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1. (WO2019047996) DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING A COMPONENT BY MEANS OF 3D MULTI-MATERIAL PRESSURE AND COMPONENT PRODUCED THEREWITH
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Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels 3D- Multimaterialdruck und hergestelltes Bauteil

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus mehreren Materialien mittels 3D-Multimaterialdruck sowie ein hergestelltes Bauteil und findet insbesondere für die Herstellung eines gedruckten elektrischen Bauteils, insbesondere eines Elektromotors Anwendung.

Aus der Druckschrift EP 1639871 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Musters mittels Drucken von einer Metalloxide umfassenden Schicht bekannt. Die Schicht wird dabei als reduzierte Schicht auf ein Applikationssubstrat übertragen. Nach dem Drucken wird das leitfähige Muster zum Metallisieren und Sintern durch Infrarot- oder Mikrowellenbestrahlung erhitzt. Das elektrisch leitfähige Muster ist in Form einer Pastenschicht ausgebildet und wird mittels Siebdrucken, Tampondrucken,

Flexodruck, Tiefdruck, Lithodruck, Tintenstrahl- oder Laserausdruckverfahren hergestellt.

In der Druckschrift US 2016/0325498 A1 wird ein 3D-Drucker mit einer zweistufigen Düse beschrieben, der jede Schicht in einem Raster ablegt. Jede Düse besitzt ein einzeln steuerbares Hochgeschwindigkeitsventil, wobei mehreren Düsen unter konstantem Druck ein geschmolzener Kunststoff zugeführt wird.

In der WO2016/115 095 A1 wird offenbart, dass die Materialien, die während des AM-Prozesses verwendet werden, Metalllegierung (en), Photopolymer, Thermoplaste, eutektische Metalle, essbare Materialien, Kautschuke, Modellierung und / oder Metallton, keramische Materialien, pulverförmige Polymere, thermoplastisches Pulver,

Keramikpulver, Papier, Metallfolie, Kunststofffolie sein können. Der AM-Prozess kann die Komponente 2 und / oder eine oder mehrere nachfolgende Komponenten basierend auf einem oder mehreren 3D-Computermodellen in einem oder mehreren druckbaren Dateiformaten aufbauen, die aus dem STL-Dateiformat, WRL-Dateiformat, VRML ausgewählt sind, aber nicht darauf beschränkt sind. Möglich sind auch 3MF-Dateiformat, AMF-Dateiformat, ZPR-Dateiformat, FORM-Dateiformat und Gcode-Dateiformat.

Der AM-Prozess kann verwendet werden, um die Komponente 2 für eine oder mehrere der folgenden Anwendungen zu bauen: Herstellungsanwendungen; industrielle

Anwendungen; soziokulturelle Anwendungen; und / oder irgendeine Kombination davon. In Ausführungsformen können die Herstellungsanwendungen mit verteilter Fertigung, Massenanpassung, schneller Herstellung, Rapid Prototyping, Forschung, Lebensmittel,

medizinischer Anwendung, maßgefertigten medizinischen Güssen und / oder einer beliebigen Kombination davon in Verbindung stehen oder darauf ausgerichtet sein.

Es ist aus dieser Druckschrift weiterhin bekannt, ein Verifizierungs- und Einstellverfahren zum Korrigieren mindestens eines Baufehlers, der in einer durch additive Fertigung aufgebauten Komponente vorhanden ist, vorzusehen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Extrahieren von digitalen 3D-Geometriedaten der Komponente aus

gesammelten digitalen Daten, wobei die gesammelten digitalen Daten auf der

aufgebauten Komponente basieren eine Build-Plattform einer additiven

Fertigungsvorrichtung, wobei die gesammelten digitalen Daten digitale 2D-Bilder umfassen, die von einer der additiven Fertigungsvorrichtung zugeordneten ersten bildgebenden Vorrichtung und digitalen 3D-Bildern gesammelt werden, die von einer zweiten bildgebenden Vorrichtung gesammelt werden, die der additiven

Fertigungsvorrichtung zugeordnet ist; Detektieren mindestens eines Buildfehlers in der auf der Buildplattform aufbauenden Komponente durch Vergleichen der extrahierten digitalen 3D-Geometriedaten mit einem ersten digitalen 3D-Modell der Komponente, wobei eine erste digitale 3D-druckbare Datei der Komponente das erste digitale 3D-Modell von umfasst die Komponente; Erzeugen eines zweiten digitalen 3D-Modells der Komponente basierend auf dem detektierten wenigstens einen Buildfehler, der in der Komponente vorhanden ist, wobei das zweite digitale 3D-Modell den detektierten wenigstens einen Buildfehler, der in der Komponente vorhanden ist, berücksichtigt oder korrigiert; und Bereitstellen einer zweiten digitalen druckbaren 3D-Datei, die den erfassten mindestens einen Erstellungsfehler berücksichtigt oder korrigiert, indem der zeilenweise Code der ersten digitalen druckbaren 3D-Datei geändert wird, um das erzeugte zweite digitale 3D-Modell der Komponente zu integrieren.

