Die gegenwärtige Anmeldung betrifft allgemein additive Fertigungsverfahren und damit gefertigte Bauteile, welche unter anderem ganzheitlich konzeptioniert und/oder in Multimaterialansätzen hergestellt sein können.The current application generally relates to additive manufacturing processes and components manufactured thereby, which can, among other things, be designed holistically and/or manufactured using multi-material approaches.
In der klassischen Fertigung und insbesondere in der Keramikfertigung werden vorgefertigte Komponenten in einer Art Baukastensystem miteinander kombiniert. So werden beispielsweise vorgefertigte elektronische Bauteile miteinander verfügt oder miteinander verbunden, wie zum Beispiel über Leiterplatten oder sonstige Verbindungsmittel. Die individuell vorgefertigten, in einem derartigen Baukastensystem zusammengesetzten, elektronischen Bauteile erfüllen hierbei keine strukturbildenden bzw. strukturelle Funktionen, sondern müssen im Gegenteil oft vor äußeren Einflüssen durch zusätzlich vorhandene strukturelle Funktionen geschützt werden. Bisherige Bauverfahren erlauben aber nicht Bauteile ganzheitlich zu konzeptionieren oder mehrere Materialien in einem additiven Fertigungsverfahren in einem gemeinsamen Verfahrensschritt einzusetzen oder einzelne Teile des Bauteils mehrere Funktionen, beispielsweise elektrische Funktionen und strukturelle Funktionen, gezielt gleichzeitig erfüllen zu lassen.In conventional manufacturing, and particularly in ceramics manufacturing, prefabricated components are combined in a type of modular system. For example, prefabricated electronic components are arranged or connected to one another, such as via circuit boards or other connecting elements. The individually prefabricated electronic components assembled in such a modular system do not fulfill any structure-forming or structural functions, but on the contrary often have to be protected from external influences by additional structural functions. However, existing construction methods do not allow components to be designed holistically, or to use multiple materials in a single additive manufacturing process, or to have individual parts of the component fulfill multiple functions, such as electrical functions and structural functions, simultaneously.
Einige der oben genannten Probleme werden von den von der Erfindung zur Verfügung gestellten Verfahren sowie von hier offenbarten Bauteilen zumindest teilweise überwunden.Some of the above-mentioned problems are at least partially overcome by the methods provided by the invention and by the components disclosed herein.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein additives Fertigungsverfahren bereitgestellt, in welchem ein erstes Material und ein sich von diesem unterscheidendes zweites Material zur Herstellung eines Bauteils eingesetzt werden. In dem Fertigungsverfahren können ein erstes Material und ein sich von diesem unterscheidendes zweites Material zeitlich oder räumlich nebeneinander in ein zu fertigendes Bauteil eingebracht werden.According to a first embodiment, an additive manufacturing method is provided in which a first material and a second material that differs from the first material are used to produce a component. In the manufacturing method, a first material and a second material that differs from the first material can be introduced into a component to be manufactured temporally or spatially adjacent to one another.
Entsprechend können auch weitere Materialien, wie zum Beispiel ein drittes oder viertes Material, eingebracht werden.Accordingly, additional materials, such as a third or fourth material, can also be added.
Anders als in bisherigen laminierenden Verfahren, in dem beispielsweise Folien entlang einer Stapelrichtung gestapelt wurden, und die äußere Form entsprechend durch die dadurch vorgegebene Stapelung von Materialien vorgegeben war, ermöglicht ein additives Fertigungsverfahren bei der Verarbeitung von zwei verschiedenen Materialien die Form nicht nach Vorgaben des Verfahrens, sondern anhand von Funktionalität und Aufgaben des zu erzielenden Bauteils zu wählen. Anders als in bisherigen laminierenden Verfahren kann ferner auf für die jeweiligen Designs individuell angepasste formgebende Werkzeuge, Stanzen und Cutter zur Erzeugung von Löchern und der Vereinzelung der Bauteile, und weitere formgebende Prozesse sowohl an einem grünen Bauteil oder auch am gesinterten Bauteil verzichtet werden. Solche oder ähnliche formgebende Prozesse können typischerweise aufwendige oder materialverschwendende subtraktive Prozessschritte umfassen. Anders als in bisherigen laminierenden Verfahren kann ferner auf hierbei typischerweise notwendige, zusätzliche und separate Verfahrensschritte wie (Sieb-)Druckprozesse zur Aufbringung von Elektrodenmaterialien und (Heiß-)Verpressung der laminierten Stapel zur Erzeugung eines grünen Bauteils verzichtet werden.Unlike previous laminating processes, in which, for example, films were stacked along a stacking direction, and the external shape was determined accordingly by the resulting stacking of materials, an additive manufacturing process when processing two different materials allows the shape to be selected not according to process specifications, but based on the functionality and tasks of the component to be produced. Furthermore, unlike previous laminating processes, individually adapted forming tools, punches and cutters for creating holes and separating components, as well as other forming processes on both a green component and the sintered component, can be dispensed with. Such or similar forming processes can typically involve complex or material-wasting subtractive process steps. Furthermore, unlike previous laminating processes, additional and separate process steps that are typically necessary in these processes, such as (screen) printing processes for applying electrode materials and (hot) pressing the laminated stacks to produce a green component, can be dispensed with.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann mit einem ersten Material oder einem zweiten Material jeweils eine funktionelle oder strukturelle Einheit eines Bauteils ausgebildet werden. Zum Beispiel kann mit dem ersten Material eine erste funktionelle Einheit ausgebildet werden, welche in ein fertiges Bauteil eine Funktionalität einbringt. Ebenso kann die mit dem ersten Material ausgebildete Einheit alternativ oder zusätzlich zur Funktionalität auch eine strukturelle Funktion aufweisen. Entsprechendes gilt für das zweite Material bzw. für eine mit dem zweiten Material ausgebildete funktionelle oder strukturelle Einheit. In eine funktionelle oder strukturelle Einheit können weitere Materialien eingebracht sein. Das jeweilige oben genannte erste bzw. zweite Material bringt aber zumindest einen Teil der funktionellen oder strukturellen Eigenschaften in die so gebildete Einheit ein.According to one embodiment of the method, a functional or structural unit of a component can be formed using a first material or a second material. For example, a first functional unit can be formed using the first material, which introduces a functionality into a finished component. Likewise, the unit formed using the first material can also have a structural function as an alternative or in addition to the functionality. The same applies to the second material or to a functional or structural unit formed using the second material. Further materials can be introduced into a functional or structural unit. The respective above-mentioned first or second material, however, introduces at least some of the functional or structural properties into the unit thus formed.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Bauteil aus sukzessive aufeinander aufgebrachten Schichten gebildet. Allgemein kann hierbei von Inkrementen gesprochen werden. Dabei wird in dieser Ausführungsform in wenigstens eine Schicht sowohl das erste Material als auch das zweite Material eingebracht. Es können auch in mehrere Schichten das erste Material und das zweite Material eingebracht werden. Hierbei können Bereiche der Schichten Teile von oben genannten funktionellen oder strukturellen Einheiten bilden. Durch das sukzessive Stapeln von Schichten, in denen zumindest in einigen das erste Material und das zweite Material eingebracht sind, können eine erste funktionelle oder strukturelle und eine zweite funktionelle oder strukturelle Einheit ausgebildet werden.According to one embodiment of the method, the component is formed from layers successively applied to one another. Generally, this can be referred to as increments. In this embodiment, both the first material and the second material are introduced into at least one layer. The first material and the second material can also be introduced into several layers. In this case, regions of the layers can form parts of the aforementioned functional or structural units. By successively stacking layers, in at least some of which the first material and the second material are introduced, a first functional or structural unit and a second functional or structural unit can be formed.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens, welche insbesondere bevorzugt eine Modifikation der zuvor genannten Ausführungsform sein kann, wird eine Funktionalität der ersten funktionellen oder strukturellen Einheit aus dem Zusammenwirken der Materialeigenschaften des ersten Materials und ihrer schichtüberschreitenden dreidimensionalen Form erzielt. So kann insbesondere mit dem additiven Fertigungsverfahren ein dreidimensionales Raster Schicht für Schicht gefüllt werden. Beispielsweise kann ein dreidimensionales Raster hierbei einem in einem Planungsschritt erstellten dreidimensionalem Planungsraster eines herzustellenden Bauteils entsprechen und durch Schicht für Schicht Füllen des dreidimensionalen Planungsrasters eine geplante dreidimensionale Form des Bauteils physisch ausgebildet werden. Innerhalb einer Schicht kann das erste Material beliebig angeordnet sein. Durch die Stapelung dieser komplexen Schichten kann eine funktionelle oder strukturelle Einheit in drei Dimensionen innerhalb des Bauteils ausgebildet werden. „Innerhalb des Bauteils“ kann hierbei jedwedes Volumen innerhalb der äußeren Dimensionen des Bauteils bezeichnen.According to one embodiment of the method, which may particularly preferably be a modification of the aforementioned embodiment, a functionality of the first functional or structural unit is achieved from the interaction of the material properties of the first material and its layer-transcending three-dimensional shape. For example, a three-dimensional grid can be filled layer by layer using the additive manufacturing process. For example, a three-dimensional grid can correspond to a three-dimensional planning grid of a component to be manufactured, created in a planning step, and a planned three-dimensional shape of the component can be physically formed by filling the three-dimensional planning grid layer by layer. The first material can be arranged as desired within a layer. By stacking these complex layers, a functional or structural unit can be formed in three dimensions within the component. "Within the component" can refer to any volume within the outer dimensions of the component.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des additiven Fertigungsverfahren kann das Bauteil einstückig hergestellt werden. Das Bauteil kann frei von inneren Fügestellen hergestellt werden. So ist es bei dem klassischen Baukastenansatz, gemäß dem Stand der Technik, notwendig Bauteile miteinander zu verfügen. In dem additiven Fertigungsverfahren gemäß der Erfindung ist es möglich einstückige Bauteile herzustellen, in denen zum Beispiel verschiedene Materialien, wie zum Beispiel das erste Material und das zweite Material, gemeinsam aufgebracht beziehungsweise gemeinsam eingebracht werden und diese zum Beispiel durch einen gemeinsamen Entbinder-, Entkohl- und/oder Sinterprozess fügestellenfrei miteinander verbunden werden.According to a preferred embodiment of the additive manufacturing process, the component can be manufactured in one piece. The component can be manufactured without internal joints. Thus, with the classic modular approach, according to the prior art, it is necessary to connect components to one another. In the additive manufacturing process according to the invention, it is possible to produce one-piece components in which, for example, different materials, such as the first material and the second material, are applied or introduced together and joined together, for example, by a common debinding, decarburization, and/or sintering process.
Beispielsweise kann „fügestellenfrei“ hierbei das gezielte Herbeiführen des Fehlens der meisten oder bevorzugt aller denkbarer Fügestellen innerhalb des Bauteils meinen. Es kann folglich innerhalb einer Schicht, aber auch über aneinander benachbarte Schichten hinweg, ein Bauteil erhalten werden, in dem keine wahrnehmbaren Fügestellen vorhanden sind, obwohl solche in einem klassischen Aufbau oder klassischen Herstellungsverfahrens unter Verwendung gleich oder ähnlich gewählten Materialien denk- oder erwartbar gewesen wären. So kann innerhalb des Bauteils jedes, während des Fertigungsprozesses eingebrachte, Inkrement eines ersten Materials relativ zu einem anschließenden weiteren Inkrement eines ersten Materials im finalen Bauteil fügestellenfrei zueinander erhalten werden. Ebenso kann ein während des Fertigungsprozesses innerhalb des Bauteils eingebrachtes Inkrement eines ersten Materials relativ zu einem anschließenden, während des Fertigungsprozesses eingebrachten, Inkrement eines zweiten Materials im finalen Bauteil fügestellenfrei zueinander erhalten werden. Ebenso kann jedes beliebige Inkrement eines beliebigen ersten oder zweiten Materials relativ zu einem benachbarten Inkrement aus einem beliebigen ersten oder zweiten Material im finalen Bauteil fügestellenfrei zueinander ausgebildet sein. Entsprechend gilt dies für jedwede Kombination von ersten und zweiten Materialien. Es können auch weitere Materialien, wie dritte oder vierte Materialien oder eine jegliche technisch sinnvolle Anzahl von Materialien enthalten sein. Für diese gilt das Beschriebene entsprechend. Zu den Inkrementen kann das oben zu Schichten genannte entsprechend gelten.For example, "joint-free" can mean the deliberate absence of most or preferably all conceivable joints within the component. Consequently, within a single layer, but also across adjacent layers, a component can be obtained in which no perceptible joints are present, even though such joints would have been conceivable or expected in a conventional structure or conventional manufacturing process using identical or similarly selected materials. Thus, within the component, each increment of a first material introduced during the manufacturing process can be maintained joint-free relative to a subsequent further increment of a first material in the final component. Likewise, an increment of a first material introduced within the component during the manufacturing process can be maintained joint-free relative to a subsequent increment of a second material introduced during the manufacturing process in the final component. Likewise, any increment of any first or second material can be maintained joint-free relative to an adjacent increment of any first or second material in the final component. This applies accordingly to any combination of first and second materials. Additional materials, such as third or fourth materials, or any technically reasonable number of materials, may also be included. The above description applies accordingly to these. The above description regarding layers applies accordingly to the increments.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens enthält das erste Material ein keramisches Material oder ist ein keramisches Material. Entsprechend kann auch das zweite Material ein anderes keramisches Material enthalten. Das erste Material und/oder das zweite Material kann jeweils auch ein anderes Material sein, wie zum Beispiel ein Material, welches vollständig durch eine Hitzebehandlung, wie z.B. Entkohlen, entfernt werden kann. Das erste und/oder das zweite Material kann alternativ aber auch ein elektrisches Material sein, wie z.B. ein metallstrukturenbildendes Material, wie zum Beispiel eine durch additive Fertigung aufbringbare Metallpaste.According to one embodiment of the method, the first material contains a ceramic material or is a ceramic material. Accordingly, the second material can also contain a different ceramic material. The first material and/or the second material can each also be a different material, such as a material that can be completely removed by heat treatment, such as decarburization. Alternatively, the first and/or the second material can also be an electrical material, such as a material that forms metal structures, such as a metal paste that can be applied by additive manufacturing.
Die keramischen Materialien oder die elektrischen Materialien werden bevorzugt als Suspension verwendet. Dazu werden die Materialien zum Beispiel zusammen mit einer polymerbildenden Komponente in dem Verfahren verwendet. Dazu enthält das erste oder zweite Material bevorzugt einen Polymerisationsinitiator. Der Polymerisationsinitiator kann zum Beispiel ein Fotoinitiator sein. Die Polymerisation kann alternativ auch mit anderen Mitteln z.B. thermisch, katalytisch, anionisch, kationisch oder radikalisch gestartet werden. Zusätzlich können auch Füllstoffe, Lösungsmittel, Verdünner, Verdicker, Farbstoffe, Absorber, Mittel zur kinetischen Reaktionskontrolle, wie Promotoren, Inhibitoren oder Überträger in der Suspension enthalten sein.The ceramic materials or the electrical materials are preferably used as a suspension. For this purpose, the materials are used, for example, together with a polymer-forming component in the process. For this purpose, the first or second material preferably contains a polymerization initiator. The polymerization initiator can be, for example, a photoinitiator. Alternatively, the polymerization can also be initiated by other means, e.g., thermally, catalytically, anionically, cationically, or radically. Additionally, fillers, solvents, diluents, thickeners, dyes, absorbers, and agents for kinetic reaction control, such as promoters, inhibitors, or carriers, can also be present in the suspension.
Zusätzlich können insbesondere in Suspensionen für Metalle keramische Additive oder Glasadditive vorhanden sein, wie zum Beispiel Kupferoxid, oder Bleigläser. Diese ermöglichen eine verbesserte Anbindung einer Metallschicht an eine Keramikschicht. Solche Materialien können auch als Zwischenschicht zwischen eine funktionelle oder strukturelle Keramik und eine Metallschicht eingearbeitet werden. Weiterhin können insbesondere für Keramiken Sinterhilfen in der Suspension enthalten sein. Diese können dazu beitragen, ein Zerfallen des Bauteils bei Materialien zu verhindern, die im Vergleich zur Sintertemperatur bei vergleichsweise niedriger Temperatur entbindert werden. Beispielsweise wird bei Aluminiumoxiden eine vollständige Entbinderung bei 550°C erreicht. Eine Sinterung wird aber bei ca. 1700°C durchgeführt. Als Sinterhilfsmittel kann in diesem Fall zum Beispiel Yttriumoxid zugegeben werden.Additionally, ceramic or glass additives, such as copper oxide or lead glasses, can be present, particularly in suspensions for metals. These enable improved bonding of a metal layer to a ceramic layer. Such materials can also be incorporated as an intermediate layer between a functional or structural ceramic and a metal layer. Furthermore, sintering aids can be included in the suspension, particularly for ceramics. These can help prevent component disintegration in materials that are debindered at a comparatively lower temperature compared to the sintering temperature. For example, with aluminum oxides, complete debinding is achieved at 550°C. However, sintering is carried out at approximately 1700°C. In this case, yttrium oxide, for example, can be added as a sintering aid.
In einem additiven Fertigungsverfahren können ein oder mehrere Schichten des jeweiligen Materials mit Hilfe der Suspension aufgebracht werden. Während oder kurz nach dem Aufbringen kann die polymerbildende Komponente polymerisiert werden und so ein keramisch noch grünes Bauteil aufgebaut und/oder stabilisiert werden. Das keramisch noch grüne Bauteil, auch Grünling genannt, kann anschließend durch ein beliebiges Verfahren wie beispielsweise ein klassisches Sinterverfahren gesintert werden. Vorher können etwaige organische Komponenten z.B. durch Entbindern und/oder Entkohlen aus dem zu bildenden Bauteil entfernt werden.In an additive manufacturing process, one or more layers of the respective material can be applied using the suspension. During or shortly after application, the polymer-forming component can be polymerized, thus creating and/or stabilizing a ceramic component while still green. The ceramic component, also called a green compact, can then be sintered using any process, such as a conventional sintering process. Prior to this, any organic components can be removed from the component to be formed, for example, by debinding and/or decarburization.
Durch die gezielte Auswahl der Zusammensetzung der Suspension, der Prozessparameter der Polymerisation in einem additiven Fertigungsverfahren und/oder der Prozessparameter des Sinterverfahrens kann eine Dichtheit des zu bildenden Bauteils gezielt eingestellt werden. „Dichtheit“ kann hierbei das Fehlen von Hohlräumen innerhalb eines definierten, makroskopischen Volumeninkrements innerhalb des Bauteils bzw. das Fehlen von Porositäten oder Kavitäten innerhalb eines definierten, makroskopischen Flächeninkrements an einer Bauteiloberfläche meinen. So kann ein nahezu oder bevorzugt vollständig dichtes Bauteil erhalten werden. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass weniger als 1% oder bevorzugt weniger als 0,1% oder besonders bevorzugt weniger als 0,01% eines beliebigen, makroskopischen Flächen- oder Volumeninkrements ein Hohlraum, eine Pore oder eine Kavität ist. Alternativ kann auch gezielt eine geringere Dichtheit eingestellt werden und somit ein Bauteil mit einer gewissen Porosität erhalten werden. So kann beispielswiese mehr als 1% eines beliebigen, makroskopischen Flächen- oder Volumeninkrements von einem oder mehreren Hohlräumen, einer oder mehreren Poren oder einer oder mehrerer Kavitäten eingenommen werden.Through the targeted selection of the composition of the suspension, the process parameters of the polymerization in an additive manufacturing process, and/or the process parameters of the sintering process, the tightness of the component to be formed can be specifically adjusted. "Tightness" can mean the absence of voids within a defined, macroscopic volume increment within the component or the absence of porosity or cavities within a defined, macroscopic surface increment on a component surface. In this way, an almost or preferably completely tight component can be obtained. This can mean, for example, that less than 1%, or preferably less than 0.1%, or particularly preferably less than 0.01% of any macroscopic surface or volume increment is a void, pore, or cavity. Alternatively, a lower tightness can also be specifically adjusted, thus producing a component with a certain porosity. For example, more than 1% of any macroscopic area or volume increment may be occupied by one or more voids, one or more pores, or one or more cavities.
