, vorzugsweise zumindest 70 %, besonders bevorzugt von mindestens 90 % ein Aspektverhältnis größer 1, insbesondere größer 1,1, bevorzugt größer 1,3 bis maximal 10 aufweisen. Dabei sind größere Aspektverhältnisse als 2, insbesondere im Bereich 5 bis zu maximal 10 besonders bevorzugt. Die Partikel sollen mindestens eine anisotrope Materialeigenschaft aufweisen, die entlang einer Hauptachsenrichtung (Hauptausdehungsrichtung) des jeweiligen Partikels einen anderen Wert aufweist als entlang einer lateralen Richtung senkrecht (quer) zur jeweiligen Hauptachsenrichtung, wobei die Auftragsmasse in zumindest einem Herstellungsschritt, der insbesondere zumindest auch einer Umformung oder Verteilung der Auftragsmasse dient, einer Scherwirkung so ausgesetzt wird, dass die Partikel mit ihrer Hauptachsenrichtung gezielt parallel zueinander ausgerichtet werden, bevor eine Aushärtung der Auftragsmasse erfolgt oder eine stoffschlüssige Verbindung der Partikel erreicht wird.In the additive manufacturing method according to the invention, a coating compound is used which is applied in layers for component production, the coating compound containing particles (comprising particles), of which at least 40%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 90%, have an aspect ratio greater than 1 , in particular greater than 1.1, preferably greater than 1.3 to a maximum of 10. Aspect ratios greater than 2, in particular in the range 5 up to a maximum of 10, are particularly preferred. The particles should have at least one anisotropic material property that has a different value along a main axis direction (main direction of extent) of the respective particle than along a lateral direction perpendicular (transverse) to the respective main axis direction, the application compound in at least one manufacturing step, which in particular also includes at least one deformation or distribution of the application compound is used, is subjected to a shear action in such a way that the particles are aligned with their main axis direction in a targeted manner parallel to one another before the application compound cures or a material bond of the particles is achieved.

Alternativ dazu kann eine Mischung an Partikeln eines keramischen Werkstoffs in der mindestens 2 % Partikel einer ersten Phase dieses Werkstoffs mit einem Aspektverhältnis größer 1 sowie mindestens 35 % an Partikeln einer zweiten Phase dieses Werkstoffs, die bei einer thermischen Behandlung in die erste Phase umgewandelt werden und dabei auf die Kristallite der ersten Phase aufwachsen und dadurch die Ausrichtung der ersten Phase verstärken und ein Aspektverhältnis größer 1 aufweisen, eingesetzt werden. Die sich in die erste Phase umwandelnden Kristallite der zweiten Phase wachsen dabei anisotrop auf die vorhandenen Kristallite der ersten Phase auf und verstärken damit die durch die Kristallite der ersten Phase vorgegebene Texturierung (Anisotropie der Eigenschaften).Alternatively, a mixture of particles of a ceramic material in the at least 2% of particles of a first phase of this material with an aspect ratio greater than 1 and at least 35% of particles of a second phase of this material, which are converted into the first phase during a thermal treatment and grow on the crystallites of the first phase and thereby strengthen the alignment of the first phase and have an aspect ratio greater than 1. The crystallites of the second phase that transform into the first phase grow anisotropically on the existing crystallites of the first phase and thus reinforce the texturing given by the crystallites of the first phase (anisotropy of the properties).

Unter einem „additiven Herstellungsverfahren“ soll beispielsweise ein Verfahren verstanden werden, bei dem eine Auftragsmasse in Form einzelner Schichten sukzessive übereinander auf einen Trägerkörper oder auf bereits zumindest teilweise verfestigte Schichten der Auftragsmasse aufgetragen und danach verfestigt und dabei eine einzeln aufgetragene Schicht mit dem Trägerkörper oder einer darunter angeordneten Schicht stoffschlüssig verbunden wird. Beispielsweise kann der Auftrag oder die Verfestigung der Schicht lokal unterbrochen werden oder erfolgt in Bahnen, so dass eine diskontinuierliche Schicht entsteht. Eine oder mehrere Schicht(en) kann/können auch durch tropfenweisen Auftrag der jeweiligen Schicht ausgebildet werden.An “additive manufacturing process” should be understood to mean, for example, a process in which an application compound in the form of individual layers is successively applied one on top of the other to a carrier body or to already at least partially solidified layers of the application compound and then solidifies and thereby an individually applied layer with the carrier body or a layer arranged underneath is firmly bonded. For example, the application or the solidification of the layer can be locally interrupted or takes place in strips, so that a discontinuous layer is created. One or more layer (s) can also be formed by applying the respective layer drop by drop.

Eine Auftragsmasse mit darin enthaltenen Partikeln kann z.B. eine Suspension oder Paste sein. Eine Auftragsmasse kann aber auch ausschließlich mit Partikeln gebildet sein. Letztgenanntes ist insbesondere bei pulverbettbasierten additiven Herstellungsverfahren der Fall.An application compound with particles contained therein can be a suspension or paste, for example. However, an application compound can also be formed exclusively with particles. The latter is particularly the case with powder-bed-based additive manufacturing processes.

Beispielsweise ist das „additive Herstellungsverfahren“ ein Schmelzschichtverfahen (FFF, Fused Filament Fabrication), ein Siebdruckverfahren, ein Pulverbettverfahren, selektives Laserschmelzen, selektives Elektronenstrahlschmelzen oder Freistrahlbindemittelauftrag, ein thermoplastisches oder kaltplastisches Extrusionsverfahren, ein Rotationsbeschichtungsverfahren (Spin-Coating) oder ein badbasiertes Verfahren, wie beispielsweise Photopolymerisation. Vorzugsweise wird die Auftragsmasse mittels eines Auftragsmittels, wie einer Düse, eines Spalts, einer Rakel und/oder einer Rolle, schichtweise aufgetragen. Weiterhin ist der Einsatz eines Schichtlaminatverfahrens (LLM - Lamianted Layer Manufacturing/LOM - Laminated Object Manufactiuring) möglich, deren Halbzeuge entsprechend vorkonfektioniert werden können.For example, the "additive manufacturing process" is a melt layer process (FFF, Fused Filament Fabrication), a screen printing process, a powder bed process, selective laser melting, selective electron beam melting or free-jet binding agent application, a thermoplastic or cold plastic extrusion process, a spin coating process (spin coating) or a bath-based process, such as for example photopolymerization. The application compound is preferably applied in layers by means of an application means such as a nozzle, a gap, a doctor blade and / or a roller. Furthermore, the use of a layer laminate process (LLM - Lamianted Layer Manufacturing / LOM - Laminated Object Manufacturing) is possible, the semi-finished products of which can be prefabricated accordingly.

Umfasst das Herstellungsverfahren einen lokalen Energieeintrag durch Laser- oder Elektronenstrahl in einem Pulverbett, sollte eine Energiedichte des jeweiligen Strahls so gewählt werden, dass die Partikel lediglich oberflächlich anschmelzen und so miteinander stoffschlüssig verbunden werden, um die jeweilige Anisotropieeigenschaft der Partikel zumindest teilweise innerhalb des jeweiligen Bauteils zu erhalten.Does the manufacturing process include a local energy input by laser or electric If the jet is in a powder bed, an energy density of the respective jet should be chosen so that the particles only melt on the surface and are firmly bonded to one another in order to maintain the respective anisotropy property of the particles at least partially within the respective component.

Beispielsweise kommen zur Bauteilfertigung vorrangig direkt oder indirekt arbeitende additive Fertigungsverfahren gemäß DIN EN ISO/ASTM 52900:2018 zum Einsatz. Insbesondere wird die Auftragsmasse lokal definiert und/oder Schicht für Schicht aufgetragen.For example, directly or indirectly working additive manufacturing processes are primarily used for component manufacturing DIN EN ISO / ASTM 52900: 2018 for use. In particular, the application compound is defined locally and / or applied layer by layer.

Unter einem „Partikel“ soll ein Feststoffpartikel verstanden werden. Die Partikel können jeweils aus einem einzigen Material gebildet sein. Alternativ können die Partikel jeweils aus einer Materialmischung gebildet sein. Die Auftragsmasse kann Partikel aufweisen die mit und/oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind. Die Partikel können mit bzw. aus Keramik, Glas, Metall, Polymer, Verbünden und/oder Stoffgemischen aus Keramik, Glas, Metall und/oder Polymer gebildet und dabei auch aus unterschiedlichen Aggregatzuständen erhalten worden sein.A “particle” should be understood to mean a solid particle. The particles can each be formed from a single material. Alternatively, the particles can each be formed from a mixture of materials. The application compound can have particles which are formed with and / or from different materials. The particles can be formed with or made of ceramic, glass, metal, polymer, composites and / or mixtures of substances made of ceramic, glass, metal and / or polymer and can also have been obtained from different states of aggregation.

Unter einer „Hauptachsenrichtung“ eines Partikels soll beispielsweise eine Richtung verstanden werden, entlang der das jeweilige Partikel seine größte Abmessung aufweist.A “main axis direction” of a particle should be understood to mean, for example, a direction along which the respective particle has its largest dimension.

Unter einem „Aspektverhältis“ eines Partikels soll beispielsweise ein Verhältnis von einer Abmessung des Partikels entlang der Hauptachsenrichtung in Bezug zur kleinsten Abmessung in einer Richtung, die senkrecht zur Hauptachsenrichtung ausgerichtet ist, verstanden werden. Beispielsweise ist das Aspektverhältnis das Verhältnis der größten im Bezug zur kleinsten Abmessung des Partikels.An “aspect ratio” of a particle should be understood to mean, for example, a ratio of a dimension of the particle along the main axis direction in relation to the smallest dimension in a direction which is oriented perpendicular to the main axis direction. For example, the aspect ratio is the ratio of the largest in relation to the smallest dimension of the particle.

Unter einer „Materialeigenschaft“ des Partikels soll insbesondere eine spezifische (also auf eine Länge normierte) physikalische Eigenschaft verstanden werden. Beispielsweise ist die Materialeigenschaft der thermische Ausdehnungskoeffizient, die Wärmeleitfähigkeit, der elektrische Widerstand, die magnetische Polarisierbarkeit, die elektrische Polarisierbarkeit, der Elastizitätsmodul, die Zugfestigkeit, die Biegefestigkeit, die Bruchfestigkeit, die Härte, die Bruchzähigkeit, und/oder eine weitere magnetische, elektrische, dielektrische oder chemische Eigenschaft.A “material property” of the particle is to be understood as meaning, in particular, a specific physical property (that is, normalized to a length). For example, the material property is the coefficient of thermal expansion, the thermal conductivity, the electrical resistance, the magnetic polarizability, the electrical polarizability, the modulus of elasticity, the tensile strength, the flexural strength, the breaking strength, the hardness, the fracture toughness, and / or another magnetic, electrical, dielectric or chemical property.

