DE102022128049A1 - Method and device for the additive manufacturing of electrochemical devices - Google Patents
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Abstract
Herstellverfahren zur additiven Fertigung mindestens einer Komponente einer elektrochemischen Einrichtung, vorzugsweise eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators, vorzugsweise eines Li-Ionen-Akkumulators, und/oder einer Elektrolysezelle, zumindest teilweise durch schichtweises Aufbringen und nachfolgendes, insbesondere selektives, Verfestigen eines, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterials, umfassend die Schritte:- Aufbringen mindestens einer Schicht des Aufbaumaterials auf eine Trägereinrichtung,- zumindest teilweises Verfestigen, insbesondere selektives Verfestigen, des Aufbaumaterials auf der Trägereinrichtung mittels mindestens einer ersten Bestrahlungseinheit (10), wobei die erste Bestrahlungseinheit (10) eine Vielzahl von einzelnen, vorzugsweise in mindestens einer Zeile und/oder mindestens einer Spalte angeordneten, Strahlungsaustrittsabschnitten aufweist, insbesondere eine Vielzahl von Laserdioden und/oder Strahlungsleitungs-Enden.Manufacturing method for the additive manufacture of at least one component of an electrochemical device, preferably an electrochemical energy storage device, in particular an accumulator, preferably a Li-ion accumulator, and/or an electrolysis cell, at least partially by layer-by-layer application and subsequent, in particular selective, solidification of a, preferably powdered, building material, comprising the steps: - applying at least one layer of the building material to a carrier device, - at least partially solidifying, in particular selectively solidifying, the building material on the carrier device by means of at least one first irradiation unit (10), wherein the first irradiation unit (10) has a plurality of individual radiation exit sections, preferably arranged in at least one row and/or at least one column, in particular a plurality of laser diodes and/or radiation line ends.
Description
Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren sowie eine Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung mindestens einer Komponente einer elektrochemischen Einrichtung, vorzugsweise eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators, vorzugsweise eines Li-Ionen-Akkumulators, und/oder einer Elektrolysezelle.The invention relates to a manufacturing method and a manufacturing device for the additive manufacture of at least one component of an electrochemical device, preferably an electrochemical energy storage device, in particular an accumulator, preferably a Li-ion accumulator, and/or an electrolysis cell.
Herstellvorrichtungen und entsprechende Verfahren zur (additiven) Fertigung von Bauteilen durch schichtweises Aufbringen und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Zum schichtweisen Aufbringen ist üblicherweise mindestens eine entsprechende Beschichtungseinheit vorgesehen. Für das örtlich selektive Verfestigen wird üblicherweise mindestens eine entsprechende Bestrahlungseinheit (z. B. umfassend mindestens einen Laser) bereitgestellt. Diese Merkmale können teilweise oder vollständig auch bei der Erfindung realisiert sein.Manufacturing devices and corresponding methods for (additive) manufacturing of components by layer-by-layer application and locally selective solidification of a construction material are generally known from the prior art. For layer-by-layer application, at least one corresponding coating unit is usually provided. For locally selective solidification, at least one corresponding irradiation unit (e.g. comprising at least one laser) is usually provided. These features can also be partially or completely implemented in the invention.
Grundsätzlich wird auch schon vorgeschlagen, ein solches Verfahren zur additiven Fertigung bei der Herstellung von Batterien einzusetzen. Beispielsweise
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Herstellverfahren sowie eine entsprechende Herstellvorrichtung vorzuschlagen, wobei eine herzustellende elektrochemische Einrichtung, vorzugsweise ein elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere Akkumulator, vorzugsweise Li-Ionen-Akkumulator, und/oder Elektrolysezelle, auf vergleichsweise einfache und dennoch präzise Art und Weise (insbesondere auch in großen Stückzahlen und/oder mit einem hohen Durchsatz, beispielsweise gemessen als gefertigte Fläche pro Minute) herstellbar ist.It is therefore an object of the invention to propose a manufacturing method and a corresponding manufacturing device, wherein an electrochemical device to be manufactured, preferably an electrochemical energy storage device, in particular an accumulator, preferably a Li-ion accumulator, and/or an electrolysis cell, can be manufactured in a comparatively simple and yet precise manner (in particular also in large quantities and/or with a high throughput, for example measured as manufactured area per minute).
Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is solved in particular by the features of claim 1.
Insbesondere wird die Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Herstellverfahren zur additiven Fertigung mindestens einer Komponente einer elektrochemischen Einrichtung (Einrichtung für eine elektrochemische Anwendung), insbesondere elektrochemischen Zelle, vorzugsweise (mindestens einer Komponente) eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators, vorzugsweise eines Li-Ionen-Akkumulators, (beispielsweise einer Akkumulatorzellenstruktur und/oder einer Elektrodenstruktur eines Akkumulators bzw. einer Akkumulatorzelle, insbesondere eines Lithium-Ionen-Akkumulators), und/oder einer Elektrolysezelle, zumindest teilweise durch schichtweises Aufbringen und nachfolgendes, insbesondere selektives, Verfestigen eines, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterials, vorzugsweise durch (insbesondere selektive) Bestrahlung, vorzugsweise durch mindestens einen Laser, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen einer (vorzugsweise zumindest abschnittsweise flexiblen) Trägereinrichtung in Form eines (vorzugsweise zumindest abschnittsweise flexiblen) Trägerbandes (oder ein solches umfassend), insbesondere umfassend oder gebildet durch eine, vorzugsweise metallene (insbesondere zu mindestens 30 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, weiter vorzugsweise mindestens 80 Gew.-% Metall aufweisende), Trägerfolie,
- - Aufbringen mindestens einer (insbesondere trockenen) Schicht des Aufbaumaterials auf das Trägerband,
- - (sukzessives, vorzugsweise kontinuierliches) Zuführen des Aufbaumaterials in einen Bestrahlungsbereich mindestens einer ersten, vorzugsweise stationären, Bestrahlungseinheit und zumindest teilweises Verfestigen, insbesondere selektives Verfestigen, des Aufbaumaterials auf dem Trägerband mittels der mindestens einen ersten Bestrahlungseinheit.
- - Providing a (preferably at least partially flexible) carrier device in the form of a (preferably at least partially flexible) carrier tape (or comprising such a tape), in particular comprising or formed by a, preferably metallic (in particular containing at least 30 wt. %, preferably at least 50 wt. %, more preferably at least 80 wt. %) carrier film,
- - Applying at least one (particularly dry) layer of the building material to the carrier tape,
- - (successive, preferably continuous) feeding of the building material into an irradiation area of at least one first, preferably stationary, irradiation unit and at least partial solidification, in particular selective solidification, of the building material on the carrier tape by means of the at least one first irradiation unit.
Ein Gedanke des ersten Aspektes liegt darin, für das (additive) Herstellungsverfahren eine (vorzugsweise flexible) Trägereinrichtung, vorzugsweise in Form eines Trägerbandes - oder ein solches umfassend - einzusetzen, die (sukzessive) in einen Bestrahlungsbereich der Bestrahlungseinheit eingeführt wird. Dadurch können auf einfache Art und Weise insbesondere vergleichsweise flache elektrochemische Bauteile oder Bauteilkomponenten (insbesondere Akkumulatorkomponenten) hergestellt werden. Weiterhin kann vergleichsweise schnell bewegt bzw. bestrahlt werden. Insbesondere können eine oder mehrere Schicht/en mit besonderer Struktur (z. B. gerichteter Porosität und/oder besonderer chemischer Zusammensetzung) erzeugt werden. Beispielsweise kann nach dem Verfestigen der (jeweiligen) Schicht ein (z. B. durch die Trägereinrichtung bzw. die Trägerfolie gebildetes) Trägermaterial weiterbewegt werden, so dass ein mit verfestigtem Aufbaumaterial belegter Bereich des Trägermaterials aus dem Bestrahlungsbereich herausgeführt wird, wobei vorzugsweise gleichzeitig ein weiterer Abschnitt des Trägermaterials (auf dem noch kein verfestigtes Aufbaumaterial befindlich ist) in den Bestrahlungsbereich hineinbewegt wird. So kann (sukzessive, vorzugsweise kontinuierlich) eine große Fläche des Trägermaterials mit verfestigtem Aufbaumaterial versehen werden (insbesondere bedruckt werden).One idea of the first aspect is to use a (preferably flexible) carrier device for the (additive) manufacturing process, preferably in the form of a carrier tape - or comprising such a tape - which is (successively) introduced into an irradiation area of the irradiation unit. In this way, comparatively flat electrochemical components or component parts (in particular accumulator components) can be produced in a simple manner. Furthermore, they can be moved or irradiated comparatively quickly. In particular, one or more layers with a special structure (e.g. directed porosity and/or special chemical composition) can be produced. For example, after the (respective) layer has solidified, a (e.g. through the carrier device) device or the carrier film) are moved further so that an area of the carrier material covered with solidified building material is led out of the irradiation area, wherein preferably at the same time a further section of the carrier material (on which there is no solidified building material yet) is moved into the irradiation area. In this way (successively, preferably continuously) a large area of the carrier material can be provided with solidified building material (in particular printed).
Insgesamt können auf einfache und schnelle Art und Weise große Flächen mit einer Struktur versehen werden bzw. (z. B. durch Abtrennen bzw. Auftrennen einzelner Abschnitte von verfestigtem Aufbaumaterial und/oder von verfestigtes Aufbaumaterial tragendem Trägermaterial) große Stückzahlen für ein bestimmtes herzustellendes Bauteil erzielt werden.Overall, large areas can be provided with a structure in a simple and quick manner or (e.g. by separating or splitting individual sections of solidified build-up material and/or of carrier material supporting solidified build-up material) large quantities can be achieved for a specific component to be manufactured.
Insbesondere wird die Aufgabe gemäß einem zweiten (im Allgemeinen unabhängigen, vorzugsweise aber mit dem ersten Aspekt zu kombinierenden) Aspekt gelöst durch ein Herstellverfahren zur additiven Fertigung mindestens einer Komponente einer elektrochemischen Einrichtung, vorzugsweise (mindestens einer Komponente) eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators, vorzugsweise eines Li-Ionen-Akkumulators, und/oder einer Elektrolysezelle, zumindest teilweise durch schichtweises Aufbringen und nachfolgendes, insbesondere selektives, Verfestigen eines, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterials, umfassend die Schritte:
- - Aufbringen mindestens einer Schicht des Aufbaumaterials auf eine Trägereinrichtung,
- - zumindest teilweises Verfestigen, insbesondere selektives Verfestigen, des Aufbaumaterials auf der Trägereinrichtung mittels mindestens einer ersten Bestrahlungseinheit, wobei die erste Bestrahlungseinheit eine Vielzahl von einzelnen, vorzugsweise in mindestens einer Zeile und/oder (besonders bevorzugt: und) mindestens einer Spalte angeordneten, Strahlungsaustrittsabschnitten aufweist, insbesondere eine Vielzahl von Laserdioden und/oder Strahlungsleitungs-Enden. Insoweit hier und weiter unten eine Anordnung in Zeilen bzw. Spalten erläutert wird, liegen vorzugsweise mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 50 Zeilen vor und/oder mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 50 Spalten.
- - applying at least one layer of the building material to a carrier device,
- - at least partial solidification, in particular selective solidification, of the construction material on the carrier device by means of at least one first irradiation unit, wherein the first irradiation unit has a plurality of individual radiation exit sections, preferably arranged in at least one row and/or (particularly preferably: and) at least one column, in particular a plurality of laser diodes and/or radiation line ends. Insofar as an arrangement in rows or columns is explained here and further below, there are preferably at least 5 or at least 10 or at least 50 rows and/or at least 5 or at least 10 or at least 50 columns.