Je nach abgezielter Funktionalität kommen als keramische Materialien sämtliche möglichen elektrokeramischen Materialien in Betracht. So können zum Beispiel piezoelektrische Materialien sowohl in bleifreier als auch bleihaltiger Form verwendet werden. So können als ferroelektrische bzw. piezoelektrische Materialien z.B. bariumtitanatbasierte oder calciumzirkonatbasierte keramische Materialien verwendet werden. Weiterhin können dielektrische Materialien verwendet werden. Auch können PTC-Materialien oder NTC-Materialien verwendet werden. Auch Ferritmaterialien können so eingebracht werden. Auch HTCC- oder LTCC-Materialien aller Art können entsprechend als elektrokeramische Werkstoffe eingebracht werden. Mit den vorgenannten Materialien kann insbesondere eine funktionelle Einheit in einem Bauteil ausgebildet werden. Mit den vorgenannten Materialien kann auch eine strukturelle Einheit in einem Bauteil ausgebildet werden. Insbesondere kann eine mit den vorgenannten Materialien ausgebildete Einheit sowohl funktionelle als auch strukturelle Eigenschaften in einem Bauteil ausbilden. Daneben oder zusätzlich können noch Strukturmaterialien verwendet werden, die zum Beispiel strukturelle Einheiten ausbilden können. Strukturmaterialien können zum Beispiel ausgewählt sein aus HTCC-Keramiken, LTCC-Keramiken, Aluminiumoxid, Aluminiumsuboxid (AlOx), Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Bornitrid, Cordierit, Magnesiumoxid, Hartmetallen, glaskeramikbasierten Materialien, zirkonoxidbasierten Materialien, aluminiumnitridbasierten Materialien oder ähnlichem. Im allgemeinen Fall der Erfindung können diese Materialien beliebig kombiniert werden, sowohl innerhalb eines ersten oder zweiten Materials als auch dahingehend, dass ein erstes Material neben einem zweiten Material verwendet wird. So können elektrokeramische Bauteile mit für das Gesamtsystem optimalen Eigenschaften gebildet werden.Depending on the desired functionality, all possible electroceramic materials can be considered as ceramic materials. For example, piezoelectric materials can be used in both lead-free and lead-containing form. For example, barium titanate-based or calcium zirconate-based ceramic materials can be used as ferroelectric or piezoelectric materials. Dielectric materials can also be used. PTC or NTC materials can also be used. Ferrite materials can also be incorporated in this way. HTCC or LTCC materials of all kinds can also be incorporated as electroceramic materials. The aforementioned materials can, in particular, be used to form a functional unit in a component. The aforementioned materials can also be used to form a structural unit in a component. In particular, a unit formed with the aforementioned materials can form both functional and structural properties in a component. In addition to these or in addition to these materials, structural materials can also be used, which can, for example, form structural units. Structural materials can be selected, for example, from HTCC ceramics, LTCC ceramics, aluminum oxide, aluminum suboxide (AlOx ), silicon carbide, silicon nitride, boron nitride, cordierite, magnesium oxide, hard metals, glass-ceramic-based materials, zirconium oxide-based materials, aluminum nitride-based materials, or the like. In the general case of the invention, these materials can be combined as desired, both within a first or second material and by using a first material alongside a second material. In this way, electroceramic components with optimal properties for the overall system can be formed.
In einem additiven Fertigungsverfahren können ein oder mehrere Schichten der jeweiligen Materialien relativ zueinander aufgebracht werden. Es ist jedoch auch möglich Schichten zu fertigen, die vollständig oder zumindest zum Teil nicht unmittelbar an ein Material einer vorherigen Schicht angebunden sind. Dies ermöglicht es insbesondere auch Bauteile zu fertigen, die beispielsweise Überhänge, Kavitäten, Hohlräume, Abschrägungen, Rundungen und weitere, für klassische elektrokeramische Bauteile atypische oder ohne aufwendige zusätzliche Prozessschritte unzugängliche physische Ausformungen, aufweisen. Ferner können hierdurch auch Anschlussstücke, Verbindungsstücke, Gewindestücke, Verrastungsstücke oder ähnliche weitere Konnektoren ausgebildet werden. Dies kann alles zur Optimierung des derart aufzubauenden Gesamtsystems beitragen.In an additive manufacturing process, one or more layers of the respective materials can be applied relative to one another. However, it is also possible to produce layers that are completely or at least partially not directly bonded to a material of a previous layer. This makes it possible, in particular, to manufacture components that have, for example, overhangs, cavities, hollow spaces, bevels, curves, and other physical features that are atypical for conventional electroceramic components or inaccessible without complex additional process steps. Furthermore, connecting pieces, threaded pieces, locking pieces, or similar connectors can also be formed in this way. All of this can contribute to the optimization of the overall system being constructed in this way.
Solche keramischen Materialien können mit jeglichen geeigneten additiven Fertigungsverfahren verwendet werden. Bevorzugt sind allgemein 3D-Druckverfahren wie zum Beispiel DLP basierte Verfahren. Insbesondere letztere sind sehr gut für Multimaterial-Druck und die gezielte, auch geometrische, fein strukturierte Anordnung von Einzelkomponenten geeignet, sowohl innerhalb einer einzelnen Fertigungsschicht als auch entlang einer Schichtrichtung bzw. Höhenrichtung beim Aufbau und/oder Stabilisierung eines Grünlings eines Bauteils oder eines Bauteils. Dies gilt auch wenn Grünlinge eines Bauteils oder Bauteile mit dünner Wandstärke oder hohem Aspektverhältnis oder einer Vielzahl an Hohlräumen oder glatten Oberflächen hergestellt werden.Such ceramic materials can be used with any suitable additive manufacturing process. 3D printing processes, such as DLP-based processes, are generally preferred. The latter, in particular, are very well suited for multi-material printing and the targeted, even geometric, finely structured arrangement of individual components, both within a single production layer and along a layer direction or height direction during the construction and/or stabilization of a green compact of a component or part. This also applies when producing green compacts of a component or parts with thin walls, high aspect ratios, or a large number of cavities or smooth surfaces.
Alternativ können auch filamentbasierte, extrusionsbasierte, tintenstrahlbasierte oder siebdruckbasierte additive Fertigungsverfahren verwendet werden. Ferner können auch DIW basierte additive Fertigungsverfahren verwendet werden, bei denen eine polymerhaltige Suspension aus einer oder mehreren Düsen aufgebracht und durch Einwirkung von Strahlung (IR, VIS, UV, X-ray, Gammastrahlung, Elektronenstrahlung) oder Änderung einer Temperatur, Löslichkeit, Atmosphäre oder ähnlichem im Fertigungsraum aushärtet und dadurch ein Grünling eines Bauteils oder ein Bauteil ausbildet oder stabilisiert wird. Insbesondere DIW-basierte, additive Fertigungsverfahren eignen sich besonders gut dafür mehrere unterschiedliche Materialien parallelisiert in einer einzelnen Schichtebene nebeneinander additiv aufzubringen.Alternatively, filament-based, extrusion-based, inkjet-based, or screen-printing-based additive manufacturing processes can be used. Furthermore, DIW-based additive Manufacturing processes are used in which a polymer-containing suspension is applied from one or more nozzles and cured by exposure to radiation (IR, VIS, UV, X-ray, gamma radiation, electron beam) or changes in temperature, solubility, atmosphere, or similar in the production area, thereby forming or stabilizing a green part of a component or a component. DIW-based additive manufacturing processes are particularly well suited for additively applying several different materials in parallel in a single layer plane.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es möglich in einem additiven Fertigungsverfahren auch zumindest teilwiese anderweitig hergestellte Inkremente einzubringen. Ein solches Inkrement kann separat gefertigt sein, also z.B., vorgefertigt sein. So kann ein solches Inkrement als vorgefertigtes Teil in den entstehenden Grünling eines Bauteils oder das Bauteil während des additiven Fertigungsprozesses eingebracht werden, wobei dieses besagte Inkrement nicht durch additiven Fertigungsprozess selbst additiv aufgebracht bzw. aufgebaut wird. So kann beispielsweise ein Teil eines Sensors z.B. eines NTC-Sensors als separat vorgeformtes Inkrement z.B. als eine vorgeformte Scheibe in den additiven Fertigungsprozess eingebracht werden. Hierdurch ist es möglich durch eine zumindest teilweise Integration von unabhängig und separat vom additiven Fertigungsverfahren erhaltbaren Inkrementen die Fertigung eines Grünlings oder Bauteils weiter zu optimieren. Ein derart eingebrachtes, separat vorgeformtes, Inkrement kann hierbei in dem fertigen Grünling oder Bauteil derart integriert sein, dass es nicht von einem ähnlichen oder gleichen Inkrement, welches durch den additiven 3D-Druckprozess selbst aufgebaut worden wäre, unterscheidbar ist.According to a further embodiment, it is possible to incorporate increments that are at least partially manufactured elsewhere into an additive manufacturing process. Such an increment can be manufactured separately, for example, prefabricated. Such an increment can be incorporated as a prefabricated part into the resulting green compact of a component or the component during the additive manufacturing process, whereby this said increment is not additively applied or built up by the additive manufacturing process itself. For example, a part of a sensor, e.g., an NTC sensor, can be incorporated into the additive manufacturing process as a separately preformed increment, e.g., as a preformed disc. This makes it possible to further optimize the production of a green compact or component through at least partial integration of increments that can be obtained independently and separately from the additive manufacturing process. Such an introduced, separately preformed increment can be integrated into the finished green part or component in such a way that it is indistinguishable from a similar or identical increment that would have been built up by the additive 3D printing process itself.
Als elektrische Materialien können grundsätzlich sämtliche Materialien eingesetzt werden, die über die entsprechenden Eigenschaften und insbesondere Leitfähigkeit verfügen. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um Metalle, welche als metallstrukturbildende Materialien in den Prozess eingebracht werden bzw. als solche zum Aufbau des Bauteils in dieses eingebracht werden. Auch andere anorganische Materialien oder kohlenstoffbasierte Materialien können hierbei eingesetzt werden. Als Metalle können beispielsweise Aluminium, Kupfer, Gold, Platin, Palladium, Nickel, Silber, Wolfram, Tantal oder Legierungen von diesen, wie z.B. AgPd, eingesetzt werden. Beispielsweise kann als anorganisches oder kohlenstoffbasiertes Material Graphit, Graphen oder andere leitfähige Kohlenstoffderivate eingesetzt werden. Die Auswahl dieser richtet sich grundsätzlich nach dem zu erzielenden Zweck.In principle, any material with the appropriate properties, particularly conductivity, can be used as electrical materials. These are essentially metals that are introduced into the process as metal-structure-forming materials or are incorporated into the component as such to construct it. Other inorganic materials or carbon-based materials can also be used. Examples of metals that can be used include aluminum, copper, gold, platinum, palladium, nickel, silver, tungsten, tantalum, or alloys thereof, such as AgPd. For example, graphite, graphene, or other conductive carbon derivatives can be used as inorganic or carbon-based materials. The selection of these depends fundamentally on the desired purpose.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Fertigungsverfahrens ist dieses ein 3D-Druckverfahren. Insbesondere haben 3D-Druckverfahren den Vorteil, dass diese genutzt werden können, um Freiformbauteile, die nicht den Aufbau- oder Formkonventionen insbesondere der keramischen Fertigung unterliegen, gebildet werden können. So können beispielsweise in einem 3D-Druckverfahren aus einer ersten Düse ein erstes Material und aus einer zweiten Düse ein zweites Material aufgebracht werden. Alternativ können das erste Material und das zweite Material auch durch eine Düse aufgebracht werden. Dies ist bei kann z.B. in einem Filament-basierten additiven Verfahren, wie Inkjet oder DIW-Verfahren der Fall sein. Gemäß einer Ausführungsform können beispielsweise erste und zweite Materialien aus unterschiedlichen Spendern auf eine bewegliche Oberfläche z.B. eine Transportfolie aufgebracht werden. Durch eine geeignete Behandlung der Materialien auf der beweglichen Oberfläche z.B. durch gezielte Bestrahlung mit Licht können erste und zweite Materialien an einer Bauplattform angeordnet und somit ein Bauteil aufgebaut werden. Dies kann z.B. in einem DLP Verfahren der Fall sein.According to a preferred embodiment of the manufacturing method, this is a 3D printing method. 3D printing methods have the particular advantage that they can be used to create free-form components that are not subject to the construction or shape conventions of ceramic manufacturing in particular. For example, in a 3D printing method, a first material can be applied from a first nozzle and a second material from a second nozzle. Alternatively, the first material and the second material can also be applied through one nozzle. This can be the case, for example, in a filament-based additive process such as an inkjet or DIW process. According to one embodiment, for example, first and second materials can be applied from different dispensers to a movable surface, e.g., a transport film. By appropriately treating the materials on the movable surface, e.g., by targeted irradiation with light, first and second materials can be arranged on a build platform, thus building a component. This can be the case, for example, in a DLP process.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Material ein durch Hitzebehandlung entfernbares Material sein. Aus diesem kann in diesem Fall ein zweiter Volumenbereich des Bauteils gebildet werden. In diesem Fall kann das erste Material ein gegenüber der Hitzebehandlung beständiges Material enthalten, wie z.B. ein keramisches Material. Aus diesem kann dann ein erster Volumenbereich gebildet werden, welcher den zweiten Volumenbereich zumindest teilweise umschließt. Die Hitzebehandlung kann z.B. ein Verfahrensschritt des Entkohlens sein. Das erste Material muss nicht vollständig aus gegenüber der Hitzebehandlung beständigem Material bestehen. Insbesondere kann es die oben genannten organischen Komponenten, wie z.B. eine polymerbildende Komponente bzw. das aus der polymerbildenden Komponente gebildete Polymer sein. Dieses kann bei der Hitzebehandlung auch aus dem ersten Volumenbereich entfernt werden. Der erste Volumenbereich enthält bevorzugt so viel gegenüber der Hitzebehandlung beständiges Material, dass keine makroskopischen Hohlräume entstehen. Der zweite Volumenbereich hat bevorzugt eine Größe, die deutlich größer ist als eine durch Entkohlen eines grünen Keramikmaterials enthaltene Pore in dem Keramikmaterial. Zum Beispiel kann ein weitgehend oder vollständig durch Hitzebehandlung bzw. Entkohlen entfernbares Material ein Stärkepulver sein, welches durch das additive Fertigungsverfahren oder ein 3D-Druckverfahren in ein Bauteil eingebracht werden kann. Ein damit ausgefüllter zweiter Volumenbereich kann andere darum angeordnete Volumenbereiche, wie den ersten Volumenbereich im grünen Zustand stützen oder stabilisieren.According to one embodiment of the invention, the second material can be a material that can be removed by heat treatment. In this case, a second volume region of the component can be formed from this. In this case, the first material can contain a material that is resistant to the heat treatment, such as a ceramic material. A first volume region can then be formed from this, which at least partially encloses the second volume region. The heat treatment can, for example, be a decarburization process step. The first material does not have to consist entirely of material that is resistant to the heat treatment. In particular, it can be the above-mentioned organic components, such as a polymer-forming component or the polymer formed from the polymer-forming component. This polymer can also be removed from the first volume region during the heat treatment. The first volume region preferably contains enough material that is resistant to the heat treatment that no macroscopic cavities are formed. The second volume region preferably has a size that is significantly larger than a pore in the ceramic material formed by decarburization of a green ceramic material. For example, a material that can be largely or completely removed by heat treatment or decarburization can be a starch powder, which can be incorporated into a component using additive manufacturing or a 3D printing process. A second volume region filled with this powder can support or stabilize other volume regions arranged around it, such as the first volume region in the green state.
Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform anschließend die Hitzebehandlung bzw. ein Schritt des Entkohlens durchgeführt werden. Dabei kann das durch Entkohlen entfernbare Material weitgehend oder vollständig aus dem sich bildenden Körper ausgetrieben werden. Somit können Hohlräume oder Ausnehmungen, die vollständig oder teilweise von dem ersten Volumenbereich umschlossen sind, durch das zweite durch Hitzebehandlung entfernbare Material vorgebildet werden. Volumenbereiche, die ein gegenüber der Hitzebehandlung beständiges Material aufweisen, können weitegehend ihre Struktur behalten. Zum Verfestigen dieser Strukturen können diese im Falle eines Keramikmaterials zum Beispiel in einem weiteren Verfahrensschritt gesintert werden, um ein Bauteil mit Hohlräumen oder Ausnehmungen zu erhalten. Alternativ können die oben beschriebenen Formen ausgebildet werden. Es können auch Stützstrukturen beispielsweise für überhängende Bereiche ausgebildet werden.In particular, according to one embodiment, the heat treatment or a decarburization step can be carried out subsequently. The material that can be removed by decarburization can be largely or completely expelled from the body being formed. Thus, cavities or recesses that are completely or partially enclosed by the first volume region can be preformed by the second material that can be removed by heat treatment. Volume regions that have a material that is resistant to the heat treatment can largely retain their structure. To solidify these structures, in the case of a ceramic material, they can be sintered in a further process step, for example, to obtain a component with cavities or recesses. Alternatively, the shapes described above can be formed. Support structures, for example for overhanging regions, can also be formed.
Alternativ oder zusätzlich kann mit einem solchen Ansatz zur Bildung eines Hohlraums auch eine Porosität eingestellt werden. So können in entsprechend porös erzeugten Keramiken katalytisch aktive Materialien adsorbiert werden. Für viele katalytische Materialien kann eine entsprechend poröse oder raue Oberfläche die Adsorption begünstigen. Es können auch Farbstoffe, Photosensibilatoren, Reagenzien, Indikatoren oder Sensormaterialien entsprechend adsorbiert werden.Alternatively or additionally, such an approach to cavity formation can also be used to adjust porosity. This allows catalytically active materials to be adsorbed in appropriately porous ceramics. For many catalytic materials, a suitably porous or rough surface can promote adsorption. Dyes, photosensitizers, reagents, indicators, or sensor materials can also be adsorbed accordingly.
Mit dem oben dargestellten Ansatz können auch sehr feine Kapillaren oder Kanäle ausgebildet werden, die anderweitig nur schwer zugänglich sind. Durchmesser von Kapillaren können zum Beispiel zwischen 150 µm und 1500 µm und bevorzugt zwischen 300 µm und 700 µm betragen. Beispielsweise können Heizröhrenleitungen Durchmesser von 0,5 bis 15 mm oder bevorzugt von 1 bis 9 mm. Die oben dargestellten Durchmesser sind mittels additiver Fertigungstechnik ohne Weiteres zugänglich.Using the approach outlined above, even very fine capillaries or channels can be formed that are otherwise difficult to access. Capillary diameters, for example, can range between 150 µm and 1500 µm, and preferably between 300 µm and 700 µm. For example, heating tubes can have diameters of 0.5 to 15 mm, or preferably 1 to 9 mm. The diameters outlined above are readily accessible using additive manufacturing technology.
Ebenso ist die Ausbildung von Gyroid-Strukturen oder anderen, ähnlich komplexen Strukturelementen möglich.The formation of gyroid structures or other similarly complex structural elements is also possible.
