用于增材制造至少一个物品的方法、打印头的应用和机动车辆

本发明涉及一种用于增材制造至少一个物品的方法、打印头的应用以及机动车辆，尤其是乘用车。

用于制造三维部件的增材制造方法(generatives Fertigungsverfahren)是3D-打印方法，粘结剂喷射成形技术。在此，逐层地施加粉末状材料并且选择性地在将要固化粉末以形成部件的部位处施加粘结剂。重复此过程，直到将该组件构造为期望的形状为止。然后除去未固化的粉末。

在用这种方法制造金属部件时，在上述构造过程之后，这种由金属粉末制成的部件烧结成成品部件。在此，该材料在高温下软化，但不会熔化。因为该部件在烧结过程结束之前尚未具有其全部强度并且在烧结炉中受到重力作用，因此，取决于部件几何形状和尺寸可能会发生变形或翘曲。尤其是突出的部件区域在此可能由于重力而变形。部件通常也在烧结过程中收缩。在此，部件底侧在底座上的粘合由于各自的摩擦阻力会导致部件区域的变形。

已知的是，所描述的变形也可以借助也称为烧结支撑的例如可以由陶瓷制成的支撑结构来抵消。它们局部区域地支撑待制造的部件并因此防止主要由于重力作用引起的变形。由于陶瓷的熔点高于金属的熔点，因此陶瓷的使用防止了待制造的金属部件与支撑结构的结合，因此，它可以容易地与烧结的部件分离。

然而，由于不能以无限的尺寸和复杂性来制造这种支撑结构，因此待制造的部件的尺寸和复杂性受到严重限制。此外，在烧结过程中，支撑结构和部件发生了不同的、取决于材料的收缩，因此尽管使用了支撑结构，部件也可能发生变形。

从EP 2 529 694 B1中已知一种相关的方法，其公开了一种通过3D喷墨打印制造陶瓷模制品的方法。在此，陶瓷浆料，也即陶瓷颗粒在分散介质中的悬浮液，逐层地施加到载体上并优选通过温度变化被固化。将用于制造主体的颗粒从喷嘴输出。对所形成的主体进行化学处理或热处理，从而去除粘结剂。使用了几种陶瓷浆料，其比例与位置有关地被控制，因此所制成的主体组成也有所不同。使用带有陶瓷颗粒、可自由基聚合的粘结剂以及可能的蜡的浆料。然后烧结所制成的主体。

DE 10 2012 101 939 A1描述了一种用于逐层构造成型体的方法和装置。在位于下方的层硬化之前，施加下一层。用于制造模制体的材料从喷嘴施加，尤其是同时在其周围施加支撑材料，该支撑材料与主体材料一样重，并以此方式防止了待制造的主体的流动或剪切。支撑材料也从喷嘴施加。施加在基本上垂直的层中进行，从而将支撑材料施加到支撑材料上而不施加到用于形成模制体的材料上。从该文献的图2c和段落[0088]可以清楚地看出，支撑材料和用于制造模制体的材料是从空间上分开的喷嘴施加的。这些喷嘴未相互连接。尤其是，这些材料不从一个共同的打印头输出。

美国专利文献US 9,833,839 B2公开了一种用于制造主体、支撑材料和中间层的方法。支撑结构由第一材料制成。中间层以其与支撑结构接触的方式产生。与中间层邻接地，由第二材料制成主体的表面。第二材料包括粉末和具有至少一种粘结剂的粘结剂体系，其中，该粘结剂体系用于在将主体加工成最终部件的过程中保持主体的最终形状。该处理包括使最终形状去粘合以去除粘结剂并烧结最终形状。中间层防止支撑结构与主体结合。中间层的材料用沉积工具来布置，用于制造主体的材料用打印头来施加。

本发明所要解决的技术问题是，提供一种方法以及应用，它们允许以特别简单且成本低廉的方式增材制造复杂或大型物品。

该技术问题通过一种按权利要求1所述的用于增材制造至少一个物品的方法和按权利要求10所述的打印头的应用来解决。从属权利要求2-9中给出该方法的设计方案。此外，提供一种按权利要求11所述的机动车辆。