Ein Gedanke des zweiten Aspektes liegt darin, für das (additive) Herstellungsverfahren eine Verfestigung mittels einer (ersten) Bestrahlungseinheit durchzuführen, die eine Vielzahl von Strahlungsaustrittsabschnitten aufweist (beispielsweise mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 50 Strahlungsaustrittsabschnitte). Unter einem Strahlungsaustrittsabschnitt ist vorzugsweise ein Abschnitt der jeweiligen (beispielsweise ersten) Bestrahlungseinheit zu verstehen, an dem der Strahl (z. B. Lichtstrahl, insbesondere eines Lasers) die Bestrahlungseinheit (endgültig) verlässt, wobei unter einem endgültigen Verlassen vorzugsweise zu verstehen ist, dass der Strahl (Lichtstrahl) bis zu einem Auftreffen auf zu verfestigendes Aufbaumaterial nicht mehr in Kontakt (bzw. Wechselwirkung) mit einem Festkörper kommt (wobei eine transparente Zwischenstruktur die den Strahlengang zumindest nicht wesentlich prägt, vorzugsweise unberücksichtigt bleiben soll). Weiter oben und nachfolgend kann es sich bei der jeweiligen Strahlung vorzugsweise um elektromagnetische Strahlung, insbesondere sichtbares und/oder infrarotes Licht, vorzugsweise eines Lasers und/oder einer Laserdiode, handeln.One idea of the second aspect is to carry out solidification for the (additive) manufacturing process by means of a (first) irradiation unit which has a large number of radiation exit sections (for example at least 5 or at least 10 or at least 50 radiation exit sections). A radiation exit section is preferably understood to be a section of the respective (for example first) irradiation unit at which the beam (e.g. light beam, in particular of a laser) (finally) leaves the irradiation unit, whereby a final exit is preferably understood to mean that the beam (light beam) no longer comes into contact (or interacts) with a solid body until it hits the construction material to be solidified (whereby a transparent intermediate structure which at least does not significantly shape the beam path should preferably be disregarded). Above and below, the respective radiation can preferably be electromagnetic radiation, in particular visible and/or infrared light, preferably from a laser and/or a laser diode.
Grundsätzlich kann eine Vielzahl von Strahlungsaustrittsabschnitten durch eine Vielzahl von Strahlungsquellen (z. B. Laserdioden) und/oder eine Aufspaltung eines Strahls einer (gemeinsamen) Strahlungsquelle erfolgen.In principle, a plurality of radiation exit sections can be created by a plurality of radiation sources (e.g. laser diodes) and/or a splitting of a beam from a (common) radiation source.
Unter einem Strahlungsleitungs-Ende ist vorzugsweise das Ende einer (physischen) Strahlungsleitung, beispielsweise eines Lichtleiters zu verstehen. Eine Vielzahl von Strahlungsaustrittsabschnitten kann auch mit Hilfe von mindestens einem Prisma und/oder mindestens einer Linse, insbesondere Mikrolinse, und/oder mindestens einem Spiegel, insbesondere Mikrospiegel, erfolgen.A radiation line end is preferably understood to mean the end of a (physical) radiation line, for example a light guide. A plurality of radiation exit sections can also be created with the aid of at least one prism and/or at least one lens, in particular a microlens, and/or at least one mirror, in particular a micromirror.
Insgesamt können durch die besondere Konfiguration der Bestrahlungseinheit gemäß dem zweiten Aspekt auf vergleichsweise einfache Art und Weise (insbesondere auch wenn es sich bei dem Aufbaumaterial um mindestens ein Metall handelt) auf einfache und schnelle Art und Weise große Flächen mit einer Struktur versehen werden bzw. (durch Abtrennen bzw. Auftrennen einzelner Abschnitte von verfestigtem Aufbaumaterial und/oder von verfestigtes Aufbaumaterial tragendem Trägermaterial) große Stückzahlen für ein bestimmtes herzustellendes Bauteil erzielt werden (ähnlich wie bei dem ersten Aspekt). Insbesondere durch eine Kombination des ersten und zweiten Aspektes kann daher auf synergistische Art und Weise eine verbesserte Herstellung in dieser Hinsicht ermöglicht werden. Dabei kann besonders vorteilhaft mit der Vielzahl von Strahlungsaustrittsabschnitten sowie durch die Verwendung eines sich fortbewegenden Trägerbandes eine vergleichsweise große Fläche (gleichzeitig) bestrahlt und (selektiv) verfestigt werden, wobei durch die Verwendung des Trägerbandes auf einfache Weise zu verfestigendes Aufbaumaterial nachgeführt werden kann.Overall, the special configuration of the irradiation unit according to the second aspect allows large areas to be provided with a structure in a relatively simple manner (in particular when the construction material is at least one metal) in a simple and quick manner, or (by separating or separating individual sections of solidified construction material and/or of carrier material carrying solidified construction material) large quantities can be achieved for a specific component to be produced (similar to the first aspect). In particular, a combination of the first and second aspects can therefore enable improved production in this respect in a synergistic manner. In this case, a relatively large area can be irradiated (simultaneously) and (selectively) solidified particularly advantageously with the large number of radiation exit sections and the use of a moving carrier belt, whereby the use of the carrier belt can easily lead to solidifying build-up material can be added.
Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich (insoweit sich aus dem jeweiligen Zusammenhang nichts anderes ergibt) auf den ersten und zweiten Aspekt (als jeweilige optionale Weiterbildungen des ersten oder zweiten Aspektes oder als Weiterbildung einer Kombination der beiden Aspekte).The following explanations refer (unless the context indicates otherwise) to the first and second aspects (as respective optional further training courses of the first or second aspects or as further training courses of a combination of the two aspects).
Eine weitere (zweite) Bestrahlungseinheit kann, muss aber nicht, vorgesehen sein.A further (second) irradiation unit may, but does not have to, be provided.
Die (jeweilige) Trägereinrichtung umfasst vorzugsweise ein Trägermaterial, das beispielsweise durch das Trägerband, insbesondere die Trägerfolie gebildet werden kann. Die Trägereinrichtung kann zumindest abschnittsweise durch eine Unterlage gestützt werden. Die Unterlage kann ein Band (z. B. Fließband) und/oder einen Bearbeitungs- und/oder Trägertisch und/oder mindestens eine Rolle und/oder mindestens eine Tragelamelle, vorzugsweise eine Vielzahl - von z. B. mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 20 - Tragelamellen aufweisen. Unter der (jeweiligen) Trägereinrichtung ist insbesondere eine Einrichtung zu verstehen, auf die das Aufbaumaterial (unmittelbar) aufgebracht wird. Die (jeweilige) Trägereinrichtung kann einschichtig oder mehrschichtig aufgebaut sein. Die (jeweilige) Trägereinrichtung kann einstückig, ggf. monolithisch, aufbaut sein, oder mehrstückig. Alternativ oder zusätzlich zu einem Trägerband kann auch eine (ggf. nicht-flexible bzw. konventionelle) Bauplattform als Trägereinrichtung verwendet werden. Eine solche Bauplattform kann beispielsweise weniger als 10-mal oder weniger als 2-mal so lang sein wie breit, wobei unter einer Länge (hier und nachfolgend) vorzugsweise in Draufsicht (senkrechter Blickwinkel von oben, isometrisch) die längste Ausdehnung entlang einer Symmetrieachse oder (wenn keine Symmetrieachse gebildet wird) der Abstand desjenigen Punktepaares zu verstehen ist, das den größten Abstand aller Punktepaare zueinander aufweist, und wobei unter der Breite die (maximale) Ausdehnung senkrecht zu der Länge zu verstehen ist.The (respective) carrier device preferably comprises a carrier material, which can be formed, for example, by the carrier tape, in particular the carrier film. The carrier device can be supported at least in sections by a base. The base can have a belt (e.g. conveyor belt) and/or a processing and/or carrier table and/or at least one roller and/or at least one support slat, preferably a plurality - of e.g. at least 5 or at least 10 or at least 20 - support slats. The (respective) carrier device is to be understood in particular as a device to which the construction material is (directly) applied. The (respective) carrier device can have a single-layer or multi-layer structure. The (respective) carrier device can be constructed in one piece, possibly monolithic, or in multiple pieces. Alternatively or in addition to a carrier tape, a (possibly non-flexible or conventional) construction platform can also be used as a carrier device. Such a construction platform can, for example, be less than 10 times or less than 2 times as long as it is wide, whereby a length (here and below) is to be understood as the longest extension along an axis of symmetry, preferably in plan view (vertical viewing angle from above, isometric), or (if no axis of symmetry is formed) the distance of the pair of points which has the greatest distance between all pairs of points, and whereby the width is to be understood as the (maximum) extension perpendicular to the length.
Die (jeweilige) Trägereinrichtung, vorzugsweise Trägerfolie kann teilweise oder vollständig additiv hergestellt werden, beispielsweise um poröse Strukturen zu erzielen, um ggf. Gewicht zu reduzierenThe (respective) carrier device, preferably carrier film, can be manufactured partially or completely additively, for example to achieve porous structures in order to reduce weight if necessary
Grundsätzlich ist es möglich, dass nur eine Schicht des Aufbaumaterials auf die Trägereinrichtung (insbesondere das Trägermaterial) aufgebracht und nachfolgend (dort) verfestigt wird. Die Schritte des Aufbringens einer Schicht des Aufbaumaterials und ein darauffolgendes (zumindest teilweises) Verfestigen, insbesondere selektives Verfestigen, kann jedoch mindestens 1-mal, ggf. mindestens 2-mal oder mindestens 5-mal wiederholt werden (wobei die Trägereinrichtung bzw. das Trägermaterial dazu weiterbewegt werden kann/können oder sich am selben Ort befinden kann/können, an dem auch eine jeweils darunterliegende Schicht verfestigt worden ist, was weiter unten noch näher ausgeführt wird).In principle, it is possible for only one layer of the building material to be applied to the carrier device (in particular the carrier material) and then solidified (there). The steps of applying a layer of the building material and subsequent (at least partial) solidification, in particular selective solidification, can, however, be repeated at least once, possibly at least twice or at least five times (whereby the carrier device or the carrier material can be moved further for this purpose or can be located at the same location where an underlying layer has also been solidified, which will be explained in more detail below).
Bei dem Prozess der Verfestigung handelt es sich vorzugsweise um ein (selektives) Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren.The solidification process is preferably a (selective) laser sintering or laser melting process.
Bei einem flexiblen Trägermaterial handelt es sich vorzugsweise um ein forminstabiles Material, beispielsweise derart, dass das Material (bei 20 °C) um einen geraden Kreiszylinder mit einem Durchmesser von 20 cm gelegt werden kann, ohne zu reißen, vorzugsweise ohne dass es sich (nach einer solchen Anordnung) durch elastische Rückstellkräfte von dem geraden Kreiszylinder entfernt. Ein flexibles Trägermaterial kann alternativ oder zusätzlich ein Material sein, bei dem sich ein quadratischer Ausschnitt desselben mit 10 cm Kantenlänge aufgrund seines Eigengewichts um mindestens 1 mm oder mindestens 1 cm durchbiegt, wenn der quadratische Ausschnitt an zwei Auflagelinien abgestützt wird, die sich entlang von zwei gegenüberliegenden Kanten des Quadrates erstrecken. Sollte eine sich daraus ergebende Flexibilität nicht einheitlich über das Trägermaterial sein, soll diese Bedingung insbesondere für zumindest einen quadratischen Ausschnitt (Kantenlänge 10 cm) gelten, vorzugsweise für entsprechende quadratische Ausschnitte, die insgesamt mindestens 50 % der Fläche des Trägermaterials bedecken (ggf. für das gesamte Trägermaterial bzw. sämtliche entsprechende Ausschnitte). Das (flexible) Trägermaterial kann eine Dicke von vorzugsweise unter 2,0 mm, weiter vorzugsweise unter 1,00 mm, noch weiter vorzugsweise unter 0,50 mm, ggf. unter 0,050 mm oder unter 0,015 mm oder unter 0,008 mm oder sogar unter 0,004 mm, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich (soweit nicht durch die voran gehenden oberen Grenzwerte logisch ausgeschlossen) kann eine Dicke von mindestens 0,001 mm, vorzugsweise mindestens 0,005 mm, ggf. mindestens 0,010 mm vorliegen. Jeder der oberen und jeder der unteren Grenzwerte können zu einem entsprechenden Bereich verknüpft werden (soweit nicht logisch ausgeschlossen).A flexible carrier material is preferably a dimensionally unstable material, for example such that the material (at 20 °C) can be placed around a straight circular cylinder with a diameter of 20 cm without tearing, preferably without it (after such an arrangement) moving away from the straight circular cylinder due to elastic restoring forces. A flexible carrier material can alternatively or additionally be a material in which a square section of the same with an edge length of 10 cm bends by at least 1 mm or at least 1 cm due to its own weight when the square section is supported on two support lines that extend along two opposite edges of the square. If the resulting flexibility is not uniform across the carrier material, this condition should apply in particular to at least one square section (
Bei dem Trägermaterial handelt es sich insbesondere um eine (metallene) Folie (Trägerfolie). Das Trägermaterial (insbesondere die Trägerfolie) umfasst vorzugsweise Aluminium (insbesondere zu mindestens 50 Gew.-% oder mindestens 80 Gew.-%), vorzugsweise zu Erzeugung einer Kathode, und/oder Kupfer (insbesondere zu mindestens 50 Gew.-% oder mindestens 80 Gew.-%), vorzugsweise zur Erzeugung einer Anode.The carrier material is in particular a (metallic) foil (carrier foil). The carrier material (in particular the carrier foil) preferably comprises aluminum (in particular at least 50% by weight or at least 80% by weight), preferably to produce a cathode, and/or copper (in particular at least 50% by weight or at least 80% by weight), preferably to produce an anode.