An einem additiv hergestellten Bauteil können Maßnahmen zur mechanischen Stabilisierung und/oder Verfestigung vorgenommen werden. So können mechanische Eigenschaften verbessert werden. Um dies zu erreichen kann beispielsweise kann: im Planungsprozess die Struktur an gewissen Stellen „überdimensioniert“ konzeptioniert werden, um Schwund während der thermischen Prozesse an besonders mechanisch kritischen Stellen zumindest teilweise zu kompensieren. In anderen Worten kann also die Materialstärke des gedruckten Materials in einem Teilbereich größer oder stärker gewählt werden, als es für die Stabilität des Teilabschnitts im fertigen Bauteil notwendig wäre. Dadurch kann dieser Bereich vor einem Sinterschritt ausreichend mechanisch stabilisiert werden des Alternativ oder zusätzlich kann zum Beispiel das gedruckte Bauteil einem „post-curing“ also einem zusätzlichen Nachhärten unterworfen werden. Dafür kann z.B. das Polymer weitere Vernetzer beinhalten, die langsam über die Zeit aushärten, nachdem das Bauteil gedruckt ist. Es können zusätzlich oder alternativ auch zusätzliche thermische Initiatoren beinhalten, die nach dem Drucken noch vorhandenen Rest-Monomere durch Erhitzen des Bauteils ebenfalls polymerisieren. Es kann zusätzlich oder alternativ auch eine gezielte intensive Bestrahlung nach dem Druck nachgeschaltet werden, um Rest-Monomere zu polymerisieren. Die zuletzt genannten „post-curing“ Methoden gehen jeweils davon aus, dass während der additiven Fertigung bereits ein erstes Härten durchgeführt wird. Dieses kann z.B. eine während der Fertigung stattfindende Erst- oder Haupt-Polymerisation oder eine während der Fertigung stattfindende Erst- oder Haupt-Quervernetzung erfolgte. Alternativ oder zusätzlich kann das gedruckte Bauteil auch vor einem Schritt des Entkohlens und/oder dem Sintern einem mechanischen Verpressen unterzogen werden. Es kann z.B. iso-statisches (Heiß-)Verpressen durchgeführt werden. Die vorangehend beschriebenen Varianten zum Verfestigen oder ihre Beispiele können auch kombiniert werden.Measures can be taken to mechanically stabilize and/or strengthen an additively manufactured component. This can improve mechanical properties. To achieve this, for example: the structure can be designed to be "oversized" in certain places during the planning process in order to at least partially compensate for shrinkage during the thermal processes at particularly mechanically critical points. In other words, the material thickness of the printed material can be chosen to be greater or stronger in a specific area than would be necessary for the stability of the section in the finished component. This allows this area to be sufficiently mechanically stabilized before a sintering step. Alternatively or additionally, the printed component can be subjected to "post-curing", i.e. additional post-curing. For this purpose, the polymer can, for example, contain additional crosslinkers that slowly harden over time after the component has been printed. In addition or alternatively, it can also contain additional thermal initiators that also polymerize residual monomers remaining after printing by heating the component. Additionally or alternatively, targeted intensive irradiation can be applied after printing to polymerize residual monomers. The latter "post-curing" methods each assume that an initial curing step has already taken place during additive manufacturing. This can, for example, be the initial or main polymerization or the initial or main crosslinking step during production. Alternatively or additionally, the printed component can also be subjected to mechanical pressing before a decarburization and/or sintering step. For example, isostatic (hot) pressing can be used. The previously described hardening variants or their examples can also be combined.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in der Fertigung eines Bauteils oder Grünlings eine Außenbeschichtung realisiert werden. Diese kann separat zum additiven Fertigungsprozess, in einem an den additiven Fertigungsprozess angeschlossenen Schritt oder auch als Teil des additiven Fertigungsprozesses realisiert werden. Dies kann z.B. eine Glasbeschichtung oder Glasierung sein, die z.B. einer Emailleschicht ähnlich sein kann.According to a further embodiment, an outer coating can be applied during the production of a component or green body. This can be applied separately from the additive manufacturing process, in a step connected to the additive manufacturing process, or as part of the additive manufacturing process. This can be, for example, a glass coating or glazing, which can be similar to an enamel layer, for example.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das additive Fertigungsverfahren mit Methoden der klassischen Fertigung verknüpft werden. So können beispielsweise additive Fertigungstechniken oder subtraktive Fertigungstechniken nach additiver Fertigung eingesetzt werden. Diese können sowohl an einem Grünling eines Bauteils oder am soweit fertigen oder gesintertem Bauteil angewandt werden. Beispiele additiver Fertigungstechniken sind unter anderem Galvanik, Sputtern, Kleben, Löten, Schweißen oder ähnliches. Beispiele subtraktiver Fertigungstechniken sind unter anderem Bohren, Läppen, Schneiden, Fräsen, Ätzen, Polieren, Stanzen, Cutten oder ähnliches.According to a further embodiment, the additive manufacturing process can be combined with conventional manufacturing methods. For example, additive manufacturing techniques or subtractive manufacturing techniques can be used after additive manufacturing. These can be applied to a green part of a component or to the finished or sintered component. Examples of additive manufacturing techniques include electroplating, sputtering, bonding, soldering, welding, or similar. Examples of subtractive manufacturing techniques include drilling, lapping, cutting, milling, etching, polishing, punching, cutting, or similar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zudem ein Verfahren zur ganzheitlichen Konzeption eines Bauteils bereitgestellt. Hierbei wird das Bauteil in einer Anordnung seiner Komponenten oder Einheiten nach deren Funktion beziehungsweise der mit dem Bauteil intendierten Anwendung ausgelegt. Dies grenzt sich vom Baukastensystem des oben genannten Standes der Technik ab. Gemäß diesem Verfahren beziehungsweise diesem Konzeptionsverfahren können baukastenspezifische Einschränkungen, die durch den Stand der Technik gegeben sind, überwunden werden. In einer Metapher kann das erfindungsgemäße Verfahren als „funktionale Knetmasse“ bezeichnet werden, in welcher die Form einer funktionalen Einheit im Hinblick auf die intendierte Funktion innerhalb einer Anwendung gestaltet werden kann.According to a further embodiment, a method for the holistic design of a component is also provided. Here, the component is designed in an arrangement of its components or Units are designed according to their function or the intended application of the component. This differs from the modular system of the aforementioned prior art. According to this method, or rather, this design process, modular-specific limitations inherent in the prior art can be overcome. Metaphorically, the method according to the invention can be described as "functional modeling clay," in which the shape of a functional unit can be designed with regard to its intended function within an application.
So konzeptionierte Bauteile überwinden Nachteile des Standes der Technik, die sich darin äußern, dass zusätzliche Fügeschritte vorhanden sind, die Bauteile nicht funktionsoptimiert sind, die Bauteile nicht räumlich-optimiert sind, die Bauteile nicht design-optimiert sind, die Bauteile teilweise Probleme mit der Materialauswahl haben, welche nicht optimal für den gewünschten Zweck sind, da diese fix „nach Katalog“ oder „nach Baukasten“ vorgegeben sind. Auf Basis des erfindungsgemäßen Ansatzes können solche Probleme in einer initialen Designphase bedacht und in der Fertigung derart berücksichtigt werden, dass am Ende ein für den bestimmten Zweck optimales Gesamtsystem erhalten werden kann. Dieses kann zwar in einigen Fällen über die gleichen Funktionalitäten verfügen, wie ein klassisch hergestelltes Bauteil, jedoch weisen erfinderisch so konzipierte Bauteile Vorteile auf. Ein so erfindungsgemäß konzipiertes Bauteil kann kompakter sein, es kann höher integriert sein, es kann eine gezieltere Materialauswahl erfolgt sein, es kann für bestimmte Anwendungszwecke optimiert sein, etc. Mittels des Verfahrens können mehrere üblicherweise getrennte Funktionalitäten in einem gesamten kompakten Bauteil zusammengefügt sein.Components designed in this way overcome disadvantages of the prior art, which manifest themselves in the fact that additional joining steps are required, the components are not functionally optimized, the components are not spatially optimized, the components are not design-optimized, and the components sometimes have problems with material selection, which is not optimal for the desired purpose because it is fixed "according to a catalog" or "according to a modular system." Based on the inventive approach, such problems can be considered in an initial design phase and incorporated into production in such a way that an overall system optimal for the specific purpose can be achieved in the end. Although in some cases this may have the same functionalities as a conventionally manufactured component, components designed in this way have advantages. A component designed in this way according to the invention can be more compact, it can be more highly integrated, a more targeted material selection can be made, it can be optimized for specific applications, etc. Using the method, several usually separate functionalities can be combined into a complete, compact component.
Der Designaspekt kann hierbei mittels entsprechender Planungssoftware unterstützt werden. Auch können künstliche Intelligenz, Algorithmen oder Ähnliches eingesetzt werden.The design aspect can be supported by appropriate planning software. Artificial intelligence, algorithms, or similar technologies can also be used.
Das Verfahren zur ganzheitlichen Konzeption eines Bauteils kann hierbei ein additives Fertigungsverfahren, wie es oben beschrieben ist, umfassen. Insbesondere kann mittels eines additiven Fertigungsverfahrens oder eines 3D-Druckverfahrens ein entsprechendes Verfahren zur ganzheitlichen Konzeption umgesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Konzeptionsverfahren in der Planung auch Aspekte des auszuwählenden additiven Fertigungsverfahrens wie beispielsweise Fertigungsgeschwindigkeit, Fertigungskosten, Parallelisierbarkeit, Bauraumkapazität, etc. berücksichtigen. Das Konzeptionsverfahren kann in der Planung auch Aspekte der auszuwählenden Materialien wie beispielsweise mechanische Eigenschaften, elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften, etc. berücksichtigen. Das Konzeptionsverfahren kann in der Planung auch Aspekte der auszuwählenden thermischen Prozesse wie beispielsweise Temperaturen, Zeitdauern, Atmosphären, Bauteilschwund in unterschiedlichen Raumrichtungen, Bauteilverdichtung, Oberflächenbeeinflussung, etc. während des Entbinderungs-, des Entkohlungs- oder des Sinterungsprozesses berücksichtigen. Das Konzeptionsverfahren kann hierbei in der Planung auch Aspekte einer allfälligen Nachbearbeitung eines Grünlings oder eines soweit fertigen oder gesinterten Bauteils berücksichtigen. Mit anderen Worten, das Verfahren zur ganzheitlichen Konzeption eines Bauteils kann alle denkbaren Aspekte, Einflussfaktoren und Prozessschritte derartig berücksichtigen, dass ein bezüglich mehrerer oder bevorzugt aller Aspekte optimiertes Gesamtsystem aufgebaut und durch einen in mehreren oder bevorzugt allen Aspekten optimierten Herstellungsprozess gefertigt werden kann.The process for the holistic design of a component can comprise an additive manufacturing process as described above. In particular, a corresponding process for holistic design can be implemented using an additive manufacturing process or a 3D printing process. Alternatively or additionally, the design process can also consider aspects of the selected additive manufacturing process, such as production speed, production costs, parallelizability, build space capacity, etc., during the planning phase. The design process can also consider aspects of the selected materials, such as mechanical properties, electrical properties, optical properties, etc., during the planning phase. The design process can also consider aspects of the selected thermal processes, such as temperatures, durations, atmospheres, component shrinkage in different spatial directions, component densification, surface influences, etc., during the debinding, decarburization, or sintering process. The design process can also consider aspects of any post-processing of a green compact or a previously finished or sintered component, during the planning phase. In other words, the process for the holistic design of a component can take into account all conceivable aspects, influencing factors and process steps in such a way that an overall system optimized with respect to several or preferably all aspects can be constructed and manufactured by a manufacturing process optimized in several or preferably all aspects.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur ganzheitlichen Konzeption eines Bauteils kann das Bauteil eine erste Einheit und eine zweite Einheit aufweisen, wobei die erste Einheit und die zweite Einheit jeweils funktionell und/oder strukturell zur Funktion bzw. Struktur des Bauteils beitragen kann. Zum Beispiel kann die erste Einheit eine funktionelle Einheit sein und die zweite Einheit eine strukturelle Einheit sein. Ebenso kann sowohl die erste als auch die zweite Einheit eine strukturelle Einheit sein. Auch kann die erste Einheit und die zweite Einheit jeweils eine funktionelle Einheit sein, also funktionell zur Funktionalität des Bauteils beitragen. Die Positionierung der ersten Einheit und der zweiten Einheit wird dabei hauptsächlich oder ausschließlich mit Blick auf Anwendungsvorgaben gewählt.According to one embodiment of the method for the holistic design of a component, the component can have a first unit and a second unit, wherein the first unit and the second unit can each contribute functionally and/or structurally to the function or structure of the component. For example, the first unit can be a functional unit and the second unit a structural unit. Likewise, both the first and the second unit can be a structural unit. The first unit and the second unit can each be a functional unit, i.e., contribute functionally to the functionality of the component. The positioning of the first unit and the second unit is chosen primarily or exclusively with a view to application specifications.
Insbesondere kann auch die gezielte Kombination und Anordnung verschiedener Materialien zueinander zu einer funktionellen Einheit zusammenwirken.In particular, the targeted combination and arrangement of different materials can interact to form a functional unit.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Einheit durch das erste Material gefertigt sein und die zweite Einheit durch das zweite Material gefertigt sein.According to one embodiment, the first unit may be made of the first material and the second unit may be made of the second material.
Gemäß einer Ausführungsform können dritte, vierte und weitere Einheiten durch dritte, vierte und weitere Materialien gefertigt sein.According to one embodiment, third, fourth and further units may be made of third, fourth and further materials.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur ganzheitlichen Konzeption eines Bauteils kann in einem Bauteil ein Verbindungsmittel zwischen zwei Einheiten den geometrisch kürzest möglichen Abschnitt aufweisen. Insbesondere kann ein Verbindungsmittel ein Kabel oder allgemein eine Leitung sein. Alle Einheiten und das Verbindungsmittel können additiv gefertigt oder z.B. 3D gedruckt sein. Dadurch, dass die erste Einheit derart neben oder um die zweite Einheit angeordnet sein kann, kann eine elektrische Verbindung zwischen diesen auf das kürzest nötige Maß reduziert werden, welches für die finale Funktion des Bauteils notwendig ist. So können unnötige Leitungsstrecken vermieden werden.According to a further embodiment of the method for the holistic design of a component, a connecting means between two units in a component can have the geometrically shortest possible section. In particular, a connecting means can be a cable or, in general, a line. All units and the connecting means Parts can be additively manufactured or, for example, 3D printed. Because the first unit can be arranged next to or around the second unit in this way, the electrical connection between them can be reduced to the shortest length necessary for the final function of the component. This avoids unnecessary wiring.
Alternativ oder zusätzlich können Leitungsstrecken auch zweckoptimal innerhalb des Bauteils geführt werden. So können beispielsweise ESR oder ESL optimiert werden. Beispielsweise können auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) oder die elektromagnetische Beständigkeit (EMV) bei der Auslegung der Leitungsstrecken optimiert werden.Alternatively or additionally, cable runs can also be routed within the component for optimal performance. For example, ESR or ESL can be optimized. For example, electromagnetic compatibility (EMC) or electromagnetic resistance (EMV) can also be optimized during the design of the cable runs.
Alternativ oder zusätzlich können auch thermische Leitungsstrecken oder Leitungspfade realisiert sein. Auch diese können bei der Konzeptionierung berücksichtig werden. So können gezielt Pfade zur Führung von Zu- oder Abwärme konzeptioniert werden. In vielen Fällen können elektrische Leitungen als thermische Leitungspfade wirken. So können z.B. über die gezielte Konzeption elektrischer Leitungsstrecken auch die thermischen Leitungspfade mit optimiert werden. So kann besser eine gezielte Erwärmung oder Kühlung eines Bauteils oder eines Volumenbereichs erreicht werden.Alternatively or additionally, thermal conduction routes or paths can also be implemented. These can also be considered during the design phase. This allows for targeted design of paths for the conveyance of incoming or waste heat. In many cases, electrical lines can act as thermal conduction paths. For example, the targeted design of electrical lines can also optimize the thermal conduction paths. This makes it easier to achieve targeted heating or cooling of a component or volume.
Alternativ oder zusätzlich können gezielte Funktionen wie Shielding, Kühlkanäle, Kühlkörper und Abstrahlflächen applikationseffizient konzeptioniert bzw. im Verfahren aufgebaut werden.Alternatively or additionally, specific functions such as shielding, cooling channels, heat sinks and radiating surfaces can be designed or built into the process in an application-efficient manner.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur ganzheitlichen Konzeption eines Bauteils kann die zweite Einheit so um die erste Einheit herum angeordnet sein, dass passive Räume, die nicht einer Funktion dienen oder zur Herstellung der strukturellen Bauteilvorgaben notwendig sind, reduziert oder vermieden werden. Beispielsweise können durch eine Fertigung, wie zum Beispiel dem klassischen Laminieren von Keramikschichten, ausschließlich ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil separat voneinander gefertigt werden, die dann zusammengesetzt werden. So entstehen funktional tote Räume, die mittels der Erfindung aber vermieden werden können.According to a further embodiment of the method for the holistic design of a component, the second unit can be arranged around the first unit in such a way that passive spaces that do not serve a function or are necessary for the production of the structural component specifications are reduced or eliminated. For example, a manufacturing process such as the classic lamination of ceramic layers can produce only a first component and a second component separately from each other, which are then assembled. This creates functionally dead spaces, which can, however, be avoided by means of the invention.
Auch können Einheiten des Bauteils bzw. die Funktionen des Bauteils so konzipiert werden, dass subtraktive Verfahren teilweise oder bevorzugt vollständig vermieden werden können. So kann unnötiger Materialverlust verringert oder vermieden werden.Component units or functions can also be designed in such a way that subtractive processes can be partially or, preferably, completely avoided. This way, unnecessary material loss can be reduced or avoided.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur ganzheitlichen Konzeption eines Bauteils ist die erste Einheit und/oder die zweite Einheit nicht als separat vorgefertigtes Bauteil ausgeführt, welches für ein Baukastensystem ausgelegt ist, sondern wird innerhalb des Verfahrens in Form und Anordnung hauptsächlich oder ausschließlich nach funktionellen Aspekten ausgewählt. Diese kann relativ zu weiteren funktionellen und/oder strukturellen Elementen in seinen Dimensionen oder in der Anordnung innerhalb des Bauteils konzipiert sein. In anderen Worten kann eine der Einheiten in der Form vollkommen frei gewählt werden und muss nicht wie beispielsweise in einem klassischen Keramikfertigungsprozess eine flächige Form aufweisen oder eine Form, die aus flächigen Komponenten gebildet wird, sondern kann innerhalb der Genauigkeit des additiven Fertigungsverfahrens eine beliebige Form aufweisen. Insbesondere können die Formen der ersten Einheit und der zweiten Einheit wie oben beschrieben ineinander verschränkt sein.According to a further embodiment of the method for the holistic design of a component, the first unit and/or the second unit are not designed as separately prefabricated components configured for a modular system, but are selected within the method in terms of shape and arrangement primarily or exclusively based on functional aspects. This can be designed relative to other functional and/or structural elements in its dimensions or in its arrangement within the component. In other words, the shape of one of the units can be chosen completely freely and does not have to have a flat shape, as in a classic ceramic manufacturing process, or a shape formed from flat components, but can have any shape within the accuracy of the additive manufacturing process. In particular, the shapes of the first unit and the second unit can be interlocked as described above.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur ganzheitlichen Konzeption eines Bauteils kann die erste Einheit und/oder die zweite Einheit mit oder aus 3D-gedruckten Keramiken gebildet werden. Hierbei gilt das zuvor zu Keramiken und/oder 3D-Druckkeramiken Gesagte.According to a further embodiment of the method for the holistic design of a component, the first unit and/or the second unit can be formed with or from 3D-printed ceramics. The above statements regarding ceramics and/or 3D-printed ceramics apply here.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur ganzheitlichen Konzeption eines Bauteils kann ein Teilbereich des Bauteiles oder die erste Einheit so konzipiert werden, dass diese eine erste Ebene definiert. Ein anderer Teilbereich oder die zweite Einheit kann eine zweite Ebene definieren, die verkippt zur ersten Ebene angeordnet ist. So kann insbesondere durch die erste Einheit ein flächiger Bereich ausgebildet werden. Die zweite Einheit kann eine andere Form aufweisen, die auch einen Bereich mit einer flächigen Form aufweist. Diese Flächen können zueinander verkippt sein. Verkippt kann dabei bedeuten, dass die Ebenen zumindest nicht parallel zueinander orientiert sind. Bevorzugt sind die Ebenen auch nicht senkrecht zueinander angeordnet. Mit klassischen keramischen Fertigungstechniken können in der Regel nur parallele oder senkrechte Ebenen erreicht werden. Schiefe oder zur Stapelrichtung verkippte Ebenen benötigen in der klassischen Fertigung zum Beispiel einen Schritt des Abtragens des Materials. Ein Abtrageschritt kann mit dem oben genannten bevorzugten Ausführungsbeispiel vermieden werden.According to a further embodiment of the method for the holistic design of a component, a partial area of the component or the first unit can be designed such that it defines a first plane. Another partial area or the second unit can define a second plane that is arranged at an angle to the first plane. In this way, a flat area can be formed, in particular, by the first unit. The second unit can have a different shape, which also has an area with a flat shape. These surfaces can be tilted relative to one another. Tilted can mean that the planes are at least not oriented parallel to one another. Preferably, the planes are also not arranged perpendicular to one another. With conventional ceramic manufacturing techniques, only parallel or perpendicular planes can generally be achieved. In conventional manufacturing, inclined planes or planes tilted relative to the stacking direction, for example, require a material removal step. A removal step can be avoided with the preferred embodiment mentioned above.
Im Weiteren werden verschiedene Bauteile dargestellt, welche für sich genommen vorteilhafte Aspekte aufweisen. Diese Bauteile können aber insbesondere 3D-gedruckte oder additiv gefertigte Bauteile sein und können insbesondere mit den oben genannten Verfahren oder Konzeptionierungsverfahren hergestellt werden. Sie können die oben genannten Eigenschaften und Vorteile aufweisen. Sie dienen aber auch für sich genommen als vorteilhafte Ausführungsbeispiele.Below, various components are presented that have advantages in themselves. These components can, however, be 3D-printed or additively manufactured components and can be manufactured using the aforementioned processes or design methods. They can exhibit the aforementioned properties and advantages. but can also be considered advantageous embodiments in their own right.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein Bauteil für die Mikrofluidik, also eine Art von Mikrofluidikbauteil, bereitgestellt. Dieses weist einen Zufluss auf, der geeignet ist, einer funktionellen Einheit ein Fluid zuzuführen. Die funktionelle Einheit grenzt direkt oder indirekt an den Zufluss an. Weiterhin grenzt direkt oder indirekt an die funktionelle Einheit ein Abfluss an, welcher geeignet ist, das Fluid von der funktionellen Einheit wegzuführen. Das Fluid kann hierbei eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Zum Beispiel kann das Fluid eine wässrige Lösung oder eine andere Lösung sein.According to a first preferred embodiment, a component for microfluidics, i.e., a type of microfluidic component, is provided. This component has an inlet suitable for supplying a fluid to a functional unit. The functional unit is directly or indirectly adjacent to the inlet. Furthermore, an outlet suitable for conducting the fluid away from the functional unit is directly or indirectly adjacent to the functional unit. The fluid can be a liquid or a gas. For example, the fluid can be an aqueous solution or another solution.
Es kann auch mehr als ein Zufluss oder mehr als ein Abfluss ausgebildet sein. Insbesondere kann ein zweiter Zufluss ausgebildet sein, falls das Bauteil dazu ausgelegt ist, zwei Reaktanten getrennt voneinander der funktionellen Einheit zuzuleiten.More than one inlet or one outlet may also be provided. In particular, a second inlet may be provided if the component is designed to supply two reactants separately to the functional unit.