Bei dieser Lösung nach dem Stand der Technik der D1 werden somit zwar Fehler im Druck erkannt, jedoch erst im nachfolgenden Druckvorgang /Layer behoben.

Bei der US 2016/0009 029 A1 wird offenbart, dass durch eine Düse verschiedene thermoplastische Materialien und somit ausschließlich Kunststoffe aufgeschmolzen werden. Dabei kann das Material mittels eines Kolbens ausgebracht werden. In noch anderen Ausführungsformen kann Material in die MMC vorgeschoben werden, wenn der Kolben angehoben wird. Dabei wird beim Anheben des Kolbens ein Vakuum erzeugt. Dieses durch das Anheben des Kolbens verursachte Vakuum soll reduziert werden, um

die zum Anheben des Kolbens erforderliche Kraft zu minimieren und jegliches Risiko einer möglichen Verformung der Öffnung zu verringern.

Weiterhin ist es aus dieser Druckschrift bekannt, dass Verbundmaterialien mit einer Matrix aus einem Polymer und mit einem FÜLLSTOFF aus Metall oder Keramik verwendet werden können.

Der 3-D-Druck zur Herstellung eines Bauteils aus sowohl metallischen und keramischen Pasten in einem Druckvorgang ist daraus nicht bekannt.

Es wird in GB 2 521 913 A1 weiterhin ein Wärmetauscher offenbart, der mehrere

Leitungen in Form von Kapillarröhrchen mit einem gemeinsamen Zulauf und Ablauf aufweist. Dieser besitzt keine Gitterstruktur durch welche ein Fluid strömen kann und wurde nicht durch ein 3D Druckverfahren hergestellt.

Aus dem Stand der Technik ergeben sich mehrere Probleme bei der Durchführung eines Druckens mittels 3D-Multimaterialdruck.

Vor Druckbeginn muss die Skalierung der Extrusionsmenge festgelegt werden. Aufgrund von Toleranzen der Druck- und Dosiereinheit ist eine exakte Einhaltung der

vorgeschriebenen Extrusionsmenge gemäß dem Stand der Technik nicht realisierbar. Dies hat zwangsläufig zur Folge, dass die gedruckten Layer mit zunehmender

Bauteilhöhe dazu neigen, mit Druckmaterial überfüllt zu werden. Wrd hingegen zu wenig Material eingebracht, nimmt die Häufigkeit von Fehlstellen proportional zur Druckhöhe zu.

Beim Extrusionsdruck können, trotz optimiertem Mischverfahren der Pasten, Fehlstellen entstehen. Bei großen und komplexen Druckkörpern steigt die Wahrscheinlichkeit solcher Ereignisse. Dies bedeutet nach dem Stand der Technik eine Unterbrechung des

Druckvorgangs, mit anschließender manueller Korrektur. In ungünstigen Fällen kann dies auch den Abbruch des Druckvorgangs bedeuten. Ist eine manuelle Korrektur möglich, zieht dies einige Probleme beim weiterführen des Druckvorgangs nach sich.

Beispielsweise können veränderte Trocknungsparameter und die Neueinrichtung der Druckmaschine, Fehler im weiteren Druckprozess verursachen.

Ein weiteres Problem des Extrusionsdrucks ist die temporäre Verstopfung der

Extrusionsdüse. Verstopfungen der Extrusionsdüse lassen sich aufgrund von statistischen Schwankungen der Partikelgröße und Form nicht vollständig ausschließen. Tritt eine Verstopfung auf, muss der Druckprozess unterbrochen werden und das Druckteil kann

nicht fertig gestellt werden. Eine manuelle Reinigung der Düse ist für die Fortsetzung des Drucks erforderlich.