Unter der Materialeigenschaft des Partikels „entlang“ einer bestimmten Ausrichtung soll beispielsweise verstanden werden, dass diese Materialeigenschaft zwischen zwei bezüglich der bestimmten Richtung, insbesondere diametral, entgegengesetzten Oberflächenpunkten des Partikels bestimmt, also insbesondere gemessen und auf eine Distanz zwischen den Oberflächenpunkten bezogen wird.The material property of the particle “along” a certain orientation should be understood, for example, that this material property is determined between two surface points of the particle that are opposite with respect to the certain direction, in particular diametrically, ie in particular measured and related to a distance between the surface points.

Darunter, dass die Materialeigenschaft im Vergleich der Hauptachsenrichtung mit einer Richtung senkrecht/quer dazu „anisotrop“ ist, soll beispielsweise verstanden werden, dass die Materialeigenschaft entlang zumindest einer Achsenrichtung, insbesondere zumindest entlang einer kleinsten räumlichen Abmessung, senkrecht zur Hauptachsenrichtung einen kleineren oder einen größeren Wert aufweist, als entlang der Hauptachsenrichtung.The fact that the material property is "anisotropic" in comparison of the main axis direction with a direction perpendicular / transverse to it should be understood, for example, that the material property is smaller or larger along at least one axis direction, in particular at least along a smallest spatial dimension, perpendicular to the main axis direction Has value than along the major axis direction.

Unter einer „Scherwirkung“ soll ein Prozess verstanden werden, bei dem sich in einem bewegten/strömenden Fluid oder einer bewegten/strömenden Schüttung ein Geschwindigkeitsfeld mit Gradienten (Geschwindigkeitsgradienten) einstellt, also unterschiedliche Bereiche, insbesondere Schichten, des Fluids oder der Schüttung, sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Insbesondere ist der Geschwindigkeitsgradient über eine räumliche Ausdehnung, die größer ist als die Partikelgröße, konstant oder zumindest monoton, so dass sich die Partikel in dem Geschwindigkeitsfeld ausrichten, solange ein Ende des Partikels einem größeren Geschwindigkeitsvektor ausgesetzt ist, als ein entgegengesetztes Ende, so dass ein Drehmoment um den Schwerpunkt des jeweiligen Partikels wirkt. Das Geschwindigkeitsfeld kann dafür sorgen, dass Partikel entsprechend ihrer geometrischen Form mit einer Kraft bzw. einem Drehmoment beaufschlagt werden, die diese Partikel in dem Geschwindigkeitsfeld ausrichtet. Vorteilhaft ist eine Strömung des Fluids oder Bewegung der Schüttung zumindest im Wesentlichen laminar. Sie sollte also zumindest im Wesentlichen frei von Verwirbelungen sein, die sich insbesondere über räumliche Bereiche erstrecken, die nur wenig kleiner oder größer sind als die Partikelgröße.A “shear effect” is to be understood as a process in which a velocity field with gradients (velocity gradients) is established in a moving / flowing fluid or a moving / flowing bed, i.e. different areas, in particular layers, of the fluid or the bed, are set up with move at different speeds. In particular, the velocity gradient is constant or at least monotonic over a spatial extent that is greater than the particle size, so that the particles align themselves in the velocity field as long as one end of the particle is exposed to a greater velocity vector than an opposite end, so that a Torque acts around the center of gravity of the respective particle. The speed field can ensure that a force or a torque is applied to particles in accordance with their geometric shape, which orients these particles in the speed field. A flow of the fluid or movement of the bed is advantageous at least essentially in a laminar manner. It should therefore be at least essentially free of eddies which extend in particular over spatial areas that are only slightly smaller or larger than the particle size.

Durch gleichgerichtete (parallele) Anordnung zumindest eines Großteils der Partikel nebeneinander in größeren Bereichen des durch das Verfahren hergestellten Bauteils kann erreicht werden, dass sich die mikroskopischen Anisotropieeigenschaften der einzelnen Partikel zu makroskopischen Anisotropieeigenschaften des fertigen Bauteils ergänzen. Partikel sollten sich bezüglich ihrer jeweiligen Hauptachsenrichtung infolge der Scherwirkung zumindest im Wesentlichen parallel sowohl nebeneinander als auch hintereinander (kettenmäßig/aufgereiht) anordnen. Um eine ausreichend richtungsabhängig wirksame Beeinflussung in einem Bereich und/oder in einer Schicht mit den Partikeln zu erreichen, sollten sich eine ausreichende Anzahl, bevorzugt mindestens 100 Partikel parallel und/oder in Reihen nebeneinander infolge der Schwerwirkung in der jeweiligen Schicht ausrichten.By arranging at least a large part of the particles next to one another in the same direction (parallel) in larger areas of the component produced by the method, it can be achieved that the microscopic anisotropy properties of the individual particles complement each other to form macroscopic anisotropy properties of the finished component. Particles should be arranged with respect to their respective main axis direction due to the shear effect at least essentially parallel both next to one another and one behind the other (in a chain / lined up). In order to achieve a sufficiently directionally effective influence in an area and / or in a layer with the particles, a sufficient number, preferably at least 100, particles should be aligned parallel and / or in rows next to one another due to the gravity in the respective layer.

Eine Auftragsmasse kann einen Trägerstoff aufweisen, in dem die Partikel verteilt enthalten sind. Der Trägerstoff kann ein Polymer, insbesondere ein thermoplastisches Polymer sein. Der Trägerstoff kann frei von anisotropen Eigenschaften sein. So sollte zumindest die Materialeigenschaft, die bei den Partikeln anisotrop ist, beim Trägerstoff isotrop sein.An application compound can have a carrier in which the particles are contained in a distributed manner. The carrier material can be a polymer, in particular a thermoplastic polymer. The carrier material can be free from anisotropic properties. At least the material property, which is anisotropic in the case of the particles, should be isotropic in the case of the carrier material.

Bei und nach einer Aushärtung des Trägerstoffs oder der Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung sollte eine Ausrichtung der Partikel zumindest im Wesentlichen erhalten bleiben.During and after hardening of the carrier material or the formation of an integral connection, an alignment of the particles should at least essentially be maintained.

Das Herstellungsverfahren kann einen abschließenden Sinterprozess aufweisen, um einen gegebenenfalls verwendeten Trägerstoff, z.B. durch Verdampfung, Oxidation oder Pyrolyse zu entfernen. Die Ausrichtung der Partikel bei einem Sinterschritt, wenn das Trägermaterial aus einem Grünling entfernt (ausgebrannt) wird und die Partikel miteinander über Sinterbrücken stoffschlüssig verbunden werden, sollte zumindest nahezu vollständig beibehalten werden. Dies trifft sinngemäß auch auf ein Aushärten eines Trägerstoffs, in dem die ausgerichteten Partikel enthalten sind, zu.The manufacturing process can have a final sintering process in order to remove any carrier material that may be used, e.g. by evaporation, oxidation or pyrolysis. The alignment of the particles in a sintering step, when the carrier material is removed from a green compact (burned out) and the particles are materially bonded to one another via sinter bridges, should at least be retained almost completely. This also applies mutatis mutandis to curing of a carrier material in which the aligned particles are contained.

Die gewünschte Texturierung der Partikel kann sich dabei beim Sintern oder Aushärten verstärken, wenn die ursprünglich texturierten Partikel verstärkt am oberen Ende der Partikelverteilung angeordnet sind, da diese auf Kosten der kleineren Partikel stärker wachsen.The desired texturing of the particles can increase during sintering or curing if the originally textured particles are arranged more strongly at the upper end of the particle distribution, since these grow more at the expense of the smaller particles.

Alternativ kann der Trägerstoff im Bauteil auch erhalten bleiben und auf einen Sinterschritt des Bauteils verzichtet werden. Insbesondere härtet der Trägerstoff hierbei zur Ausbildung eines Bauteils aus.Alternatively, the carrier material can also be retained in the component and a sintering step for the component can be dispensed with. In particular, the carrier material hardens to form a component.

Beispielsweise bildet der Trägerstoff maximal 99 Masse-%, insbesondere maximal Masse-50 %, vorteilhaft maximal 20 Masse-%, der jeweiligen Auftragsmasse. Beispielsweise sind zumindest 1 Masse-%, beispielsweise zumindest 30 Masse-%, vorteilhaft zumindest 70 Masse-% der Auftragsmasse mit Partikeln gebildet.For example, the carrier material forms a maximum of 99% by mass, in particular a maximum of 50% by mass, advantageously a maximum of 20% by mass, of the respective application mass. For example, at least 1% by mass, for example at least 30% by mass, advantageously at least 70% by mass of the application mass are formed with particles.

Sowohl Trägerstoff als auch Partikel können aus unterschiedlichen Stoffklassen, als reiner Stoff oder Stoffgemisch in unterschiedlichen Aspektverhältnissen eingesetzt werden.Both the carrier material and the particles can be used from different classes of substances, as a pure substance or a mixture of substances in different aspect ratios.

Die Partikel der Auftragsmasse können bei einer Vorschub- oder Verteilbewegung der Scherwirkung ausgesetzt werden. Die Partikel der Auftragsmasse können dazu zumindest bei einem Auftragsprozess der Scherwirkung unterliegen. Die Scherwirkung kann zumindest mittels einer Düse, einer Rakel oder einer Rolle, die die Auftragsmasse auf einen Trägerköper oder bereits vorhandene Schichten des zu fertigenden Bauteils aufträgt und verteilt, auf die in der Auftragsmasse enthaltenen Partikel ausgeübt werden.The particles of the application compound can be exposed to the shear action during a feed or distribution movement. For this purpose, the particles of the application compound can be subject to the shear effect, at least during one application process. The shearing action can be exerted on the particles contained in the coating material at least by means of a nozzle, a doctor blade or a roller, which applies and distributes the application mass on a carrier body or already existing layers of the component to be manufactured.

Weiterhin ist es möglich, während des Auftragsprozesses die Scherwirkung lokal gezielt zu verändern.It is also possible to selectively change the shear effect locally during the application process.

Geschwindigkeitsgradienten zur Erzeugung der Scherwirkung können infolge einer Änderung eines Volumenstroms, also insbesondere einer mittleren Geschwindigkeit oder Strömungsgeschwindigkeit, hervorgerufen werden.Velocity gradients for generating the shear effect can be caused as a result of a change in a volume flow, that is to say in particular an average velocity or flow velocity.