本发明的第一方面是一种用于增材制造(或称为生成式制造)至少一个物品的方法。布置粉末状材料的层，并且为了牢固结合粉末状材料的颗粒以制造物品，在粉末状材料的至少一个区域上施加粘结剂。此外，在粉末状材料的至少一个区域上施加附加材料，用以至少局部区段地影响待制造的物品的特性。在至少局部区段分开的流动路径中借助共同的打印头施加粘结剂和附加材料。

尤其是，所使用的方法是称作粘结剂喷射成形技术的用于3D打印的方法。在此，为了构造该物品通常施加大量的、粉末状材料的层并且每个层的材料局部区域地借助粘结剂的施加而固化。对于每个所施加的层，都可以实现按本发明的方法特征。该层的布置通常以获得水平面的方式进行，其中，物品可以由多个平面或多个层组成。然后，所制成的物品从包围它的未固化的粉末状材料分离。在每个层中可以施加附加材料。

粉末状材料尤其是金属材料，也即粉末由至少一种金属和/或至少一种合金组成。它可以包含一种或多种组分或物质，例如附加材料、合金元素或类似物。它可以在层的不同区域中和/或在不同的层中不同地组成。通常，将均匀的粉末用于所有的层和/或相应层的所有区域。粉末状材料布置在容纳装置上或之前布置的层上。

粘结剂，也称作粘合剂，是一种将粉末颗粒保持在一起或将它们彼此粘合以形成连贯物品的材料。这可以机械地、化学地、通过粘合和/或内聚来进行。通常，这样地施加粘结剂，使得该粘结剂布置在颗粒之间的空腔中并且在它们之间建立牢固的结合，从而使颗粒相对于彼此固定或不可移动。颗粒牢固的结合与这种方式制成的物品可能仅具有低的强度的事实并不矛盾。

在制造由金属制成的物品时，以这种方式制成的物品被称为生坯或坯体并且通常仅具有低的强度，因此坯体上的机械应力应最小。借助通常随后的烧结过程，由坯体制成具有比坯体更高的强度的物品，其中，在大部分分别相邻的颗粒之间存在颗粒的直接结合或者说粘结。当然，这并不排除即使在烧结之后仍然在物品中残留空腔或孔的可能性。

尤其是，粘结剂这样地构成，使得它可以在去粘合过程中和/或在热的作用下基本上被去除或分解。例如，粘结剂不包括添加剂或附加颗粒，其致使待制造的物品在烧结状态下的特性改变。通常，粘结剂包括溶液和/或悬浮液。

附加材料可以包括溶液、悬浮液、颗粒和/或溶质。尤其是，附加材料不包括粘结剂或聚合物。例如，附加材料以这样的方式组成：它经受住用于在其在粉末状材料的空腔中的位置上基本上完全去除粘结剂的去粘合过程和/或加热作用。将附加材料施加到受粘结剂影响或不受粘结剂影响的粉末的至少一个区域上。

特性影响尤其是指相对于周围区域的特性影响，即，在期望的位置处物品的期望特性的局部调整。当然，替代地，附加材料也可以被施加在一层或多层的所有区域中。

因此，在至少局部区段不同的流动路径上将至少两种不同的材料，即，粘结剂和附加材料，施加到粉末状材料上。尤其是，这些材料借助打印头的不同的施加开口被施加，使得分开的流动路径至少在打印头和粉末状材料或待制造的物品之间存在。通常，粘结剂和附加材料在完全不同的流动路径中被引导，这些完全不同的流动路径可以例如基本上平行地延伸。尤其是，粘结剂和/或附加材料至少部分时段以相应连续的体积流施加。

尤其是，粘结剂借助打印头的至少一个第一施加开口施加。尤其是，附加材料借助打印头的至少一个第二施加开口施加。通常，第一和第二施加开口构造相同。

打印头是指具有至少一个用于施加材料的施加开口的装置，该装置布置或可布置为，使得能实现在打印头与待制造的物品或用于容纳待制造的物品的容纳装置之间的相对运动。尤其是，打印头的施加开口借助共同的运动装置、移动装置或驱动装置可移动。布置在打印头中的施加开口牢固地或刚性地相互连接。它们可以布置在打印头的分开的刚性地相互连接的壳体部分中或在共同的壳体中。尤其是，打印头具有用于每个待施加的材料的至少两个冗余设计的施加开口，从而在有待施加的材料的施加开口的功能故障的情况下存在一个用于该材料的附加施加开口作为替代。尤其是，打印头或相应的施加开口设置用于输出液体材料，例如溶液或悬浮液。然而，不排除打印头具有至少一个用于施加粉末状材料的施加开口的情况。该施加开口尤其具有比用于输出液态材料的施加开口更大的横截面。