Gemäß des Standes der Technik ist die Formbeständigkeit üblicher Binder während des Druckprozesses, die Fließfähigkeit, das Entmischungsverhalten, die Aushärtbarkeit und die Kompatibilität zu einem Sinterprozess nicht gegeben, da teils gegensätzliche physikalische und chemische Eigenschaften des Binders gefordert werden. Binder, die allen Anforderungen des 3D-Multimaterialdrucks gerecht werden, sind von

konventionellen Verfahren nicht bekannt. Zudem ist es notwendig, die

Bindereigenschaften, in Abhängigkeit der Größe und Form der in der Paste befindlichen Partikel, anzupassen.

Gemäß dem Stand der Technik werden die pastösen und granulären Gebinde mit Hilfe von Druckluft bzw. mechanisch aufgebrachtem Druck gefördert. Nachteilig ist, dass Pasten die über sehr lange Zeiträume, wie es beim 3D-Druck von großen Bauteilen notwendig ist, unter Druck stehen grundsätzlich zu einer Entmischung neigen. Dies gilt besonders für Pasten die Partikel aus Stoffen mit hohen Dichten wie Metall enthalten.

Vor allem bei großen bis sehr großen Druckkörpern muss eine definierte Aushärtung während des Druckprozesses gewährleistet werden, da sonst eine Verformung des Druckkörpers unter seiner eigenen Last zu befürchten ist. Bei bisher angewendeten Verfahren wird dies durch foto- oder wärmehärtende Polymere im Binder gewährleistet. Dies ist aber wegen der speziellen Anforderungen an Binder für den 3D-Multimaterialdruck nicht möglich.

In Bezug auf das Sintern eines Bauteils weist der Stand der Technik Nachteile auf derart, dass Unedle Metalle, wie Kupfer oder Eisen unter Schutzgasatmosphäre bzw. unter der Anwesenheit von Aktivgasen und vor allem unter der Abwesenheit

von Sauerstoff, gesintert werden müssen, da es sonst zu Oxidationsprozessen kommt, die einem optimalen Sinterergebnis entgegenstehen. Unter diesen Bedingungen lassen sich jedoch nicht alle Binderbestanteile aus dem Druckkörper entfernen, was sich negativ auf die angestrebten Eigenschaften des gedruckten Teils auswirkt.

Kupfer und andere Metalle können auf makroskopischen Skalen üblicherweise nicht dauerhaft, wegen der sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verbunden werden. Emaille bildet hier eine Ausnahme ist aber zur Herstellung massiver Druckkörper nicht geeignet. Die aus anderen Verfahren bekannten LTCC (Low Temperatur Cofired Ceramics) weisen zwar die erforderlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, eignen sich aufgrund von Anisotropien des Ausdehnungskoeffizienten jedoch nicht für den 3D-Multimaterialdruck.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels 3D-Multimaterialdruck sowie ein zugehöriges Bauteil zu entwickeln, welches einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und die genannten Defizite des Standes der Technik behebt.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1., 12., 13., 15., und 18. Patentanspruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels 3D-Multimaterialdruck, insbesondere zur Herstellung eines elektrischen Bauteils, wobei mittels eines Extrusionsverfahrens metallische und keramische Pasten schichtweise mittels einer Extrusionsdüse aufgetragen und in Form gebracht werden. Dabei werden mehrere Parameter während des Druckprozesses mittels einer Überwachungseinrichtung überwacht.

Mittels einer Überwachungseinrichtung in Form einer Kamera werden Fehlstellen im Druck erkannt, lokalisiert und mit den Messungen einer kontinuierlichen Überwachung verglichen, wobei basierend auf erkannten Fehlstellen automatisch neue Extrusionswege erstellt werden, die die Fehlstellen vollautomatisch beheben.

Des Weiteren erfolgt mit der selben oder einer weiteren Kamera eine Überwachung einer Über- oder Unterfüllung jeder gedruckten Schicht in Bezug auf die Extrusionsmenge, wobei mit Hilfe von bildgebenden Verfahren der Füllgrad jeder gedruckten Schicht während des Druckprozesses erfasst und ausgewertet wird.

In einem dritten Überwachungsprozess werden mittels der Überwachung des Drucks im Bereich der Extrusionsdüse temporären Verstopfungen in der Extrusionsdüse erkannt, wobei die Verstopfung außerhalb des gedruckten Körpers durch Erhöhung des Drucks gelöst und anschließend der Druckprozess fortgeführt wird. Eine vorteilhafte mögliche Maßnahme ist die Unterbrechung des Druckvorgangs mit anschließendem Verfahren des Druckkopfes in einen Bereich außerhalb des

gedruckten Körpers. In diesem Bereich wird eine definierte Menge Extrusionsmaterials unter erhöhtem Druck ausgepresst, bis sich die Verstopfung löst. Dieser Vorgang wird vorteilhafter Weise vollautomatisch durchgeführt.