Dies kann durch eine Änderung der Geometrie (also einer Form bzw. Abmessung) eines Elements durch das die Auftragsmasse strömt, rieselt oder bewegt wird (z.B. eine Düse oder einen Spalt) erreicht werden. Strömungs-Geschwindigkeitsgradienten können durch Haftreibung der Auftragsmasse an den Rändern von Leitungen (Rohren, Schläuchen, Düsen) hervorgerufen werden, so dass die Auftragsmasse an Wandungen von Leitungen eine geringere Strömungsgeschwindigkeit aufweist, als entfernt davon. Beispielsweise erhöht/verringert sich eine Strömungsgeschwindigkeit der Auftragsmasse vor allem am Rand einer Leitung, wenn sich ein Querschnitt der Leitung verjüngt/ausweitet. Weiterhin kann ein konisches Düsenelement derart in der Leitung angeordnet werden, dass dieses in Strömungsrichtung von der Mitte zum Rand hin verläuft, so dass in der Mitte ein Teil einer Suspension hinter dem Düsenelement aufgrund einer Aufweitung des Strömungsquerschnitts eine Geschwindigkeitsverringerung und ein Teil der Suspension oder Paste im Randbereich aufgrund der Verjüngung des Strömungsquerschnitts vor einem Düsenelement eine Geschwindigkeitserhöhung erfährt, so dass die Suspension oder Paste nach dem Düsenelement im Randbereich eine größere Geschwindigkeit aufweist, als im Zentrum und so ein umgekehrtes Gradientenprofil im Vergleich zu einer Röhre mit gleichförmigem Querschnitt im Inneren entsteht. Weiterhin kann eine Düse als Lochscheibe mit einer Mehrzahl an Löchern ausgebildet sein, so dass der Geschwindigkeitsgradient einer strömenden Suspension oder Paste über den gesamten Leitungsquerschnitt variiert. Dabei kann eine Suspension, schüttfähiges Pulver oder Paste eine Auftragsmasse sein. Im Inneren einer Leitung, eines Rohres oder einer sonstigen Zuführung für Auftragsmasse, bzw. einer Düse kann für eine gezielte Ausübung der gewünschten Scherwirkung auch mindestens ein Barriere-Element angeordnet sein, mit dem gezielt Einfluss auf eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit der Auftragsmasse durch Veränderung des freien Querschnitts genommen werden kann, genommen werden kann.This can be achieved by changing the geometry (i.e. a shape or dimension) of an element through which the coating material flows, trickles or is moved (e.g. a nozzle or a gap). Flow velocity gradients can be caused by static friction of the application compound at the edges of lines (pipes, hoses, nozzles), so that the application compound has a lower flow speed on the walls of lines than at a distance from them. For example, a flow rate of the application compound increases / decreases, especially at the edge of a line, when a cross-section of the line tapers / widens. Furthermore, a conical nozzle element can be arranged in the line in such a way that it runs in the direction of flow from the center to the edge, so that in the center part of a suspension behind the nozzle element causes a speed reduction and part of the suspension or paste due to an expansion of the flow cross-section In the edge area, due to the tapering of the flow cross-section in front of a nozzle element, the speed increases, so that the suspension or paste after the nozzle element has a greater speed in the edge area than in the center and thus an inverted gradient profile is created in comparison to a tube with a uniform cross-section inside. Furthermore, a nozzle can be designed as a perforated disk with a plurality of holes, so that the velocity gradient of a flowing suspension or paste varies over the entire line cross-section. An application compound can be a suspension, pourable powder or paste. In the interior of a line, a pipe or some other feed for application compound or a nozzle, at least one barrier element can also be arranged for a targeted exertion of the desired shear effect, with the targeted influence on a change in the flow rate of the application compound by changing the free Cross-section can be taken, can be taken.

Bei Einsatz eines Schmelzschichtverfahrens für die additive Fertigung kann der Druckkopf und/oder die Bauplattform in unterschiedliche Richtungen bewegt werden, so dass sich die Partikel entsprechend der Bewegung des Druckkopfes in unterschiedlichen Richtungen (die der Richtung der Bewegung des Druckkopfes entsprechen) ausrichten. Eine Scherwirkung kann dabei in einem Auftragsbereich entsprechend der Bewegungsrichtung der Düse wirken, wobei in dem Auftragsbereich die Auftragsmasse die Düse verlässt und entgegen der Bewegungsrichtung der Düse (auf bereits vorhandene Schichten des Bauteils oder dem Träger) abgelagert wird. Bei einer Bewegung der Düse quer zur Oberfläche, auf die die Auftragsmasse aufgetragen wird, kann ein Abstand zwischen dem Austritt aus der Düse und der Oberfläche kleiner sein als 1 mm, beispielsweise kleiner sein als 0,3 mm, vorteilhaft kleiner als 0,1 mm eingehalten sein. Beispielsweise kann durch eine Bewegung des Druckkopfes parallel zu einer Oberfläche des Trägerkörpers zumindest ein Großteil der Partikel mit ihrer Hauptachsenrichtung zumindest im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Trägerkörpers oder einer bereits ausgebildeten Schicht ausgerichtet werden. Es kann durch eine Bewegung des Druckkopfes senkrecht oder parallel zur Oberfläche des Trägerkörpers oder einer unmittelbar vorab bereits ausgebildeten Schichtoberfläche zumindest ein Großteil der Partikel senkrecht oder parallel zur Oberfläche des Trägerkörpers bzw. Schicht ausgerichtet werden.When using a melt layer process for additive manufacturing, the printhead and / or the build platform can be moved in different directions so that the particles align according to the movement of the printhead in different directions (which correspond to the direction of movement of the printhead). A shear effect can act in an application area corresponding to the direction of movement of the nozzle, with the application compound leaving the nozzle in the application area and being deposited against the direction of movement of the nozzle (on already existing layers of the component or the carrier). When the nozzle is moved transversely to the surface to which the application compound is applied, a distance between the exit from the nozzle and the surface can be less than 1 mm, for example less than 0.3 mm, advantageously less than 0.1 mm must be adhered to. For example, by moving the print head parallel to a surface of the carrier body, at least a large part of the particles can be aligned with their main axis direction at least essentially parallel to the surface of the carrier body or an already formed layer. By moving the print head perpendicular or parallel to the surface of the carrier body or a layer surface already formed immediately in advance, at least a large part of the particles can be aligned perpendicular or parallel to the surface of the carrier body or layer.

Bauteile können so selektiv diskret oder kontinuierlich in den drei Raumdimensionen durch die Ausrichtung seiner im Material befindlichen Feststoffpartikel mit anisotropen Eigenschaften versehen werden.Components can be provided with anisotropic properties selectively, discretely or continuously in the three spatial dimensions through the alignment of the solid particles in the material.

Partikel können aber auch in einem möglichst nahezu gleichen Winkel ausgerichtet werden, der bevorzugt im Bereich 5° bis 30° von parallel bzw. senkrecht abweicht.However, particles can also be aligned at an angle that is as nearly the same as possible, which preferably deviates from parallel or perpendicular in the range from 5 ° to 30 °.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Partikel der Auftragsmasse mittels einer Rakel bei einem Auftrag einer Schicht verteilt werden und dabei die Scherwirkung bei einer Bewegung der Rakel durch eine Wechselwirkung einer Abzugskante der Rakel mit der Auftragsmasse auf die Partikel der Auftragsmasse ausgeübt wird.According to a further embodiment of the invention, the particles of the application compound can be distributed by means of a doctor blade when a layer is applied and the shear effect is exerted on the particles of the application compound when the doctor blade moves through an interaction of a pull-off edge of the doctor blade with the application compound.

Ist das additive Fertigungsverfahren ein Pulverbettverfahren kann die Auftragsmasse unter Einsatz einer Rakel in einer dünnen Schicht über einer Trägerfläche oder einer vorab aufgetragenen Schicht aufgetragen werden. Beim Aufbringen der dünnen Pulverschicht mittels der Rakel kann eine Scherwirkung von der Rakel auf die Partikel bei der Bewegung ausgeübt werden, so dass diese sich parallel zu einer Bewegungsrichtung der Rakel ausrichten können. Mit der Rakel kann dabei die Pulverschüttung in Bewegung versetzt werden, so dass sich in der Pulverschüttung innerhalb der sich bewegenden Partikel ein Geschwindigkeitsfeld einstellt, das in der Nähe der Rakel (in geringer Tiefe) höhere Geschwindigkeitsvektoren aufweist, als in größerem Abstand dazu (in größerer Tiefe). Anschließend kann die so aufgebrachte und verteilte Pulverschicht durch lokal definierte Einbringung von Energie (Laser- oder Elektronenstrahl) oder durch Freistrahlbindemittelauftrag dort lokal verfestigt werden. Die Trägerplatte wird anschließend abgesenkt, sodass nachfolgend eine weitere dünne Schicht der Auftragsmasse aufgebracht werden kann. If the additive manufacturing process is a powder bed process, the application compound can be applied in a thin layer over a support surface or a previously applied layer using a squeegee. When applying the thin powder layer by means of the squeegee, a shearing action can be exerted by the squeegee on the particles during the movement, so that they can align themselves parallel to a direction of movement of the squeegee. The bulk of the powder can be set in motion with the squeegee, so that a velocity field is established in the bulk of the powder within the moving particles that has higher velocity vectors near the squeegee (at a shallow depth) than at a greater distance from it (at a greater depth) Depth). Subsequently, the powder layer applied and distributed in this way can be locally solidified there by locally defined introduction of energy (laser or electron beam) or by applying free-jet binding agent. The carrier plate is then lowered so that another thin layer of the application compound can then be applied.

Durch Veränderung einer Richtung in der die Rakel über das Pulverbett bewegt wird und dabei die Partikel verteilt, kann die gewünschte Ausrichtung der Partikel erreicht werden.By changing the direction in which the doctor blade is moved over the powder bed and thereby distributes the particles, the desired alignment of the particles can be achieved.

Es kann eine Bewegung, insbesondere die Bewegungsrichtung und/oder eine Bewegungsform (Schwenken, lineare Bewegung) des Auftragsmittels (Spalt, Düse, Rakel, Rolle) während eines schichtweisen Auftrags der Auftragsmasse verändert werden, um eine Scherwirkung auf die Partikel der Auftragsmasse und somit deren Ausrichtung definiert zu verändern.A movement, in particular the direction of movement and / or a form of movement (pivoting, linear movement) of the application means (gap, nozzle, squeegee, roller) can be changed during a layer-by-layer application of the application compound in order to create a shear effect on the particles of the application compound and thus their Change the alignment in a defined manner.