附加材料可以穿透粉末状材料的相应层并且以这种方式影响该层的材料。例如，它可以适合用于在烧结过程中或在烧结过程之后影响该材料并且为此目的可以包括例如用于与金属粉末状材料合金化的合金元素。

附加材料可以包含在冶金学中已知的合金元素的任何单独的元素或任何组合，特别是C、Cu、Mn、Ni和/或Si。在随后的烧结过程中，可以通过在热量作用和可能增加的压力下发生的粉末状材料的扩散过程至少局部地形成合金，该扩散过程可以通过软化材料必要时来增强。

附加材料可以包括烧结添加剂和/或比粉末状材料小的颗粒，例如由与粉末状材料相同的材料制成。这可以改善烧结过程，例如提高烧结活性，并因此提高烧结后物品的可达到的密度或强度。附加材料可以包括增强颗粒，例如包括碳化钨和/或单质碳的增强颗粒，以便局部地增加强度。附加材料可以设置用于影响待制造的物品的化学组成或其材料特性，例如对确定的介质或环境的耐腐蚀性。它可以设置用于有针对性地影响物理性质，例如热导率和/或电导率。为此目的，它可以包括例如铜。例如，可以通过使用合金元素、碳和/或碳化物来实现局部增加的硬度。通过使用钨，尤其是碳化钨和/或其他耐磨元素，也可以实现提高的耐磨性。

同样可行的是，通过在确定区域内有针对性地不施加附加材料防止确定的材料在该区域内的存在。例如，对后续的焊接过程有问题的合金元素，例如镍，可以在物品的待焊接区域处省略，或者仅布置在需要它们的地方。

在该方法的一个设计方案中，将物品烧结。它可以事先被去粘合。尤其是，烧结在粉末状材料或具有可能存在的合金元素的粉末状材料的熔化温度的70％至90％之间的温度下进行，例如熔化温度的约80％的温度下进行。

由于仅需要一个运动装置来移动打印头，因此借助于打印头的共同打印能够实现特别简单且廉价的制造。因为施加开口之间的距离是恒定的，所以可以实现的精度特别高。

用于增材制造至少一个物品的方法的设计方案的特征在于，作为附加材料或除了附加材料还施加分离材料，使得待制造的物品中的在分离材料的位置处的材料组成由于此处布置的分离材料相对于至少一个相邻的区域改变。因此，物品在烧结过程之后在该位置处有针对性地可分开并且尤其具有预定断裂点。

在烧结过程之后物品的可分开性意味着将物品细分或分离成至少两个部分。尤其是，在此，所制造的物品的至少一个第一部分是用于贴靠或支撑实际待制造的部件的至少一个区域的支撑结构，而第二部分正是待制造的部件。两个部分借助分离材料相互分离，使得它们在烧结过程中不彼此连接。下面，术语“物品”涉及待增材制造的物品，该物品可以包括“部件”以及尤其是至少一个用于在随后的烧结过程中至少局部区段支撑部件的支撑结构。

支撑结构尤其用于在烧结期间有针对性地支撑待制造的部件的区域。以这种方式防止了待制造的主体的至少一部分的流动、剪切或变形。因此，在烧结过程结束之前仅具有低强度的坯体受到保护而不会变形或翘曲。尤其是突出的部件区域被保护免受重力引起的变形。

改变的材料组成意味着偏离范围的特性，该范围使物品在此部位有针对性地失效。例如，这可以通过局部减小的强度来实现，从而在物品中产生预定的断裂点，在该断裂点处，可以通过力的作用来实现物品的有针对性的失效。还可以例如通过使用碳产生脆性增加的区域，从而物品就可以通过直接的力作用有针对性地破裂。另一种可能性是将可溶于例如水之类的溶剂的材料和/或具有低熔点或低耐热性的材料布置为分离材料，该材料在温度升高时能够有针对性地失效。