Zur Überwachung von Fehlstellen im Druck, wird vorteilhafter Weise während des Druckvorgangs eine auf dem Druckkörper abgelegte Raupe mit Hilfe der Kamera und Bilderkennungs- und Auswerteverfahren beurteilt und im Falle von Fehlstellen diese vor der nächsten Schicht und/oder dem nächsten Material behoben. Erst wenn die Fehlstellen behoben wurden, wird mit dem Druck des nächsten Materials beziehungsweise des folgenden Layers fortgefahren. Bei Erkennung einer Fehlstelle wird deren Lokalisation und Ausdehnung erkannt und gespeichert. Basierend auf erkannten Fehlstellen werden folgend automatisch neue Extrusionswege erstellt, wodurch die Fehlstellen

vollautomatisch behoben werden.

Des Weiteren wird nach der Fertigstellung eines Materials in einer Schicht der entsprechende Bereich mit Hilfe der bildgebenden Verfahren erfasst und der Verlauf der Extrusionswege anhand eines Bilderkennungsverfahrens ermittelt.

Zur Überwachung der Über-/Unterfüllung der Extrusionsmenge, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung mittels der dynamischen Anpassung eines Skalierungsfaktors in Form einer Regelschleife an den Druckprozess, der Über- beziehungsweise Unterfüllung entgegengewirkt.

Das Lösen der Verstopfung in der Extrusionsdüse wird vorzugsweise mittels Abfallen des gemessenen Drucks detektiert, wobei im Anschluss der Druckprozess automatisch fortgesetzt wird. Sollte die Verstopfung durch die Druckerhöhung nicht zu Beheben sein, wird dies dem Benutzer durch Ausgabe einer Fehlermeldung angezeigt. Die Düse muss dann manuell gereinigt werden, wobei anschließend eine vollautomatische Einrichtung des Druckkopfes und die Fortsetzung des Druckvorgangs erfolgt.

Verfahrensgemäß findet ein besonderer Binder in Form einer Emulsion aus mehreren Komponenten Anwendung, wobei mittels der Emulsion eine gezielte Einstellung der Binderparameter erfolgt. Der Binder besteht vorzugsweise aus Polymeren

unterschiedlicher Kettenlänge, ringförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen, iso-Parafinen, Olefinen, n-Parafinen, Emulgatoren, oberflächenaktiven Substanzen oder Entschäumern oder einer Kombination wenigstens zweier dieser Komponenten.

Nach dem erfolgten Druck des Bauteils erfolgt vorteilhafter Weise ein Sintervorgang der gedruckten Teile. Das Temperaturniveau und die Sinteratmosphäre werden derart gewählt, dass die Binderanteile mittels Oxidation in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre aus dem Bauteil ausgetrieben werden, wobei folgend die Temperatur auf 900 - 1500 °C erhöht wird, wodurch die oxidierten metallischen Bestandteile des gedruckten Bauteils mit Hilfe von Aktivgasen reduziert werden. Das Sintern kann sowohl mittels Aktivgas als auch unter Einsatz von Schutzgas erfolgen, wobei unter Aktivgas die Oxidschichten entfernt werden.

Verfahrensgemäß findet eine automatischen Misch- und Zuführeinrichtung Anwendung, wobei die metallische beziehungsweise keramische Paste in der Misch- und

Zuführeinrichtung unter Vakuum gemischt und dem Druckkopf mittels Schwerkraft und Vibration zugeführt wird.

Durch die Vibrationsbewegung ändert sich die Viskosität der Paste, so dass diese den Mischbehälter, der Schwerkraft folgend, nach unten durch eine konische Form, die eine Öffnung enthält, in einen Transportschlauch verlassen kann.

Das Pulver wird durch Wirken der Schwerkraft und Vibrationsbewegungen in den

Mischbehälter gefördert. Die Portionierung erfolgt über eine variable Einlassöffnung. Aus der Amplitude, Frequenz, Pulverbeschaffenheit und dem Durchmesser der Einlassöffnung lässt sich die zum Mischen bereitgestellt Menge vorzugsweise rechnerisch mit Hilfe von Bewegungsmodellen ermitteln.