Die Strukturen des Mikrofluidikbauteils, also Zufluss, funktionelle Einheit und Abfluss, können Räume beziehungsweise Volumenbereiche in einem Keramikkörper sein. Das Bauteil für die Mikrofluidik kann mittels einer oder mehrerer Keramiken aufgebaut sein, welche zum Beispiel mittels additiven Fertigungstechniken oder 3D-Drucktechnik ausgebildet ist. Insbesondere können Hohlräume, wie oben beschrieben mittels einem durch Hitzebehandlung entfernbaren Material, ausgebildet werden.The structures of the microfluidic component—i.e., the inflow, functional unit, and outflow—can be spaces or volume regions within a ceramic body. The microfluidic component can be constructed using one or more ceramics, for example, using additive manufacturing techniques or 3D printing. In particular, cavities, as described above, can be formed using a material that can be removed by heat treatment.
Ein Mikrofluidikbauteil kann zum Beispiel eine Keramik mit oder aus den folgenden Materialien umfassen: Siliciumdioxid, Bariumcarbonat, und/oder Aluminiumoxid. Dazu können Zusätze, wie z.B. Borsäure, Kalziumkarbonat und/oder Chrom(III)-oxid eingebracht sein. Elektrisch leitfähige Elemente können mittels Metallen, wie z.B. Kupfer, ausgebildet sein. Die Keramik und metallische leitfähige Elemente können mit einem durch Hitzebehandlung entfernbaren Material additiv gefertigt werden. Dieses kann durch Entkohlen entfernt werden. Als ein solches durch Hitzebehandlung entfernbares Material können zum Beispiel lichtaushärtende Acrylatharzgemische verwendet werden.A microfluidic component can, for example, comprise a ceramic with or made of the following materials: silicon dioxide, barium carbonate, and/or aluminum oxide. Additives such as boric acid, calcium carbonate, and/or chromium(III) oxide can be incorporated. Electrically conductive elements can be formed using metals such as copper. The ceramic and metallic conductive elements can be additively manufactured using a heat-removable material. This can be removed by decarburization. Light-curing acrylic resin mixtures, for example, can be used as such a heat-removable material.
Allgemein können vorgenannte Materialien oder ähnliche, oder auch AlN-basierte oder aluminiumoxidbasierte Keramikmaterialien zur Ausbildung eines strukturgebenden Elements dienen. Diese können mit elektrochemisch reaktiven Materialien wie Kupfer und/oder mit funktionellen Keramiken, wie beispielsweise NTC oder anderen, zur Ausbildung einer Funktionalität, wie beispielsweise elektrochemischer Funktionalität oder von Porosität oder weiteren oben oder im Folgenden genannten Eigenschaften dienen. Auch können chemisch inerte Eigenschaften von Keramiken entsprechende Funktionalitäten in Mikrofluidikbauteile einbringen.In general, the aforementioned materials or similar, or even AlN-based or aluminum oxide-based ceramic materials, can be used to form a structural element. These can be combined with electrochemically reactive materials such as copper and/or functional ceramics, such as NTC or others, to create functionality, such as electrochemical functionality or porosity or other properties mentioned above or below. The chemically inert properties of ceramics can also introduce corresponding functionalities into microfluidic components.
In der funktionellen Einheit können eine oder mehrere Funktionalitäten ausgebildet sein, je nachdem, wie das Mikrofluidikbauteil verwendet wird. Solche werden beispielhaft unten benannt.The functional unit can contain one or more functionalities, depending on how the microfluidic component is used. Examples of these are listed below.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Bauteils für die Mikrofluidik kann der Zufluss und/oder der Abfluss einen abgerundeten oder rundlichen Querschnitt aufweisen. Ein solcher Querschnitt ist bevorzugt senkrecht zur vorgesehenen Fließrichtung des Fluids ausgebildet. Diese abgerundeten oder rundlichen Formen können einen laminaren Fluss begünstigen. Ein runder oder abgerundeter Querschnitt kann zum Beispiel ein ovaler oder kreisförmiger Querschnitt sein. Es ist hierbei vorteilhaft, additive Fertigungstechniken bzw. 3D-Druck zu verwenden, da diese anders als klassische Fertigungstechniken ohne Weiteres ermöglichen, runde Hohlräume in einem keramischen Körper auszubilden. Dabei kann der keramische Körper bis auf einen einzigen Zugang für Zufluss und einen einzigen Zugang für Abfluss von außen vollständig vom Material umschlossen sein. Weiterhin können diese Bereiche auch ausgebildet werden, ohne dass Fügestellen zwischen zwei nachträglich zusammenzusetzenden Hälften vorhanden sind. Es müssen folglich keine Halbformen zusammengesetzt werden, wodurch zusätzliche Prozessschritte vermieden werden können. Auch können Fehleranfälligkeiten in der Form, wie zum Beispiel scharfe Kanten oder undichte Stellen, was durch leichten Versatz von Hälften entstehen kann, vermieden werden. Zusätzlich kann die thermische oder mechanische Belastbarkeit des fügestellenfreien Mikrofluidikbauteils erhöht sein, da keine verklebten Flächen vorhanden sind.According to a preferred embodiment of the microfluidic component, the inlet and/or outlet can have a rounded or rounded cross-section. Such a cross-section is preferably formed perpendicular to the intended flow direction of the fluid. These rounded or rounded shapes can promote laminar flow. A round or rounded cross-section can, for example, be an oval or circular cross-section. It is advantageous to use additive manufacturing techniques or 3D printing because, unlike conventional manufacturing techniques, these easily allow the formation of round cavities in a ceramic body. The ceramic body can be completely enclosed by the material from the outside, except for a single access for inlet and a single access for outlet. Furthermore, these regions can also be formed without joints between two halves that are subsequently assembled. Consequently, no half-molds need to be assembled, thus avoiding additional process steps. Mold defects, such as sharp edges or leaks caused by slight misalignment of the halves, can also be avoided. Furthermore, the thermal or mechanical resilience of the joint-free microfluidic component can be increased because there are no bonded surfaces.
Es ist mit der zuvor genannten Ausführungsform möglich und bevorzugt, Biegungen oder Windungen in Zufluss oder Abfluss zu realisieren. Auch hierfür sind additive Fertigungstechniken oder 3D-Druck besonders vorteilhaft. Scharfe Knicke, wie sie zum Beispiel durch zwei aufeinandertreffende Bohrlöcher erzeugt werden, können vermieden werden. So kann leichter ein laminarer Fluss erreicht werden.With the aforementioned embodiment, it is possible and preferred to create bends or twists in the inflow or outflow. Additive manufacturing techniques or 3D printing are particularly advantageous for this as well. Sharp kinks, such as those created by two adjacent drill holes, can be avoided. This makes it easier to achieve laminar flow.
Gemäß einer Ausführungsform können Zu- und Abfluss derart gestaltet und durch ein entsprechendes additives Fertigungsverfahren oder 3D-Druckverfahren entsprechend gefertigt sein, dass konventionelle Anschlussstellen realisiert sind. So kann mit einem konventionellen Verbindungsmittel, das zur konventionellen Anschlussstelle komplementär ist, ein Anschluss an periphere Systeme erreicht werden, ohne dass weitere Prozessschritte, wie Fügen, Einpressen oder ähnliches notwendig sind. Beispielsweise kann mittels dem additiven Fertigungsverfahren ein Gewinde oder ein press-fit geeignetes konisches Anschlussstück realisiert werden. Durch dies kann ein Anschluss an periphere Systeme, wie z.B. eine Pumpe ein Analysegerät oder ähnliches erreicht werden.According to one embodiment, the inlet and outlet can be designed and manufactured using a corresponding additive manufacturing process or 3D printing process to create conventional connection points. Thus, a connection to peripheral systems can be achieved using a conventional connecting means that is complementary to the conventional connection point, without the need for further process steps such as joining, pressing, or the like. For example, a thread or a press-fit A suitable conical connector can be used. This allows connection to peripheral systems, such as a pump, an analysis device, or similar.
Gemäß einer Ausführungsform des Bauteils für die Mikrofluidik kann die funktionelle Einheit einen Raum aufweisen, der mindestens zwei zueinander parallele Begrenzungsflächen aufweist. Er kann zum Beispiel eine Zylinderform mit zwei zueinander parallelen Deckflächen aufweisen. Grundsätzlich kann er auch eine Quader- oder Würfelform aufweisen. Die Ausrichtung dieser parallelen Flächen in dem Volumen kann grundsätzlich beliebig sein und ist nicht auf eine Stapelrichtung oder ähnliches begrenzt.According to one embodiment of the microfluidic component, the functional unit can comprise a volume that has at least two mutually parallel boundary surfaces. For example, it can have a cylindrical shape with two mutually parallel top surfaces. In principle, it can also have a cuboid or cube shape. The orientation of these parallel surfaces within the volume can, in principle, be arbitrary and is not limited to a stacking direction or the like.
Gemäß einer Ausführungsform, welche bevorzugt mit der zuvor genannten kombiniert wird, kann eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode so in dem Raum beziehungsweise in der funktionellen Einheit eingebracht beziehungsweise angeordnet sein, dass diese parallel zueinander angeordnet sind. Beide können bevorzugt parallel zu den Begrenzungsflächen ausgebildet sein. Die Elektroden sind nicht dadurch limitiert, dass sie durch 3D-Druckverfahren ausgebildet sind, dies kann aber bevorzugt der Fall sein. Zum Beispiel können die Elektroden auf den Flächen ausgebildet sein.According to one embodiment, which is preferably combined with the aforementioned embodiment, a first electrode and a second electrode can be introduced or arranged in the space or in the functional unit such that they are arranged parallel to one another. Both can preferably be formed parallel to the boundary surfaces. The electrodes are not limited by the fact that they are formed by 3D printing processes, but this can preferably be the case. For example, the electrodes can be formed on the surfaces.
Die Elektroden können zur elektrochemischen Umsetzung von Komponenten des Fluids ausgebildet sein. Sie können aber auch zur Detektion von Fluideigenschaften, wie zum Beispiel der Leitfähigkeit verwendet werden oder dazu ausgebildet sein.The electrodes can be designed for the electrochemical conversion of fluid components. They can also be used or designed to detect fluid properties, such as conductivity.
Gemäß einer Ausführungsform können zum Beispiel durch eine entsprechende Anordnung von Elektroden an mehreren, gezielt ausgewählten, Stellen im Bauteil entlang der Fluidkanäle und einer entsprechenden Messung der Leitfähigkeit ein zeitlicher Ablauf einer Reaktion oder die Verweildauer eines Fluids oder von der Reaktanten ermittelt werden.According to one embodiment, for example, a temporal course of a reaction or the residence time of a fluid or of the reactants can be determined by a corresponding arrangement of electrodes at several specifically selected locations in the component along the fluid channels and a corresponding measurement of the conductivity.
Die Elektroden und/oder etwaige Kontaktierungen der Elektroden können als Teil eines Grünkörpers, ähnlich dem oben beschriebenen Verfahren, additiv gefertigt oder durch 3D-Druck gefertigt werden. So kann ein erstes Material ein keramisches Material sein. Die Hohlräume des Zuflusses, des Abflusses oder der funktionellen Einheit können mit einem durch Hitzebehandlung entfernbarem Material vorgebildet sein. Für die Elektroden können zwei flächige Vorläuferstrukturen an die Grenzfläche des ersten Materials aus einer Metallpaste gebildet werden. In das erste Material können zwei beliebig davon wegführende Vorläuferstrukturen für Kontaktleitungen der Elektroden eingebracht werden. Bei der Anordnung der Komponenten oder dem Verlauf dieser ist keine Begrenzung durch eine Stapelrichtung notwendig.The electrodes and/or any electrode contacts can be additively manufactured as part of a green body, similar to the process described above, or produced by 3D printing. A first material can be a ceramic material. The cavities of the inlet, outlet, or functional unit can be preformed with a material that can be removed by heat treatment. For the electrodes, two flat precursor structures can be formed from a metal paste at the interface of the first material. Two precursor structures for the electrode contact lines can be introduced into the first material, leading away from it in any desired direction. The arrangement of the components or their routing does not require any limitation by a stacking direction.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Mikrofluidikbauteils kann die funktionelle Einheit einen Raum aufweisen, welcher eine Form hat, die dazu ausgelegt ist, die Ausbildung einer turbulenten Strömung in dem Mikrofluid zu begünstigen. Im Vergleich dazu kann die Form des Zuflusses oder des Abflusses dazu ausgelegt sein, eine laminare Strömung zu begünstigen.According to a further embodiment of the microfluidic component, the functional unit can comprise a space having a shape designed to promote the formation of turbulent flow in the microfluid. In contrast, the shape of the inflow or outflow can be designed to promote laminar flow.
So kann die Form des Raumes, welche die funktionelle Einheit aufweist, mehrere Kanten oder strömungsumlenkende oder strömungsverwirbelnde strukturelle Komponenten aufweisen. Hierdurch kann zum Beispiel eine Durchmischung zweier Reaktanten oder ähnliches gefördert werden. Die bevorzugte Ausbildung des Zuflusses und/oder des Abflusses als laminare Strömung begünstigend kann zum Beispiel durch die oben dargelegte runde Form erfolgen. Alternativ kann auch ein Zufluss und / oder ein Abfluss eine besonders ausgestaltete Form haben, um beispielswiese einen Venturi-Effekt zu erzeugen oder um als Aufnahmen für genormte Kontaktelemente von Zu- und/oder Ableitungen für das Fluid zu dienen.The shape of the space containing the functional unit can include multiple edges or flow-deflecting or flow-swirling structural components. This can, for example, promote the mixing of two reactants or similar. The preferred configuration of the inflow and/or outflow as a laminar flow can be achieved, for example, by the round shape described above. Alternatively, an inflow and/or outflow can have a specially designed shape, for example, to create a Venturi effect or to serve as receptacles for standardized contact elements of fluid inflow and/or outflow lines.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Mikrofluidikbauteils kann die funktionelle Einheit einen Bereich beziehungsweise einen Wand- oder Begrenzungsbereich mit poröser oder rauer Oberfläche aufweisen. Eine poröse oder raue Oberfläche kann bereits durch diese Oberflächeneigenschaft katalytisch wirken. Zusätzlich oder stattdessen können noch chemische Stoffe neben dem Material, aus welchem die Begrenzung der funktionellen Einheit besteht, eingebracht werden. So können beispielsweise Metallkatalysatorpartikel oder wie zum Beispiel Kupferkatalysatorpartikel in die Wand eingebracht sein. Ferner können auch Farbstoffe, Photosensibilisatoren, Reagenzien, Indikatoren oder Sensormaterialien entsprechend adsorbiert oder eingebracht werden. Additive Fertigungstechniken bzw. 3D-Druck erlauben entweder ein Mischmaterial, also z.B. eines umfassend ein keramisches Material und ein katalysatorpartikelbildendes Material aufzubringen, oder alternativ auf kleinem Raum nebeneinander ein keramisches Material und punkförmig ein katalytisches Material z.B. in einem Raster aufzubringen.According to a further preferred embodiment of the microfluidic component, the functional unit can have a region or a wall or boundary region with a porous or rough surface. A porous or rough surface can already have a catalytic effect due to this surface property. In addition to or instead of the material from which the boundary of the functional unit is made, chemical substances can also be introduced. For example, metal catalyst particles or copper catalyst particles can be incorporated into the wall. Furthermore, dyes, photosensitizers, reagents, indicators, or sensor materials can be adsorbed or incorporated accordingly. Additive manufacturing techniques or 3D printing allow either the application of a mixed material, e.g., one comprising a ceramic material and a catalyst particle-forming material, or alternatively, the application of a ceramic material and a catalytic material in a dot-like manner, e.g., in a grid.
Bezüglich einer Aufrauhung oder Strukturierung kann zum Beispiel ein Mikrofluidikkanal mit Längsrillen entlang der den Kanal begrenzenden Seitenflächen ausgebildet sein. Eine derartige funktionelle Einheit kann auch dazu ausgestaltet oder eingerichtet sein, dass sie für chromatographische Trennungen oder Analysen geeignet ist. Dies kann leicht im Rahmen einer additiven Fertigung realisiert werden.With regard to roughening or structuring, for example, a microfluidic channel can be formed with longitudinal grooves along the side surfaces that define the channel. Such a functional unit can also be designed or configured to be suitable for chromatographic separations or analyses. This can can be easily realized using additive manufacturing.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine Ultraschallerzeugungsvorrichtung entweder als Teil oder in der Nähe der funktionellen Einheit ausgebildet sein. Die Ultraschallerzeugungsvorrichtung kann dazu ausgelegt sein, eine Ultraschallschwingung in dem Fluid in der funktionellen Einheit zu erzeugen. Eine solche Ultraschallschwingung kann zum Beispiel eine chemische Reaktion auslösen oder ein Reaktionsgemisch durchmischen oder Partikel im Fluid verteilen.According to a further aspect, an ultrasonic generating device can be formed either as part of or in the vicinity of the functional unit. The ultrasonic generating device can be designed to generate an ultrasonic vibration in the fluid in the functional unit. Such an ultrasonic vibration can, for example, trigger a chemical reaction, mix a reaction mixture, or distribute particles in the fluid.
Die Ultraschallerzeugungsvorrichtung kann eine piezoelektrische Keramik aufweisen. In anderen Worten kann sie mittels einer piezoelektrischen Keramik ausgebildet sein. Weiterhin können in dem Bauteil entsprechend Kontaktleitungen und Elektrodenstrukturen zum Anregen der piezoelektrischen Keramik ausgebildet sein, um die Ultraschallerzeugungsvorrichtung zu bilden. Ein Herstellungsverfahren kann grundsätzlich ähnlich dem oben beschriebenen erfolgen.The ultrasonic generating device may comprise a piezoelectric ceramic. In other words, it may be formed using a piezoelectric ceramic. Furthermore, contact lines and electrode structures for exciting the piezoelectric ceramic may be formed in the component to form the ultrasonic generating device. A manufacturing process can be fundamentally similar to that described above.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine Druckmessvorrichtung entweder als Teil oder in der Nähe der funktionellen Einheit ausgebildet sein. Die Druckmessvorrichtung kann dazu ausgelegt sein, eine Druckmessung in dem Fluid in der funktionellen Einheit zu ermöglichen. Eine solche Druckmessvorrichtung kann zum Beispiel mittels einer piezoelektrischen Keramik ausgebildet sein, welche einen Druck oder eine Druckänderung in eine elektrische Spannung bzw. eine Spannungsänderung umwandelt und dadurch messbar macht. Die elektrische Spannung kann hierbei über ebenfalls innerhalb des Mikrofluidik Bauteils eingebrachte elektrische Kontakte abgegriffen werden.According to a further aspect, a pressure measuring device can be formed either as part of or in the vicinity of the functional unit. The pressure measuring device can be designed to enable pressure measurement in the fluid in the functional unit. Such a pressure measuring device can be formed, for example, using a piezoelectric ceramic, which converts a pressure or a pressure change into an electrical voltage or a voltage change, thereby making it measurable. The electrical voltage can be tapped via electrical contacts also incorporated within the microfluidic component.
Alternativ oder ergänzend dazu kann eine Druckmessvorrichtung auf Basis einer piezoelektrischen Keramik auch derart ausgestaltet oder dazu eingerichtet sein Parameter zu erfassen oder zu messen, die direkt oder indirekt aus einer Druckmessung abgeleitet werden können oder über andere Ausgangssignalarten der piezoelektrischen Keramik erhalten werden können. So kann beispielsweise eine Dichte, eine Viskosität, eine Partikelbeladung, eine Partikelgeschwindigkeit, Fluidstoßbelastung, eine Schallgeschwindigkeit, eine Fluidgeschwindigkeit, etc. erfasst werden.Alternatively or additionally, a pressure measuring device based on a piezoelectric ceramic can also be designed or configured to detect or measure parameters that can be derived directly or indirectly from a pressure measurement or obtained via other types of output signals from the piezoelectric ceramic. For example, a density, viscosity, particle loading, particle velocity, fluid impact load, sound velocity, fluid velocity, etc. can be detected.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Bauteil eine Pumpe aufweisen. Diese kann derart in oder am Zufluss, in oder am Abfluss oder in oder an der funktionellen Einheit angeordnet sein, dass sie ein Fluid durch das System pumpen kann. Die Pumpe kann entweder in das Bauteil direkt integriert sein oder als ein separates Bauteil ausgebildet sein. Die Pumpe kann durch eine piezoelektrische Keramik ausgebildet sein. Auch diese kann elektrische Kontaktierungen bzw. Ansteuerungen aufweisen.According to a further preferred embodiment, the component can comprise a pump. This pump can be arranged in or at the inlet, in or at the outlet, or in or on the functional unit in such a way that it can pump a fluid through the system. The pump can either be directly integrated into the component or be formed as a separate component. The pump can be formed from a piezoelectric ceramic. This can also have electrical contacts or controls.