除了分离材料之外，还可以施加附加材料。这可以通过打印头的至少一个第三施加开口来施加。尤其是，第三施加开口与第一和/或第二施加开口构造相同。

这种构造的优点在于，可以制造特别大和复杂的部件以及具有任意突出的区域的部件，因为可以以有针对性的、可再现的和自动化的方式制造适合于各个部件几何形状的支撑结构。这些支撑结构可以直接按照待制造的部件的尺寸制作。它们可以在与实际部件相同的过程中生产，因此可以提供快速有效的方法。通过支撑结构的增材式三维制造可实现任意复杂的支撑结构。由于支撑结构可以很容易地分离，因此将必要的后处理减至最少。

在该方法的另一设计方案中，施加分离材料(Trennmaterial)使得该分离材料在粉末状材料上形成至少基本上不含粉末状材料的相。换句话说，这样地施加分离材料，使得至少在局部区域中存在分离材料，但是没有粉末状材料。

分离材料的相尤其是指分离材料的层。分离材料的相可以平行于粉末状材料层或以一个与粉末状材料层的任何其他角度延伸。换句话说，可以在粉末状材料的层中或上施加一层分离材料和/或分离材料可以布置在粉末状材料的层内的区域中，从而形成分离材料的垂直或倾斜延伸的相。尤其是，粉末状材料的至少另一层布置在分离材料上。当然，没有另一层粉末状材料布置在最后一层上。

以这种方式，防止了已经施加的粉末状材料和随后要布置的粉末状材料层之间的机械接触。换句话说，例如可以布置为层的并且在这种情况下也称为分离层的分离材料将位于其两侧上或在其之上和之下的粉末区域分开。这样做的优点是，在随后的烧结过程中，在支撑结构和实际待制造的部件之间不存在粘结并因此支撑结构可以特别容易且可重复地分离。这允许该方法简单的自动化。

在设计方案中，在分离材料的位置处有针对性地将物品分开。这通常是在烧结过程之后进行。尤其是，为此目的，力被施加在物品的至少一个区域上，使得它在分离材料的区域内破裂或分开，以分离物品的支撑结构。这可以自动化地进行。通过将支撑结构与制造好的物品分开，产生了实际待制造的部件。

在该方法的另一个设计方案中，分离材料包括这样的材料，并且尤其是由这样的材料组成，所述材料的熔点与该粉末状材料的熔点相差至少5％，尤其是至少10％。因此，在用于制造物品的烧结过程中，减少或防止了分离材料与粉末状材料之间的结合(粘结)。

例如，由分离材料包含的材料的熔点为高于粉末状材料的熔点的至少5％，尤其是至少10％，例如至少20％，在一个设计方案中，至少30％，在一个实施例中至少40％，使得由分离材料包含的材料不会与粉末状材料结合。与温度有关的所有百分比均基于以℃为单位的温度标度。

可替代地，由分离材料包含的材料的熔点可以降低所述百分比，使得在烧结期间存在将各个材料彼此分离的液相。

换句话说，分离材料选择为，使得部件和支撑结构不烧结在一起。尤其是，使用陶瓷分离材料。附加材料或分离材料可包括悬浮液中的颗粒。通常使用悬浮的陶瓷颗粒。

这种设计方案的优点在于，通过使用按本发明的材料，可以以特别简单的方式有针对性地分离支撑结构。另外，可用作分离材料的材料是可获得的，具有良好的加工性且便宜。

该方法的一个设计方案的特征在于，分离材料是液体、糊状或粉末状。例如，分离材料可以作为粘性糊剂施加。它可以例如包括陶瓷颗粒。尤其是，在这种情况下，分离材料形成不受粉末状材料影响的相，因此，在局部区域仅存在分离材料。分离材料也可以作为粉末或液体，例如溶液或具有悬浮颗粒的悬浮液输出到粉末状材料上。

用于增材制造至少一个物品的方法的另一设计方案的特征在于，粉末状材料以及附加材料布置成使得附加材料位于粉末状材料的不受附加材料影响的区域之间。因此，待制造的物品中的材料组成在附加材料的位置处相对于周围区域改变。

例如，可以布置不含某种附加材料的层，在该层上可以布置包括附加材料或由附加材料组成的层，并且在该层上又可以布置不含附加材料的层。尤其是，将附加材料施加到一个粉末层上，然后将一个粉末层布置在该附加材料上。在待制造的最后一层的情况下，可以施加附加材料，而在其上不施加粉末层。