Bei der additiv gefertigten Komponente kann es sich beispielsweise um eine (funktionale) Schicht der elektrochemischen Einrichtung und/oder beispielsweise um eine Anode und/oder Kathode und/oder einen Separator eines Akkumulators handeln.The additively manufactured component can be, for example, a (functional) layer of the electrochemical device and/or, for example, an anode and/or cathode and/or a separator of a rechargeable battery.
In Ausführungsformen können beispielsweise mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 30 Gew.-%, ggf. mindestens 60 Gew.-% der elektrochemischen Einrichtung (z. B. des Akkumulators) durch das erfindungsgemäße Herstellverfahren hergestellt werden bzw. hergestellt sein.In embodiments, for example, at least 10 wt. %, preferably at least 30 wt. %, optionally at least 60 wt. % of the electrochemical device (e.g. the accumulator) can be or have been produced by the production method according to the invention.
Bei der elektrochemischen Einrichtung (Englisch: electrochemical device) kann es sich um eine elektrochemische Vorrichtung, ein elektrochemische Bauelement und/oder ein elektrochemisches Bauteil handeln, insbesondere eine elektrochemische Zelle, vorzugsweise Batteriezelle, Brennstoffzelle und/oder Elektrolysezelle.The electrochemical device can be an electrochemical device, an electrochemical component and/or an electrochemical part, in particular an electrochemical cell, preferably a battery cell, fuel cell and/or electrolysis cell.
Das Trägermaterial (bzw. die Trägerfolie) kann grundsätzlich (teilweise oder vollständig) ein Bestandteil der additiv gefertigten Komponente sein (bzw. in/an der Komponente bzw. einem entsprechenden Bauteil verbleiben), beispielsweise ein Bestandteil einer Elektrode (Kathode oder Anode) eines Akkumulators sein, oder zu einem späteren Zeitpunkt (zumindest teilweise) entfernt werden (also insbesondere nur - oder zumindest teilweise nur - als Transportunterlage bzw. Transportfolie verwendet werden).The carrier material (or the carrier film) can in principle be (partially or completely) a component of the additively manufactured component (or remain in/on the component or a corresponding part), for example be a component of an electrode (cathode or anode) of a rechargeable battery, or be (at least partially) removed at a later point in time (i.e. in particular only - or at least partially only - used as a transport base or transport film).
Vorzugsweise findet ein selektives Verfestigen statt (so dass nicht die gesamte jeweilige Schicht verfestigt wird). Alternativ kann jedoch beim Verfestigen die gesamte Schicht des Aufbaumaterials durch die Bestrahlungseinheit verfestigt werden. Gegebenenfalls nicht verfestigte Anteile des Aufbaumaterials können in einem nachfolgenden Schritt von den verfestigten Bestandteilen (z. B. durch eine Absaugung, insbesondere mittels mindesten einer Absaugdüse) entfernt werden. Preferably, selective solidification takes place (so that not the entire respective layer is solidified). Alternatively, however, the entire layer of the building material can be solidified by the irradiation unit during solidification. Any non-solidified portions of the building material can be removed from the solidified components in a subsequent step (e.g. by suction, in particular by means of at least one suction nozzle).
In dem Bereich (des ggf. selektiven) Verfestigens kann das gesamte Material (in der jeweiligen Schicht) aufgeschmolzen werden oder nur ein Teil des Materials. Wenn eine Materialmischung vorliegt, kann beispielsweise nur ein Bestandteil der Materialmischung aufgeschmolzen werden, beispielsweise ein Binder, (insbesondere Polymerbinder), beispielsweise zum Verbinden von (per se nicht, jedenfalls nicht vollständig) aufgeschmolzenen Metallpartikeln (insbesondere Partikeln mit mindestens 50 Gew.-% oder mindestens 80 Gew.-% Metall).In the area of (optionally selective) solidification, the entire material (in the respective layer) can be melted or only part of the material. If a material mixture is present, for example, only one component of the material mixture can be melted, for example a binder (in particular a polymer binder), for example to connect (not per se, at least not completely) melted metal particles (in particular particles with at least 50 wt.% or at least 80 wt.% metal).
Ein, insbesondere der vorgenannte, Binder (insbesondere Polymerbinder) ist vorzugsweise so konfiguriert, das er beim Aufschmelzen an der Trägereinrichtung, insbesondere der Trägerfolie anhaftet und sich mit dieser dadurch verbindet.A binder (in particular a polymer binder), in particular the one mentioned above, is preferably configured such that it adheres to the carrier device, in particular the carrier film, during melting and thereby bonds with it.
Im Allgemeinen kann nicht-verfestigtes Aufbaumaterial wieder in einen Kreislauf rückgeführt werden, vorzugsweise zur Herstellung einer neuen Schicht bzw. einer neuen Zelle, vorzugsweise einer Pouch-Zelle und/oder einer zylindrischen Zelle. Eine Rückführung unverbauten Pulvers (Aufbaumaterials) kann z. B. eine pneumatische Förderung und ggf. ein Beimengen von frischem Pulver umfassen.In general, non-solidified building material can be returned to a cycle, preferably to produce a new layer or a new cell, preferably a pouch cell and/or a cylindrical cell. Returning unconsolidated powder (building material) can, for example, involve pneumatic conveying and, if necessary, adding fresh powder.
Der Schritt des Verfestigens kann auch einen Schritt des Anbindens des Aufbaumaterials auf das Trägermaterial umfassen, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Trägermaterial Bestandteil der Komponente der elektrochemischen Einrichtung (bzw. des entsprechenden elektrochemischen Bauteiles) sein soll. Auch wenn das Trägermaterial jedoch in einem darauffolgenden Herstellungsschritt von dem Aufbaumaterial entfernt wird, kann ein (zumindest vergleichsweise loses) Anbinden vorteilhaft sein, beispielsweise für den Weitertransport. Gegebenenfalls kann in einem solchen Fall (oder auch im allgemeinen) eine Zwischenschicht zwischen Trägermaterial und Aufbaumaterial vorgesehen werden, die es erleichtert, das Aufbaumaterial vom Trägermaterial nachfolgend zu lösen.The solidification step can also include a step of bonding the construction material to the carrier material, which is particularly advantageous if the carrier material is to be part of the component of the electrochemical device (or the corresponding electrochemical component). However, even if the carrier material is removed from the construction material in a subsequent manufacturing step, bonding (at least relatively loosely) can be advantageous, for example for further transport. If necessary, in such a case (or also in general), an intermediate layer can be provided between the carrier material and the construction material, which makes it easier to subsequently separate the construction material from the carrier material.
Vorzugsweise erfolgt eine Relativbewegung zwischen Trägereinrichtung und Beschichtungseinheit (während des Beschichtens) und/oder zwischen Trägermaterial und Bestrahlungseinheit (während des Bestrahlens). Dazu kann die Trägereinrichtung fortbewegt werden und die Beschichtungseinheit bzw. die Bestrahlungseinheit stationär bleiben, oder umgekehrt. Alternativ können sich auch sowohl Beschichtungseinheit bzw. Bestrahlungseinheit als auch die Trägereinrichtung fortbewegen. Wenn hier und im Folgenden, ohne explizite anderslautende Angabe, von einer Bewegung (Fortbewegung) die Rede ist, soll vorzugsweise (solange sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt) eine Bewegung senkrecht zu einer Aufbaurichtung (z-Richtung) gemeint sein.Preferably, there is a relative movement between the carrier device and the coating unit (during coating) and/or between the carrier material and the irradiation unit (during irradiation). For this purpose, the carrier device can be moved and the coating unit or the irradiation unit can remain stationary, or vice versa. Alternatively, both the coating unit or the irradiation unit and the carrier device can move. If here and in the following, without explicit indication to the contrary, a movement (progression) is mentioned, preferably (as long as nothing else is indicated in the context) a movement perpendicular to a construction direction (z-direction) is meant.
Unter einer stationären Bestrahlungseinheit ist insbesondere eine Bestrahlungseinheit zu verstehen, die beim Verfestigen des Aufbaumaterials nicht (ggf. insgesamt nicht) bewegt wird (absolut gesehen, insbesondere in Bezug auf einen Bezugspunkt, der im Gebrauch Teil des Untergrundes ist, auf dem die Herstellvorrichtung angeordnet ist). Die verfestigende Strahlung (z. B. der jeweilige Laserstrahl) kann sich (auch absolut gesehen) bewegen, oder stationär bleiben (wobei in beiden Fällen eine (ggf. zusätzliche) Relativbewegung gegenüber dem Aufbaumaterial durch Fortbewegung desselben realisiert werden kann).A stationary irradiation unit is understood to mean, in particular, an irradiation unit that is not moved (or not moved at all) when the building material is solidified (in absolute terms, in particular in relation to a reference point that, during use, is part of the substrate on which the production device is arranged). The solidifying radiation (e.g. the respective laser beam) can move (also in absolute terms) or remain stationary (in both cases, a (possibly additional) relative movement to the building material can be achieved by moving the same forward).
Optional kann ein (jeweiliger) Strahlungsaustrittsabschnitt (ggf. mehrere Strahlungsaustrittsabschnitte) der Bestrahlungseinheit stets denselben (Unter-) Bereich eines Bestrahlungsbereiches bestrahlen. Dies muss nicht zwingend für die Bestrahlungseinheit insgesamt gelten, wenn beispielsweise einzelne Strahlungsaustrittsabschnitte zugeschaltet und einzelne Strahlungsaustrittsabschnitte (ggf. mehrere Strahlungsaustrittsabschnitte) ausgeschaltet werden.Optionally, a (respective) radiation exit section (possibly several radiation exit sections) of the irradiation unit can always irradiate the same (sub-) area of an irradiation area. This does not necessarily have to apply to the irradiation unit as a whole, for example if individual radiation exit sections are switched on and individual radiation exit sections (possibly several radiation exit sections) are switched off.
In jedem Fall kann sich die Bestrahlung selbst (optional) örtlich fortbewegen, beispielsweise indem ein Laserstrahl bewegt, insbesondere (beispielsweise rasternd) abgelenkt wird. Ein Laserstrahl kann beispielsweise durch MEMs bewegt werden (MEM = micro-electromechanical-mirror).In any case, the irradiation itself can (optionally) move locally, for example by moving a laser beam, in particular by deflecting it (for example in a scanning manner). A laser beam can be moved, for example, by MEMs (MEM = micro-electromechanical-mirror).