Als piezoelektrische Materialien können z.B. Bleizirkonat-Titanat-Keramik (PZT), oder auch bleifreie Piezokeramiken auf Basis von Bismut-Ferrat-Barium-Titant (BF-BT) verwendet werden.Piezoelectric materials that can be used include lead zirconate titanate ceramic (PZT) or lead-free piezoceramics based on bismuth ferrate barium titanate (BF-BT).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann als eine funktionelle Einheit, alternativ zu einer solchen oder zusätzlich zu einer solchen ein Heizelement in oder an der funktionellen Einheit ausgebildet sein. Das Heizelement kann als Heizspirale ausgebildet sein. Die Heizspirale kann zum Beispiel einen zylindrischen Bereich der funktionellen Einheit umwickeln, z.B. entsprechend eingebettet in eine strukturgebende Keramik. Im Gegensatz zu klassisch gefertigten Keramiken kann eine solche runde Umwicklung nicht durch eine Stapel- beziehungsweise Laminiertechnik hergestellt werden. Der zylindrische Bereich ist hierbei bevorzugt mit der Längsachse in der vorgesehenen Strömungsrichtung ausgerichtet. Entsprechend kann auch ein anders geformter Bereich der funktionellen Einheit umwickelt sein.According to a further preferred embodiment, a heating element can be formed in or on the functional unit as a functional unit, as an alternative to such a unit, or in addition to such a unit. The heating element can be designed as a heating coil. The heating coil can, for example, wrap around a cylindrical region of the functional unit, e.g., embedded accordingly in a structural ceramic. In contrast to conventionally manufactured ceramics, such a round wrapping cannot be produced using a stacking or lamination technique. The cylindrical region is preferably aligned with its longitudinal axis in the intended flow direction. Accordingly, a differently shaped region of the functional unit can also be wrapped.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Heizelement auch aus oder mit einer PTC-Keramik gebildet sein. Die Form des Heizelements ist grundsätzlich beliebig und kann beispielsweise eine Zylinderform aufweisen. Im Falle einer PTC-Keramik bzw. eines daraus gebildeten Zylinders kann diese bzw. dieser in direktem Kontakt mit einem Fluid stehen. Die PTC-Keramik kann in eine strukturgebende Keramik eingebettet sein. Auch derartige PTC-Heizelemente können nicht durch eine Stapelbeziehungsweise Laminiertechnik hergestellt werden.Alternatively or additionally, a heating element can also be made of or with a PTC ceramic. The shape of the heating element is fundamentally arbitrary and can, for example, be cylindrical. In the case of a PTC ceramic or a cylinder formed from it, this or that cylinder can be in direct contact with a fluid. The PTC ceramic can be embedded in a structural ceramic. Such PTC heating elements also cannot be manufactured using a stacking or lamination technique.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Heizelement auch aus einem oder mehreren Peltierelementen ausgeformt sein. Es kann sich hierbei um Peltierelemente auf Halbleiterbasis handeln. Bevorzugt handelt es sich jedoch um Peltierelemente auf Basis keramischer Materialien. Ein Peltierelement kann beispielsweise ein Kalzium-Mangan-Oxid aufweisen, das eine teilweise Dotierung mit Fe-Atomen an Plätzen von Mn-Atomen aufweist. Ein solches thermoelektrisches Keramikmaterial kann ein Material aufweisen, das durch die allgemeine Formel Ca1-x-yISOxDONyMn1-zFezOn, beschrieben ist, worin ISO ein zweiwertiges Element bezeichnet, das Ca2+ im Kristallgitter ersetzen kann, DON ein Element bezeichnet, das Ca2+ im Kristallgitter ersetzen kann und Elektronen für die elektrische Leitfähigkeit bereitstellt und wobei 0 ≤ x ≤ 0,5; 0 < y ≤ 0,5; 0,0001 ≤ z < 0,2; n ≥ 2 gilt. Ein solches thermoelektrisches Keramikmaterial kann beispielsweise ein Material basierend auf Kalzium-Cobalt-Oxid der Zusammensetzung (Ca3-xNax) CO4O9-δ, mit 0,1 ≤ x ≤ 2, 9 und 0 < δ ≤ 2 aufweisen. Das Peltierelement kann hierbei ebenfalls in direktem Kontakt mit einem Fluid stehen oder in eine strukturgebende Keramik eingebettet sein. Auch derartige Peltierelemente können nicht durch eine Stapelbeziehungsweise Laminiertechnik hergestellt werden. Durch Peltierelemente können durch geeignete Wahl der Fließrichtung des elektrischen Stromes, welcher zu deren Betrieb nötig ist, eine definierte Oberfläche heizen oder kühlen. Es ist daher möglich mit einem Peltierelement ein Fluid innerhalb des Mikrofluidikbauteils gezielt zu heizen, zu kühlen, oder dessen Temperatur konstant zu halten. Über die Messung einer hierfür benötigten elektrischen Leistung kann eine Messung einer Reaktionswärme innerhalb eines Fluids innerhalb des Mikrofluidikbauteils erfolgen.Alternatively or additionally, a heating element can also be formed from one or more Peltier elements. These can be semiconductor-based Peltier elements. However, they are preferably Peltier elements based on ceramic materials. A Peltier element can, for example, have a calcium manganese oxide that is partially doped with Fe atoms in places where Mn atoms are located. Such a thermoelectric ceramic material can have a material described by the general formula Ca1-xy ISOx DONy Mn1-z Fez On , where ISO denotes a divalent element that can replace Ca2+ in the crystal lattice, DON denotes an element that can replace Ca2+ in the crystal lattice and provides electrons for electrical conductivity, and where 0 ≤ x ≤ 0.5; 0 < y ≤ 0.5; 0.0001 ≤ z <0.2; n ≥ 2. Such a thermoelectric ceramic material can, for example, be a material based on calcium cobalt oxide of the Composition (Ca3-x Nax ) CO4 O9-δ , with 0.1 ≤ x ≤ 2, 9 and 0 < δ ≤ 2. The Peltier element can also be in direct contact with a fluid or embedded in a structuring ceramic. Such Peltier elements cannot be manufactured using stacking or lamination technology either. Peltier elements can heat or cool a defined surface by appropriately selecting the flow direction of the electrical current required for their operation. It is therefore possible to use a Peltier element to specifically heat or cool a fluid within the microfluidic component, or to keep its temperature constant. By measuring the electrical power required for this, a reaction heat within a fluid within the microfluidic component can be measured.
Weiterhin kann in dem Mikrofluidikbauteil nahe dem Zufluss, dem Abfluss oder der funktionellen Einheit oder auch als Teil der funktionellen Einheit ein Temperatursensorelement, wie beispielsweise ein NTC-Sensorelement oder ein PTC-Sensorelement oder ein elektrischer Widerstandsthermometer oder ein Thermoelement, ausgebildet sein. Dies ermöglicht die Temperaturmessung nahe oder unmittelbar an der funktionellen Einheit. So ist zum Beispiel in dem Fall eines Mikroreaktors, in welchem ein Katalysator oder eine katalytisch aktive Fläche vorhanden ist, eine Temperaturmessung des Fluids möglich. Die Positionierung oder Orientierung eines solchen kann bei Verwendung von additiven Fertigungstechniken oder 3D-Druck frei gewählt werden und ist nicht durch eine Stapelrichtung begrenzt.Furthermore, a temperature sensor element, such as an NTC sensor element, a PTC sensor element, an electrical resistance thermometer, or a thermocouple, can be formed in the microfluidic component near the inlet, the outlet, or the functional unit, or even as part of the functional unit. This enables temperature measurement close to or directly at the functional unit. For example, in the case of a microreactor in which a catalyst or a catalytically active surface is present, temperature measurement of the fluid is possible. The positioning or orientation of such a sensor can be freely selected using additive manufacturing techniques or 3D printing and is not limited by a stacking direction.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Mikrofluidikbauteil weitere Zuflüsse, Abflüsse und/oder dazwischen angeordnete Volumenelemente aufweisen, welche nicht mit anderen Zuflüssen, Abflüssen und zwischen diesen angeordneten Volumenelementen in direktem, fluidem Kontakt stehen. Hierdurch können beispielsweise zwei oder mehrere, voneinander fluidisch getrennte, Fluide in einem Mikrofluidikbauteil nebeneinander geführt werden. Diese Fluide können hierbei in thermischen Kontakt stehen. Hierbei ist es möglich innerhalb des Mikrofluidikbauteils Wärmetauscher auszubilden, welche zur Heizung oder Kühlung eines anderen Fluids eingesetzt werden können.According to a further embodiment, a microfluidic component can have additional inlets, outlets, and/or volume elements arranged therebetween that are not in direct fluid contact with other inlets, outlets, and volume elements arranged therebetween. This allows, for example, two or more fluidically separated fluids to be guided alongside one another in a microfluidic component. These fluids can be in thermal contact. It is possible to form heat exchangers within the microfluidic component, which can be used to heat or cool another fluid.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die vorgenannten Fluide auch in einer stofflichen Verbindung stehen. „Stofflich“ ist hierbei so zu verstehen, dass ein Stoffaustausch zwischen 2 oder mehreren Fluiden möglich ist, ohne dass diese Fluide miteinander in einem direkten fluiden Kontakt stehen. Hierzu sind die Fluide beispielswiese durch eine Membran getrennt. Diese Membran kann gewissen Stoffen den Durchtritt erlauben ohne die jeweiligen Fluide, die diese Stoffe mit sich führen, in unmittelbaren Kontakt zueinander zu bringen. Die Membran kann semipermeabel sein. Die Membran kann hierbei beispielsweise ein Material des Mikrofluidikbauteils aufweisen, es sind aber auch andere Materialien möglich. Die Membran kann alternativ oder zusätzlich über katalytische oder filtrierende Eigenschaften verfügen bzw. mit solchen versehen sein. Hierbei ist es möglich innerhalb des Mikrofluidikbauteils Ionenaustauscher, Umkehrosmosen, Sterilfilter, Brennstoffzellen, katalytische Nachverbrennungen, Membran Oxygenierungen, Lambdasonden, pH-Sonden, etc. auszubilden.Alternatively or additionally, it is possible for the aforementioned fluids to be in a material connection. "Material" here means that a material exchange is possible between two or more fluids without these fluids being in direct fluid contact with each other. For this purpose, the fluids are separated, for example, by a membrane. This membrane can allow certain substances to pass through without bringing the respective fluids carrying these substances into direct contact with each other. The membrane can be semipermeable. The membrane can, for example, comprise a material from the microfluidic component, but other materials are also possible. Alternatively or additionally, the membrane can have or be provided with catalytic or filtering properties. In this case, it is possible to implement ion exchangers, reverse osmosis systems, sterile filters, fuel cells, catalytic afterburners, membrane oxygenators, lambda sensors, pH sensors, etc. within the microfluidic component.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Mikroheizer beschrieben. Dieser weist eine in einem Keramikkörper eingebettete elektrische Widerstandsheizfunktion auf. Die Widerstandsheizfunktion kann zum Beispiel durch leitfähige und insb. durch metallische Strukturen in der Keramik realisiert werden. Insbesondere im Fall von additiven Fertigungstechniken oder 3D-Druck kann die Positionierung oder Orientierung entsprechender Strukturen in der Keramik frei gewählt werden.According to a further embodiment, a microheater is described. This has an electrical resistance heating function embedded in a ceramic body. The resistance heating function can be realized, for example, by conductive and, in particular, metallic structures in the ceramic. Particularly in the case of additive manufacturing techniques or 3D printing, the positioning or orientation of corresponding structures in the ceramic can be freely selected.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine leitfähige Struktur zur Realisierung der Heizfunktion zumindest teilweise von keramischem Material umhüllt sein und somit zumindest teilweise vor äußeren Einflüssen geschützt sein. Die Strukturen können auch vollständig umhüllt bzw. eingebettet sein.According to one embodiment, a conductive structure for implementing the heating function can be at least partially encased in ceramic material and thus at least partially protected from external influences. The structures can also be completely encased or embedded.
Gemäß einer Ausführungsform können die Strukturen beispielsweise auch beliebig nahe an einen vorgebildeten Hohlraum platziert werden, zum Beispiel um eine Heizfunktion mit definiertem Abstand zu realisieren. Diese Ausführung erlaubt eine lokal sehr definierte Erhitzung eines inerten Materials, wie z.B. einer Keramik.According to one embodiment, the structures can also be placed as close as desired to a preformed cavity, for example, to implement a heating function at a defined distance. This design allows for a very defined local heating of an inert material, such as a ceramic.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Mikroheizer dazu ausgestaltet und eingerichtet sein im human- und/oder tiermedizinischen Bereich eingesetzt zu werden. Beispielswiese kann ein Mikroheizer derart ausgestaltet sein, dass dieser an der Spitze von Kathetern angebracht werden kann. Ein derartiger Heizer kann an einer punktförmigen Spitze sehr konzentriert eine hohe Hitzewirkung erzeugen. Dies kann beispielsweise zur Verödung bei minimal-invasiven Operationen innerhalb des Körpers erfolgen. Bevorzugt können derartige Mikroheizer ein AlN haltiges Material mit Wolfram haltigen Elektroden aufweisen oder aus einem solchen ausgebildet sein. AlN Materialien sind gut geeignet, da sie besonders hohe Wärmeleitfähigkeiten aufweisen. Wolfram Elektroden sind gut für Widerstandsheizungen geeignet und eigen sich wegen ihres hohen Schmelzpunkts zur gemeinsamen Verarbeitung mit AlN. Hierdurch kann eine besonders effiziente, punktuelle Hitzequelle mit hoher Energiedichte geschaffen werden, wie sie vorteilhaft in chirurgischen Anwendungen eingesetzt werden kann.According to one embodiment, a microheater can be designed and configured for use in human and/or veterinary medicine. For example, a microheater can be designed such that it can be attached to the tip of catheters. Such a heater can generate a high heat effect in a very concentrated manner at a point-shaped tip. This can be done, for example, for sclerotherapy during minimally invasive operations within the body. Such microheaters can preferably comprise an AlN-containing material with tungsten-containing electrodes or be formed from such a material. AlN materials are well suited because they have particularly high thermal conductivities. Tungsten electrodes are well suited for resistance heating and, due to their high melting point, are suitable for processing together with AlN. This can create a particularly efficient, point-shaped heat source with a high energy density. how it can be used advantageously in surgical applications.
Gemäß einer Ausführungsform des Mikroheizers können 3D-gedruckte Innenelektroden bzw. metallische Strukturen innerhalb des 3D-gedruckten Keramikkörpers angeordnet sein. Diese können in einem Bereich des Keramikkörpers eine Heizwendel als Widerstandsheizfunktion bilden. Gemäß einer Ausführungsform dieses Mikroheizers kann in dem Bereich des Keramikkörpers bzw. an einer Oberfläche des Bereichs des Keramikkörpers ein Reservoir zum Erwärmen oder Verdampfen einer Flüssigkeit ausgebildet sein.According to one embodiment of the microheater, 3D-printed internal electrodes or metallic structures can be arranged within the 3D-printed ceramic body. These can form a heating coil as a resistance heating function in a region of the ceramic body. According to one embodiment of this microheater, a reservoir for heating or evaporating a liquid can be formed in the region of the ceramic body or on a surface of the region of the ceramic body.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Temperatursensor an oder in dem Mikroheizer ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Temperatursensor als elektrischer Widerstandssensor, Thermoelement, NTC-Sensor oder PTC-Sensor ausgebildet sein.According to one embodiment, a temperature sensor can be formed on or in the microheater. For example, the temperature sensor can be designed as an electrical resistance sensor, thermocouple, NTC sensor, or PTC sensor.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein solcher Temperatursensor zur Steuerung der Temperatur eines Mikroheizers eingesetzt werden. Dazu kann eine an den Mikroheizer angegliederte oder separate Temperatursteuerungsvorrichtung verwendet werden.According to one embodiment, such a temperature sensor can be used to control the temperature of a microheater. For this purpose, a temperature control device attached to the microheater or a separate one can be used.
Gemäß einer Ausführungsform des Mikroheizers kann dieser als Durchflussheizer ausgebildet sein. Er kann einen Durchflussbereich aufweisen, welcher dazu ausgebildet ist, dass durch diesen ein Fluid geleitet wird. Hierbei kann ein erster Leiter als elektrische Widerstandsheizfunktion den Durchflussbereich in einer zur Strömungsrichtung senkrechten Ebene zumindest teilweise umschließen. Mittels additiver Fertigungstechniken ist es leicht möglich die komplexen Durchflussstrukturen z.B. aus Keramik zu fertigen und die Form des Leiters sowie von etwaigen Außenkontakten in diese frei einzubringen.According to one embodiment of the microheater, it can be designed as a flow-through heater. It can have a flow-through region designed for conducting a fluid through it. A first conductor, acting as an electrical resistance heating function, can at least partially enclose the flow-through region in a plane perpendicular to the flow direction. Using additive manufacturing techniques, it is easily possible to manufacture complex flow-through structures, e.g., from ceramic, and freely incorporate the shape of the conductor and any external contacts into them.
Gemäß einer Ausführungsform des Durchflussheizers kann ein zweiter Leiter als eine zweite Widerstandsheizfunktion in Strömungsrichtung versetzt zum ersten Leiter ausgebildet sein, so dass in Strömungsrichtung zwei aufeinanderfolgende Heizebenen ausgebildet werden. So kann ein Heizen des Fluids verbessert werden.According to one embodiment of the flow-through heater, a second conductor can be configured as a second resistance heating function, offset from the first conductor in the flow direction, so that two successive heating levels are formed in the flow direction. This can improve the heating of the fluid.
Gemäß einer Ausführungsform des Durchflussheizers kann ein PTC-Heizer das Heizelement ausbilden. Der PTC-Heizer kann aus einer ein PTC-Material umfassenden Keramik ausgebildet sein.According to one embodiment of the flow heater, a PTC heater can form the heating element. The PTC heater can be formed from a ceramic comprising a PTC material.
Gemäß einer Ausführungsform des Durchflussheizers können angrenzend an den Durchflussbereich strömungsleitende oder strömungsverändernde Komponenten zusätzlich zu Außenwänden des Durchflussbereichs ausgebildet sein. Mittels der beschriebenen Techniken ist es möglich strömungsleitende oder strömungsverändernde Strukturen oder Komponenten zusätzlich zu Außenwänden z.B. eines rohrartigen Durchflussbereichs zu realisieren.According to one embodiment of the flow heater, flow-guiding or flow-modifying components can be formed adjacent to the flow region in addition to the outer walls of the flow region. Using the described techniques, it is possible to realize flow-guiding or flow-modifying structures or components in addition to outer walls, e.g., of a tubular flow region.
Gemäß einer Ausführungsform des Durchflussheizers kann ein PTC-Heizer durch die freie Formgebung derart ausgebildet sein, dass eine ein PTC-Material umfassende Keramik im Fluidkanal als zum Beispiel Gyroid-Struktur ausgebildet ist, und entsprechend vom zu temperierenden Fluid umströmt wird. Der Begriff „Gyroid“ wird hierbei gemäß allgemeinem Fachverständnis verstanden. Insbesondere kann unter „Gyroid“ eine dreifach periodische Minimalfläche (TPMS) verstanden werden. Folglich weist eine solche Struktur eine innere Periodizität auf und nimmt zu einer festgelegten Randkurve lokal den kleinstmöglichen Flächeninhalt ein.According to one embodiment of the flow-through heater, a PTC heater can be designed through free-form shaping such that a ceramic comprising a PTC material is formed in the fluid channel, for example, as a gyroid structure, around which the fluid to be tempered flows. The term "gyroid" is understood in this context according to the general technical understanding. In particular, "gyroid" can be understood as a triply periodic minimal surface (TPMS). Consequently, such a structure exhibits internal periodicity and locally occupies the smallest possible surface area at a defined boundary curve.
Gemäß einer Ausführungsform des Durchflussheizers kann die Widerstandsheizfunktion als Leiter ausgebildet sein. Ein Abschnitt des Leiters kann der Fluidführung derart folgen, dass sich dieser Abschnitt entlang der vorgesehenen Strömungsrichtung des Fluids erstreckt. Der Leiter oder eine aus diesem gebildete Wendelform können hierbei zum Beispiel eine Schlaufe bilden, die sich entlang der vorgesehenen Strömungsrichtung des Fluids erstreckt.According to one embodiment of the flow-through heater, the resistance heating function can be embodied as a conductor. A section of the conductor can follow the fluid path such that this section extends along the intended flow direction of the fluid. The conductor or a spiral shape formed from it can, for example, form a loop that extends along the intended flow direction of the fluid.