Bei einer Verteilung der Auftragsmasse durch eine Rakel kann die Rakel eine geeignete Geometrie aufweisen, um eine bestimmte Scherwirkung zu erreichen. Beispielsweise kann, während die Rakel über ein Pulverbett oder eine Suspension gezogen wird, um die Auftragsmasse zu verteilen und die Partikel auszurichten, ein Anstellwinkel der Rakel (also ein Winkel der Abziehkante der Rakel) lokal oder für unterschiedliche Schichten unterschiedlich gewählt werden, um die Scherwirkung lokal oder in unterschiedlichen Schichten und somit eine Ausrichtung der Partikel zu variieren. Weiterhin ist es möglich, lokal oder Schicht für Schicht unterschiedliche Rakeln. Es können auch Rakeln mit Kammstruktur eingesetzt werden, um unterschiedliche Scherwirkungen zu erreichen. Insbesondere kann durch ein Eindringen von Zinken der Kammstruktur in die Partikelschüttung oder Suspension eine Scherwirkung auf tiefer liegend angeordnete Partikel erreicht werden. Beispielsweise weist die Kammstruktur Zinkenabstände von max. 1 mm, Zinkenbreiten von maximal 200 µm und Zinkenlängen von maximal 50 µm auf. Zinken einer Kammstruktur können auch an ihren äußeren Rändern in unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet sein, um die gewünschte Scherwirkung auf Partikel ausüben zu können.When the application mass is distributed by a doctor blade, the doctor blade can have a suitable geometry in order to achieve a specific shear effect. For example, while the squeegee is drawn over a powder bed or a suspension in order to distribute the application mass and align the particles, an angle of incidence of the squeegee (i.e. an angle of the squeegee's pull-off edge) can be selected locally or differently for different layers in order to reduce the shear effect to vary locally or in different layers and thus an orientation of the particles. It is also possible to use different doctor blades locally or layer by layer. Squeegees with a comb structure can also be used in order to achieve different shear effects. In particular, penetration of the prongs of the comb structure into the particle bed or suspension enables a shear effect to be achieved on lower-lying particles. For example, the comb structure has tine spacings of a maximum of 1 mm, tine widths of a maximum of 200 μm and tine lengths of a maximum of 50 μm. Tines of a comb structure can also be oriented at different angles on their outer edges in order to be able to exert the desired shear effect on particles.

Ferner kann eine Rakel in unterschiedlichen Richtungen bewegt werden. Dadurch kann eine unterschiedliche Scherwirkung und somit auch eine unterschiedliche Ausrichtung der Partikel erreicht werden. Es ist möglich, bei einer Bewegung der Rakel lineare Bewegungen und Schwenkbewegungen (bezüglich einer Auftragsebene) lokal oder für eine jeweilige Schicht unterschiedlich zu wählen oder zu kombinieren, um die Scherwirkung und die damit verbundene Ausrichtung der Partikel zu beeinflussen.Furthermore, a doctor blade can be moved in different directions. This allows a different shear effects and thus also a different orientation of the particles can be achieved. When moving the doctor blade, it is possible to select or combine linear movements and pivoting movements (with respect to an application plane) locally or differently for a respective layer in order to influence the shear action and the associated alignment of the particles.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann eine Suspension als Auftragsmasse eingesetzt werden. Beispielsweise kann dabei der Trägerstoff eine Flüssigkeit sein oder enthalten, die mit den Partikeln eine Suspension bildet. Die Flüssigkeit kann ein, insbesondere durch Licht, Wärme und/oder chemische Unterstützung (also Beigabe eines Härters oder unter Kontakt mit einer bestimmten Atmosphäre), polymerisierbares Fluid sein. Bei einer badbasierten additiven, zum Beispiel bei einem Photopolymerisationsverfahren, kann eine oberste Schicht einer Suspension aus den Partikeln über einer Trägerplatte oder einer vorhergehenden Schicht des Bauteils mittels einer Rakel oder einer Rolle gleichmäßig verteilt und dabei einer Scherwirkung unterworfen werden.According to a further embodiment, a suspension can be used as an application compound. For example, the carrier substance can be or contain a liquid which forms a suspension with the particles. The liquid can be a fluid that can be polymerized, in particular by means of light, heat and / or chemical support (that is, the addition of a hardener or in contact with a certain atmosphere). In the case of a bath-based additive, for example a photopolymerization process, an uppermost layer of a suspension composed of the particles can be evenly distributed over a carrier plate or a previous layer of the component using a doctor blade or a roller and thereby subjected to a shear effect.

Die Auftragsmasse kann aber auch durch ein schüttfähiges Pulver allein oder in Kombination mit anorganischen oder organischen Hilfsmitteln ausgebildet sein.The application compound can, however, also be formed by a pourable powder alone or in combination with inorganic or organic auxiliaries.

Beispielsweise ist eine Rakel geeignet die Partikel parallel zu einer Bewegungsrichtung der Rakel auszurichten. Eine Rolle, insbesondere eine Rolle mit geringem Außendurchmesser, kann dazu geeignet sein, die Partikel senkrecht zu einer Bewegungsrichtung der Rolle auszurichten. Wenn die Partikel Bestandteil einer Suspension sind, kann die Suspension infolge der jeweiligen Viskosität der Suspension und Haftreibung der Suspension an einer Rolle an einer der Bewegungsrichtung entgegengesetzten Seite der Rolle „hochgezogen“ werden und so ein Geschwindigkeitsfeld erreicht werden, das senkrecht zur Oberfläche der Suspension bzw. dessen Gradient parallel zur Oberfläche ausgerichtet ist.For example, a doctor blade is suitable for aligning the particles parallel to a direction of movement of the doctor blade. A roller, in particular a roller with a small outer diameter, can be suitable for aligning the particles perpendicular to a direction of movement of the roller. If the particles are part of a suspension, the suspension can be "pulled up" on a roller on a side of the roller opposite to the direction of movement due to the respective viscosity of the suspension and static friction of the suspension whose gradient is aligned parallel to the surface.

Bei anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann die Auftragsmasse zur Ausrichtung der Partikel bei einer Rotationsbeschichtung durch eine Rotation einem Geschwindigkeitsgradienten ausgesetzt werden.In other embodiments of the invention, the application compound can be subjected to a speed gradient for aligning the particles in the case of a rotary coating by rotation.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das additive Herstellungsverfahren unterteilt ist in eine Halbzeugfertigung und eine Bauteilfertigung.It is also proposed that the additive manufacturing process be subdivided into semi-finished product manufacture and component manufacture.

Vorteilhaft kann bei der Halbzeugfertigung der Trägerstoff gemeinsam mit den Partikeln zu einem festen Halbzeug, insbesondere zu mindestens einem Filament oder einem Grünkörper geformt werden. Die Auftragsmasse kann zumindest bei der Halbzeugfertigung einer Scherwirkung zur Ausrichtung der Partikel ausgesetzt werden. Partikel in der Auftragsmasse können aber auch zumindest bei der Bauteilfertigung, beispielsweise bei einer Vorschub- oder Verteilbewegung und/oder bei einer Umformung der Auftragsmasse, der Scherwirkung zur Ausrichtung der Partikel ausgesetzt werden.In the production of semifinished products, the carrier material can advantageously be shaped together with the particles into a solid semifinished product, in particular into at least one filament or a green body. The application compound can be exposed to a shear action to align the particles, at least during the manufacture of semi-finished products. Particles in the application compound can, however, also be exposed to the shear action for aligning the particles, at least during component production, for example during a feed or distribution movement and / or when the application compound is reshaped.

Ein Trägerstoff kann einen Matrixwerkstoff bilden, der die Partikel umgibt und miteinander stoffschlüssig verbindet. Bei einer Herstellung der Auftragsmasse kann ein mit Partikeln gebildetes Pulver mit einem thermoplastischen Polymer vermischt unter Hitze- und/oder Druckeinwirkung zu einer gemeinsamen homogenen Masse vermengt werden. Das thermoplastische Polymer kann in Pulverform vorliegen. Diese Masse kann durch Extrusion zum gewünschten Halbzeug, beispielsweise einem Filament, einem Band, einer Folie oder einer Platte, geformt werden. Hierbei kühlt die Masse ab und erstarrt zu fester Form. Die Partikel und der Trägerstoff können so ein Verbundmaterial bilden.A carrier material can form a matrix material that surrounds the particles and connects them to one another in a materially bonded manner. When producing the application compound, a powder formed with particles can be mixed with a thermoplastic polymer under the action of heat and / or pressure to form a common homogeneous compound. The thermoplastic polymer can be in powder form. This mass can be formed into the desired semi-finished product, for example a filament, a tape, a film or a plate, by extrusion. The mass cools down and solidifies into a solid form. The particles and the carrier material can thus form a composite material.

Es kann beispielsweise ein einfacher Transport und eine einfache Anwendbarkeit der Auftragsmasse erreicht werden.For example, easy transport and easy application of the application mass can be achieved.

Ferner wird vorgeschlagen, dass zumindest 50 %, vorteilhaft zumindest 80 %, vorzugsweise zumindest 90 % der Partikel mit Aspektverhältnis größer 1 in dem Halbzeug ausgerichtet sind, so dass eine Hauptachsenrichtung der Partikel jeweils im Wesentlichen einer Hauptachsenrichtung, also einer Längsrichtung, des Filaments entspricht. Die Partikel können durch eine Scherwirkung beim Extrudieren eines Filaments ausgerichtet werden. Hierdurch kann beispielsweise erreicht werden, dass eine Ausrichtung der Partikel bei einem Auftrag der Auftragsmasse im additiven Herstellungsverfahren erleichtert wird.It is also proposed that at least 50%, advantageously at least 80%, preferably at least 90% of the particles with an aspect ratio greater than 1 are aligned in the semifinished product, so that a main axis direction of the particles essentially corresponds to a main axis direction, i.e. a longitudinal direction, of the filament. The particles can be oriented by a shear action when extruding a filament. In this way, it can be achieved, for example, that alignment of the particles is facilitated when the application compound is applied in the additive manufacturing process.

Es können Partikel aus keramischen, glasigen, metallischen, polymeren Materialien oder deren Mischungen davon eingesetzt werden. So können beispielsweise Partikel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumkarbid (SiC), Molybdän-Silizid (MoSi₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄), Blei-Zirkon-Titanat (PZT), Kohlenstoffmodifikationen (z.B. Diamant), Eisen (Fe), Zink (ZN) oder in Mischungen davon sowie Mischungen der Partikel (12) mit Polyethylen (PE), Polyamid (PA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Varianten der Aminoacrylate eingesetzt werden.Particles made of ceramic, glassy, metallic, polymeric materials or mixtures thereof can be used. For example, particles made of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), silicon carbide (SiC), molybdenum silicide (MoSi ₂ ) or silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), lead zirconium titanate (PZT), carbon modifications (e.g. diamond), iron (Fe), zinc (ZN) or mixtures thereof and mixtures of the particles (12) with polyethylene (PE), polyamide (PA), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) or variants of the aminoacrylates can be used.

Durch die Verwendung von beispielsweise Aluminiumoxidpartikel kann insbesondere erreicht werden, dass ein aus der Auftragsmasse hergestelltes Bauteil anisotrope Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeausdehnung aufweist.By using, for example, aluminum oxide particles, it can be achieved in particular that a component produced from the application compound has anisotropic properties with regard to thermal expansion.

Durch die Verwendung genannter Materialien ist es möglich, auch anisotrope Eigenschaften hinsichtlich der Wärme- oder elektrischen Leitfähigkeit aber auch anisotrope mechanische Eigenschaftsausprägungen, wie zum Beispiel die anisotrope mechanische Festigkeit oder Härte zu erreichen.By using the materials mentioned, it is also possible to achieve anisotropic properties with regard to thermal or electrical conductivity, but also anisotropic mechanical properties, such as anisotropic mechanical strength or hardness.