可以将附加材料布置在第一区域中，该第一区域沿着至少一个空间方向布置在第二区域之间，其中，在第二区域中没有布置或没被布置附加材料。这些区域在此可以位于一层中。因此，可以将附加材料布置在粉末状材料的不受附加材料影响的区域之间的层内。

在分离材料的情况下，可以将该分离材料布置在与实际待制造的部件和/或支撑结构相同的层中或之上和/或不同的层中或之上。尤其是，它用于制造待制造的物品的至少一个强度降低的或韧性降低的区域。

如果附加材料在烧结之后影响物品的特性，则可以以这种方式有针对性地产生变化特性的区域。

在一个设计方案中，粉末状材料的围绕附加材料的区域由粉末状材料组成。换句话说，支撑结构和实际待制造的部件是由相同的粉末状材料制成的。例如，粉末的第一部分可用于制造部件，粉末的第二部分可用于制造用于贴靠或用于支撑部件的至少一个区域的支撑结构，其中，在粉末的第一部分和第二部分之间布置有由附加材料制成的层，例如由分离材料制成的分离层。

这样做的优点是，一方面可以以特别简单和快速的方式来制造支撑结构和部件。另外，由于在烧结过程中相同的材料，这些元件的收缩率是相同的，从而防止了物品中与收缩率有关的翘曲，并且支撑结构可以在整个烧结过程中实现其功能。

该方法的一个设计方案的特征在于，粉末状材料层的每个表面单元(或者说单位表面积)被施加的附加材料的量是变化的，使得待制造的物品在不同区域具有不同的特性。这可以在要施加的一层或多层中实现。

以这种方式，在待制造的物品中附加材料的不同浓度产生不同的特性。例如，可以以此方式有针对性地设置物品的化学组成、磁性、导电性、硬度等。

量尤其是指体积或质量。该变化尤其发生在打印头沿着粉末状材料层的运动期间。这意味着例如附加材料的体积流的变化。

每个表面单元施加的量的变化可以连续地发生，从而产生梯度材料或梯度化的物品，即，沿至少一个空间方向就其组成而言连续变化的物品。该变化也可以是离散的或逐步的，可能是非常小的步长，从而制成具有渐变特性的物品。

该设计方案具有的优点是，尤其是与增材制造过程的几何可变性相关的，在物品的构造中可以实现特别大的自由度。可以为特定的应用情况制成具有定义的机械性能的针对性区域的物品。这对于轻型结构具有巨大的潜力。可以通过有针对性地影响物理或热物理性质，即尤其是热导率，来制造功能集成的物品。

该方法的另一个设计方案的特征在于，附加材料包括颗粒和/或纤维。例如，可以通过纤维来制造待制造的物品的局部增加的硬度或强度。

颗粒或纤维尤其具有在微米范围内，尤其是在纳米范围内的最大直径或长度，从而它们能借助于打印头中的施加开口被输出。通常，它们处于悬浮状态。然而，如上所述，不能排除颗粒或纤维以固体形式从合适的施加开口被施加的情况。

如所描述的，颗粒可以由与粉末状材料相同或相似的材料组成，并且具有比粉末状材料的颗粒更小的粒径，因此它们布置在它们之间的空隙中，以增加生坯的密度并因此增大待制造的物品的烧结活性以及密度。

这种设计方案有利地使在调整期望特性时能够具有更大的可变性。

该方法的另一设计方案的特征在于，将附加材料施加到粉末状材料的至少一个其中没有被施加粘合剂的区域上。

因此还可行的是，将附加材料施加到不被待制造的物品包含的粉末区域。这例如可以实现使用由烧结技术已知的助流改进剂(如热解法二氧化硅)来改善粉末的流动性，并以这种方式有便于例如在几何形状复杂的或只具有小的横截面的空腔例如位于内部的冷却通道中未固化粉末的后续分离。这样做的优点是，进一步提高了用于设计能用按本发明的方法制造的物品的构造自由度。

可以一层或多层地施加粘合剂，在这一层或多层中不施加附加材料。可以一层或多层地施加附加材料，在这一层或多层中不施加粘合剂。

本发明的第二方面是打印头的应用，该打印头包括用于分别施加材料，即至少粘合剂和附加材料的多个施加开口，用于借助按本发明的方法制造物品。

尤其是，打印头的至少一个第一施加开口用于施加粘合剂，打印头的至少一个第二施加开口用于施加附加材料。此外，打印头可以具有至少一个另外的施加开口，用于施加至少一种附加的材料，例如另外的附加材料。