Gemäß einer Ausführungsform des Durchflussheizers, welche insbesondere bevorzugt eine Modifikation der zuvor genannten Ausführungsform ist, kann die Fluidführung eine Biegung aufweisen, welche dazu geeignet ist, die intendierte Strömungsrichtung des Fluids zwischen einem Bereich vor der Biegung und einem Bereich nach der Biegung zu ändern. Ein rohrartiger Abschnitt des Durchflussheizers kann zum Beispiel eine Biegung aufweisen. Ein Abschnitt des Leiters kann sich entlang der in diesem Bereich der Fluidführung geänderten Fließrichtung erstrecken. Bevorzugt kann sich ein erster Abschnitt des Leiters, wie oben beschrieben, entlang der vorgesehenen Strömungsrichtung des Fluids erstrecken. Dieser erste Abschnitt kann sich zum Beispiel entlang der Strömungsrichtung des Fluids vor der Biegung erstrecken. Ein zweiter Abschnitt des Leiters kann sich entlang der in diesem Bereich der Fluidführung geänderten Fließrichtung erstrecken. So kann zum Beispiel eine erste Schlaufe des Leiters vor der Biegung sich entlang der dort herrschenden Fließrichtung erstrecken und eine zweite Schlaufe sich entlang der nach der Biegung herrschenden Fließrichtung erstrecken. So kann die Fläche, in der erwärmt wird, vergrößert werden.According to one embodiment of the flow-through heater, which is particularly preferably a modification of the aforementioned embodiment, the fluid guide can have a bend suitable for changing the intended flow direction of the fluid between a region before the bend and a region after the bend. A tubular section of the flow-through heater can, for example, have a bend. A section of the conductor can extend along the flow direction changed in this region of the fluid guide. Preferably, a first section of the conductor, as described above, can extend along the intended flow direction of the fluid. This first section can, for example, extend along the flow direction of the fluid before the bend. A second section of the conductor can extend along the flow direction changed in this region of the fluid guide. For example, a first loop of the conductor can extend before the bend along the flow direction prevailing there, and a second loop can extend along the flow direction prevailing after the bend. The area in which heating takes place can thus be increased.
Gemäß einer Ausführungsform des Durchflussheizers, welche insbesondere bevorzugt eine Modifikation der vorletzten Ausführungsform ist, kann die Fluidführung eine erste Biegung aufweisen. Diese erste Biegung kann eine erste Ebene definieren, so wie ein Winkel eine Ebene im Raum definiert. Eine zweite Biegung, welche auf die erste Biegung in Strömungsrichtung folgt, kann in einer Ebene senkrecht zur ersten Ebene orientiert sein. Die Fluidführung kann eine dritte Biegung in Strömungsrichtung nach der zweiten Biegung aufweisen. Diese dritte Biegung kann eine zweite Ebene definieren, welche sich parallel aber versetzt zur ersten Ebene erstreckt. Ein Abschnitt oder mehrere Abschnitte des Leiters sind in einer zur ersten Ebene parallelen Zwischenebene angeordnet, die sich zwischen erster und zweiter Ebene befindet. Diese Anordnung erlaubt, dass die Strömung um den in der Zwischenebene angeordneten Leiter herumgeführt wird und die Kontaktfläche zum Wärmeübertrag maximiert werden kann. Solche in sich verwundenen und aus mehreren Materialien bestehenden Strukturen können besonders bevorzugt mittels additiver Fertigung bzw. 3D-Druck gebildet werden.According to an embodiment of the flow heater, which particularly preferably comprises a In a modification of the penultimate embodiment, the fluid guide can have a first bend. This first bend can define a first plane, just as an angle defines a plane in space. A second bend, which follows the first bend in the flow direction, can be oriented in a plane perpendicular to the first plane. The fluid guide can have a third bend in the flow direction after the second bend. This third bend can define a second plane, which extends parallel but offset to the first plane. One or more sections of the conductor are arranged in an intermediate plane parallel to the first plane, which is located between the first and second planes. This arrangement allows the flow to be guided around the conductor arranged in the intermediate plane and the contact area for heat transfer can be maximized. Such intertwined structures consisting of several materials can particularly preferably be formed by means of additive manufacturing or 3D printing.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine solche verwundene Fluidführung auch das Betreiben mit mehreren verschiedenen Fluiden erlauben, so dass die Fluidführung auch als Mikro-Mischer oder auch als Mikro-Reaktor verwendet werden kann.According to one embodiment, such a twisted fluid guide can also allow operation with several different fluids, so that the fluid guide can also be used as a micro-mixer or as a micro-reactor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Transformator bzw. insbesondere ein 3D-gedruckter Transformator beschrieben. Dieser kann mindestens zwei elektrisch leitfähige Schichten, die durch eine dielektrische keramische Schicht voneinander getrennt sind, aufweisen. Durch 3D-Druck ergeben sich die genannten Vorteile.According to a further embodiment, a transformer, or in particular a 3D-printed transformer, is described. This can have at least two electrically conductive layers separated from each other by a dielectric ceramic layer. The aforementioned advantages are achieved through 3D printing.
Gemäß einer Ausführungsform des Transformators kann dieser eine Ferritkeramik und eine zweite Keramik aufweisen. Die zweite Keramik kann hierbei oberhalb einer Oberfläche der Ferritkeramik angeordnet sein. Elektrische Strukturen, welche z.B. eine Spule bilden können, können dabei so in die zweite Keramik eingebettet sein, dass ein Teil dieser zweiten Keramik so zwischen zwei elektrischen Schichten der elektrischen Strukturen angeordnet ist, dass dieser Teil als Dielektrikum dienen kann. Mit additiven Fertigungstechniken oder 3D-Druck kann hierbei eine Form verwirklicht werden, welche nicht durch ein Stapelverfahren limitiert ist.According to one embodiment of the transformer, it can comprise a ferrite ceramic and a second ceramic. The second ceramic can be arranged above a surface of the ferrite ceramic. Electrical structures, which can form a coil, for example, can be embedded in the second ceramic such that a portion of this second ceramic is arranged between two electrical layers of the electrical structures, allowing this portion to serve as a dielectric. Using additive manufacturing techniques or 3D printing, a shape can be realized that is not limited by a stacking process.
Gemäß einer Ausführungsform des Transformators kann ein Ferritkern innerhalb der durch eine oder mehrere elektrische Schichten gebildeten Spule angeordnet sein. Der Ferritkern kann ein separates Bauteil sein oder zusammen mit den anderen Komponenten durch 3D-Druck ausgebildet werden.According to one embodiment of the transformer, a ferrite core can be arranged within the coil formed by one or more electrical layers. The ferrite core can be a separate component or formed together with the other components by 3D printing.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Thermosensor beschrieben. Der Thermosensor kann eine Thermistorkeramik umfassen, insbesondere kann er eine NTC-Keramik oder eine PTC-Keramik umfassen. Der Thermosensor kann einen Träger umfassen, beispielswiese einen keramischen Träger. Der Thermosensor kann ein oder mehrere elektrische Kontaktierungen oder Elektroden umfassen. Der Thermosensor kann ein eigenständiges Element sein, er kann jedoch auch beliebig mit anderen oben oder im Folgenden genannten Ausführungsformen kombiniert werden. So kann ein derartiger Thermosensor beispielsweise in einem Mikrofluidikbauteil, einem Mikroheizer, einem HF-Bauteil, einem Transformator oder einem Package enthalten sein. Ein derartiger Thermosensor kann innerhalb derartiger Bauteile integriert sein oder auch auf derartigen Bauteilen aufgebracht sein.According to a further embodiment, a thermal sensor is described. The thermal sensor can comprise a thermistor ceramic, in particular, it can comprise an NTC ceramic or a PTC ceramic. The thermal sensor can comprise a carrier, for example, a ceramic carrier. The thermal sensor can comprise one or more electrical contacts or electrodes. The thermal sensor can be a stand-alone element, but it can also be combined as desired with other embodiments mentioned above or below. For example, such a thermal sensor can be contained in a microfluidic component, a microheater, an RF component, a transformer, or a package. Such a thermal sensor can be integrated within such components or even applied to such components.
Weiterhin wird ein Package beschrieben. Dieses kann eine Ausnehmung zur Aufnahme einer externen Komponente oder einer einstückig mitgedruckten Komponente aufweisen. Das Package kann ein in sich geschlossenes, vollständig 3D-gedrucktes Package sein. Das Package kann durch additive Fertigung oder 3D-Druck gebildet werden. Wie oben abstrakt zu Konzeptionierung beschrieben, kann dieses eine flache Einheit aufweisen, die eine Hauptebene bildet. Eine weitere strukturelle oder funktionelle Einheit kann innerhalb des Packages realisiert sein. Dieses kann grundsätzlich separat gefertigt sein, ist aber bevorzugt durch 3D-Druck realisiert und zusammen mit dem Package bzw. als Teil dessen gedruckt. Die weitere strukturelle oder funktionelle Einheit kann eine Oberfläche aufweisen, die eine Ebene definiert, die verkippt zur Hauptebene orientiert ist. Wenn diese Komponenten durch 3D-Druck gefertigt werden, kann die verkippte Ebene leicht realisiert werden. Das Package kann monolithisch und in sich geschlossen oder einstückig ausgebildet sein. Das Package kann Abschirmelemente umfassen. Beispiele für solche Abschirmelemente sind geeignet eine Faradayabschirmung, eine Partikelstrahlungsabschirmung oder eine Hochenergiestrahlungsabschirmung bereitzustellen. Die Faradayabschirmung kann z.B. via Faraday-Elektroden ausgebildet sein. Die Partikelstrahlungsabschirmung kann als Partikelschild ausgebildet sein. Aufgrund seiner Eigenschaften ist Wolfram auch sehr gut geeignet, eine Abschirmung gegenüber hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung oder Partikelstrahlung bereit zu stellen, diese können mit der Faraday-Abschirmung kombiniert sein. Alternativ oder zusätzlich können Abschirm-Elektroden gegen elektromagnetische Einstrahlung im Radiofrequenzbereich ausgebildet sein. Das Package kann elektrische Kontaktierungen umfassen. Das Package kann Metallisierungen umfassen.Furthermore, a package is described. This can have a recess for accommodating an external component or a component printed as a single piece. The package can be a self-contained, fully 3D-printed package. The package can be formed by additive manufacturing or 3D printing. As described abstractly above for conceptual design, it can have a flat unit that forms a main plane. A further structural or functional unit can be implemented within the package. This can in principle be manufactured separately, but is preferably implemented by 3D printing and printed together with the package or as part of it. The further structural or functional unit can have a surface that defines a plane that is tilted relative to the main plane. If these components are manufactured by 3D printing, the tilted plane can be easily implemented. The package can be monolithic and self-contained or formed as a single piece. The package can include shielding elements. Examples of such shielding elements are suitable for providing Faraday shielding, particle radiation shielding, or high-energy radiation shielding. The Faraday shield can be implemented, for example, via Faraday electrodes. The particle radiation shield can be implemented as a particle shield. Due to its properties, tungsten is also very well suited for providing shielding against high-energy electromagnetic radiation or particle radiation; these can be combined with the Faraday shield. Alternatively or additionally, shielding electrodes can be implemented to protect against electromagnetic radiation in the radio frequency range. The package can include electrical contacts. The package can include metallization.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Package ein Sensorelement, zum Beispiel ausgeführt mit einer NTC-Keramik, einer PTC-Keramik, einem elektrischen Widerstandsthermometer oder einem Thermoelement umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das Package auch ein Sensorelement umfassend eine Piezokeramik zur Messung eines Drucks aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Package auch ein oder mehrere Kanäle für Fluide umfassen. In diesen Kanälen kann ein Fluid geführt werden und so eine Heizung und/oder eine Kühlung des Packages und/oder der innerhalb des Packages angeordneten Komponenten bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Heizung und/oder Kühlung auch über in dem Package integrierte Peltierelemente ermöglicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Package in einer äußeren Form auch so ausgestaltet sein, dass eine Wärmeabstrahlung maximiert wird, beispielsweise indem es eine Kühlrippenstruktur aufweiset und/oder mit Metalloberflächen beschichtet ist. Mehrere solche Elemente können mittels additiver Fertigung mit Vorteil in einem Package realisiert werden.According to one embodiment, the package may comprise a sensor element, for example, made with an NTC ceramic, a PTC ceramic, an electrical resistance thermometer or a thermocouple. Alternatively or additionally, the package can also have a sensor element comprising a piezoceramic for measuring pressure. Alternatively or additionally, the package can also have one or more channels for fluids. A fluid can be guided in these channels, thus providing heating and/or cooling of the package and/or the components arranged within the package. Alternatively or additionally, heating and/or cooling can also be enabled via Peltier elements integrated into the package. Alternatively or additionally, the package can also be designed in an external shape such that heat radiation is maximized, for example by having a cooling fin structure and/or being coated with metal surfaces. Several such elements can advantageously be realized in one package using additive manufacturing.
Weiterhin wird ein HF-Modul beschrieben. Dieses kann bevorzugt durch 3D-Druck erhalten werden, ist aber in seiner Allgemeinheit zunächst nicht darauf limitiert. Bevorzugt ist es vollständig 3D-gedruckt. Das HF-Modul weist einen Keramikköroper auf. Es kann weiterhin eine elektrisch funktionelle Komponente aufweisen. Diese kann in den Keramikkörper eingebettet sein.Furthermore, an RF module is described. This can preferably be obtained by 3D printing, but is not initially limited to this in its generality. It is preferably completely 3D printed. The RF module has a ceramic body. It can also have an electrically functional component. This can be embedded in the ceramic body.
Der Keramikkörper des HF-Moduls kann eine LTCC-Keramik oder eine HTCC-Keramik aufweisen. Der Keramikkörper kann also mit einem einen LTCC-Keramikkörper bildenden LTCC-Keramikmaterial gefertigt sein. Der Keramikkörper kann alternativ mit einem einen HTCC-Keramikkörper bildenden HTCC-Keramikmaterial gefertigt sein.The ceramic body of the RF module can comprise an LTCC ceramic or an HTCC ceramic. The ceramic body can therefore be manufactured from an LTCC ceramic material that forms an LTCC ceramic body. Alternatively, the ceramic body can be manufactured from an HTCC ceramic material that forms an HTCC ceramic body.
Das HF-Modul kann als eine keramische Leiterplatte (engl. ceramic printed circuit board; kurz cPCB) ausgeführt sein. Eine derartige Leiterplatte kann vorteilhaft als Träger in Anwendungen der Leistungselektronik oder als Träger für Hochleistungs-LED verwendet werden. Hierbei ist es bevorzugt ein AlN Material als HTCC-Keramikkörper einzusetzen. AlN weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und vorteilhafte elektrische Durchschlagsfestigkeit auf. Es kann daher vorteilhaft als isolierender, stark wärmeableitender Träger verwendet werden. In Kombination mit Elektroden aus einem Wolfram Material können innere thermische und/oder elektrische Leitstrukturen integriert werden. Es können auch Faraday-Abschirmungen, Kühlkanäle oder Kühlrippenstrukturen ausgebildet werden. Aufgrund seiner Eigenschaften ist Wolfram auch sehr gut geeignet, eine Abschirmung gegenüber hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung oder Partikelstrahlung bereit zu stellen, diese können mit der Faraday-Abschirmung kombiniert sein.The RF module can be designed as a ceramic printed circuit board (cPCB). Such a circuit board can be advantageously used as a carrier in power electronics applications or as a carrier for high-performance LEDs. In this case, it is preferable to use an AlN material as the HTCC ceramic body. AlN exhibits high thermal conductivity and advantageous electrical breakdown strength. It can therefore be advantageously used as an insulating, highly heat-dissipating carrier. In combination with electrodes made of a tungsten material, internal thermal and/or electrical conductive structures can be integrated. Faraday shields, cooling channels, or cooling fin structures can also be formed. Due to its properties, tungsten is also very well suited to providing shielding against high-energy electromagnetic radiation or particle radiation; these can be combined with the Faraday shield.
Die funktionelle Komponente kann eine vom Keramikmaterial verschiedenes Keramikmaterial aufweisen, also im Falle der Beispiele ein von der LTCC-Keramik bzw. der HTCC-Keramik verschiedenes Keramikmaterial aufweisen. Insbesondere im Fall von 3D-Druck ergeben sich die beschriebenen Vorteile für additive Fertigung.The functional component can be made of a different ceramic material than the ceramic material itself, i.e., in the case of the examples, a different ceramic material than LTCC ceramic or HTCC ceramic. The described advantages for additive manufacturing arise particularly in the case of 3D printing.
Gemäß einer Ausführungsform des HF-Moduls kann die elektrisch funktionelle Komponente eine Induktorspule mit einem Ferritkeramikmaterial sein. Alternativ oder zusätzlich kann die funktionelle Komponente ein Kondensator sein. Dieser kann ein vom Keramikmaterial des Keramikkörpers verschiedenes Dielektrikum aufweisen. Das Dielektrikum kann ein dielektrisches Keramikmaterial sein. Alternativ oder zusätzlich kann die funktionelle Komponente eine ESD-Schutzkomponente sein. Diese kann eine Varistorkeramik aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die funktionelle Komponente ein Thermistor sein. Dies kann z.B. ein NTC-Sensor sein, der eine NTC-Keramik aufweist, oder ein PTC-Sensor, der eine PTC-Keramik aufweist.According to one embodiment of the RF module, the electrically functional component can be an inductor coil with a ferrite ceramic material. Alternatively or additionally, the functional component can be a capacitor. This can have a dielectric different from the ceramic material of the ceramic body. The dielectric can be a dielectric ceramic material. Alternatively or additionally, the functional component can be an ESD protection component. This can have a varistor ceramic. Alternatively or additionally, the functional component can be a thermistor. This can be, for example, an NTC sensor comprising an NTC ceramic or a PTC sensor comprising a PTC ceramic.
Im Folgenden werden Bauteileigenschaften erläutert, die für alle vorgenannten Bauteile gelten können und auch auf die später beschriebenen Ausführungsbeispiele Anwendung finden können.In the following, component properties are explained that can apply to all of the aforementioned components and can also be applied to the embodiments described later.
Verallgemeinert kann für erfindungsgemäße Bauteile gelten, dass diese frei von inneren Fügestellen sein können, was die oben genannten Vorteile hat.In general, components according to the invention can be free of internal joints, which has the advantages mentioned above.
Auch kann verallgemeinert gelten, dass das ein erfindungsgemäßes Bauteil zwei Materialbereiche aufweisen kann. Diese können dreidimensional ineinander verschränkt sein.It can also be generalized that a component according to the invention can have two material regions. These can be interlocked three-dimensionally.
Es können auch dritte, vierte und weitere Materialbereiche in einem Bauteil vorhanden sein. Diese können, zumindest teilweise, dreidimensional ineinander verschränkt sein. Es können also zwei oder mehr Materialbereiche ausgebildet sein. Die oben gemachte Formulierung „zwei Materialbereiche“ ist innerhalb der Anmeldung gleich zu verstehen mit „zwei oder mehr Materialbereiche“ und bedeutet, dass mindestens zwei verschiedene Materialbereiche identifiziert werden können. Die Formulierung „zwei oder mehr Materialbereiche“ betont dabei nur zusätzlich, dass keine Limitierung auf genau zwei Materialien gemeint ist, auch wenn dies nicht zwingend erforderlich ist aufgrund dieser Klarstellung.Third, fourth, and additional material regions may also be present in a component. These may be, at least partially, intertwined in three dimensions. Thus, two or more material regions may be formed. The above-mentioned phrase "two material regions" is to be understood within the application as the same as "two or more material regions" and means that at least two different material regions can be identified. The phrase "two or more material regions" merely further emphasizes that no limitation to exactly two materials is intended, even if this is not absolutely necessary due to this clarification.
Es können 3D-gedruckte Keramiken und/oder 3D-gedruckte Metallbereiche in dem Bauteil ausgebildet sein.3D-printed ceramics and/or 3D-printed metal areas can be formed in the component.
Die oben beschriebenen Bauteile selbst können strukturelle Eigenschaften enthalten.The components themselves described above may contain structural properties.
Bauteile können Sensoren enthalten, wie z.B. NTC-Sensoren oder PTC-Sensoren. NTC-Sensoren können mittels einer NTC-Keramik in ein Bauteil, welches als Hauptkomponente eine andere Keramik aufweist, eingebracht werden. Entsprechend können PTC-Sensoren mittels PTC-Keramiken in das Bauteil eingebracht werden. Es können mit dem erfindungsgemäßen Konzept NTC-Keramiken innerhalb von anderen elektrokeramischen Bauteilen gezielt an jenen Stellen eingebracht werden, wo die Temperaturmessung vorteilhaft ist, wie z.B. möglichst nahe am Ort einer Wärmequelle innerhalb des Bauteils. Dies kann durch die additive Fertigung allgemein erreicht werden. Noch besser gelingt dies, da aufgrund des 3D-Drucks sehr dünne Schichten im unteren Mikrometerbereich erzeugt werden können. So können mit den genannten Techniken nicht nur übliche NTC-Dimensionen realisiert werden, sondern deutlich kleinere Bauteile. Diese können an den relevanten, für die Funktionalität der jeweiligen Applikation bevorzugten, Stellen erzeugt werden und das restliche Bauteil kann darum herum weitergebaut werden, ohne dass dessen Dimensionen stark adaptiert werden müssten.Components can contain sensors, such as NTC sensors or PTC sensors. NTC sensors can be incorporated into a component using an NTC ceramic, which has a different ceramic as its main component. Accordingly, PTC sensors can be incorporated into the component using PTC ceramics. With the inventive concept, NTC ceramics can be incorporated within other electroceramic components in a targeted manner at those locations where temperature measurement is advantageous, such as as close as possible to the location of a heat source within the component. This can generally be achieved using additive manufacturing. This can be achieved even better because 3D printing enables the production of very thin layers in the sub-micrometer range. Thus, the aforementioned techniques can be used to realize not only conventional NTC dimensions, but also significantly smaller components. These can be produced at the relevant locations preferred for the functionality of the respective application, and the remaining component can be built around them without its dimensions having to be significantly adapted.