Bei dem Herstellverfahren handelt es sich vorzugsweise um ein Endlosverfahren, insbesondere Fließbandverfahren. Dazu kann ein entsprechender Endlosträger vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich (im Sinne eines Hybrid-Verfahrens) kann das Herstellverfahren auch diskontinuierlich ablaufen, so dass beispielsweise Aufbaumaterial auf einer (einzelnen) Trägereinrichtung aufgebaut wird (bzw. dort verfestigt wird), daraufhin (gemeinsam mit der Trägereinrichtung oder zumindest Teilen davon) aus den Bereich der Verfestigung entfernt wird und dann eine weitere (neue) Trägereinrichtung in einen Bestrahlungsbereich gebracht wird und dort wiederum mit Aufbaumaterial (das dort verfestigt wird) versehen wird.The manufacturing process is preferably a continuous process, in particular a conveyor belt process. A corresponding continuous carrier can be provided for this purpose. Alternatively or additionally (in the sense of a hybrid process), the manufacturing process can also run discontinuously, so that, for example, building material is built up on a (single) carrier device (or is solidified there), then removed (together with the carrier device or at least parts thereof) from the solidification area and then another (new) carrier device is brought into an irradiation area and there again provided with building material (which is solidified there).
Das Trägermaterial (bzw. das Trägerband bzw. die Trägerfolie) ist ausführungsgemäß in einem Ausgangszustand vorzugsweise mindestens 2-mal, vorzugsweise mindestens 5-mal, noch weiter vorzugsweise mindestens 10-mal und/oder höchstens 100.000-mal so lang wie breit.According to the embodiment, the carrier material (or the carrier tape or the carrier film) is in an initial state preferably at least 2 times, preferably at least 5 times, even more preferably at least 10 times and/or at most 100,000 times as long as it is wide.
Vorzugsweise wird das Trägermaterial bandartig (in Form eines Bandes, vorzugsweise Folienbandes) bereitgestellt.Preferably, the carrier material is provided in tape form (in the form of a tape, preferably a film tape).
Ausführungsgemäß wird das Trägermaterial (bzw. das Trägerband und/oder dessen Trägerfolie) vorzugsweise in zumindest teilweise (ggf. im Ausgangszustand vollständig) aufgerolltem Zustand bereitgestellt. Alternativ oder zusätzlich kann das Trägermaterial (bzw. das Trägerband und/oder dessen Trägerfolie) in einem gefalteten Zustand (beispielsweise mindestens 2-mal oder mindestens 5-mal oder mindestens 10-mal gefaltet) bereitgestellt werden, oder auch teilweise in aufgerolltem und teilweise in gefaltetem Zustand. Dadurch kann das Trägermaterial auf platzsparende Art und Weise bereitgestellt werden.According to the embodiment, the carrier material (or the carrier tape and/or its carrier film) is preferably provided in an at least partially rolled-up state (possibly completely in the initial state). Alternatively or additionally, the carrier material (or the carrier tape and/or its carrier film) can be provided in a folded state (for example folded at least twice or at least five times or at least ten times), or also partially rolled-up and partially folded. This allows the carrier material to be provided in a space-saving manner.
Das Trägermaterial (bzw. das Trägerband und/oder dessen Trägerfolie) kann (nach der Verfestigung des Aufbaumaterials) zumindest teilweise aufgerollt und/oder gefaltet werden, ggf. gemeinsam mit dem Aufbaumaterial (oder zumindest Teilen des Aufbaumaterials) oder ohne das Aufbaumaterial.The carrier material (or the carrier tape and/or its carrier film) can (after solidification of the build-up material) be at least partially rolled up and/or folded, if necessary together with the build-up material (or at least parts of the build-up material) or without the build-up material.
Ein gemeinsames Aufrollen bzw. Falten mit dem Aufbaumaterial ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Trägermaterial Bestandteil der elektrochemischen Einrichtung sein soll. Jedoch auch dann, wenn das Trägermaterial (bzw. das Trägerband und/oder dessen Trägerfolie) nicht Bestandteil des Aufbaumaterials ist, kann zunächst ein gemeinsames Aufrollen bzw. Auffalten erfolgen (beispielsweise zu Transport- und/oder Aufbewahrungszwecken).Rolling or folding together with the construction material is particularly advantageous if the carrier material is to be part of the electrochemical device. However, even if the carrier material (or the carrier tape and/or its carrier film) is not part of the construction material, it can initially be rolled or folded together (for example for transport and/or storage purposes).
In Ausführungsformen kann das Aufbaumaterial nach dem Verfestigen von einem, vorzugsweise durch die Trägerfolie gebildeten, Trägermaterial des Trägerbandes - nachfolgend auch als erstes Trägermaterial bezeichnet - auf ein weiteres, ggf. flexibles, zweites Trägermaterial transferiert werden, vorzugsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess, oder auf dem ersten Trägermaterial verbleiben. Alternativ kann das Aufbaumaterial auch an/auf dem (ersten) Trägermaterial verbleiben (und Bestandteil der herzustellenden elektrochemischen Einrichtung werden). Das zweite Trägermaterial kann optional beschaffen sein, wie es im Zusammenhang mit dem ersten Trägermaterial beschrieben ist (weiter oben und/oder nachfolgend).In embodiments, the build-up material can be transferred after solidification from a carrier material of the carrier tape, preferably formed by the carrier film - hereinafter also referred to as the first carrier material - to another, possibly flexible, second carrier material, preferably in a roll-to-roll process, or remain on the first carrier material. Alternatively, the build-up material can also remain on/on the (first) carrier material (and become part of the electrochemical device to be produced). The second carrier material can optionally be of the type described in connection with the first carrier material (above and/or below).
Alternativ oder zusätzlich kann ein Schichtaufbau (Sandwich), umfassend insbesondere ein Trägermaterial (Trägerfolie) des Trägerbandes bzw. das Trägerband selbst und das (verfestigte) Aufbaumaterial in mindestens zwei (kleinere) Streifen geschnitten werden oder in einzelne (z. B. rechteckige) Platten (insbesondere für Pouch-Zellen) geteilt werden.Alternatively or additionally, a layer structure (sandwich), comprising in particular a carrier material (carrier film) of the carrier tape or the carrier tape itself and the (solidified) construction material, can be cut into at least two (smaller) strips or divided into individual (e.g. rectangular) plates (in particular for pouch cells).
Vorzugsweise wird eine Rückseite des Trägerbandes und/oder von dessen Trägerfolie ebenfalls mit einer (insbesondere selektiv) verfestigten Schicht eines Aufbaumaterials versehen. Um die Rückseite mittels der Bestrahlungseinheit bestrahlen zu können, kann beispielsweise eine Umlenkrolle vorgesehen sein. Dabei kann auf besonders effektive Art und Weise beispielsweise ein Akkumulator (Batterie) gefertigt werden.Preferably, a back side of the carrier tape and/or its carrier film is also provided with a (particularly selectively) solidified layer of a construction material. In order to be able to irradiate the back side using the irradiation unit, a deflection roller can be provided, for example. In this way, an accumulator (battery), for example, can be manufactured in a particularly effective manner.
In Ausführungsformen kann das Aufbringen mittels einer stationären Beschichtungseinheit erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Verfestigung mittels einer stationären Bestrahlungseinheit (insbesondere wie oben definiert) erfolgen.In embodiments, the application can be carried out by means of a stationary coating unit. Alternatively or additionally, the solidification can be carried out by means of a stationary irradiation unit (in particular as defined above).
Unter einer stationären Beschichtungseinheit ist insbesondere eine Einheit zu verstehen, die sich während des Beschichtungsvorgangs nicht (selbst) bewegt, so dass beispielsweise eine Beschichtung dadurch erfolgt, dass das Trägermaterial (bzw. Trägerband oder zumindest dessen Trägerfolie) unter der Beschichtungseinheit fortbewegt wird. Alternativ kann die Beschichtungseinheit auch (zumindest teilweise) bewegt werden, insbesondere ein Beschichterarm derselben.A stationary coating unit is understood to mean in particular a unit that does not move (itself) during the coating process, so that, for example, a coating is carried out by the carrier material (or carrier tape or at least its carrier film) being moved beneath the coating unit. Alternatively, the coating unit can also be moved (at least partially), in particular a coating arm thereof.
Die Bestrahlungseinheit kann eine Vielzahl von einzelnen (vorzugsweise in mindestens einer Zeile und/oder in mindestens einer Spalte angeordneten, Strahlungsaustrittsabschnitten aufweisen, insbesondere eine Vielzahl von Laserdioden und/oder Strahlungsleitungs-Enden.The irradiation unit can have a plurality of individual radiation exit sections (preferably arranged in at least one row and/or in at least one column), in particular a plurality of laser diodes and/or radiation line ends.
Konkret kann die Bestrahlungseinheit eine Matrix aus Strahlungsaustrittsabschnitten aufweisen. Wenn eine Vielzahl von Strahlungsaustrittsabschnitten vorgesehen ist, kann eine Matrix aus Auftreffpunkten, wobei jeder Auftreffpunkt insbesondere einem entsprechenden Strahlungsaustrittsabschnitt zugeordnet ist, ermöglicht werden (wobei es sich bei dem Auftreffpunkt um einen Bereich des Aufbaumaterials bzw. Baufeldes handelt, der von dem jeweiligen Strahlungsaustrittsabschnitt bestrahlt wird).Specifically, the irradiation unit can have a matrix of radiation exit sections. If a plurality of radiation exit sections is provided, a matrix of impact points can be made possible, with each impact point being associated in particular with a corresponding radiation exit section (wherein the impact point is an area of the construction material or construction field that is irradiated by the respective radiation exit section).
Wenn mehrere Auftreffpunkte in einer Längsrichtung (bzw. Fortbewegungsrichtung des Aufbaumaterials) hintereinander angeordnet sind, können diese (in Längsrichtung; mit mindestens einem nächsten Nachbarn) fluchten. Vorteilhafterweise kann in einem solchen Fall jedoch auch ein Versatz zu mindestens einem nächsten Nachbarn in Breitenrichtung vorliegen (insbesondere derart, dass mindestens zwei in Längsrichtung aufeinanderfolgende Auftreffpunkte nicht in Längsrichtung miteinander fluchten). Entsprechendes kann auch für die Strahlungsaustrittsabschnitte gelten, wobei hier kein zwingender Zusammenhang vorliegen muss (beispielsweise, wenn Winkel von entsprechenden Strahlungsaustrittsabschnitten zugeordneten Strahlen voneinander abweichen, so dass zwar in Bezug auf die Strahlungsaustrittsabschnitte kein Versatz in Breitenrichtung vorliegt, in Bezug auf die Auftreffpunkte jedoch schon). Insgesamt kann für mindestens 30 % oder mindestens 50 % aller Auftreffpunkte und/oder Strahlungsaustrittsabschnitte gelten, dass diese gegenüber mindestens einem in Bezug auf die Längsrichtung nächsten (in Längsrichtung vorangehenden und/oder nachfolgenden) Nachbarn versetzt angeordnet sind.If several impact points are arranged one behind the other in a longitudinal direction (or direction of travel of the construction material), they can be aligned (in the longitudinal direction; with at least one nearest neighbor). In such a case, however, there can advantageously also be an offset to at least one nearest neighbor in the width direction (in particular such that at least two impact points that follow one another in the longitudinal direction are not aligned with one another in the longitudinal direction). The same can also apply to the radiation exit sections, although there does not have to be a mandatory connection here (for example, if angles of rays assigned to corresponding radiation exit sections differ from one another, so that there is no offset in the width direction with respect to the radiation exit sections, but there is with respect to the impact points). Overall, it can apply to at least 30% or at least 50% of all impact points and/or radiation exit sections that they are arranged offset with respect to at least one neighbor that is closest in the longitudinal direction (that precedes and/or follows in the longitudinal direction).