Der dazu gemischte Binder liegt dabei in flüssiger Form mit definierter Viskosität vor und kann mittels konventioneller Vorrichtungen dosiert und in den Mischbehälter gefördert werden. In dem Mischbehälter herrscht vorzugsweise ein Vakuum vor, damit eine kontinuierliche Entlüftung der Paste erfolgen kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden mittels Beimengung von Zuschlagstoffen in die Keramikpaste die Schrumpfungswerte während der Trocknung und des

Sinterprozesses, sowie die physikalischen Eigenschaften des Druckkörpers eingestellt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils mittels 3D-Multimaterialdruck, wobei mittels eines Extrusionsverfahrens metallische und keramische Pasten schichtweise mittels einer Extrusionsdüse aufgetragen und in Form gebracht werden. Die Vorrichtung weist eine Misch- und Zuführeinrichtung und/oder eine Bauplattform auf, wobei die Misch- und Zuführeinrichtung einen unter Vakuum stehenden Mischbehälter aufweist und mit einer Vibrationseinrichtung derart verbunden ist, dass der Mischbehälter zum Schwingen anregbar ist, wobei die Paste mittels der Schwingungen in Richtung der Extrusionsdüse transportierbar ist. In dem Mischbehälter herrscht vorzugsweise ein Vakuum vor, damit eine kontinuierliche Entlüftung der Paste erfolgen kann.

Der Mischbehälter enthält ein Rührwerk und weist am unteren Ende eine konische Form auf. Die Mischung der keramischen und metallischen Pasten im Mischbehälter erfolgt mittels des Rührwerks, wobei der Mischbehälter eine variable Einlassöffnung für die Zuführung eines Pulvers sowie eine Zuführung für einen Binder aufweist.

Der Mischbehälter ist vorzugsweise mechanisch mit einer Vibrationseinrichtung verbunden derart, dass dieser mit variabel einstellbarer Frequenz zum Schwingen angeregt werden kann.

Durch die Vibrationsbewegung ändert sich die Viskosität der Paste, so dass diese den Mischbehälter, der Schwerkraft folgend, nach unten durch die konische Form, die eine Öffnung enthält, in einen Transportschlauch verlassen kann.

Der Transportschlauch ist vorzugsweise flexibel, um eine mechanische Verbindung zum Druckkopf zu gewährleisten.

Um den durch Vibration hervorgerufenen Transport der Paste zu gewährleisten, ist der Transportschlauch vorzugsweise in definierten Abständen mit weiteren kleineren

Vibrationseinrichtungen versehen.

Des Weiteren weist die Vorrichtung die Bauplattform in Form einer keramischen

Bauplattform auf, wobei die Bauplattform eine poröse Struktur aufweist derart, dass dem Bauteil gezielt Feuchtigkeit zuführbar oder entziehbar ist. Dadurch lässt sich die

Aushärtung während des Druckprozesses gezielt beeinflussen.

Die Bauplattform besitzt eine intrinsische Struktur, wobei diese von Luft und/oder Lösungsmittel durchströmbar ist.

Die verwendete keramische Paste besteht vorzugsweise aus Silikatkeramiken. Alternativ ist den Silikatkeramiken Glaspulver beigemengt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil, welches mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt ist, wobei das Bauteil eine Gitterstruktur aufweist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauteil in Form eines Wärmetauschers ausgebildet. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, in einem 3D-Druckvorgang nacheinander metallische Pasten und keramische Pasten zu Drucken und dadurch ein Bauteil aus metallischen und keramischen

Bereichen/Komponenten herzustellen.

Dabei wird eine hohe Qualität des Bauteils sichergestellt, da durch die

Überwachungseinrichtung Fehlstellen beim Drucken einer Lage erkannt und in dieser Lage behoben werden können und/oder in einer Schicht die Über- bzw. Unterfüllung durch Erfassung des Füllgrades während des Druckens der Schicht erfasst wird und/oderdurch eine Überwachung des Drucks im Bereich der Extrusionsdüse

Verstopfungen der Extrusionsdüse erkannt und durch Druckerhöhung gelöst werden können. Jede einzelne dieser Maßnahme der Überwachungseinrichtung führt bereits zu einer höheren Zuverlässigkeit des 3D- Druckprozesses und einer Verbesserung der Bauteilqualität.

Durch die Mischung der Pasten und des Binders in einem Mischbehälter unter Vakuum wird eine Entlüftung der Paste erzielt, durch welche ebenfalls die Druckqualität und somit die Qualität des Bauteils verbessert wird, da Lufteinschlüsse in den gedruckten Keramik-und Metallpasten vermieden werden. Durch die zusätzliche Beaufschlagung des

Mischbehälters mit Schwingungen wird der Transport der Paste zur Extrusionsdüse begünstigt.