Durch die Verwendung von beispielsweise Siliziumnitridpartikeln kann insbesondere erreicht werden, dass ein aus der Auftragsmasse hergestelltes Bauteil anisotrope Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit aufweist. Aufgrund der Phasenumwandlung von α- in α-Si₃N₄ bei einer thermischen Behandlung, insbesondere der Sinterung können sich die Ausgangspartikel aus α- Si₃N₄ in β-Si₃N₄-Kristallite umwandeln, die dann ein entsprechendes Aspektverhältnis und anisotrope Eigenschaften aufweisen. Dazu genügt ein geringer Anteil > 2 % - 5 % an Ausgangspartikeln aus β-Si₃N₄ als erste Phase in der Mischung von Partikeln der ersten und der zweiten Phase in der Auftragsmasse, die ein ausreichend großes Aspektverhältnis aufweisen und die man erfindungsgemäß in der Auftragsmasse enthaltend ausrichten kann, um anisotrope Eigenschaften zu erreichen. Neben diesen Partikeln der ersten Phase können in der für die Auftragsmasse Partikel einer zweiten Phase, nämlich α-Si₃N₄ mit einem höheren Anteil enthalten sein, die üblicherweise sphärisch ausgebildet sind.By using silicon nitride particles, for example, it can be achieved in particular that a component produced from the application compound has anisotropic properties with regard to thermal conductivity. Due to the phase transition from α- to α-Si ₃ N ₄ during a thermal treatment, in particular sintering, the precursor particles can convert ₃ N ₄ crystallites of α- Si ₃ N ₄ in β-Si, then a corresponding aspect ratio and anisotropic Have properties. For this purpose, a small proportion> 2% -5% of starting _{particles of β-Si 3} N ₄ is sufficient as the first phase in the mixture of particles of the first and the second phase in the coating material, which have a sufficiently large aspect ratio and which, according to the invention, are in the Can align containing application compound to achieve anisotropic properties. In addition to these particles of the first phase, particles of a second phase, namely α-Si ₃ N ₄ , which are usually spherical, can be contained in the particles of a second phase, namely α-Si 3 N 4.

Bei einer thermischen Behandlung, die bei entsprechend ausreichend hohen Temperaturen, insbesondere bei der Sinterung durchgeführt wird, führt eine Phasenumwandlung der zweiten Phase in die erste Phase dazu, dass Kristallite aus erster Phase, die ein Aspektverhältnis größer 1 aufweisen, oft anisotrop auf Kosten der zweiten Phase wachsen so dass ein fertig hergestelltes Bauteil anisotrope Eigenschaften unter Berücksichtigung dieser Hauptachsrichtung aufweist. Die durch die erste Phase vorgeprägte Anisotropie wird also durch die Phasenumwandlung verstärkt.In the case of a thermal treatment that is carried out at sufficiently high temperatures, in particular during sintering, a phase transformation of the second phase into the first phase leads to crystallites from the first phase, which have an aspect ratio greater than 1, often anisotropically at the expense of the second Phase grow so that a finished component has anisotropic properties taking this main axis direction into account. The anisotropy pre-marked by the first phase is thus reinforced by the phase transition.

Ähnliches gilt für andere Systeme, so wächst z.B. kubisches β-SiC als zweite Phase auf plättchenförmiges α-SiC als erste Phase auf, wobei α-SiC die stabile gewünschte erste Phase ist und sich β-SiC als zweite Phase in die erste Phase umwandeln lässt.The same applies to other systems, for example cubic β-SiC grows as the second phase on platelet-shaped α-SiC as the first phase, where α-SiC is the stable desired first phase and β-SiC as the second phase can be converted into the first phase .

Kristallite der zweiten Phase α-Si₃N₄ oder β-SiC können sich umlösen, auf Kristallite der ersten Phase (entsprechend β-Si₃N₄ oder α-SiC) aufwachsen und dadurch die Ausrichtung der ersten Phase verstärken. Insbesondere wachsen die großen Kristallite der ersten Phase, die typischerweise auch stärker ausgerichtet sind, bevorzugt. Dadurch wird die von der ersten Phase vorgeprägte Textur verstärkt.Crystallites of the second phase α-Si ₃ N ₄ or β-SiC can dissolve, grow on crystallites of the first phase (corresponding to β-Si ₃ N ₄ or α-SiC) and thereby strengthen the alignment of the first phase. In particular, the large crystallites of the first phase, which are typically also more strongly oriented, grow preferentially. This reinforces the texture pre-defined by the first phase.

Partikel der ersten Phase bilden Keime (seeds) für ein anisotropes Wachstum bei der Umwandlung von zweiter Phase in die erste Phase und die Erreichung gewünschter Apsektverhältnisse innerhalb des Werkstoffs eines fertig hergestellten Bauteils.Particles of the first phase form seeds for anisotropic growth during the conversion of the second phase into the first phase and the achievement of the desired aspect ratios within the material of a finished component.

Durch die Verwendung von beispielsweise Molybdän-Silizidpartikeln kann insbesondere erreicht werden, dass ein aus der Auftragsmasse hergestelltes Bauteil anisotrope Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeausdehnung und/oder der elektrischen Leitfähigkeit aufweist.By using molybdenum silicide particles, for example, it can be achieved in particular that a component produced from the application compound has anisotropic properties with regard to thermal expansion and / or electrical conductivity.

Mit der Erfindung können nadelförmige Strukturen, die mit Partikeln gebildet sind, oder nadelförmige Partikel, die senkrecht zu einer Schichtrichtungsausbildungsrichtung ausgerichtet sind, in einem Bauteil erhalten werden, was zu einer Verbesserung des Verschleißverhaltens und der Abrasionsfestigkeit führen kann.With the invention, acicular structures formed with particles or acicular particles oriented perpendicular to a layer direction formation direction can be obtained in a component, which can lead to an improvement in wear performance and abrasion resistance.

Das Verfahren kann für die gezielte Herstellung unterschiedlicher Funktionsmaterialien bzw. mehrkomponentiger Materialien mit einer oder mehreren funktionellen Phasen genutzt werden. Solche Materialien sind zum Beispiel Piezo- oder ferroelektrische, ferromagnetische Materialien, MAX- Phasen. In all diesen und anderen möglichen Werkstoffen ist die die Kristallstruktur der zu texturierenden Komponenten hinsichtlich der gewünschten Eigenschaft (also z.B. Wärmeleitfähigkeit, Piezoeffekt, magnetische, elektrische, elastische Eigenschaften, Härte) üblicherweise nicht isotrop, sodass eine definierte Ausrichtung einzelner Partikel und eine mögliche Verstärkung dieser Ausrichtung durch einen nachfolgenden Sinterprozess (orientiertes Kornwachstum) zu den gewünschten anisotropen Eigenschaften führen kann.The process can be used for the targeted production of different functional materials or multi-component materials with one or more functional phases. Such materials are, for example, piezo or ferroelectric, ferromagnetic materials, MAX phases. In all these and other possible materials, the crystal structure of the components to be textured is usually not isotropic with regard to the desired property (e.g. thermal conductivity, piezo effect, magnetic, electrical, elastic properties, hardness), so that a defined alignment of individual particles and possible reinforcement of these Alignment by a subsequent sintering process (oriented grain growth) can lead to the desired anisotropic properties.

Eine gezielte Ausrichtung von Partikeln mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung in verschiedenen Bereichen des Bauteils kann auch dazu genutzt werden, gezielt Druckspannungen in den mechanisch stärker belasteten Bereichen eines Bauteils zu generieren, bzw. innerhalb eines oder an einem Bauteil(s) gezielt Bereiche auszubilden, um mögliche Risse zu stoppen oder zu vermeiden (z.B. mittels Druckspannung in Bereichen unterhalb der Bauteiloberfläche). Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Bauteile erhöht werden.A targeted alignment of particles with different thermal expansion in different areas of the component can also be used to specifically generate compressive stresses in the mechanically more heavily loaded areas of a component, or to specifically form areas within or on a component (s) in order to avoid potential To stop or avoid cracks (e.g. by means of compressive stress in areas below the component surface). This can increase the reliability of the components.

Die geometrische Form der Partikel sollte von einer zumindest im Wesentlichen plättchen- (tellerförmig), faserartigen Form oder sphärischen Form abweichen.The geometric shape of the particles should deviate from an at least essentially platelet (plate-like), fiber-like or spherical shape.

Ferner wird vorgeschlagen, dass Einkristalle als Partikel eingesetzt werden. Dabei sollte ein Großteil der Partikel, beispielsweise zumindest 50 %, insbesondere zumindest 70 %, vorteilhaft zumindest 90 %, vorzugsweise zumindest 95 % Einkristalle sein. Diese Partikel können jeweils von genau einem Einkristall gebildet sein. Einkristalline Partikel können aus einer Lösung, insbesondere unter Zugabe von Kristallisationskeimen, gefällt werden. Durch die Wahl der Bedingungen beim Ausfällen (Temperatur, Konzentration der verwendeten Lösungen, Dauer/Größe eines Ausfällapparats) können Partikelgrößen der Partikel eingestellt werden. Die anisotropen Eigenschaften der Partikel haben Ihren Ursprung in der gezielt einstellbaren Mikrostruktur (Gefüge). Die zu verwendenden Partikel weisen in ihrer primären Form bedingt z.B. durch die Kristallstruktur durch das Wachstum des Kristalls eine geometrische Anisotropie auf.It is also proposed that single crystals are used as particles. A large part of the particles, for example at least 50%, should be ins in particular at least 70%, advantageously at least 90%, preferably at least 95% single crystals. These particles can each be formed from exactly one single crystal. Monocrystalline particles can be precipitated from a solution, in particular with the addition of crystallization nuclei. By choosing the conditions for precipitation (temperature, concentration of the solutions used, duration / size of a precipitation apparatus), particle sizes of the particles can be set. The anisotropic properties of the particles have their origin in the specifically adjustable microstructure (structure). The particles to be used have a geometric anisotropy in their primary form due, for example, to the crystal structure due to the growth of the crystal.

Es besteht die Möglichkeit, Partikel in lokal voneinander getrennten Teilbereichen eines Bauteils mit jeweils unterschiedlichen anisotropen Eigenschaften anzuordnen und auszurichten.It is possible to arrange and align particles in locally separated partial areas of a component, each with different anisotropic properties.

Allein oder zusätzlich dazu kann man in lokal voneinander getrennten Teilbereichen Partikel mit jeweils unterschiedlicher Ausrichtung hinsichtlich der jeweiligen anisotropen Materialeigenschaft(en) anordnen.Alone or in addition to this, particles can be arranged in locally separated subregions, each with a different orientation with regard to the respective anisotropic material property (s).