Bei einem derartigen Versatz können auf einfache und somit vorteilhafte Art und Weise Abstufungen (Abtreppungen) reduziert oder vermieden werden, die insbesondere dann entstehen können, wenn eine Vielzahl von Strahlungsaustrittsabschnitten dieselbe Linie (in Längsrichtung) bestrahlt.With such an offset, gradations (steps) can be reduced or avoided in a simple and thus advantageous manner, which can arise in particular when a large number of radiation exit sections irradiate the same line (in the longitudinal direction).
Der jeweilige Strahlungsaustrittsabschnitt kann vorzugsweise für eine konstante (stationäre) Bestrahlung konfiguriert sein.The respective radiation exit section can preferably be configured for constant (stationary) irradiation.
Vorzugsweise bewegt sich das Trägermaterial (bzw. das Trägerband) während der Bestrahlung durch die Bestrahlungseinheit fort. In diesem Fall wird die Fortbewegung des Trägerbandes bzw. Trägermaterials auf synergistische Art und Weise doppelt genutzt, nämlich einerseits um das Trägermaterial weiter zu befördern und andererseits, um (selektiv) Strukturen in das Aufbaumaterial einbringen zu können. Alternativ kann das Trägermaterial während der Bestrahlung auch (gegenüber der Bestrahlungseinheit bzw. Belichtungseinheit) in Ruhe sein. Entsprechende (selektive) Strukturen können beispielsweise durch Zu- bzw. Abschalten von einzelnen Strahlungsaustrittsabschnitten (z. B. Laserdioden) und/oder (auf konventionelle Art und Weise) durch ein Abtasten mittels eines oder mehrerer Laserstrahlen erzielt werden (wie auch im Falle eines sich fortbewegenden Trägermaterials).Preferably, the carrier material (or the carrier tape) moves through the irradiation unit during irradiation. In this case, the movement of the carrier tape or carrier material is used in a synergistic way in two ways, namely on the one hand to transport the carrier material further and on the other hand to be able to (selectively) introduce structures into the construction material. Alternatively, the carrier material can also be at rest (relative to the irradiation unit or exposure unit) during irradiation. Corresponding (selective) structures can be achieved, for example, by switching individual radiation exit sections (e.g. laser diodes) on or off and/or (in a conventional manner) by scanning using one or more laser beams (as in the case of a moving carrier material).
Die Bestrahlungseinheit umfasst vorzugsweise mindestens einen Laser. Weiter vorzugsweise umfasst die Bestrahlungseinheit mindestens einen VCSEL (=Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) und/oder VECSEL (Vertical-External-Cavity Surface-Emitting-Laser). Weiter vorzugsweise umfasst die Bestrahlungseinheit eine VCSEL-und/oder-VECSEL-Anordnung, umfassend vorzugsweise eine Vielzahl von VCSEL- und/oder-VECSEL-Dioden, insbesondere in einer Matrix-Anordnung mit einer Vielzahl von Zeilen und Spalten. Eine Wellenlänge der jeweiligen Laserdiode beträgt 405-1400 nm, vorzugsweise 900-1000 nm, besonders vorzugsweise 940-980 nm. Weiter vorzugsweise kann die Wellenlänge einer Absorptionsbande eines Aufbaumaterials angepasst werden.The irradiation unit preferably comprises at least one laser. The irradiation unit further preferably comprises at least one VCSEL (=Vertical Cavity Surface Emitting Laser) and/or VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser). The irradiation unit further preferably comprises a VCSEL and/or VECSEL arrangement, preferably comprising a multiplicity of VCSEL and/or VECSEL diodes, in particular in a matrix arrangement with a multiplicity of rows and columns. A wavelength of the respective laser diode is 405-1400 nm, preferably 900-1000 nm, particularly preferably 940-980 nm. The wavelength can further preferably be adapted to an absorption band of a construction material.
Alternativ oder zusätzlich kann die Bestrahlungseinheit auch einen oder mehrere Laser umfassen, der/die beispielsweise mittels einer Anzahl von (Polygon-) Scannern über das Baufeld bzw. den Bestrahlungsbereich (rasternd) bewegt wird/werden.Alternatively or additionally, the irradiation unit can also comprise one or more lasers, which are moved (in a scanning manner) over the construction field or the irradiation area, for example by means of a number of (polygon) scanners.
Vorzugsweise kommt zusätzlich zu einer ersten Bestrahlungseinheit mit einer Vielzahl von einzelnen (vorzugsweise in mindestens einer Zeile und/oder mindestens einer Spalte angeordneten) Strahlungsaustrittsabschnitten, eine Hilfsbestrahlungseinheit (vorzugsweise mindestens eine, insbesondere scannende, Hilfslasereinheit), wie beispielsweise ein CO-, CO2-, Faser- und/oder Nd:YAG-Laser, zum Einsatz. Das Scannen kann insbesondere mittels eines Galvanometer-Scanners und/oder Polygon-Scanners und/oder eines Mikrospiegel-Arrays erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Strahl mittels eines ein- oder mehrachsigen Linearantriebs über das Baufeld bzw. den Bestrahlungsbereich bewegt werden. Im Allgemeinen kann ein Mikro-elektro-mechanisches System (MEM) Verwendung finden.Preferably, in addition to a first irradiation unit with a plurality of individual radiation exit sections (preferably arranged in at least one row and/or at least one column), an auxiliary irradiation unit (preferably at least one, in particular scanning, auxiliary laser unit) is used, such as a CO, CO 2 , fiber and/or Nd:YAG laser. The scanning can be carried out in particular by means of a galvanometer scanner and/or polygon scanner and/or a micromirror Arrays. Alternatively or additionally, a beam can be moved over the construction field or the irradiation area using a single or multi-axis linear drive. In general, a micro-electro-mechanical system (MEM) can be used.
Für bestimmte Anwendungen (Bauteilstrukturen) kann es vorteilhaft sein, nicht nur rasternd zu bestrahlen/verfestigen (mit konstanter oder variabler Rastergröße), wie es z. B. ein Matrix-Belichter oder ein Polygonscanner ermöglichen, sondern auch kurvierte Verfestigungsbahnen zu bilden, z. B. mittels eines Galvanometerspiegels. Alternativ oder zusätzlich kann ein Lichtleiter (ggf. eine Lichtleiterzeile oder ein Lichtleiterarray) vorgesehen sein, der ggf. z. B. per Zwei-Achsen-Linearantrieb relativ zum Baufeld in x-/y-Richtung bewegt werden kann (was z. B. durch alleinige Bewegung oder durch Zusammenwirken mit einer Bewegung der Trägereinrichtung bewirkt werden kann).For certain applications (component structures) it can be advantageous not only to irradiate/solidify in a raster fashion (with a constant or variable raster size), as is possible with a matrix exposure unit or a polygon scanner, but also to form curved solidification paths, e.g. using a galvanometer mirror. Alternatively or additionally, a light guide (possibly a light guide line or a light guide array) can be provided, which can be moved in the x/y direction relative to the construction field, e.g. using a two-axis linear drive (which can be achieved, e.g., by movement alone or by interaction with a movement of the carrier device).
Weiterhin kann ein Strukturieren (z. B. Einbringen von lokalen Löchern) interessant sein. Konkret kann der Laserstrahl von Position zu Position bewegt werden und für eine kurze definierte Zeit an einem Ort verweilen.Furthermore, structuring (e.g. introducing local holes) can be interesting. Specifically, the laser beam can be moved from position to position and remain in one place for a short, defined time.
Die obige Hilfsbestrahlungseinheit (bzw. komplementäre Bestrahlungseinheit, insbesondere Komplementärlaser) kann z. B. ein CO2- oder Nd:YAG-Laser (z. B. mit scannerbasierter Steuerung) sein, insbesondere zum Aufschmelzen von Metallen und/oder Polymeren, die mit der Wellenlänge und/oder Leistung eines VCSEL und/oder VECSEL oder eines anderen Diodenlasers nicht aufschmelzbar sind, beispielsweise wegen mangelnder Absorption von eingetragener Energie. Insbesondere eignen sich die Emissionswellenlägen eines CO-Lasers (im mittel infraroten Bereich 4,8-8,3 µm) und/oder eines CO2-Laser (im mittelinfraroten Bereich insbesondere 9,4 und 10,6 µm) für die Verarbeitung (Verfestigung) von metallenthaltenden, insbesondere lithiumenthaltenden, Keramiken und Oxiden. Auch wenn beispielsweise Leitruß als Absorber beigefügt wird, können möglicherweise (ohne eine solche Maßnahme) nicht alle denkbaren Aufbaumaterialien zufriedenstellend aufgeschmolzen werden.The above auxiliary irradiation unit (or complementary irradiation unit, in particular complementary laser) can be, for example, a CO 2 or Nd:YAG laser (e.g. with scanner-based control), in particular for melting metals and/or polymers that cannot be melted with the wavelength and/or power of a VCSEL and/or VECSEL or another diode laser, for example due to insufficient absorption of introduced energy. In particular, the emission wavelengths of a CO laser (in the mid-infrared range 4.8-8.3 µm) and/or a CO 2 laser (in the mid-infrared range in particular 9.4 and 10.6 µm) are suitable for processing (solidifying) metal-containing, in particular lithium-containing, ceramics and oxides. Even if, for example, conductive carbon black is added as an absorber, it may not be possible (without such a measure) to melt all conceivable building materials satisfactorily.
Vorzugsweise erfolgt (insbesondere beim zweiten Aspekt, ggf. auch beim ersten Aspekt) das Aufbringen mittels einer verfahrbaren Beschichtungseinheit. Alternativ oder zusätzlich erfolgt (insbesondere beim zweiten Aspekt, ggf. auch beim ersten Aspekt) die Verfestigung mittels einer verfahrbaren Bestrahlungseinheit. Unter einer verfahrbaren Beschichtungseinheit ist vorzugsweise zu verstehen, dass die Beschichtungseinheit (insgesamt), also beispielsweise nicht nur ein Beschichtungsarm, derart verfahren werden kann, dass sie über verschiedenen Bereichen (beispielsweise verschiedenen Einzel-Baufeldern) angeordnet werden kann, beispielsweise um mehrere Komponenten (gleicher oder verschiedener Form) in einer Ebene aufzubringen. Das Verfahren erfolgt vorzugsweise translatorisch in einer Richtung, besonders bevorzugt alternierend zwischen zwei Endpositionen, die an bzw. nahe bei Enden des Baufelds liegen.Preferably (in particular in the second aspect, possibly also in the first aspect) the application is carried out by means of a movable coating unit. Alternatively or additionally (in particular in the second aspect, possibly also in the first aspect) the solidification is carried out by means of a movable irradiation unit. A movable coating unit is preferably understood to mean that the coating unit (as a whole), i.e. not just a coating arm, for example, can be moved in such a way that it can be arranged over different areas (for example different individual construction fields), for example in order to apply several components (of the same or different shape) in one plane. The process is preferably carried out translationally in one direction, particularly preferably alternating between two end positions that are at or near the ends of the construction field.
Gegebenenfalls ist die Beschichtungseinheit derart verfahrbar, dass verschiedene (beispielsweise auf gleicher Höhe angeordnete) Schichten aufgebracht werden können. Insbesondere beschränkt sich die Verfahrbarkeit nicht (alleine) darauf, dass ein Verfahren zum Zwecke des Schichtauftrags erfolgt. Im Allgemeinen kann es sich jedoch bei der Beschichtungseinheit um eine solche handeln, die (ggf. ausschließlich) zum Zwecke des Schichtauftrags verfahren wird. Die (verfahrbare) Bestrahlungseinheit ist vorzugsweise so konfiguriert, dass sie (insgesamt) bewegt werden kann, beispielsweise um die zuvor genannten nebeneinander liegenden Schichten, die durch die Beschichtungseinheit aufgebracht wurden, (selektiv) zu verfestigen. Durch eine derartige verfahrbare Beschichtungseinheit und/oder eine derartige verfahrbare Bestrahlungseinheit können vergleichsweise große Flächen eines Trägermaterials mit einem (selektiv) verfestigten Aufbaumaterial ausgestattet werden. Eine Vereinzelung kann dann beispielsweise durch Auftrennen des Trägermaterials (einschließlich Aufbaumaterial) oder Auftrennen des Aufbaumaterials erfolgen.If necessary, the coating unit can be moved in such a way that different layers (for example arranged at the same height) can be applied. In particular, the mobility is not limited (solely) to a process being carried out for the purpose of applying the layer. In general, however, the coating unit can be one that is moved (if necessary exclusively) for the purpose of applying the layer. The (movable) irradiation unit is preferably configured in such a way that it can be moved (as a whole), for example in order to (selectively) solidify the aforementioned adjacent layers that were applied by the coating unit. By means of such a movable coating unit and/or such a movable irradiation unit, comparatively large areas of a carrier material can be provided with a (selectively) solidified building material. Separation can then be carried out, for example, by separating the carrier material (including building material) or separating the building material.