Es können Schutz- oder Filtereigenschaften ausgebildet sein.Protective or filtering properties can be developed.
Es können auch Abschirmeigenschaften ausgebildet sein. Beispielsweise Faraday-Abschirmungen, EM- Abschirmungen Hochenergiestrahlungs- Abschirmungen oder Partikelstrahlen-Abschirmungen.Shielding properties can also be incorporated. For example, Faraday shields, EM shields, high-energy radiation shields, or particle beam shields.
Es können auch aktive Komponenten ausgebildet sein, wie zum Beispiel piezoelektrische Komponenten. Diese können mittels piezoelektrischer Materialien eingebracht werden. Zum Beispiel können sie dazu dienen, eine Aktorikfunktion zu realisieren. Diese können zusätzlich oder alternativ auch eine Sensorfunktion realisieren.Active components, such as piezoelectric components, can also be incorporated. These can be incorporated using piezoelectric materials. For example, they can serve to implement an actuator function. These can also additionally or alternatively implement a sensor function.
Es können Heizer ausgebildet sein, wie zum Beispiel über entsprechende Leiter oder Heizwendel. Es können auch Heizer umfassend ein PTC-Material ausgebildet sein.Heaters can be formed, for example, via appropriate conductors or heating coils. Heaters can also be formed comprising a PTC material.
Es können Schutzelemente, wie zum Beispiel in Form von Kondensatoren, Induktivitäten oder Varistoren ausgebildet sein. Kondensatoren können über Kondensatormaterialien und Leiterstrukturen in eine andere Keramik eingebettet werden. Induktivitäten können über Kernmaterialien z.B. FerritMaterialien und spulenförmige Leiterstrukturen in eine andere Keramik eingebettet werden. Ebenso kann mittels eines Varistormaterials ein Varistor in eine andere Keramik eingebettet werden.Protective elements can be implemented, for example, in the form of capacitors, inductors, or varistors. Capacitors can be embedded into another ceramic using capacitor materials and conductor structures. Inductors can be embedded into another ceramic using core materials, such as ferrite materials, and coil-shaped conductor structures. Likewise, a varistor can be embedded into another ceramic using a varistor material.
Weitere aus dem Stand der Technik bekannte Funktionen können entsprechend eingebettet werden.Other functions known from the state of the art can be embedded accordingly.
So ist es mittels additiver Fertigung möglich in ein einstückiges Bauteil eine oder mehrere der zuletzt genannten Funktionen zu integrieren.Using additive manufacturing, it is possible to integrate one or more of the last-mentioned functions into a single-piece component.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert. Diese sind nicht maßstabsgetreu abgebildet und können bezüglich absoluter und relativer Dimensionen verzerrt sein, weshalb Abmessungen und Verhältnisse den Figuren nicht entnommen werden können. Die Ausführungsbeispiele begrenzen zudem nicht die Erfindung.
Das Bauteil weist einen keramischen Körper 12 auf, welcher in
In dem Keramikkörper ist ein Zufluss 1, welcher von einem Reservoir 4 gespeist wird, ausgebildet. Der Zufluss 1 schließt an eine funktionelle Einheit 2 an. Diese weist hier einen zylinderförmigen Hohlraum auf. Von dieser führt ein Abfluss 3 weg. Am Abfluss 3 ist ein Reservoir 5 angeschlossen.An inlet 1, fed by a reservoir 4, is formed in the ceramic body. The inlet 1 connects to a functional unit 2. This unit has a cylindrical cavity. An outlet 3 leads from this cavity. A reservoir 5 is connected to the outlet 3.
In der funktionellen Einheit 2 ist eine erste Elektrode 6 und eine zweite Elektrode 9 ausgebildet. Beide sind an einer gemeinsamen Seite (hier die Oberseite) des Hohlraums der funktionellen Einheit 2 ausgebildet. Die erste Elektrode 6 ist via einer in dem keramischen Körper 12 verlaufenden ersten inneren Leitung 7 an einen ersten Außenkontakt 8 angeschlossen. Ähnlich ist die zweite Elektrode 9 über eine zweite innere Leitung 10 an den zweiten Außenkontakt 11 angeschlossen. Über die Außenkontakte 8 und 11 können die Elektroden 6 und 9 von außen in einer Anwendung kontaktiert werden.A first electrode 6 and a second electrode 9 are formed in the functional unit 2. Both are formed on a common side (here, the top side) of the cavity of the functional unit 2. The first electrode 6 is connected to a first external contact 8 via a first inner line 7 running in the ceramic body 12. Similarly, the second electrode 9 is connected to the second external contact 11 via a second inner line 10. The electrodes 6 and 9 can be contacted from the outside in an application via the external contacts 8 and 11.
Der Zufluss 1 und der Abfluss 3 sind nicht gerade sondern gewunden ausgebildet. Eine solche Form kann mittels 3D Druck unmittelbar und ohne einen zusätzlichen Schritt des Entfernens von Material mittels Schneiden, Fräsen oder ähnlichem durchgeführt werden.The inlet 1 and outlet 3 are not straight but rather curved. Such a shape can be created directly using 3D printing, without an additional step of removing material by cutting, milling, or similar.
Die Hohlräume des Zuflusses 1, des Abflusses 3 und der funktionellen Einheit 2 können, wie einleitend beschrieben mittels einer Hitzebehandlung gebildet werden, wobei ein zuvor gedrucktes Material wie Stärkepulver durch die Hitzebehandlung ausgebrannt wird.The cavities of the inlet 1, the outlet 3 and the functional unit 2 can be formed by means of a heat treatment, as described in the introduction, whereby a previously printed material such as starch powder is burned out by the heat treatment.
Alternativ ist es auch möglich an jenen Stellen, an denen ein Hohlraum erzeugt werden soll, während des Druckprozesses diese Stellen von der Bedruckung ganz oder teilweise auszusparen und dadurch einen Hohlraum bereits in einem Grünzustand einer funktionellen Einheit 2 zu erzeugen.Alternatively, it is also possible to completely or partially exclude the printing at those locations where a cavity is to be created during the printing process and thus to create a cavity already in a green state of a functional unit 2.
Die Elektroden 6 und 9, die inneren Leitungen 7 und 10 und die Außenkontakte 8 und 11 können aus dem gleichen Material hergestellt sein. Im Ausführungsbeispiel bestehen sie z.B. aus Cu. Insbesondere die Elektroden 6 und 9, die in Kontakt mit dem Fluid stehen, können aber auch aus einem anderen Material bestehen. Sie können zum Beispiel aus einem inerten Material, wie Au, oder einem katalytisch aktiven Material, wie Pd oder Pt bestehen oder ein solches aufweisen.The electrodes 6 and 9, the inner leads 7 and 10, and the external contacts 8 and 11 can be made of the same material. In the exemplary embodiment, they are made of Cu, for example. In particular, the electrodes 6 and 9, which are in contact with the fluid, can also be made of a different material. For example, they can consist of or comprise an inert material such as Au or a catalytically active material such as Pd or Pt.
Die Elektroden 6 und 9 können dazu ausgestaltet sein an dem Fluid Messungen vorzunehmen. Beispielsweise kann ein Widerstand, eine Leitfähigkeit oder ein Redox-Potential gemessen werden. Die Elektroden 6 und 9 können ferner dazu ausgestaltet sein, Reaktionen in dem Fluid zu ermöglichen. Beispielsweise kann eine Elektrolyse, eine Redox-Reaktion oder eine elektrokatalytische Reaktion ermöglicht werden.Electrodes 6 and 9 can be configured to perform measurements on the fluid. For example, resistance, conductivity, or redox potential can be measured. Electrodes 6 and 9 can also be configured to enable reactions in the fluid. For example, electrolysis, a redox reaction, or an electrocatalytic reaction can be enabled.
Der Gesamtaufbau kann alternativ zur hier vorgenommenen Funktionszuordnung anstelle eines Abflusses oder eines Zuflusses in einem der anderen Bauteile für die Mikrofluidik verwendet werden.As an alternative to the functional assignment made here, the overall structure can be used instead of an outflow or an inflow in one of the other components for microfluidics.
Die funktionelle Einheit weist zudem eine um den Hohlraum der funktionellen Einheit 2 gewundene Heizspirale auf. Diese kann aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen. Es können hierfür bekannte Metalle oder Legierungen verwendet werden. die Heizspirale ist hierbei ohne elektrische Leitungen und ohne Außenkontakte dargestellt. Diese können, wie für andere Ausführungsformen gezeigt, realisiert werden.The functional unit also has a heating coil wound around the cavity of the functional unit 2. This heating coil can be made of any suitable material. Known metals or alloys can be used for this purpose. The heating coil is shown here without electrical leads and without external contacts. These can be implemented as shown for other embodiments.
Zufluss 1 und Abfluss 3 sind hier jeweils gerade ausgebildet, können aber auch gewundene Formen haben. Zudem haben Zufluss 1 und Abfluss 3 eine runden Leitungsquerschnitt, was eine laminare Strömung begünstigt.Inlet 1 and outlet 3 are both straight, but can also have a winding shape. Inlet 1 and outlet 3 also have a round cross-section, which promotes laminar flow.
3D-Druck ermöglicht es die komplexe Form der Heizwendel um den zylinderförmigen Hohlraum herum auszubilden. Dies wäre mit konventionellen Fertigungstechniken kaum möglich, insbesondere nicht für ein einstückiges Bauteil.3D printing makes it possible to create the complex shape of the heating coil around the cylindrical cavity. This would be virtually impossible with conventional manufacturing techniques, especially not for a one-piece component.
Die funktionelle Einheit 2 weist eine komplexe innere Struktur bzw. eine komplexe innere Oberfläche auf. Diese kann für eine besonders intensive Durchmischung des Fluids sorgen. Dieser komplexe innere Aufbau kann auch dazu genutzt werden, dass in der funktionellen Einheit 2 katalytische Funktionen ermöglicht werden.Functional unit 2 has a complex internal structure and a complex internal surface. This can ensure particularly intensive mixing of the fluid. This complex internal structure can also be used to enable catalytic functions in functional unit 2.
Die katalytische Funktion kann über eine Aufrauhung der Oberfläche oder auch über eine Beschichtung mit Katalysatorpartikeln erfolgen.The catalytic function can be achieved by roughening the surface or by coating it with catalyst particles.
Zufluss 1 und Abfluss 3 sind hier jeweils gerade ausgebildet, können aber auch gewundene Formen haben. Zudem haben Zufluss 1 und Abfluss 3 einen runden Leitungsquerschnitt, was eine laminare Strömung begünstigt.Inlet 1 and outlet 3 are both straight, but can also have a winding shape. Inlet 1 and outlet 3 also have a round cross-section, which promotes laminar flow.
3D-Druck ermöglicht es die komplexe Form der inneren Struktur um den zylinderförmigen Hohlraum herum auszubilden. Ferner ermöglicht er eine vereinfachte Einbringung von katalytisch wirksamen Materialien. Dies wäre mit konventionellen Fertigungstechniken kaum möglich, insbesondere nicht für ein einstückiges Bauteil.3D printing makes it possible to create the complex shape of the internal structure around the cylindrical cavity. Furthermore, it facilitates the introduction of catalytically active materials. This would be virtually impossible with conventional manufacturing techniques, especially for a one-piece component.
Die funktionelle Einheit 2 ist zur Messung einer Kapazität ausgelegt. Hierzu weist die funktionelle Einheit 2 eine Kammer mit mindestens zwei parallel orientierten Flächen auf. Hier ist sie als Würfel ausgebildet. Alternativ kann sie z.B. eine Zylinderform oder eine Quaderform aufweisen. An einer Deck- und einer Bodenfläche des Würfels sind gegenüberliegend eine erste Elektrode 6 und eine zweite Elektrode 9 ausgebildet. Diese sind parallel zueinander orientiert. Ähnlich dem in
Der Abfluss 3 ist ähnlich dem zu
Anstelle eines einzigen Zuflusses sind zwei Zuflüsse 1a und 1b ausgebildet, die zu einer kugelförmig ausgebildeten funktionellen Einheit 2 führen. Es können zwei verschiedene Fluide, z.B. zwei reaktantenhaltige Lösungen zur funktionellen Einheit 2 geleitet werden. In dieser können sie verwirbelt werden und können miteinander reagieren. Die gebogene Form der Zuflüsse 1a und 1b begünstigt im Vergleich zu klassisch hergestellten Bauteilen eine laminare Strömung in den Zuflüssen 1a und 1b. In klassisch hergestellten Bauteilen können oft nur scharfe Winkel zur Umleitung von Fluidrichtungen eingesetzt werden. Der 3D-Druck erlaubt das Ausbilden von gebogenen Leitungen, wie hier den Zuflüssen, sowie von einer kugelförmigen Kammer, die das einströmende Fluid umlenkt und verwirbelt. So kann eine gute Durchmischung und vollständige Reaktion erhalten werden.Instead of a single inlet, two inlets 1a and 1b are formed, leading to a spherically shaped functional unit 2. Two different fluids, e.g., two reactant-containing solutions, can be directed to functional unit 2. There, they can be swirled and react with each other. The curved shape of inlets 1a and 1b promotes laminar flow in inlets 1a and 1b compared to conventionally manufactured components. In conventionally manufactured components, often only sharp angles can be used to redirect fluid directions. 3D printing allows the creation of curved lines, such as the inlets here, as well as a spherical chamber that deflects and swirls the inflowing fluid. This allows for thorough mixing and a complete reaction.
Grundsätzlich optional weist das konkrete Ausführungsbeispiel noch einen elektrischen Widerstandsheizer auf. Dieser ist dargestellt, mit Außenkontakten 8 und 11, inneren Leitungen 7 und 10, sowie Elektroden 6 und 9, wobei diese Teil der Widerstandsheizfunktion sind, welche beispielsweise mittels einer PTC-Keramik ausgebildet werden kann. Dieser Heizer kann dabei insbesondere so ausgebildet sein, dass er keinen direkten Kontakt mit dem Fluid aufweist. Ferner kann an einer vom Heizer beheizbaren inneren Oberfläche, welche mit dem Fluid in Kontakt steht, eine mit einem Katalysator versehene Fläche realisiert sein. Diese kann sich in der Nähe der mit den Bezugszeichen 6 und 9 markierten Bereiche befinden. Die mit dem Katalysator versehene Fläche ist als Teil der Wand des Hohlraums der funktionellen Einheit 2 ausgebildet. Hierdurch kann eine gezielte Einstellung einer Reaktionsrate in der Reaktanden miteinander reagieren bzw. einer Reaktionsrate an einem allenfalls vorhandenen Katalysator durch punktuelle Temperaturerhöhung ermöglicht werden.In principle, the specific exemplary embodiment also optionally includes an electrical resistance heater. This is shown with external contacts 8 and 11, internal lines 7 and 10, and electrodes 6 and 9, these being part of the resistance heating function, which can be implemented, for example, using a PTC ceramic. This heater can be designed in particular such that it does not have direct contact with the fluid. Furthermore, a surface provided with a catalyst can be realized on an internal surface that can be heated by the heater and is in contact with the fluid. This surface can be located near the areas marked with reference numerals 6 and 9. The surface provided with the catalyst is formed as part of the wall of the cavity of the functional unit 2. This enables a targeted adjustment of a reaction rate in which reactants react with one another or a reaction rate on any catalyst that may be present by selectively increasing the temperature.
Die so gebildete Pumpe kann mit den anderen Mikrofluidbauteilen kombiniert werden, um so das Fluid durch diese zu pumpen. Insbesondere kann der Abfluss 3 des hier gezeigten Bauteiles an den Zufluss der anderen Bauteile angeschlossen werden.The pump thus formed can be combined with the other microfluidic components to pump the fluid through them. In particular, the outflow 3 of the component shown here can be connected to the inflow of the other components.
3D-Druck ermöglicht die komplexen Formen des Hohlraums und des piezoelektrischen Elements 2a einstückig zusammen mit dem Keramikkörper auszubilden. Die Pumpe kann auch einstückig in Kombination mit den Funktionalitäten der anderen gezeigten Mikrofluidbauteile ausgebildet werden. Das piezoelektrisches Element 2a kann in Mehrmaterial-3D-Druck zusammen mit der Keramik des Keramikkörpers sowie zusammen mit elektrischen Leitungen und Kontakten (nicht gezeigt) gemeinsam gedruckt werden.3D printing allows the complex shapes of the cavity and the piezoelectric element 2a to be formed integrally with the ceramic body. The pump can also be formed integrally with the functionalities of the other microfluidic components shown. The piezoelectric element 2a can be printed in multi-material 3D printing together with the ceramic of the ceramic body, as well as together with electrical wires and contacts (not shown).
In unmittelbarer Nähe der funktionellen Einheit 2 ist hier ein NTC-Thermistor 13 ausgebildet. Dieser ist über innere Leitungen 7 und 10 an Außenkontakte 8 und 11 angeschlossen. Der NTC-Thermistor kann einen bekannten Aufbau aufweisen und z.B. eine Thermistorkeramik mit zwei Elektroden auf zwei gegenüberliegenden Flächen dieser Keramik aufweisen.An NTC thermistor 13 is located in the immediate vicinity of the functional unit 2. This thermistor is connected to external contacts 8 and 11 via internal leads 7 and 10. The NTC thermistor can have a known structure and, for example, comprise a thermistor ceramic with two electrodes on two opposite surfaces of this ceramic.
Mittels 3D-Druck ist es möglich in einem einstückigen Bauteil den Thermistor unmittelbar neben eine funktionelle Einheit zu platzieren.Using 3D printing, it is possible to place the thermistor directly next to a functional unit in a one-piece component.
Für Zufluss 1 und Abfluss 3 gilt das zu
Die funktionelle Einheit 2 weist einen zylinderförmigen Raum auf. An einer Seitenfläche dieses Raumes ist ein piezoelektrisches Element 2a ausgebildet. Anders als zu
Das piezoelektrisches Element 2a kann in Mehrmaterial-3D-Druck zusammen mit der Keramik des Keramikkörpers sowie zusammen mit elektrischen Leitungen und Kontakten (nicht gezeigt) gemeinsam gedruckt werden.The piezoelectric element 2a can be printed in multi-material 3D printing together with the ceramic of the ceramic body as well as together with electrical leads and contacts (not shown).
In
Mittels einer gestrichelten Linie ist ein Kanal bzw. dessen Verlauf angedeutet. Der Kanal kann anstelle oder zusätzlich oder ein Teilstück eines entsprechend ausgebildeten Zuflusses 1, einer funktionellen Einheit 2 oder eines Abflusses 3 der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein. Deshalb ist der Kanal hier mit dem kombinierten Bezugszeichen 1/2/3 versehen.A channel or its course is indicated by a dashed line. The channel can be formed instead of, in addition to, or as a portion of a correspondingly designed inlet 1, a functional unit 2, or an outlet 3 of the previously described embodiments. Therefore, the channel is provided here with the combined reference numerals 1/2/3.
Ein NTC-Sensor 13 könnte bei einem solchen Verlauf des Kanals leicht versetzt zu dessen Mitte und in der Keramik darüber angeordnet sein (hier nicht eingezeichnet). Alternativ könnte ein NTC-Sensor 13 vollflächig entlang des Kanals angeordnet sein (hier nicht gezeigt). Alternativ könnte ein NTC-Sensor 13 als ein im Vergleich zum Kanal dünner Streifen quer darüber und dafür mit längerer Kupferinnelektrode ausgebildet sein. So kann eine auf den Messzweck geeignete Anordnung gewählt werden.With such a channel layout, an NTC sensor 13 could be arranged slightly offset from its center and in the ceramic above it (not shown here). Alternatively, an NTC sensor 13 could be arranged across the entire surface of the channel (not shown here). Alternatively, an NTC sensor 13 could be designed as a thinner strip across it compared to the channel, with a longer copper inner electrode. In this way, an arrangement suitable for the measurement purpose can be selected.
In
Weiterhin ist in
Weiterhin ist in
Der Kanal 1/2/3 ist hier gerade dargestellt. Im Allgemeinen er aber nicht gerade sein, wie beispielsweise im ersten Ausführungsbeispiel eines Bauteils für die Mikrofluidik gezeigt. Auch die metallischen Strukturen (Komponenten mit den Bezugszeichen 6 bis 11) können grundsätzlich geführt und aus dem Bauteil herausgeführt werden. Sensoren können beliebig positioniert werden. Sie können sogar als Teil des Kanals selbst ausgeführt sein. Die Komponenten können relativ zueinander so angeordnet sein, wie es am besten für eine bestimmte Anwendung geeignet ist.Channel 1/2/3 is shown here as straight. However, it generally will not be straight, as shown, for example, in the first embodiment of a component for microfluidics. The metallic structures (components with reference numerals 6 to 11) can also be guided and removed from the The sensors can be positioned anywhere. They can even be part of the channel itself. The components can be arranged relative to each other in a way that best suits a specific application.