Vorzugsweise wird die metallische Paste und die keramische Paste in jeweils einem Separaten Mischbehälter aus dem entsprechenden Pulver und Binder gemischt und dem jeweiligen Extruder zugeführt. Bevorzugt wird somit für jedes zu druckende Material ein separater Mischbehälter und ein separater Extruder verwendet.

Wrd bei der Vorrichtung eine Bauplattform mit einer porösen Struktur verwendet, kann dem Bauteil gezielt Feuchtigkeit zugeführt oder entzogen werden, wodurch die Trocknung des Bauteils beeinflusst werden kann.

Die bei einem Wärmetauscher übereinander angeordneten Raupen werden in der jeweiligen mit einem definierten Abstand zueinander abgelegt. Dadurch ist es möglich, dass das jeweilige Fluid durch die Gitterstruktur strömen kann.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen

Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Misch- und Zuführeinrichtung,

Figur 2 eine erfindungsgemäße poröse keramische Bauplattform,

Figur 3 einen mit 3D-Multimaterialdruck hergestellten Wärmetauscher in einer

Schnittdarstellung,

Figur 4 einen mittels 3D-Druck hergestellten Wärmetauscher,

Figur 5 einen Wärmetauscher mit einer„Rohr in Rohr" Anordnung.

Figur 1 zeigt eine automatische und kontinuierliche Misch- und Zuführeinrichtung für Pasten des 3D-Multimaterialdrucks. Ein in einem Vorratsbehälter 1 angeordnetes Pulver 2 aus Metall oder Keramik wird einem Mischbehälter 3 mit einem darin konzentrisch angeordneten Rührwerk 4 zugeführt. Der Mischbehälter 3 weist an seinem unteren Ende eine konische Form auf, an der sich ein Transportschlauch 5 zum Druckkopf anschließt. Der Transportschlauch 5 ist flexibel ausgebildet und weist in definierten Abständen Vibrationseinheiten 6 auf, welche die fertig gemischte Paste 7 mittels Vibrationen und dem Wirken der Schwerkraft in Richtung des Druckkopfes fördern.

Der Mischbehälter 3 weist einen Antriebsmotor 8 für das in dem Mischbehälter 3 angeordnete Rührwerk 4 auf. Da der Mischbehälter unter Vakuum steht, ist ein

Anschlussschlauch 9 befestigt, der mit einer Unterdruckpumpe verbunden ist. Das so erzeugte Vakuum bewirkt eine kontinuierliche Entlüftung der in dem Mischbehälter 3 befindlichen Paste.

Über eine weitere Zuführung ist eine Dosier- und Fördereinrichtung 10 mit dem

Mischbehälter 3 verbunden, welche den Binder, beziehungsweise die einzelnen

Komponenten des Binders beinhaltet. Die Dosier- und Fördereinrichtung weist einen weiteren Anschluss für einen Verbindungsschlauch 1 1 auf, der zu einem Vorratsbehälter für den Binder führt. Mittels eines Verbindungsschlauchs 12 wird die Dosier- und

Fördereinrichtung 10 mit dem Mischbehälter 3 verbunden. Der Binder wird über diese Verbindung in den Mischbehälter 3 zugeführt.

Die Förderung der Pasten erfolgt mittels Vibration und Schwerkraft. Der Mischbehälter ist vorzugsweise mittels einer mechanischen Verbindung 13 mit einer Vibrationseinrichtung 14 verbunden derart, dass dieser mit variabel einstellbarer Frequenz zum Schwingen angeregt werden kann.

Durch die Vibrationsbewegung ändert sich die Viskosität der Paste, so dass diese den Mischbehälter 3, der Schwerkraft folgend, nach unten durch die konische Form, die eine Öffnung enthält, in den Transportschlauch 5 verlassen kann.

Für den 3D-Multimaterialdruck weist die Vorrichtung bevorzugt für die Mischung jeder zu druckenden Paste einen separaten Mischbehälter 3 auf. Dabei werden mindestens eine keramische und mindestens eine metallische Paste in jeweils einem separaten

Mischbehälter 3 aus Pulver und Binder gemischt und daraus über den Transportschlauch 5 und einen Extruder 7.1 der nicht separat bezeichneten Extrusionsdüse 7.1 zugeführt und somit in einem Druckvorgang das Bauteil hergestellt.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer porösen keramischen Bauplattform, welche erfindungsgemäß in der Vorrichtung Anwendung findet. Die Bauplattform 15 weist eine poröse intrinsische Struktur 16 auf derart, dass dem Bauteil gezielt Feuchtigkeit zuführbar oder entziehbar ist. Dadurch lässt sich die Aushärtung während des

Druckprozesses gezielt beeinflussen.