Ein Baufeld zur Verfestigung ist vorzugsweise rechteckförmig, kreisförmig, kreissegmentförmig, kreissektorförmig, ringförmig oder ringsegmentförmig.A construction field for consolidation is preferably rectangular, circular, circular segment-shaped, circular sector-shaped, annular or annular segment-shaped.
In Ausführungsformen erfolgt eine rotatorische (kontinuierliche) Beschichtung. Beispielsweise kann dazu eine rotierende Beschichtungseinrichtung ausgebildet werden. Daraus kann eine schraubenförmige Verfestigung resultieren.In embodiments, a rotary (continuous) coating is carried out. For example, a rotating coating device can be designed for this purpose. This can result in a helical solidification.
Eine Beschichtungseinheit zum Aufbringen des Aufbaumaterials umfasst vorzugsweise mindestens eine Rolle (ggf. genau zwei oder genau drei oder mehr Rollen), wobei vorzugsweise mindestens einer der ggf. mehreren Rollen eine Antriebseinheit zugeordnet ist. Weiter vorzugsweise kann eine Umfangsgeschwindigkeit der (jeweiligen) Rolle im Verhältnis zu einer (relativen) Verfahrgeschwindigkeit des Substratmaterials gegenüber der jeweiligen Rolle einstellbar sein. Bspw. kann die Umfangsgeschwindigkeit der Rolle gleich wie die Verfahrgeschwindigkeit des Substratmaterials gegenüber der jeweiligen Rolle sein. Alternativ kann die Umfangsgeschwindigkeit der Rolle unterschiedlich zur (niedriger oder höher als die) Verfahrgeschwindigkeit des Substratmaterials gegenüber der jeweiligen Rolle sein. Die Bewegung des Umfangs der (jeweiligen) Rolle in einem Abschnitt, der dem Substratmaterial zugewandt ist, ist vorzugsweise einstellbar. Bspw. kann in die gleiche oder in die umgekehrte Richtung relativ zur Bewegung des Substratmaterials verlaufen.A coating unit for applying the building material preferably comprises at least one roller (possibly exactly two or exactly three or more rollers), wherein preferably at least one of the possibly several rollers is assigned a drive unit. Further preferably, a peripheral speed of the (respective) roller can be adjustable in relation to a (relative) travel speed of the substrate material relative to the respective roller. For example, the peripheral speed of the roller can be the same as the travel speed of the substrate material relative to the respective roller. Alternatively, the peripheral speed of the roller can be different from (lower or higher than) the travel speed of the substrate material relative to the respective roller. The Movement of the circumference of the (respective) roller in a portion facing the substrate material is preferably adjustable. For example, it can be in the same or in the opposite direction relative to the movement of the substrate material.
Die (jeweilige) Rolle der Beschichtungseinheit kann einen Durchmesser von 10 mm - 200 mm aufweisen. nennen sowie die Drehrichtung und Drehzahl erwähnen.The (respective) roller of the coating unit can have a diameter of 10 mm - 200 mm. as well as mention the direction of rotation and speed.
Es können zwei Rollen auf unterschiedlichen z-Höhen-Niveaus angeordnet sein. Eine auftragende Rolle kann aus dosiertem Pulver eine ebene Schicht mit einer ersten Höhe bilden. Eine nachlaufende verdichtende Rolle kann die eingeebnete Schicht komprimieren, da sie tiefergelegt ist. In einem Wechselbetrieb (alternierender Auftrag) können die Rollen ihre Höhenposition schichtweise tauschen.Two rollers can be arranged at different z-height levels. An applying roller can form a level layer with a first height from dosed powder. A following compacting roller can compress the leveled layer because it is lowered. In alternating operation (alternating application), the rollers can swap their height position layer by layer.
Die (jeweilige) Rolle kann als Walze (insbesondere zum Verdichten einer aufgetragenen Schicht) ausgebildet sein.The (respective) roller can be designed as a roller (in particular for compacting an applied layer).
Die (jeweilige) Rolle (Walze) kann ein Haftreduzierungsmittel zur Reduzierung einer Anhaftung von Aufbaumaterial an der Rollenoberfläche aufweisen.The (respective) roller (cage) may comprise an adhesion reducing agent for reducing adhesion of build material to the roller surface.
Zumindest eine Rolle kann sich zumindest im Wesentlichen über die gesamte Breite des Trägermaterials erstrecken, insbesondere über mindestens 70 % oder mindestens 90 % oder mindestens 99 % der Breite.At least one roll can extend at least substantially over the entire width of the carrier material, in particular over at least 70% or at least 90% or at least 99% of the width.
Die (jeweilige) Rolle kann (während des Beschichtens) vibrieren oder zumindest in Vibration versetzbar sein.The (respective) roller can vibrate (during coating) or at least be set into vibration.
Der (jeweiligen) Rolle kann ein Abstreifer zugeordnet werden, um an der Rolle anhaftendes Aufbaumaterial abzustreifen.A scraper can be assigned to the (respective) roll in order to remove build-up material adhering to the roll.
Weiterhin kann die (jeweilige) Rolle eine Fluidisiereinrichtung aufweisen, die beispielsweise Kanäle zum Zuführen eines (ggf. unter Druck stehenden) Gases umfasst. Dadurch können beispielsweise Pulverbrücken gelöst werden und/oder ein Nachfließen des Aufbaumaterials (Pulvers) ermöglicht werden.Furthermore, the (respective) roller can have a fluidizing device, which for example comprises channels for supplying a (possibly pressurized) gas. This can, for example, loosen powder bridges and/or enable the build-up material (powder) to continue to flow.
Ein Abstand zwischen mindestens einer Rolle und einem Trägermaterial (bzw. der Trägerfolie) kann einstellbar sein, beispielsweise in einem Bereich von 5-500 µm, vorzugsweise 10-100 µm, besonders bevorzugt 50-70 µm. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine Schichtstärke eingestellt werden.A distance between at least one roller and a carrier material (or the carrier film) can be adjustable, for example in a range of 5-500 µm, preferably 10-100 µm, particularly preferably 50-70 µm. This allows a layer thickness to be set in a simple manner.
Die Beschichtungseinheit kann als Mehrkammerbeschichter ausgebildet sein (z. B. zur lokal gezielten Dosierung und zum Auftrag von mindestens zwei Aufbaumaterialien). Die Beschichtungseinheit kann mindestens eine Dosiereinheit aufweisen, die vorzugsweise mindestens einen Kammerdosierer und/oder einen oder mehrere steuerbare Auslässe umfasst. Die Dosiereinheit kann sich zumindest im Wesentlichen (d. h. insbesondere zu mindestens 70 % oder mindestens 90 % oder mindestens 99 % der Breite) über die gesamte Breite des Trägermaterials erstrecken. Die Dosiereinheit kann (zumindest abschnittsweise) während des Beschichtens vibrieren oder zumindest in Vibration versetzbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Dosiereinheit eine Fluidisiereinrichtung aufweisen, die beispielsweise eine Vielzahl von Kanälen umfasst, über die (insbesondere unter Druck stehendes) Gas zuführbar ist.The coating unit can be designed as a multi-chamber coater (e.g. for locally targeted dosing and for applying at least two building materials). The coating unit can have at least one dosing unit, which preferably comprises at least one chamber dosing device and/or one or more controllable outlets. The dosing unit can extend at least substantially (i.e. in particular at least 70% or at least 90% or at least 99% of the width) over the entire width of the carrier material. The dosing unit can vibrate (at least in sections) during coating or at least be set into vibration. Alternatively or additionally, the dosing unit can have a fluidizing device which, for example, comprises a plurality of channels through which gas (in particular under pressure) can be supplied.
Wenn die Dosiereinheit mehrere steuerbare Auslässe umfasst, können diese vorzugsweise (selektiv) geöffnet (bzw. selektiv - teilweise oder ganz - verschlossen) werden, so dass eine Dosierung über die Breite des Trägermaterials variiert wird bzw. werden kann.If the dosing unit comprises several controllable outlets, these can preferably be (selectively) opened (or selectively - partially or completely - closed) so that dosing is or can be varied across the width of the carrier material.
Das Verfestigen kann in einer Prozesskammer erfolgen. Eine Prozessgasatmosphäre (insbesondere eine Prozessgasatmosphäre in der Prozesskammer) kann im Wesentlichen sauerstofffrei sein (z. B. einen Sauerstoffgehalt von weniger als 10000 ppm, bevorzugt kleiner 1000 ppm, weiter bevorzugt kleiner 500 ppm, besonders bevorzugt kleiner 200 ppm, aufweisen). Alternativ oder zusätzlich kann die Prozessgasatmosphäre zu mindestens 50 Vol.%, vorzugsweise zu mindestens 90 Vol.-%, weiter vorzugsweise zu mindestens 99 Vol.-% mindestens ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff und/oder mindestens eine Edelgas, wie beispielsweise Ar oder He, umfassen.Solidification can take place in a process chamber. A process gas atmosphere (in particular a process gas atmosphere in the process chamber) can be essentially oxygen-free (e.g. have an oxygen content of less than 10,000 ppm, preferably less than 1,000 ppm, more preferably less than 500 ppm, particularly preferably less than 200 ppm). Alternatively or additionally, the process gas atmosphere can comprise at least 50 vol.%, preferably at least 90 vol.%, more preferably at least 99 vol.% of at least one inert gas, such as nitrogen and/or at least one noble gas, such as Ar or He.
Eine Prozessgasströmung (insbesondere Schutzgasströmung) über der jeweils aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials kann vorzugsweise zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Förderrichtung des Aufbaumaterials und/oder einer Beschichtungsrichtung des Aufbaumaterials erfolgen.A process gas flow (in particular a protective gas flow) over the respectively applied layer of the building material can preferably take place at least substantially perpendicular to a conveying direction of the building material and/or a coating direction of the building material.
Es kann eine Monitoring-Einheit ausgebildet sein, die beispielsweise Defekte und/oder Auffälligkeiten bzw. Abweichungen, beispielsweise eine Delamination erkennen kann.A monitoring unit can be designed which can detect defects and/or abnormalities or deviations, for example delamination.
Eine solche Monitoring-Einheit kann vorzugsweise auf optischer Tomographie, d. h. einer ortsaufgelösten Messung von Wärmestrahlung basieren, die ausgehend vom Baufeld emittiert wird. Die Monitoring-Einheit kann beispielsweise gleichermaßen für die selektive Verfestigung von (in Gewichtsprozent überwiegend) metallischem und (in Gewichtsprozent überwiegend) polymerischem Aufbaumaterial ausgelegt sein, wozu beispielsweise eine entsprechend hohe Sensitivität, insbesondere auch in einem unteren Temperaturbereich gewährleistet werden kann. Denkbar wäre auch mit zwei separaten Monitoring-Einheiten zu arbeiten oder eine Monitoring-Einheit mit gemeinsamer Optik auszubilden, die über zwei signalverarbeitende Stränge angeschlossen werden können (die beispielsweise in einem Fall auf einen vergleichsweise hohen und in einem anderen Fall auf einen vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich optimiert sind und/oder unterschiedliche Bandpassfilter aufweisen).Such a monitoring unit can preferably be based on optical tomography, ie a spatially resolved measurement of thermal radiation emitted from the construction site. The monitoring unit can, for example, be of the same be designed for the selective solidification of (in weight percent predominantly) metallic and (in weight percent predominantly) polymeric construction material, for which, for example, a correspondingly high sensitivity can be guaranteed, especially in a lower temperature range. It would also be conceivable to work with two separate monitoring units or to design a monitoring unit with a common optics that can be connected via two signal processing strands (which, for example, are optimized in one case for a comparatively high temperature range and in another case for a comparatively low temperature range and/or have different bandpass filters).