尤其是，常规的打印头可以用于用按本发明的增材方法制造至少一个物品。

本发明的第三方面是一种机动车，尤其是乘用车，其包括用按本发明的方法制造的物品的至少一部分。

尤其是，物品的该部分是一个部件，在该部件中，已经移除了至少一个支撑结构。

下面根据附图中所示的实施例阐述本发明。

附图示出：

图1：是按本发明的方法的示意图，以及

图2：用于实施按本发明的方法的打印头的立体图。

图1示意性示出用于实施按本发明的增材方法的设备19，该方法用于借助粘结剂喷射成形技术制造物品20。示出了具有中央容纳装置18的三部分结构装置，该中央容纳装置18用于将粉末状材料22逐层地布置，在该实施例中该粉末状材料是金属粉末。粉末供应源23布置在容纳装置18的两侧。在容纳装置18上，已设有多个(未单独示出)的粉末状材料22的层，该粉末状材料局部区域地通过施加粘结剂20被固化以便制造物品20。

为此目的示出打印头10，该打印头借助管线29与粘结剂供应源28相连。打印头10具有此处未示出的用于施加粘结剂20的施加开口。它可平行于粉末状材料22的层地运动，其中，该运动由带有附图标记30的箭头表示。打印头10还具有此处未示出的用于施加附加材料的施加开口，借助该施加开口能够至少局部区域地影响待制造的物品20的特性。为此目的，打印头10与附加材料的供应源在流体技术上连接，该附加材料的供应源与粘结剂供应源28相似地，即可以与打印头10分开地，或者在打印头10上或中并且与该打印头共同地可运动地布置。

物品20逐层地制造。为了制造物品20的层，实施下列方法步骤：粉末供应源23按照分别在下方示出的箭头向上移动一个定义的高度单位，而中央容纳装置18按照其下方所示的箭头向下移动一个定义的高度单位。这尤其是这样地进行，使得以这种方式提供的粉末供应源23的粉末状材料22的体积基本上相当于为将粉末状材料22的层布置在容纳装置18的上方而释放的体积。

借助布置装置25将粉末状材料22的均匀的层涂敷或分配到先前涂敷的以及局部区域地借助粘结剂27固化的、粉末状材料22的层上。该布置装置25设计成辊，该辊沿平行于粉末状材料22的相应层的表面的箭头方向移动，以分配或可能压实粉末状材料22。换句话说，粉末状材料22布置在容纳装置18上或布置在之前施加的层上。然后，打印头10在该层的表面的至少一部分上沿借助箭头30所示的方向平行于该层的表面运动，并且它借助打印头10至少局部区域地施加粘结剂27以固化材料。从分开的施加开口，借助打印头10施加附加材料。

以这种方式制造物品20，该物品包括实际上待制造的部件以及至少一个用于在随后的烧结过程中局部区域地支撑部件的支撑结构。该支撑结构由与该部件相同的粉末状材料22构成，其中，支撑结构的材料借助由陶瓷分离材料制成的分离层与该部件的材料在空间上分离，从而两个元件不会烧结在一起，并因此在烧结过程之后可以通过简单且可自动化的方式有针对性地将该部件与支撑结构机械分离。

图2示出用于在按本发明的方法中应用的打印头10的立体图以及放大细节图。该打印头10具有放大示出的具有六个排14的喷嘴区域16，其中，每排14都具有多个用于施加相应材料的施加开口12。它们沿相应排14的中心纵向轴线前后相续布置，这在此未示出。待施加的材料在此是粘结剂和至少一种附加材料，该附加材料例如可以是分离材料。尤其是，相应两排14设置用于施加相同的材料，从而存在冗余的设计。

此外，打印头10具有用于控制喷嘴区域的电触点40。

附图标记列表

打印头 10

施加开口 12

排 14

喷嘴区域 16

容纳装置 18

设备 19

物品 20

粉末状材料 22

粉末供应源 23

布置装置 25

粘结剂 27

粘结剂供应源 28

管线 29

运动 30

触点 40