Die Bauplattform 15 weist Anschlüsse 17 auf, mittels derer die Bauplattform 15 von Luft und/oder Lösungsmittel durchströmbar ist. Mittels der Anschlüsse 17 ist die Luft und/oder das Lösungsmittel zu- oder abführbar.

In den Figuren 3 bis 5 sind verschiedene Ausbildungsformen eines, mittels 3D-Multimaterialdrucks hergestellten Wärmetauschers dargestellt.

Prinzipiell sind die in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Wärmetauscher in deren äußerer Form mit Standardwärmetauschern vergleichbar.

Der Wärmetauscher wird vollständig 3D-gedruckt, wobei auch innere Struktur und unterschiedliche Materialien mittels des Drucks umsetzbar sind. Der Wärmetauscher besteht aus einem Gehäuse 18, welches je nach Bedarf mit Aufnahmevorrichtungen für zum Beispiel Leistungselektronik versehen ist. Des Weiteren weist der Wärmetauscher an seiner Stirnseite wenigstens zwei Anschlüsse in Form eines Zuflusses 19 und eines Abflusses 20 auf. Im Inneren des Gehäuses 18 ist eine innere Struktur in Form einer innenliegenden Gitterstruktur 21 zum Übertragen der Wärme vom Gehäuse 18 auf das Kühlfluid angeordnet.

Gemäß Figur 3 ist zwischen der Gitterstruktur 21 und dem Gehäuse 18 des

Wärmetauschers eine zusätzliche Isolationsschicht 22 angeordnet, wobei die

Isolationsschicht 22 aus einem anderweitigen Material bestehen kann. Dieses Material kann beispielsweise Edelstahl sein, wobei eine chemische Isolation von dem Gehäuse (z.B. Kupfer) gegen das durchströmende Fluid oder Keramik als elektrische Isolation des durchströmenden Fluids gegen das Gehäuse eingesetzt wird. Auch die Anschlüsse in Form von Zufluss und Abfluss können eine zusätzliche Isolationsschicht 23 aufweisen.

Gemäß Figur 4 weisen die Heizelemente 25 des Wärmetauschers eine keramische Isolation 24 von der inneren Gitterstruktur 21 auf. Dies ermöglicht beispielsweise den Druck eines Durchlauferhitzers mit einer hohen Leistungsdichte. Die Heizelemente 25 sind derart angeordnet, dass sie gegeneinander und gegen das Fluid durch die keramische Isolationsschicht 24 isoliert sind.

Ein mit Hilfe des 3D-Multimaterialdrucks hergestellter Wärmetauscher mit intrinsischer Gitterstruktur ist in Figur 5 dargestellt. Im Inneren ist eine zweite Fluid führende Struktur 26 ausgebildet. Die zweite Struktur 26 weist einen zweiten Zufluss 27 und einen zweiten Abfluss 28 auf, wobei der Zu- und Abfluss 27, 28 als Einströmöffnung und

Ausströmöffnung für den inneren Fluidkreislauf dienen. Somit sind Wärmetauscher mit hoher Leistungsdichte für hermetisch getrennte Systeme, als auch mehrere innere Rohre denkbar um die Oberfläche zu vergrößern.

Figur 6 zeigt eine Detailansicht einer in einem Gehäuse 18 angeordneten Gitterstruktur 21 , die vollständig mit Gehäuse 18 gedruckt wurde.

Nach dem Druck erfolgt Wärmebehandlung zum Aushärten in Form von Sintern, wobei der Binder vollständig ausgetrieben wird.

Die innere Struktur zum Übertragen der Wärme vom Gehäuse auf das Kühlfluid unterscheidet sich dabei grundlegend vom bekannten Stand der Technik.

Stand der Technik sind röhrenartige Strukturen deren Querschnitt auch von der runden Form abweichen kann.

Die innere Gitterstruktur des gedruckten Wärmetauschers entsteht durch Extrusion von keramischen oder metallischen Pasten, wobei in der jeweiligen Ebene Raupen mit einem definierten Abstand zueinander abgelegt werden.