Ein Bauteil kann mit dem erfindungsgemäßen additiven Herstellungsverfahren hergestellt werden, bei dem zumindest in einem ersten Teilbereich des Bauteils, der sich insbesondere über zumindest 100 Partikel, vorteilhaft zumindest 1000 Partikel, und/oder zumindest 1 mm, vorteilhaft zumindest 10 mm erstreckt, zumindest 40 % bis 50 %, vorteilhaft zumindest 80 %, besonders vorteilhaft zumindest 90 %, der Partikel eine gleiche Ausrichtung hinsichtlich der jeweiligen anisotropen Materialeigenschaft(en) aufweisen. Die anisotropen Eigenschaften der Partikel werden so zu anisotropen Eigenschaften des Bauteils in dem ersten Teilbereich.A component can be manufactured with the additive manufacturing method according to the invention, in which at least 40% in at least a first partial area of the component, which in particular extends over at least 100 particles, advantageously at least 1000 particles, and / or at least 1 mm, advantageously at least 10 mm up to 50%, advantageously at least 80%, particularly advantageously at least 90%, of the particles have the same orientation with regard to the respective anisotropic material property (s). The anisotropic properties of the particles thus become anisotropic properties of the component in the first sub-area.

Dabei kann mindestens ein weiterer Teilbereich im Bauteil vorhanden sein, in dem zumindest 40 % bis 50 %, vorteilhaft zumindest 80 %, besonders vorteilhaft zumindest 90 %, der Partikel eine gleiche Ausrichtung hinsichtlich der anisotropen Materialeigenschaft(en) aufweisen, wobei die Ausrichtung der Partikel im ersten und die Ausrichtung der Partikel in dem weiteren Teilbereich deutlich voneinander abweicht, insbesondere um zumindest 30 °, vorteilhaft um zumindest 60 °, vorzugweise um 90 ° voneinander in der jeweiligen Raumrichtung abweicht. Die Anordnung der Texturierung der Partikel sollte dabei die im Bauteil jeweils lokal gewünschten anisotropen Eigenschaften durch gezielte Ablage oder Verfestigung berücksichtigen.At least one further sub-area can be present in the component in which at least 40% to 50%, advantageously at least 80%, particularly advantageously at least 90%, of the particles have the same orientation with regard to the anisotropic material property (s), the orientation of the particles in the first and the orientation of the particles in the further sub-area deviates significantly from one another, in particular deviates by at least 30 °, advantageously by at least 60 °, preferably by 90 ° from one another in the respective spatial direction. The arrangement of the texturing of the particles should take into account the locally desired anisotropic properties in the component through targeted deposition or solidification.

Gemäß weiterer Ausgestaltungen sind Bauteile in Form von temperaturspezifischen Referenzteilen, beispielsweise für Kalibrierungsaufgaben möglich, die sich durch die anisotropen Eigenschaften hinsichtlich der thermischen Ausdehnung in ihrer Form derart ändern, dass sie nur unter vorgegebenen Bedingungen mit einem Prüfling mit isotropen Materialeigenschaften in Deckung geraten. Derart anisotrope Bauteile können auch aktorisch zur präzisen Positionsregelung verwendet werden, wenn diese beispielsweise eine Temperaturänderung erfahren.According to further refinements, components in the form of temperature-specific reference parts are possible, for example for calibration tasks, which change in shape due to the anisotropic properties with regard to thermal expansion in such a way that they only coincide with a test object with isotropic material properties under specified conditions. Such anisotropic components can also be used as actuators for precise position control if, for example, they experience a change in temperature.

In weiteren Ausgestaltungsvarianten kann die Ausrichtung der Partikel zusätzlich durch das Anlegen eines Kraftfelds (z.B. Magnetfeld) bereits bei der Halbzeugfertigung oder direkten Materialverarbeitung aufgrund der chemisch/physikalischen Gitterstruktur verändert werden (verstärkt oder geschwächt). Dieser Effekt kann mit dem strömungsmechanischen Effekt (Drehmoment am Partikel) überlagert werden und beruht ebenfalls auf der Wirkung von Drehmoment an PartikelnIn further design variants, the alignment of the particles can also be changed (reinforced or weakened) by applying a force field (e.g. magnetic field) during the production of semi-finished products or direct material processing due to the chemical / physical lattice structure. This effect can be superimposed with the fluid mechanical effect (torque on the particle) and is also based on the effect of torque on particles

Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.Features of the various embodiments that are only disclosed in the exemplary embodiments can be combined with one another and claimed individually.

Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

• 1 ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens unter Einsatz einer Auftragsmasse in schematischer Darstellung;
• 2 ein weiteres Beispiel eines additiven Herstellungsverfahrens für ein Bauteil in schematischer Darstellung und
• 3 ein Beispiel eines Bauteils hergestellt mittels eines additiven Herstellungsverfahrens.

Exemplary embodiments according to the invention are shown in the figures and are explained in more detail in the following description. Show it:

• 1 an example of a production method using an application compound in a schematic representation;
• 2 a further example of an additive manufacturing process for a component in a schematic representation and
• 3 an example of a component manufactured using an additive manufacturing process.

In 1 wird schematisch gezeigt, wie eine Auftragsmasse 10 für ein additives Herstellungsverfahren hergestellt und beeinflusst werden kann.In 1 it is shown schematically how an application compound 10 for an additive manufacturing process can be produced and influenced.

In einem Extruder 20 wird eine Mischung eines Pulvers mit Partikeln 12 und eines Pulvers eines thermoplastischen Polymers erwärmt, erweicht und durch eine Düse 22 extrudiert. Die so erhaltene Auftragsmasse 10 erstarrt nach Verlassen der Düse 22 zu einem festen Filament oder einer Schicht, je nach Ausbildung der Düsenöffnung aus der die Auftragsmasse 10 austritt. Das thermoplastische Polymer bildet einen Trägerstoff 14 in dem die Partikel 12 bevorzugt homogen verteilt sind.In an extruder 20, a mixture of a powder with particles 12 and a powder of a thermoplastic polymer is heated, softened and extruded through a nozzle 22. The application compound 10 obtained in this way solidifies after leaving the nozzle 22 to form a solid filament or a layer, depending on the design of the nozzle opening from which the application compound 10 emerges. The thermoplastic polymer forms a carrier material 14 in which the particles 12 are preferably distributed homogeneously.

Die Partikel 12 weisen ein Aspektverhältnis größer 1 auf. Ein Großteil (mindestens 80 %) der Partikel 12 weist jeweils ein Aspektverhältnis zwischen 1,1 und 5 auf. Die Partikel 12 weisen eine Materialeigenschaft auf, die entlang einer Hauptachsenrichtung 13 des jeweiligen Partikels 12 einen anderen Wert aufweist als senkrecht/quer zur Hauptachsenrichtung 13. Die Materialeigenschaft ist bei diesem Beispiel eine thermische Ausdehnung, die in der Hauptachserichtung 13 des jeweiligen Partikels 12 größer ist als senkrecht/quer dazu. Ein Großteil (mindestens 80 %) der Partikel 12 weist Partikelgrößen entlang der Hauptachsenrichtung zwischen 0,5 µm und 100 µm, bevorzugt maximal 50 um und besonders bevorzugt maximal 10 µm auf.The particles 12 have an aspect ratio greater than 1. A large part (at least 80%) of the particles 12 each have an aspect ratio between 1.1 and 5. The particles 12 have a material egg property that has a different value along a main axis direction 13 of the respective particle 12 than perpendicular / transverse to the main axis direction 13. The material property in this example is a thermal expansion that is greater in the main axis direction 13 of the respective particle 12 than perpendicular / transverse to it . A large part (at least 80%) of the particles 12 have particle sizes along the main axis direction between 0.5 μm and 100 μm, preferably a maximum of 50 μm and particularly preferably a maximum of 10 μm.

Die Partikel bilden 60 Vol.-% der Auftragsmasse. Der Rest der Auftragsmasse 10 ist ein Polymergemisch. Gemäß weiteren Ausgestaltungen können die Partikel 12 (der Feststoff) mit einem Anteil von 1 Masse-% bis 99 Masse-% in der Auftragsmasse 10 als reiner Stoff oder Stoffgemisch gleicher oder unterschiedlicher Stoffklasse und/oder gleicher oder unterschiedlicher Aspektverhältnisse vorliegen.The particles make up 60% by volume of the application mass. The remainder of the coating compound 10 is a polymer mixture. According to further refinements, the particles 12 (the solid) can be present with a proportion of 1% by mass to 99% by mass in the application compound 10 as a pure substance or a mixture of substances of the same or different substance class and / or the same or different aspect ratios.

Die Partikel 12 sind bei diesem Beispiel Einkristalle. Die Partikel 12 bestehen aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), die z.B. mit dem Bayer-Verfahren hergestellt worden sind.In this example, the particles 12 are single crystals. The particles 12 consist of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), which have been produced, for example, using the Bayer process.

Mittels der Düse 22 stellt sich ein Geschwindigkeitsfeld 16 der Strömung der Auftragsmasse 10 ein, so dass die Strömungsgeschwindigkeit mittig am höchsten ist und zum Rand hin abfällt. Durch diesen Geschwindigkeitsgradienten werden die Partikel 12 ausgerichtet. Eine Hauptausdehnungsrichtung 13 der Partikel 12 entspricht jeweils der Vorschubbewegungsrichtung 11 des die Auftragsmasse 10 bildenden Filaments. Somit kann bereits bei der Herstellung des Halbzeugs aufgrund des Geschwindigkeitsfelds 16 im Bereich der Austrittsöffnung der Extruderdüse 22 eine Ausrichtung von Partikeln 12 gemäß der Düsengestalt, der Innenwand der Extruderdüse 22 oder der eingestellten Extrusionsgeschwindigkeit im Geschwindigkeitsfeld 16 erreicht werden. In nicht dargestellter Form kann auch Einfluss für ein Erreichen unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Geschwindigkeitsgradienten innerhalb eines Geschwindigkeitsfeldes 16, durch eine lokal definierte Anordnung und/oder geometrische Gestaltung von Barriere-Elementen vor oder im Bereich der Austrittsöffnung der Extruderdüse 22, an denen die Auftragsmasse 10 vorbei bewegt wird, genommen werden.A speed field 16 of the flow of the application compound 10 is established by means of the nozzle 22, so that the flow speed is highest in the center and drops towards the edge. The particles 12 are aligned by this velocity gradient. A main extension direction 13 of the particles 12 corresponds in each case to the feed movement direction 11 of the filament forming the application compound 10. Already during the manufacture of the semi-finished product, due to the speed field 16 in the area of the outlet opening of the extruder nozzle 22, an alignment of the particles 12 according to the nozzle shape, the inner wall of the extruder nozzle 22 or the set extrusion speed in the speed field 16 can be achieved. In a form not shown, there can also be an influence on reaching different flow speeds or speed gradients within a speed field 16, through a locally defined arrangement and / or geometric design of barrier elements in front of or in the area of the outlet opening of the extruder nozzle 22, past which the application compound 10 passes is moved, be taken.