Die Wärmebilddarstellung in
In
In diesem kann beispielsweise eine strömungsoptimierte Heizungsgeometrie realisiert sein und gleichzeitig ein eingebetteter Widerstandsheizer verwendet werden, der dazu dient, möglichst effizient die Flüssigkeit zu heizen und dennoch eine Strömung der Flüssigkeit möglichst nicht zu beeinflussen.In this case, for example, a flow-optimized heating geometry can be realized and at the same time an embedded resistance heater can be used, which serves to heat the liquid as efficiently as possible and yet does not influence the flow of the liquid as much as possible.
In dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel bildet ein Keramikkörper 12 einen Durchflussbereich 16, indem er einen rohrartigen Innenraum aufweist. Der Durchflussbereich 16 ist hier gerade ausgebildet. Die Strömungsrichtung eines geleiteten Fluids verläuft entlang der durch den Durchflussbereich 16 vergebenen Form.In the present embodiment, a ceramic body 12 forms a flow region 16 by having a tubular interior. The flow region 16 is straight here. The flow direction of a guided fluid runs along the shape defined by the flow region 16.
Ein Leiter 14 ist in dem Keramikkörper 12 als Widerstandsheizfunktion ausgebildet. Beispielsweise kann dieser aus oder mit Kupfer oder Wolfram gebildet sein. Er umschließt den Durchflussbereich 16 bis auf einen kleinen Bereich fast vollständig. Die Ebene, in der der Leiter des Durchflussbereich 16 umschließt, ist senkrecht zur durch den Durchflussbereich 16 vorgegebenen Strömungsrichtung orientiert. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Erwärmung des Fluids. Der Leiter hat hier nur eine einzige Windung, kann aber zwei oder mehr Windungen aufweisen.A conductor 14 is formed in the ceramic body 12 as a resistance heating function. For example, it can be made of or with copper or tungsten. It almost completely surrounds the flow area 16, except for a small area. The plane in which the conductor surrounds the flow area 16 is oriented perpendicular to the flow direction defined by the flow area 16. This enables uniform heating of the fluid. The conductor has only a single turn here, but can have two or more turns.
Der Keramikkörper 12 ist in der Explosionszeichnung vierteilig zum besseren Verständnis dargestellt. Er umfasst die drei großen mit dem Bezugszeichen 12 markierten Teilstücke sowie das Ausgleichsstück 17. Das Ausgleichsstück 17 ist bevorzugt aus dem gleichen keramischen Material, wie der Rest des Keramikkörpers 12 gefertigt. Das Ausgleichsstück 17 ermöglicht, das keramische Material bündig in eine Ebene mit dem Leiter 14 zu bringen. Das Bauteil ist einstückig 3D-gedruckt und hat keine inneren Fügestellen.The ceramic body 12 is shown in four parts in the exploded view for clarity. It comprises the three large sections marked with the reference numeral 12 as well as the shim 17. The shim 17 is preferably made of the same ceramic material as the rest of the ceramic body 12. The shim 17 allows the ceramic material to be flush with the conductor 14. The component is 3D-printed in one piece and has no internal joints.
Der Leiter 14 kann über die Außenkontakte 8 und 11 kontaktiert werden. Diese sind auf einem Vorsprung zum externen Anschluss exponiert.The conductor 14 can be contacted via the external contacts 8 and 11. These are exposed on a projection for external connection.
Der gezeigte Aufbau hat den Vorteil, dass der Leiter 14 als Wärmequelle nahe an das Fluid gebracht werden kann. So kann vermieden werden, dass, wie bei klassischen Systemen üblich, die Hitze von außen durch das Strukturmaterial hindurch eingebracht werden muss. Auch muss kein Teil des Leiters zur besseren Wärmeübertragung in das Fluid hineinragen, was dessen Fluss stören könnte.The illustrated design has the advantage that the conductor 14, as a heat source, can be placed close to the fluid. This avoids the need to introduce heat from the outside through the structural material, as is common in conventional systems. Furthermore, no part of the conductor needs to protrude into the fluid for better heat transfer, which could disrupt its flow.
Auch hier kann der Keramikkörper mit folgender Keramik gefertigt sein. Diese enthält bezogen auf Ausgangsstoffe 49% SiO2, 33% BaCO3, 11% Al2O3, 5% H3BO3, 1% CaCO3 und 1% Cr2O3.Here, too, the ceramic body can be made of the following ceramic. Based on the starting materials, this contains 49% SiO2 , 33% BaCO3 , 11% Al2 O3 , 5% H3 BO3 , 1% CaCO3 , and 1% Cr2 O3 .
Dieser Durchflussheizer hat auch einen durch einen Keramikkörper 12 gebildeten Durchflussbereich 16, durch den ein Fluid fließen kann. Der Durchflussbereich 16 endet hierbei in einer Düse 18. Zudem sind durch den Keramikkörper 12 Außenstrukturen 19 ausgebildet. Wie in
Ähnlich wie zum zweiten Ausführungsbeispiel eines Mikroheizers beschrieben, ist ein Leiter 14 als Widerstandsheizfunktion in dem Keramikkörper 12 ausgebildet und über Außenkontakte 8 und 11 kontaktierbar. Auf ähnliche Art ist dazu in Strömungsrichtung versetzt ein zweiter Leiter 14a mit Außenkontakten 8a und 11a ausgebildet. So kann die Heizleistung verbessert werden. Ansonsten ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile. Alternativ dazu ist es möglich, dass der zweite Leiter 14a als elektrisches Widerstandsthermometer zur Überwachung des Heizers eingesetzt werden kann.Similar to the second embodiment of a microheater, a conductor 14 is configured as a resistance heating function in the ceramic body 12 and can be contacted via external contacts 8 and 11. Similarly, a second conductor 14a with external contacts 8a and 11a is configured offset in the flow direction. This improves the heating performance. Otherwise, the advantages described above apply. Alternatively, the second conductor 14a can be used as an electrical resistance thermometer to monitor the heater.
3D Druck ermöglicht die komplexen Strukturen aus verschiedenen Materialien in einem einstückigen Bauteil zu realisieren.3D printing makes it possible to create complex structures from different materials in a single component.
In dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel hat der Durchflussbereich 16 eine gewundene Form mit mehreren Biegungen, die das Fluid um den Leiter 14 herumführt und die Kontaktfläche maximiert.In the current embodiment, the flow region 16 has a tortuous shape with multiple bends that guides the fluid around the conductor 14 and maximizes the contact area.
Hierzu weist Durchflussbereich 16 in einem ersten Teilstück 12a des Keramikkörpers 12 eine erste Biegung 16a auf. Diese ist in diesem Fall eine 180 Grad Biegung. Diese Biegung definiert eine erste Ebene, ähnlich einem Winkel, der auch eine Ebene im Raum definiert. Eine zweite Biegung 16b ist in dem Bereich ausgebildet, in dem das erste Teilstück 12a und das zweite Teilstück 12b des Keramikkörpers 12 verbunden sind. Auch diese ist als 180 Grad Biegung ausgeführt. Die dadurch definierte Ebene ist senkrecht zur ersten Ebene. Im zweiten Teilstück 12b des Keramikkörpers 12 ist eine dritte Biegung 16c ausgeführt, die eine zweite Ebene definiert. Diese ist hier parallel zur ersten Ebene, aber versetzt zu dieser orientiert.For this purpose, the flow area 16 has a first bend 16a in a first section 12a of the ceramic body 12. In this case, this is a 180-degree bend. This bend defines a first plane, similar to an angle, which also defines a plane in space. A second bend 16b is formed in the region where the first section 12a and the second section 12b of the ceramic body 12 are connected. This is also designed as a 180-degree bend. The plane defined thereby is perpendicular to the first plane. In the second section 12b of the ceramic body 12, a third bend 16c is formed, which defines a second plane. In this case, this is oriented parallel to the first plane, but offset from it.
Der Leiter 14 realisiert auch hier die Widerstandsheizfunktion. Er weist hier einen ersten Abschnitt 14b auf und ist als Schlaufe des Leiters ausgebildet. Dieser ist entlang der Strömungsrichtung orientiert, wie sie vor der ersten Biegung 16a vorherrscht. Ein zweiter Abschnitt 14c des Leiters 14, welcher auch als Schlaufe des Leiters 14 ausgebildet ist, ist entlang der Strömungsrichtung orientiert, wie diese nach umlenken durch die erste Biegung 16a durch diese etabliert wird. Dies bringt den Vorteil, dass durch die Biegung 16a ein kompaktes Volumen geschaffen wird, in dem geheizt wird und die Wärmeabgabe über eine große Fläche vor und hinter der ersten Biegung 16a erfolgen kann. Dieser Vorteil kann unabhängig von den weiteren Vorteilen etabliert werden.Here, too, the conductor 14 implements the resistance heating function. It has a first section 14b and is designed as a loop of the conductor. This loop is oriented along the flow direction as it prevails before the first bend 16a. A second section 14c of the conductor 14, which is also designed as a loop of the conductor 14, is oriented along the flow direction as it is established after being deflected by the first bend 16a. This has the advantage that the bend 16a creates a compact volume in which heating takes place, and heat can be dissipated over a large area upstream and downstream of the first bend 16a. This advantage can be established independently of the other advantages.
Ein weiterer unabhängig von diesem ersten Vorteil realisierbarer Vorteil ergibt sich durch die Anordnung des zweiten Abschnittes 14c des Leiters 14 relativ zur zweiten Biegung 16b. Die Biegung 16c umschließt den zweiten Abschnitt 14c von zwei Seiten, wobei die durch die Schlaufe des zweiten Abschnitts gebildete Fläche den Durchflussbereichen vor und hinter der zweiten Biegung 16b zugewandt ist.A further advantage that can be realized independently of this first advantage results from the arrangement of the second section 14c of the conductor 14 relative to the second bend 16b. The bend 16c encloses the second section 14c from two sides, with the surface formed by the loop of the second section facing the flow areas in front of and behind the second bend 16b.
Bevorzugt werden beide Vorteile, wie gezeigt kombiniert.Both advantages are preferred when combined as shown.
Durch die weitere dritte Biegung 16c werden diese beiden Vorteile nochmals wiederholt. So wird der Leiter 14 bzw. ein oder mehrere Abschnitte des Leiters in einer Ebene, parallel zur oben definierten ersten und zweiten Ebene angeordnet, wobei die durch den Leiter definierte Ebene zwischen der ersten und der zweiten Ebene liegt.The third bend 16c further repeats these two advantages. Thus, the conductor 14, or one or more sections of the conductor, are arranged in a plane parallel to the first and second planes defined above, with the plane defined by the conductor lying between the first and second planes.
Ähnlich wie beim zweiten Ausführungsbeispiel eines Mikroheizers wird hier auch ein Ausgleichsstück 17 verwendet. Die Außenkontakte 8 und 11 sind auch auf einem Vorsprung realisiert.Similar to the second embodiment of a micro heater, a compensating piece 17 is used here. The external contacts 8 and 11 are also realized on a projection.
In
Der Transformator weist eine Ferritschicht 21 auf, welche hier als Bodenplatte ausgebildet ist. Weiterhin weist der Transformator eine Spule 22 auf. Weiterhin sind vier Außenkontakte 23, 24, 25 und 26 zur elektrischen Kontaktierung der Spule realisiert. Diese bestehen aus Cu. Der Transformator mit seinen Keramik- und Leiterschichten ist 3D gedruckt.The transformer has a ferrite layer 21, which is designed here as a base plate. Furthermore, the transformer has a coil 22. Furthermore, four external contacts 23, 24, 25, and 26 are implemented for electrically connecting the coil. These are made of copper. The transformer, with its ceramic and conductor layers, is 3D printed.
Der Transformator kann zudem eine Art Deckelstruktur (nicht gezeigt) aufweisen, die gleich der Bodenplatte gefertigt sein kann.The transformer may also have a type of cover structure (not shown) that may be manufactured in the same way as the base plate.
Der Transformator weist hierbei zudem einen Ferritkern auf, welcher auch zusammen mit dem Transformator einstückig gedruckt wurde. Dies ist in den Figuren schwer zu erkennen. Es fehlen in dem so hergestellten Transformator z.B. innere Fügestellen. Fügestellen sind höchstens in einem ungesinterten Grünling erkennbar.The transformer also features a ferrite core, which was also printed as a single piece with the transformer. This is difficult to see in the figures. Internal joints, for example, are missing in the transformer produced in this way. Joints are only visible in an unsintered green body.
Der genaue Schichtaufbau ist aus
In die LTCC-Keramikschicht 28 sind die Spulenleitungen 29 eingebettet, die die Spule 22 bilden. Die Spulenleitungen bestehen aus Kupfer. Die LTCC-Keramikschicht 28 wirkt dabei als Dielektrikum zwischen den einzelnen Spulenleitungen. Durch die Haftvermittlerschicht 27 kann die LTCC-Keramikschicht allein auf ihre elektrischen Eigenschaften hin gewählt werden.The coil leads 29, which form the coil 22, are embedded in the LTCC ceramic layer 28. The coil leads are made of copper. The LTCC ceramic layer 28 acts as a dielectric between the individual coil leads. The adhesion promoter layer 27 allows the LTCC ceramic layer to be selected solely based on its electrical properties.
Der Transformator wurde mit 3D-Druck gefertigt. Generell erlaubt der 3D-Druck, im Gegensatz zu konventionellen Techniken weitere Funktionen ohne aufwendige zusätzliche Prozesse in ein Bauteil, wie einen solchen Transformator zu integrieren. So kann an den Stellen des Transformators, wo mit einer besonderen Hitzeentwicklungen zu rechnen ist, beispielsweise aufgrund von unerwünschten Wirbelströmen, eine NTC-Sensorschicht oder ein Kühlkanal eingebracht werden. Die Sensorik kann so kritische Regionen ganz gezielt und möglichst unmittelbar überwachen oder ein Kühlkanal diese gezielt und möglichst unmittelbar kühlen, was mit klassischen Verfahren nicht möglich ist.The transformer was manufactured using 3D printing. In contrast to conventional techniques, 3D printing generally allows for the integration of additional functions into a component such as a transformer without complex additional processes. For example, an NTC sensor layer or a cooling channel can be incorporated into the transformer at points where particular heat generation is expected, for example, due to unwanted eddy currents. This allows the sensors to monitor critical regions very precisely and as directly as possible, or a cooling channel can cool them precisely and as directly as possible, something that is not possible with conventional methods.
Das hier gezeigte vierte Ausführungsbeispiel hat einen dem dritten Ausführungsbeispiel weitgehend identischen Aufbau. Jedoch weist es einen vollständig geschlossenen Ferritkern 31 auf.The fourth embodiment shown here has a structure largely identical to the third embodiment. However, it features a completely enclosed ferrite core 31.
In
Innerhalb des Rings 34 ist eine Ausnehmung 35 realisiert, die dazu geeignet ist, andere Komponenten oder Bauteile aufzunehmen. Eine solche andere Komponente bzw. Bauteil kann eine separate elektronische Komponente sein. Zum Beispiel kann es sich um MEMS-Bauteile oder Halbleiter Chip Bauteile handeln. Alternativ kann diese mittels 3D-Druck direkt innerhalb des Rings 34 oder der Ausnehmung 35 ausgebildet werden.Within the ring 34, a recess 35 is realized, which is suitable for receiving other components or parts. Such a The other component or part can be a separate electronic component. For example, it can be a MEMS component or a semiconductor chip component. Alternatively, it can be formed directly within the ring 34 or the recess 35 using 3D printing.
Wird eine andere Komponente bzw. Bauteil in der Ausnehmung montiert oder in diese gedruckt, kann das Package mit einem Deckel verschlossen werden, beispielsweise einem Glasdeckel.If another component or part is mounted or printed in the recess, the package can be closed with a lid, for example a glass lid.
Ferner ist es beispielsweise möglich (hier nicht gezeigt) innerhalb des Materials des Ringes 34 bzw. innerhalb des zylinderförmigen Bereichs des Packages Faraday-Elektroden oder Abschirm-Elektroden gegen elektromagnetische Einstrahlung im Radiofrequenzbereich auszubilden. Hierzu könnte beispielsweise eine Schicht aus Kupfer innerhalb der Zylinderachse bzw. innerhalb des Materials des Zylinders eingebracht werden. Ferner kann auch ein Partikelschild implementiert werden oder eine Abschirmung gegen hochenergetische Einstrahlung im Röntgen- oder Gammabereich ausgebildet werden. Dies kann beispielsweise dazu dienen, einen innerhalb des Packages angeordneten Halbleiterchip vor kosmischer Strahlung oder EMP zu schützen. Hierzu könnte beispielsweise eine Schicht aus Wolfram innerhalb der Zylinderachse bzw. innerhalb des Materials des Zylinders eingebracht werden. Die unterschiedlichen Abschirmungen können auch beliebig miteinander kombiniert sein.Furthermore, it is possible, for example (not shown here), to form Faraday electrodes or shielding electrodes against electromagnetic radiation in the radio frequency range within the material of the ring 34 or within the cylindrical region of the package. For this purpose, a layer of copper could be introduced, for example, within the cylinder axis or within the material of the cylinder. Furthermore, a particle shield can also be implemented or a shield against high-energy radiation in the X-ray or gamma range can be formed. This can serve, for example, to protect a semiconductor chip arranged within the package from cosmic radiation or EMP. For this purpose, a layer of tungsten could be introduced, for example, within the cylinder axis or within the material of the cylinder. The different shields can also be combined with one another as desired.
Die aus der Explosionsdarstellung hervorgehende Unterteilung der ersten Komponente 32 in die Unterkomponenten 32a, 32b und 32c dient nur der Veranschaulichung. Das Bauteil ist einstückig.The division of the first component 32 into subcomponents 32a, 32b, and 32c shown in the exploded view is for illustrative purposes only. The component is a single piece.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist das in
Das HF-Modul weist Außenkontakte 37a, 37b, 37c und 37d auf. Anders als gemäß dem Stand der Technik üblich wurden diese auch mit 3D-Druck vor dem Sintern zusammen mit den anderen Komponenten aufgebracht. Gemäß Stand der Technik werden solche Außenkontakte nach dem Sintern den Außenseiten des gesinterten Bauteils aufgebracht.The RF module has external contacts 37a, 37b, 37c, and 37d. Unlike the prior art, these were also applied using 3D printing before sintering, along with the other components. According to the prior art, such external contacts are applied to the outer surfaces of the sintered component after sintering.
In das LTCC-Material bzw. HTCC-Material 36 sind verschiedene innere Komponenten 38 integriert.Various internal components 38 are integrated into the LTCC material or HTCC material 36.
In klassischen HF-Modulen können nur limitierte Funktionalitäten integriert werden. Beispielsweise können klassische integrierte Kondensatoren nur das LTCC-Material bzw. HTCC-Material als Dielektrikum nutzen und Induktoren nur aus der Spule bestehen. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel können als innere Komponenten 38 Induktoren vorgesehen werden, die zusätzlich in ein Ferritmaterial eingebettet sind. Alternativ oder zusätzlich können Kondensatoren als innere Komponenten 38 ausgebildet sein, für welche dann ein gezielt gewähltes Dielektrikum gewählt werden kann, welches verschieden von dem LTCC-Material bzw. HTCC-Material ist. Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise möglich als eine der inneren Komponenten ein ESD-Schutzbauteil mittels einer Varistorkeramik auszubilden. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich Sensorik durch z.B. mittels eines NTC-Materials oder PTC-Materials zu integrieren.Only limited functionalities can be integrated into conventional RF modules. For example, conventional integrated capacitors can only use the LTCC or HTCC material as a dielectric, and inductors can only consist of the coil. In the current exemplary embodiment, inductors can be provided as internal components 38, which are additionally embedded in a ferrite material. Alternatively or additionally, capacitors can be formed as internal components 38, for which a specifically selected dielectric can then be selected that is different from the LTCC or HTCC material. Additionally or alternatively, it is possible, for example, to form an ESD protection component using a varistor ceramic as one of the internal components. Additionally or alternatively, it is possible to integrate sensors, for example, using an NTC material or PTC material.
In den Querschnitten der
In
Es ist möglich ein solches Bauteil fügestellenfrei in ein anderes komplexeres Bauteil mittels 3D-Druck zu integrieren. Z.B. kann dies eines der zuvor gezeigten Bauteile sein.It is possible to integrate such a component seamlessly into another, more complex component using 3D printing. For example, this could be one of the components shown above.
In
BezugszeichenlisteList of reference symbols
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| DE102024106607 | 2024-03-07 | ||
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| DE102024107996 | 2024-03-20 | ||
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| DE102024113372 | 2024-05-14 |
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