Alternativ oder zusätzlich kann eine aktive Tomographie zum Einsatz kommen, insbesondere um eine Anhaftung an einer Trägerfolie zu prüfen. Hierbei kann Energie (z.B. Blitzlicht) auf die Trägerfolie aufgebracht und die Schicht mit einer Thermokamera aufgenommen werden. Überall dort, wo sich die Schicht nicht sauber verbunden hat, wird sie wärmer, da sie die Energie nicht an das Substrat/Folie abgeben kann.Alternatively or in addition, active tomography can be used, particularly to check adhesion to a carrier film. Energy (e.g. flashlight) can be applied to the carrier film and the layer can be recorded with a thermal camera. Wherever the layer has not bonded cleanly, it becomes warmer because it cannot transfer the energy to the substrate/film.
Das Trägermaterial bzw. Trägerband kann vollständig oder teilweise innerhalb der Prozesskammer bzw. Prozessgasatmosphäre verlaufen. Beispielsweise kann das Trägermaterial bzw. Trägerband an einer Seite der Prozesskammer in diese eingeführt werden und auf der anderen Seite wieder herausgeführt werden.The carrier material or carrier tape can run completely or partially within the process chamber or process gas atmosphere. For example, the carrier material or carrier tape can be introduced into the process chamber on one side and led out again on the other side.
Die Bestrahlungseinheit kann mindestens eine Strahlungsquelle, insbesondere mindestens eine Lasereinrichtung, umfassen, die zum Emittieren gebündelter, lokalisiert auf das Aufbaumaterial auftreffender Strahlung ausgebildet ist. Darunter ist insbesondere eine Bestrahlung zu verstehen, bei der keine Maske verwendet wird, um eine breitgestreute Bestrahlung nur selektiv auf das Aufbaumaterial auftreffen zu lassen.The irradiation unit can comprise at least one radiation source, in particular at least one laser device, which is designed to emit bundled radiation that impinges on the building material in a localized manner. This is to be understood in particular as an irradiation in which no mask is used in order to allow a broadly scattered irradiation to impinge only selectively on the building material.
Zumindest eine Verfestigungszone, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird, kann vorzugsweise (mittelbar oder unmittelbar) beheizt oder gekühlt werden, weiter vorzugsweise durch Aufheizen bzw. Kühlen der Trägereinrichtung und/oder durch Aufheizen bzw. Kühlen einer Unterlage (z. B. eines Trägertisches) für die Trägereinrichtung und/oder durch Aufheizen bzw. Kühlen des Aufbaumaterials, beispielsweise mittels Strahlung, ggf. mittels der Bestrahlungseinheit zur Verfestigung und/oder einer weiteren Bestrahlungseinheit, z. B. einer Infrarot-Strahlungsquelle oder einer Anzahl von VCSEL-Strahlern. Eine Heizung kann auch alternativ oder zusätzlich mittels mindestens einer Widerstandsheizeinrichtung, beispielsweise zur Aufheizung der Unterlage, erfolgen.At least one solidification zone in which the building material is solidified can preferably be heated or cooled (directly or indirectly), more preferably by heating or cooling the carrier device and/or by heating or cooling a base (e.g. a carrier table) for the carrier device and/or by heating or cooling the building material, for example by means of radiation, possibly by means of the irradiation unit for solidification and/or a further irradiation unit, e.g. an infrared radiation source or a number of VCSEL radiators. Heating can also alternatively or additionally take place by means of at least one resistance heating device, for example for heating the base.
Durch eine Heizung (Erwärmung) und/oder Kühlung können auf einfache Art und Weise, insbesondere bei der Verwendung verschiedener Materialien (z. B. in verschiedenen Schichten) entsprechende Unterschiede, beispielsweise im Hinblick auf eine Schmelztemperatur, ausgeglichen werden, insbesondere wenn dieselbe Bestrahlungseinheit verwendet wird. Beispielsweise kann bei einem Aufschmelzen von einer ersten Schicht, eine zusätzliche Wärmebestrahlung zur Erwärmung (Temperierung) erfolgen und beim Aufschmelzen einer zweiten Schicht eine solche Bestrahlung unterbleiben oder nur reduziert ausgeführt werden, und/oder eine Kühlung erfolgen. Die erste Schicht kann (zu mindestens 30 Gew.-% oder zu mindestens 50 Gew.-% oder mindestens 70 Gew.-% oder mindestens 90 Gew.-%) Metall umfassen und die zweite Schicht kann (zu mindestens 30 Gew.-% oder mindestens 50 Gew.-% oder mindestens 70 Gew.-% oder mindestens 90 Gew.-%) Polymer umfassen; oder umgekehrt. Unter einer Aufheizung (Erwärmung) bzw. Kühlung ist vorzugsweise eine aktive Aufheizung bzw. Kühlung zu verstehen. Eine (aktive) Aufheizung kann beispielsweise mittels mindestens einer Widerstandsheizung und/oder einer Strahlungsheizung erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine (aktive) Aufheizung und/oder Kühlung beispielsweise mittels mindestens einer Wärmepumpe und/oder mittels mindestens eines Peltier-Elements erfolgen.By heating (warming) and/or cooling, corresponding differences, for example with regard to a melting temperature, can be compensated in a simple manner, particularly when using different materials (e.g. in different layers), especially when the same irradiation unit is used. For example, when melting a first layer, additional heat irradiation can be used for heating (tempering), and when melting a second layer, such irradiation can be omitted or only carried out to a reduced extent, and/or cooling can be carried out. The first layer can comprise metal (at least 30% by weight or at least 50% by weight or at least 70% by weight or at least 90% by weight) and the second layer can comprise polymer (at least 30% by weight or at least 50% by weight or at least 70% by weight or at least 90% by weight); or vice versa. Heating (warming) or cooling is preferably understood to mean active heating or cooling. (Active) heating can be carried out, for example, by means of at least one resistance heater and/or one radiant heater. Alternatively or additionally, (active) heating and/or cooling can be carried out, for example, by means of at least one heat pump and/or by means of at least one Peltier element.
Beispielsweise kann das jeweilige Aufbaumaterial auf eine Temperatur knapp unterhalb der Schmelztemperatur aufgeheizt werden (z. B. auf eine Temperatur, die maximal 10 % unter der Schmelztemperatur liegt, wenn diese in °C ausgedrückt wird). Hier (weiter oben und nachfolgend) soll unter einer Schmelztemperatur insbesondere eine Temperatur verstanden werden, bei der das jeweilige Aufbaumaterial eine Viskosität aufweist, die unterhalb von 25.000 mPas, ggf. unterhalb von 5.000 mPas liegt (vorzugsweise gemessen gemäß EN ISO 3219, wie zum Prioritäts- bzw. Anmeldezeitpunkt gültig).For example, the respective building material can be heated to a temperature just below the melting temperature (e.g. to a temperature that is a maximum of 10% below the melting temperature when this is expressed in °C). Here (above and below), a melting temperature is to be understood in particular as a temperature at which the respective building material has a viscosity that is below 25,000 mPas, possibly below 5,000 mPas (preferably measured in accordance with EN ISO 3219, as valid at the time of priority or filing).
Insbesondere bei einer Bestrahlungseinheit, die eine Vielzahl von (insbesondere einzeln steuerbaren) Strahlungsaustrittsabschnitten (z. B. einzelnen Laserdioden) aufweist, kann eine Leistung Einzelner der Strahlungsaustrittsabschnitte (Laserdioden) so gesteuert werden, dass nur eine Erwärmung des Aufbaumaterials erfolgt, wobei andere wiederum insbesondere so gesteuert werden, dass (jedenfalls in Zusammenwirken mit weiteren Strahlungsaustrittsabschnitten bzw. Laserdioden) ein Aufschmelzen erfolgt.In particular, in the case of an irradiation unit which has a plurality of (in particular individually controllable) radiation exit sections (e.g. individual laser diodes), the power of individual radiation exit sections (laser diodes) can be controlled in such a way that only the construction material is heated, while others are in turn controlled in such a way that (at least in cooperation with further radiation exit sections or laser diodes) melting occurs.
Das Aufbaumaterial kann nach einem (initialen) Aufbringen und (ggf. selektiven) Verfestigen des Aufbaumaterials und optional vor einem (ggf. selektiven) Aufbringen eines weiteren Aufbaumaterials selektiv, insbesondere durch Absaugen, entfernt werden, weiter vorzugsweise mittels mindestens einer Absaugeinheit, vorzugsweise Absaugdüsenanordnung, wobei die Absaugdüsenanordnung vorzugsweise eine Vielzahl von Absaugdüsen, vorzugsweise in Zeilen und/oder Spalten angeordnet, umfasst, und/oder wobei die Absaugeinheit vorzugsweise an der Beschichtungseinheit angeordnet ist.The build-up material can be applied after (initial) application and (if necessary selective) solidification of the build-up material and optionally before (if necessary selective) application of another build-up material selectively removed, in particular by suction, further preferably by means of at least one suction unit, preferably a suction nozzle arrangement, wherein the suction nozzle arrangement preferably comprises a plurality of suction nozzles, preferably arranged in rows and/or columns, and/or wherein the suction unit is preferably arranged on the coating unit.
Konkret kann eine Absaugdüsenzeile und/oder Matrix zu einem gezieltem (lokalem) Absaugen unverfestigten Aufbaumaterials vorgesehen sein. Besonders bevorzugt kann in denjenigen Bereichen, in denen Aufbaumaterial (lokal) abgesaugt worden ist, ein weiteres (insbesondere anderes) Aufbaumaterial aufgebracht werden, so dass ggf. in derselben Ebene (bzw. Schicht) verschiedene Aufbaumaterialien (selektiv) verfestigt werden können.Specifically, a suction nozzle row and/or matrix can be provided for targeted (local) suction of unsolidified build-up material. Particularly preferably, in those areas in which build-up material has been (locally) suctioned off, another (in particular different) build-up material can be applied so that, if necessary, different build-up materials can be (selectively) solidified in the same plane (or layer).
Eine Absaug-Auflösung der Absaugeinrichtung in Längsrichtung und/oder Breitenrichtung und/oder vertikaler Richtung ist vorzugsweise maximal 100-mal, weiter vorzugsweise maximal 20-mal, weiter vorzugsweise maximal 5-mal, weiter vorzugsweise maximal 2-mal, noch weiter vorzugsweise maximal 1-mal so groß wie eine Auflösung der Bestrahlungseinheit.A suction resolution of the suction device in the longitudinal direction and/or width direction and/or vertical direction is preferably a maximum of 100 times, more preferably a maximum of 20 times, more preferably a maximum of 5 times, more preferably a maximum of 2 times, even more preferably a maximum of 1 time as large as a resolution of the irradiation unit.
Das Aufbaumaterial kann in einem trockenen Zustand aufgebracht bzw. geschichtet (beschichtet) werden. Das Aufbaumaterial kann Partikel umfassen bzw. aus einem, insbesondere zumindest im Wesentlichen trockenen, Pulver gebildet werden. Die Partikel des Aufbaumaterials können eine (mittlere) Partikelgröße von mindestens 1 nm, vorzugsweise mindestens 100 nm, weiter vorzugsweise mindestens 1 µm und/oder von höchstens 200 µm, vorzugsweise höchstens 10 µm aufweisen, weiter vorzugsweise höchstens 5 µm, aufweisen.The building material can be applied or layered (coated) in a dry state. The building material can comprise particles or be formed from a powder, in particular at least substantially dry. The particles of the building material can have an (average) particle size of at least 1 nm, preferably at least 100 nm, more preferably at least 1 µm and/or of at most 200 µm, preferably at most 10 µm, more preferably at most 5 µm.