Nicht ausgerichtete Partikel 12, deren geometrische Form ein Aspektverhältnis größer 1 aufweisen, können durch Geschwindigkeitsgradienten in einem mehrdimensionalen Geschwindigkeitsfeld 16 gemäß des wirkenden mechanischen Drehmoments 17 um den jeweiligen Partikelschwerpunkt ausgerichtet werden. Die Ausrichtung sollte solange erfolgen, bis das jeweilige Partikel 12 in der gewünschten Richtung, die die jeweilige anisotrope Wirkung berücksichtigt, ausgerichtet und das Drehmoment 17 zumindest nahe Null ist. Je größer das Aspektverhältnis, desto größer kann das um den Drehpunkt/Massenschwerpunkt wirkende Drehmoment 17 ausgenutzt werden.Non-aligned particles 12, the geometric shape of which has an aspect ratio greater than 1, can be aligned around the respective particle center of gravity by speed gradients in a multidimensional speed field 16 according to the acting mechanical torque 17. The alignment should continue until the respective particle 12 is aligned in the desired direction, which takes the respective anisotropic effect into account, and the torque 17 is at least close to zero. The greater the aspect ratio, the greater the torque 17 acting about the fulcrum / center of mass can be used.

In den folgenden Figuren wiederkehrende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen.Features recurring in the following figures are provided with identical reference symbols.

2 zeigt ein Beispiel eines additiven Herstellungsverfahrens für die Herstellung eines Bauteils 40, bei dem die zuvor beschriebene Auftragsmasse 10 eingesetzt werden kann. 2 shows an example of an additive manufacturing method for the manufacture of a component 40 in which the application compound 10 described above can be used.

Das Herstellungsverfahren ist bei diesem Beispiel ein Schmelzschichtverfahren (FFF - Fused Filament Fabrication). Einer Fertigungsvorrichtung 32 wird die Auftragsmasse 10 in Filamentform zugeführt. Die Auftragsmasse 10 wird erwärmt und somit aufgeschmolzen (erweicht oder gar verflüssigt). Die Auftragsmasse 10 wird der Fertigungsvorrichtung 32 unter Einwirkung einer Kraft zugeführt.The manufacturing process in this example is a Fused Filament Fabrication (FFF). The application compound 10 is fed in filament form to a manufacturing device 32. The application compound 10 is heated and thus melted (softened or even liquefied). The application compound 10 is fed to the manufacturing device 32 under the action of a force.

Die Fertigungsvorrichtung 32 weist einen Druckkopf 33 mit einer Düse auf. Die Auftragsmasse 10 wird durch die Düse dabei in Bahnen als Schicht auf einen Träger 34 aufgebracht. Übereinander aufgetragene und stoffschlüssig verbundene Bahnen/Schichten bilden (nach und nach) das Bauteil 40, das nach Fertigstellung von dem Träger 34 gelöst werden kann.The manufacturing device 32 has a print head 33 with a nozzle. The application compound 10 is applied in strips as a layer to a carrier 34 through the nozzle. Tracks / layers applied one on top of the other and firmly bonded together form (gradually) the component 40, which can be detached from the carrier 34 after completion.

Die Auftragsmasse 10 tritt als Schmelze des Polymers mit den darin enthaltenen Partikeln 12 durch die Düse aus. Die Düse kann eine Düsenöffnung mit bevorzugt rotationssymmetrischem Querschnitt aufweisen oder als Schlitzdüse ausgebildet sein, wobei zum Zweck der Erreichung unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Geschwindigkeitsfeldes 16 und somit definierter Ausrichtung der Partikel 12 alternativ auch andere Querschnittsformen möglich sind oder während der Bauteilfertigung gewechselt werden können. Die Düse weist einen Innendurchmesser von 0,5 mm auf, wobei auch andere Durchmesser zwischen 0,15 mm und 1 mm möglich sind. Die Auftragsmasse 10 tritt aus der Düse mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s aus, wobei auch andere Geschwindigkeiten zwischen 1 mm/s und 100 mm/s möglich sind. Die geschmolzene Auftragsmasse 10 erstarrt nach Auftrag und Abkühlung zu einem vorrangig bahnförmigen Element.The application compound 10 emerges as a melt of the polymer with the particles 12 contained therein through the nozzle. The nozzle can have a nozzle opening with a preferably rotationally symmetrical cross-section or it can be designed as a slot nozzle, whereby other cross-sectional shapes are alternatively possible or can be changed during component production for the purpose of achieving different flow velocities within the velocity field 16 and thus defined alignment of the particles 12. The nozzle has an inside diameter of 0.5 mm, although other diameters between 0.15 mm and 1 mm are also possible. The application compound 10 emerges from the nozzle at a speed of 10 mm / s, with other speeds between 1 mm / s and 100 mm / s also being possible. The melted application mass 10 solidifies after application and cooling to form a primarily web-shaped element.

Während des Auftragsprozesses kann eine Scherwirkung lokal gezielt verändert werden, um Partikel 12 im Bauteil 40 in bestimmten Teilbereichen unterschiedlich auszurichten. Die Ausrichtung aufgrund des Aspektverhältnisses (geometrische Partikelanisotropie) lässt sich neben der resultierenden Strömungsgeschwindigkeit ebenfalls über die räumliche Ablagerichtung im Bauteilherstellungsprozess im Bauteil 40 gezielt beeinflussen.During the application process, a shear effect can be changed locally in a targeted manner in order to differently align particles 12 in component 40 in certain subregions. The orientation based on the aspect ratio (geometric particle anisotropy) can be determined in addition to the resulting Influencing the flow velocity also in a targeted manner via the spatial deposition direction in the component manufacturing process in the component 40.

Die Fertigungsvorrichtung 32 kann den Druckkopf 33 in beliebige Richtungen bewegen. Gemäß der (Düsen-)Bewegungsrichtung in X, Y, Z -Richtung 36 können die durch die Scherwirkung in den Bahnen entsprechend ausgerichteten Partikel 12 im Bauteil 40 anisotrop ausgerichtet werden und somit eine Textur auszubilden. Eine so hergestellte Texturierung kann beispielsweise unter Zuhilfenahme von XRD oder EBSD nachgewiesen werden.The manufacturing device 32 can move the print head 33 in any direction. According to the (nozzle) movement direction in the X, Y, Z direction 36, the particles 12 correspondingly aligned in the webs by the shear action can be aligned anisotropically in the component 40 and thus form a texture. A texturing produced in this way can be detected, for example, with the aid of XRD or EBSD.

Eine Beeinflussung der Ausrichtung und insbesondere eines Grades der Ausrichtung der in der Auftragsmasse 10 enthaltenen Partikel 12 kann hierbei zusätzlich zu einer Richtungsänderung durch eine Änderung eines Volumenstroms oder eine Änderung einer Geometrie der Düse bzw. Düsenöffnung erreicht werden.The alignment and in particular a degree of alignment of the particles 12 contained in the application compound 10 can be influenced in addition to a change in direction by changing a volume flow or changing the geometry of the nozzle or nozzle opening.

Die Ausrichtung der Partikel 12 im Bauteil 40 wird hierbei durch die bereits in der als Filament ausgebildeten Auftragsmasse 10 ausgerichteten Partikel 12 erleichtert. Gemäß alternativen Ausgestaltungen ist es möglich, dass die Partikel 12 in der Auftragsmasse 10 noch unausgerichtet sind und erst bei der letztendlichen Bauteilfertigung einer Scherwirkung ausgesetzt werden und dabei die jeweils gewünschte Ausrichtung erfahren. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn der Zwischenschritt der Halbzeugfertigung ausgelassen wird.The alignment of the particles 12 in the component 40 is facilitated by the particles 12 already aligned in the application compound 10, which is designed as a filament. According to alternative embodiments, it is possible that the particles 12 in the application compound 10 are still unaligned and are only exposed to a shear effect during the final component manufacture and experience the respectively desired alignment in the process. This can be achieved, for example, if the intermediate step of semi-finished product manufacture is omitted.

Die Ausrichtung der Partikel 12 in der Auftragsmasse 10 kann mit Hilfe der additiven Fertigungsverfahren in alle drei Raumrichtungen selektiv und gezielt geschehen, da man in der Lage ist über mindestens 3 bis 6 Achsen (Translation und Rotation) die Schichten im Raum auszurichten und somit die Materialeigenschaften des Bauteils 40 entsprechend lokal differenziert anisotrop, insbesondere in mehreren Teilbereichen an bzw. innerhalb eines Bauteils 40 einzustellen.The alignment of the particles 12 in the application compound 10 can be done selectively and purposefully with the help of the additive manufacturing process in all three spatial directions, since one is able to align the layers in space and thus the material properties over at least 3 to 6 axes (translation and rotation) of the component 40 to be set in a correspondingly locally differentiated anisotropic manner, in particular in a plurality of subregions on or within a component 40.

Das Bauteil 40 kann erst ein Grünkörper sein, der durch einen Wärmebehandlungsprozess weiterbearbeitet wird. Der Wärmebehandlungsprozess umfasst eine Sinterung bei einer für den jeweiligen Partikelwerkstoff geeigneten Sintertemperatur, beispielweise bei 1620 °C über eine Haltezeit von z.B. 2 Stunden für Al₂O₃. Bei dem Wärmebehandlungsprozess wird der Trägerstoff 14 aus dem Bauteil 40 entfernt und lediglich die nun versinterten Partikel 12 verbleiben und bilden das fertige Bauteil 40.The component 40 can first be a green body, which is further processed by a heat treatment process. The heat treatment process includes sintering at a sintering temperature suitable for the particular particle material, for example at 1620 ° C. over a holding time of, for example, 2 hours for Al ₂ O ₃ . During the heat treatment process, the carrier material 14 is removed from the component 40 and only the now sintered particles 12 remain and form the finished component 40.

In 3 ist ein Beispiel für ein additiv gefertigtes Bauteil 40 gezeigt, bei dem eine entsprechende Auftragsmasse 10 verwendet wurde.In 3 an example of an additively manufactured component 40 is shown in which a corresponding application compound 10 was used.