In der darüber liegenden Ebene werden ebenfalls Raupen durch Extrusion abgelegt, wobei diese sich in ihrer Ausrichtung zu den darunter liegenden Raupen unterscheiden und einen definierten Abstand zu ihren benachbarten Raupen in der Ebene aufweisen. Der Winkel zwischen den Ausrichtungsachsen übereinander liegender Raupen kann dabei variieren. Die Ausrichtung der Raupen alterniert von Ebene zu Ebene, wodurch eine gitterartige Struktur wie in Figur 6 dargestellt entsteht.

Da das Gitter und Gehäuse aus demselben Material z.B. Kupfer und mit demselben Verfahren (3D-Multimaterialdruck) hergestellt sind, entsteht eine stoffschlüssige

Verbindung zwischen der Gitterstruktur, die die Wärme an das Kühlfluid und an das Gehäuse überträgt. Das Gehäuse nimmt dabei die Wärme von z.B. Leistungselektronik auf. Daraus resultiert ein besserer Wärmeübergang da deutlich geringere

Wärmeübergangswiderstände vorliegen.

Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Leistungsdichte. Bei geometrischen

Einschränkungen kann zudem bei gleicher abzuführender Leistung der Wärmetauscher bzw. Kühlkörper kleiner dimensioniert werden.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Gitterstruktur lässt sich nur mit 3D-Multimaterialdruck (Extrusionsdruck) herstellen, da ab einem gewissen Grad der Strukturfeinheit in Abhängigkeit der verbleibenden Öffnung, das verbleibende Pulver bei Verfahren gemäß des Standes der Technik (Pulverbettverfahren- Laserschmelzen und Lasersintern) nicht mehr entfernt werden kann.

Durch die Gitterstruktur kann ein Optimum in Bezug auf das Verhältnis zwischen

Oberfläche, über die Wärme ausgetauscht werden kann, und Volumen, das von Fluid durchströmt wird erreicht werden. Gleichzeitig kann Gehäuse materialsparend ausgeführt werden. Somit lassen sich Gitterstrukturen mit 3D-Multimaterialdruck sehr leicht, schnell und Material sparend herstellen.

Ein besonderer Vorteil des gedruckten Wärmetauschers ist die äußere Form sowie die innere Struktur des Wärmetauschers, welche praktisch beliebig ausgeführt werden kann. Dadurch ist eine Integration in eine Umgebung mit ungünstigen Platzverhältnissen möglich.

Ein weiterer Vorteil des Einsatzes des 3D-Multimaterialdruckverfahrens ist die

Möglichkeit, mehr als ein Material einzusetzen. Durch Einsatz mehrerer Materialien ergibt sich somit ein breites Anwendungsfeld.

Verfahrensgemäß müssen das Gehäuse der Gitterstruktur, die Gitterstruktur selbst und das äußere Gehäuse nicht aus dem gleichen Material bestehen. So kann zum Beispiel das Gitter aus Kupfer und das Gittergehäuse aus Keramik bestehen. Das Außengehäuse kann zum Beispiel aus Edelstahl bestehen.

Vorteilhafter Weise kann die innere Gitterstruktur gedruckte keramisch isolierte elektrische Leiter enthalten, die als Heizelement dienen, wie in Figur 4 dargestellt. Des Weiteren kann die innere Gitterstruktur eine Struktur enthalten die ebenfalls ein Fluid aufnehmen kann. Diese Struktur enthält ebenfalls eine Gitterstruktur in ihrem Inneren. Eine solche„Rohr in Rohr" - Variante ist in Figur 5 dargestellt. Es ist auch eine Kombination der verschiedenen Ausführungsformen aus den Figuren 3 bis 5 denkbar.

Bezugszeichenliste

1 Vorratsbehälter

2 Pulver

3 Mischbehälter

4 Rührwerk

5 Transportschlauch

6 Vibrationseinheit

7 Fertig gemischte Paste

7.1 Extruder

8 Antriebsmotor

9 Anschlussschlauch

10 Dosier- und Fördereinrichtung für den Binder

11 Verbindungsschlauch zum Vorratsbehälter für Binder

12 Verbindungsschlauch von Dosier- und Mischeinheit des Binders

13 Mechanische Verbindung von Vibrationseinheit und Mischbehälter

14 Vibrationseinheit für Mischbehälter

15 Bauplattform

16 Intrinsische Struktur

17 Anschlüsse für Lösungsmittel und/oder Luft

18 Gehäuse

19 Zufluss

20 Abfluss

21 Innenliegende Gitterstruktur

22 Isolationsschicht

23 Isolationsschicht Zufluss/Abfluss

24 Keramische Isolationsschicht

25 Heizelement

26 Zweite Gitterstruktur

27 Zweiter Zufluss

28 Zweiter Abfluss