Das Bauteil 40 weist eine obere und eine untere Schicht auf. Die obere Schicht bildet einen ersten Teilbereich, in dem die Partikel 12 der Auftragsmasse 10 mit ihrer Hauptausdehnungsrichtung 13 entlang einer ersten Richtung ausgerichtet sind. Die untere Schicht bildet einen zweiten Teilbereich, in dem die Partikel 12 in der Auftragsmasse 10 mit ihrer Hauptausdehnungsrichtung 13 (im Wesentlichen) senkrecht zur ersten Richtung ausgerichtet sind. Dadurch, dass die Partikel 12 entlang ihrer Hauptausdehnungsrichtung 13 eine höhere thermische Ausdehnung aufweisen, ist das Bauteil 40 thermomechanisch aktiv. Das Bauteil 40 kann seine Form bei Temperaturänderung verändern. Das Bauteil 40 kann sich bei Temperaturänderung senkrecht zur Ausdehnung der Schichten vergleichbar zu einem Bimetallstreifen verbiegen. Dies kann hierbei jedoch ohne Verwendung von zwei Metallen sondern unter Verwendung eines einzigen nichtmetallischen Materials erreicht werden. Es kann so z.B. ein mechanischer Schalter geschaffen werden.The component 40 has an upper and a lower layer. The upper layer forms a first partial area in which the particles 12 of the application compound 10 are aligned with their main direction of extent 13 along a first direction. The lower layer forms a second partial area in which the particles 12 in the application compound 10 are aligned with their main direction of extent 13 (essentially) perpendicular to the first direction. Because the particles 12 have a higher thermal expansion along their main direction of expansion 13, the component 40 is thermomechanically active. The component 40 can change its shape when the temperature changes. When the temperature changes, the component 40 can bend perpendicular to the expansion of the layers, comparable to a bimetal strip. In this case, however, this can be achieved without the use of two metals but with the use of a single non-metallic material. A mechanical switch can be created in this way, for example.

Im Weiteren kann die Fertigungsvorrichtung 32 vorgesehen sein, unterschiedliche Filamente miteinander zu kombinieren. Beispielsweise kann man in kurzer Folge, das jeweilige dem Druckkopf 33 zugführte Filament wechseln oder mehrere Druckköpfe mit unterschiedlichen Filamenten verwenden. Eines der Filamente kann hierbei eine Auftragsmasse 10 ohne Partikel 12, die anisotrope Eigenschaften aufweisen, enthalten, so dass Bauteile geschaffen werden, die nur in vorgesehen Teilbereichen anisotrope Materialeigenschaften aufweisen. Das Bauteil 40 kann so mit anderen Formen kombiniert werden, sodass spezielle Funktionen erfüllt werden können.Furthermore, the production device 32 can be provided to combine different filaments with one another. For example, the filament fed to the print head 33 can be changed in quick succession or several print heads with different filaments can be used. One of the filaments can contain an application compound 10 without particles 12 which have anisotropic properties, so that components are created which have anisotropic material properties only in the intended subregions. The component 40 can thus be combined with other shapes, so that special functions can be fulfilled.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

• DIN EN ISO/ASTM 52900:2018 [0011]DIN EN ISO / ASTM 52900: 2018 [0011]

Claims (15)

Additives Herstellungsverfahren unter Verwendung einer Auftragsmasse (10), die zur Bauteilfertigung schichtweise aufgetragen wird, wobei die Auftragsmasse (10) mit Partikeln (12) gebildet wird, von denen zumindest 40 % ein Aspektverhältnis größer 1 mindestens eine anisotrope Eigenschaft aufweisen oder einer Mischung an Partikeln eines keramischen Werkstoffs in der mindestens 2 % Partikel einer ersten Phase dieses Werkstoffs mit einem Aspektverhältnis größer 1 sowie mindestens 35 % an Partikeln einer zweiten Phase dieses Werkstoffs, die bei einer thermischen Behandlung in die erste Phase umgewandelt und dabei auf die Kristallite der ersten Phase aufwachsen und dadurch die Ausrichtung der ersten Phase verstärken ein Aspektverhältnis größer 1 aufweisen und die Partikel (12) mit Aspektverhältnis größer 1 mindestens eine anisotrope Materialeigenschaft aufweisen, die entlang einer Hauptachsenrichtung (13) des jeweiligen Partikels (12) einen anderen Wert aufweist als entlang einer Richtung senkrecht zur jeweiligen Hauptachsenrichtung (13), wobei die Auftragsmasse (10) in zumindest einem Herstellungsschritt einer Scherwirkung so ausgesetzt wird, dass die Partikel (12) mit ihrer Hauptachsenrichtung gezielt parallel zueinander ausgerichtet werden, bevor eine Aushärtung der Auftragsmasse (10) erfolgt oder eine stoffschlüssige Verbindung der Partikel (12) erreicht wird.Additive manufacturing process using a coating compound (10) which is applied in layers for component production, the coating compound (10) being formed with particles (12) of which at least 40% have an aspect ratio greater than 1, at least one anisotropic property or a mixture of particles of a ceramic material in the at least 2% particles of a first phase of this material with an aspect ratio greater than 1 and at least 35% of particles in a second phase of this material, which are converted into the first phase during a thermal treatment and thereby grow on the crystallites of the first phase and thereby reinforce the alignment of the first phase have an aspect ratio greater than 1 and the particles (12) with an aspect ratio greater than 1 have at least one anisotropic material property which has a different value along a main axis direction (13) of the respective particle (12) than along one direction se perpendicular to the respective main axis direction (13), the application compound (10) being subjected to a shear effect in at least one manufacturing step in such a way that the particles (12) with their main axis direction are specifically aligned parallel to one another before the application compound (10) hardens or a material connection of the particles (12) is achieved. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (12) der Auftragsmasse (10) bei einer Vorschub- oder Verteilbewegung der Scherwirkung ausgesetzt werden.Manufacturing process according to Claim 1 , characterized in that the particles (12) of the application mass (10) are exposed to the shear action during a feed or distribution movement. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragsmasse (10) durch mindestens eine Düse schichtweise aufgetragen wird und die Scherwirkung während der Förderung der Auftragsmasse (10) durch eine Leitung, die zur Düse geführt ist und/oder im Bereich der mindestens einen Düse auf die Partikel (12) der Auftragsmasse (10) einwirkt.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that the application compound (10) is applied in layers through at least one nozzle and the shear action during the conveyance of the application compound (10) through a line which is led to the nozzle and / or in the area of the at least a nozzle acts on the particles (12) of the application compound (10). Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (12) der Auftragsmasse (10) mittels einer Rakel bei einem Auftrag einer Schicht verteilt werden und die Scherwirkung bei einer Bewegung der Rakel durch eine Wechselwirkung einer Abzugskante der Rakel mit der Auftragsmasse (10) auf die Partikel (12) der Auftragsmasse (10) ausgeübt wird.Manufacturing process according to one of the Claims 1 oder2, characterized in that the particles (12) of the coating compound (10) are distributed by means of a squeegee when a layer is applied and the shear effect when the squeegee moves through an interaction of a pull-off edge of the squeegee with the coating compound (10) on the particles (12) the application mass (10) is exercised. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension und/oder ein schüttfähiges Pulver als Auftragsmasse (10) eingesetzt wird.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that a suspension and / or a pourable powder is used as the application compound (10). Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Halbzeugfertigung die Auftragsmasse (10) zu mindestens einem Pulver, Granulat oder einer Suspension, insbesondere zu mindestens einem Filament geformt wird.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that in the case of a semi-finished product, the application compound (10) is formed into at least one powder, granulate or a suspension, in particular into at least one filament. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel (12) aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumcarbid (SiC), Molybdändisilizid (MoSi₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Blei-Zirkon-Titanat (PZT), Kohlenstoffmodifikationen (z.B. Diamant), Eisen (Fe), Zink (ZN) oder in Mischungen davon sowie Mischungen der Partikel (12) mit Polyethylen (PE), Polyamid (PA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Varianten der Aminoacrylate eingesetzt werden.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that particles (12) made of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), silicon carbide (SiC), molybdenum disilicide (MoSi ₂ ), silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), lead-zirconium-titanate (PZT ), Carbon modifications (e.g. diamond), iron (Fe), zinc (ZN) or in mixtures thereof as well as mixtures of the particles (12) with polyethylene (PE), polyamide (PA), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) or variants of the Aminoacrylates are used. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel (12) anisotrope physikalische und chemische Eigenschaften aufweist oder sich daraus isomorphe anisotrope Partikel im Bauteil bilden.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that the particles (12) have anisotropic physical and chemical properties or isomorphic anisotropic particles are formed therefrom in the component. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (12) ein Aspektverhältnis kleiner 10 und/oder eine Partikelgröße entlang ihrer Hauptachsenrichtung von maximal 100 µm aufweisen.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that the particles (12) have an aspect ratio of less than 10 and / or a particle size along their main axis direction of a maximum of 100 µm. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einkristalle als Partikel (12) oder aus Einkristallen aufgebaute Agglomerate/Aggregate eingesetzt werden.Production method according to one of the preceding claims, characterized in that single crystals are used as particles (12) or agglomerates / aggregates made up of single crystals. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel (12) zweidimensional, bevorzugt dreidimensional unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen anisotropen Eigenschaften ausgerichtet werden.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that particles (12) are aligned two-dimensionally, preferably three-dimensionally, taking into account their respective anisotropic properties. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel (12) in lokal voneinander getrennten Teilbereichen eines Bauteils mit jeweils unterschiedlichen anisotropen Eigenschaften und/oder mit unterschiedlicher Ausrichtung hinsichtlich der jeweiligen anisotropen Materialeigenschaft(en) angeordnet werden.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that particles (12) are arranged in locally separated subregions of a component, each with different anisotropic properties and / or with different orientation with regard to the respective anisotropic material property (s). Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Partikel einer ersten Phase Partikel von β-Si₃N₄ oder α-SiC eingesetzt und Kristallite der zweiten Phase α-Si₃N₄ oder β-SiC sich umlösen, auf diese aufwachsen und ausgerichtet werden.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that particles of β-Si ₃ N ₄ or α-SiC and crystallites are used as particles of a first phase of the second phase α-Si ₃ N ₄ or β-SiC dissolve, grow and become aligned with them. Bauteil, hergestellt mit einem Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest in einem ersten Teilbereich des Bauteils, zumindest 40 % der Partikel (12) mit einem Aspektverhältnis größer 1 und maximal 10 eine gleiche Ausrichtung hinsichtlich der jeweiligen anisotropen Materialeigenschaft(en) aufweisen.Component manufactured with a manufacturing method according to one of the preceding claims, in which at least 40% of the particles (12) with an aspect ratio greater than 1 and a maximum of 10 in a first partial area of the component have the same orientation with regard to the respective anisotropic material property (s) . Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Teilbereich im Bauteil vorhanden ist, in dem zumindest 40 % der Partikel (12) mit einem Aspektverhältnis größer 1 und maximal 10 eine gleiche Ausrichtung hinsichtlich der anisotropen Materialeigenschaft(en) aufweisen, wobei die Ausrichtung der Partikel (12) hinsichtlich der anisotropen Materialeigenschaft(en) im ersten und im weiteren Teilbereich voneinander abweicht.Component after Claim 14 , characterized in that there is at least one further sub-area in the component in which at least 40% of the particles (12) with an aspect ratio greater than 1 and a maximum of 10 have the same orientation with regard to the anisotropic material property (s), the orientation of the particles ( 12) deviates from one another with regard to the anisotropic material property (s) in the first and in the further sub-area.

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