Die Korngröße bzw. Partikelgröße kann ggf. mit Laser-Beugungsverfahren (insbesondere mittels Laser-Beugungsmessung nach ISO 13320 oder ASTM B822) bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Partikelgrößen durch Ausmessen (beispielsweise mittels Mikroskop) und/oder mit dynamischer Bildanalyse (vorzugsweise nach ISO 13322-2, ggf. mittels des CAMSIZER @ XT der Retsch Technology GmbH) bestimmt werden. Wenn die Partikelgröße aus einer 2-dimensionalen Abbildung (z. B. eines Mikroskops, insbesondere Elektronenmikroskops, ggf. Rasterelektronenmikroskops) bestimmt wird, wird vorzugsweise der jeweilige Durchmesser (maximaler Durchmesser bzw. Äquivalenz-Durchmesser) herangezogen, der sich aus der 2-dimensionalen Abbildung ergibt.The grain size or particle size can be determined using laser diffraction methods (in particular using laser diffraction measurement in accordance with ISO 13320 or ASTM B822). Alternatively or additionally, the particle sizes can be determined by measuring (e.g. using a microscope) and/or using dynamic image analysis (preferably in accordance with ISO 13322-2, if necessary using the CAMSIZER @ XT from Retsch Technology GmbH). If the particle size is determined from a 2-dimensional image (e.g. from a microscope, in particular an electron microscope, if necessary a scanning electron microscope), the respective diameter (maximum diameter or equivalent diameter) resulting from the 2-dimensional image is preferably used.
Die (mittlere) Korngröße bzw. Partikelgröße der einzelnen Partikel des Aufbaumaterials ist vorzugsweise eine d50-Partikelgröße. Bei der mittleren Partikelgröße steht die Angabe d (Zahlenwert) für die Anzahl der Partikel (in Massen- und/oder Volumen-Prozent), die kleiner oder gleich groß sind, wie die angegebene Korngröße bzw. Partikelgröße (d. h. bei einem d50 von 50 µm haben 50 % der Partikel eine Größe von ≤ 50 µm). Die Korngröße wird vorzugsweise über den Durchmesser eines einzelnen Partikels bestimmt, bei dem es sich wiederum ggf. um den jeweiligen maximalen Durchmesser (= Supremum aller Abstände je zweier Punkte des Partikels) oder um einen Siebdurchmesser oder um einen (insbesondere volumenbezogenen) Äquivalenz-Kugel-Durchmesser handeln kann. Wenn die Partikel zumindest teilweise agglomeriert sind, soll als jeweilige Partikelgröße (Korngröße) insbesondere die Größe des einzelnen Partikels im jeweiligen Agglomerat herangezogen werden (Primärpartikelgröße).The (average) grain size or particle size of the individual particles of the building material is preferably a d50 particle size. For the average particle size, the d (numerical value) stands for the number of particles (in mass and/or volume percent) that are smaller than or equal to the specified grain size or particle size (i.e. with a d50 of 50 µm, 50% of the particles have a size of ≤ 50 µm). The grain size is preferably determined via the diameter of an individual particle, which in turn can be the respective maximum diameter (= supremum of all distances between any two points of the particle) or a sieve diameter or an equivalent sphere diameter (in particular volume-related). If the particles are at least partially agglomerated, the size of the individual particle in the respective agglomerate (primary particle size) should be used as the respective particle size (grain size).
Die einzelnen Partikel des Aufbaumaterials können (zumindest annähernd) gleich groß sein oder es kann eine Partikelgrößenverteilung vorliegen.The individual particles of the building material can be (at least approximately) the same size or there can be a particle size distribution.
Konkret kann das Aufbaumaterial ein Pulver und/oder eine Partikel-Suspension (Nanopartikel-Suspension) umfassen.Specifically, the building material can comprise a powder and/or a particle suspension (nanoparticle suspension).
Alternativ oder zusätzlich kann das Aufbaumaterial (zumindest teilweise) flüssig, z. B. aus einem Kunstharz in seinem Ausgangszustand, vorliegen oder pastös sein.Alternatively or additionally, the build-up material can be (at least partially) liquid, e.g. made of a synthetic resin in its original state, or it can be pasty.
Alternativ oder zusätzlich kann das Aufbaumaterial mindestens einen zusammenhängenden (ggf., z. B. durch einen Druck bei der Beschichtung, vorverfestigten) Körper umfassen.Alternatively or additionally, the build-up material may comprise at least one coherent body (which may be pre-solidified, e.g. by pressure during coating).
Das Aufbaumaterial kann in verschiedenen Varianten (kumulativ oder jeweils für sich) bereitgestellt und eingesetzt werden.The construction material can be provided and used in different variants (cumulatively or individually).
Das Aufbaumaterial kann ein metallenthaltendes Aufbaumaterial sein und zumindest ein reines Metall, und/oder zumindest eine mindestens ein metallisches Element enthaltende Verbindung umfassen. Vorzugsweise umfasst ein metallenthaltendes Aufbaumaterial Lithium, bspw. in Form von reinem Lithium und/oder von LFP (Lithium-Eisen-Phosphat), LCO (Lithium-Kobalt-Oxid), und/oder NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt Oxide) und/oder NCA (Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxide) und/oder LAGP (Lithium-Aluminium-Germanium-Phosphate) und/oder LATP (Lithium-Aluminium-Titanium-Phosphate) und/oder LLTO (Lithium-Lanthanium-Titan-Oxid) und/oder LLZO (Lithium-Lanthanium-Zirkonium-Oxide), alle diese Materialien optional in Form von metallenthaltenden Festeletrolytkeramik. Ein metallenthaltendes Aufbaumaterial kann außerdem Aluminium, bspw. in Form von reinem Aluminium, und/oder Kobalt, bspw. in Form von reinem Kobalt und/oder Nickel, bspw. in Form von reinem Nickel, und/oder Kupfer, bspw. in Form von reinem Kupfer. Ein derartiges metallenthaltendes Aufbaumaterial kann mindestens ein Metall und/oder eine zumindest ein metallisches Element enthaltende Verbindung zu mindestens 30 Gew.-% oder 50 Gew.-% oder 70 Gew.-% oder 90 Gew.-% oder zu zumindest annähernd 100 Gew.-% umfassen.The building material can be a metal-containing building material and can comprise at least one pure metal and/or at least one compound containing at least one metallic element. Preferably, a metal-containing construction material comprises lithium, for example in the form of pure lithium and/or LFP (lithium iron phosphate), LCO (lithium cobalt oxide), and/or NMC (lithium nickel manganese cobalt oxide) and/or NCA (lithium nickel cobalt aluminum oxide) and/or LAGP (lithium aluminum germanium phosphate) and/or LATP (lithium aluminum titanium phosphate) and/or LLTO (lithium lanthanium titanium oxide) and/or LLZO (lithium lanthanium zirconium oxide), all of these materials optionally in the form of metal-containing solid electrolyte ceramics. A metal-containing construction material can also comprise aluminum, for example in the form of pure aluminum, and/or cobalt, for example in the form of pure cobalt and/or nickel, for example in the form of pure nickel, and/or copper, for example in the form of pure copper. Such a metal-containing construction material can comprise at least one metal and/or a compound containing at least one metallic element to the extent of at least 30% by weight or 50% by weight or 70% by weight or 90% by weight or to the extent of at least approximately 100% by weight.
Das Aufbaumaterial kann ein polymerenthaltendes Aufbaumaterial sein und zumindest ein Polymer umfassen, vorzugsweise PVDF (Polyvinylidenedifluoride) und/oder und/oder PVDF-HFP (Polyvinyldenedifluoride-Co-Hexafluorpropylene) und/oder PEO (Polyethilenoxide) und/oder Nafion, optional in Form von Festelektrolytpolymere. Insbesondere kann zumindest ein Polymer im polymerenthaltenden Aufbaumaterial ein Binder sein, bspw. PVDF. Ein derartiges polymerenthaltendes Aufbaumaterial kann mindestens ein Polymer zu mindestens 50 Gew.-% oder mindestens 70 Gew.-% oder mindestens 90 Gew.-% oder zu zumindest annähernd 100 Gew.-% umfassen.The building material can be a polymer-containing building material and comprise at least one polymer, preferably PVDF (polyvinylidene difluoride) and/or and/or PVDF-HFP (polyvinyldenedifluoride-co-hexafluoropropylene) and/or PEO (polyethylene oxide) and/or Nafion, optionally in the form of solid electrolyte polymers. In particular, at least one polymer in the polymer-containing building material can be a binder, e.g. PVDF. Such a polymer-containing building material can comprise at least one polymer to at least 50% by weight or at least 70% by weight or at least 90% by weight or at least approximately 100% by weight.
Das Aufbaumaterial kann ein metall- und polymerarmes Aufbaumaterial sein und kann nicht-metallische Elemente und/oder Halbleiter(-elemente) und/oder Keramik und oder Oxide umfassen (abgesehen von Oxiden, die metallischen Elemente enthalten). Vorzugsweise kann ein metall- und polymerarmes Aufbaumaterial Kohlenstoff, bspw. in Form von Leitruß und/oder Graphit, und /oder Silicium, bspw. in Form von reinem (elementarem) Silicium und/oder in Form von Siliciumoxid, und/oder umfassen. Ein derartiges metall- und polymerarmes Aufbaumaterial kann zumindest im Wesentlichen nicht-metallisch sein und zumindest im Wesentlichen kein Polymer umfassen (vorzugsweise zu zumindest 50 Gew.-% oder mindestens 70 Gew.-% oder mindestens 90 Gew.-% oder zu zumindest annähernd 100 Gew.-% aus nicht-metallischen und nichtpolymeren Stoffen, z. B. Keramik und/oder Oxide und/oder Kohlenstoff und/oder Silicium, bestehen). Besonders bevorzugt umfasst das metall- und polymerarme Aufbaumaterial einen Kohlenstoff (zu zumindest 50 Gew.-% oder mindestens 70 Gew.-% oder mindestens 90 Gew.-% oder zu zumindest annähernd 100 Gew.-%). Im Zusammenhang mit dem metall- und polymerarmem Aufbaumaterial soll „Kohlenstoff“ denjenigen Kohlenstoff meinen, der in Reinform vorliegt (z. B. als Graphit und/oder als Leitruß, also nicht molekular gebunden, beispielsweise in einem Polymer, ist).The construction material can be a low-metal and low-polymer construction material and can comprise non-metallic elements and/or semiconductors (elements) and/or ceramics and/or oxides (apart from oxides containing metallic elements). Preferably, a low-metal and low-polymer construction material can comprise carbon, for example in the form of conductive carbon black and/or graphite, and/or silicon, for example in the form of pure (elemental) silicon and/or in the form of silicon oxide, and/or. Such a low-metal and low-polymer construction material can be at least substantially non-metallic and at least substantially comprise no polymer (preferably consisting of at least 50% by weight or at least 70% by weight or at least 90% by weight or at least approximately 100% by weight of non-metallic and non-polymeric substances, e.g. ceramics and/or oxides and/or carbon and/or silicon). Particularly preferably, the metal- and polymer-poor construction material comprises carbon (at least 50% by weight or at least 70% by weight or at least 90% by weight or at least approximately 100% by weight). In connection with the metal- and polymer-poor construction material, "carbon" should mean the carbon that is present in pure form (e.g. as graphite and/or as conductive carbon black, i.e. not molecularly bound, for example in a polymer).
Weiter kann das Aufbaumaterial ein metallenthaltendes und/oder ein polymerenthaltendes und/oder ein metall- und polymerarmes Aufbaumaterial umfassen. Wenn ein Aufbaumaterial Aufbaumaterialien mit jeweils unterschiedlichen Kompositionen umfasst, werden diese Aufbaumaterialien mit jeweils unterschiedlichen Kompositionen im Folgenden auch Aufbaumaterialkomponente genannt. Das bedeutet, dass ein Aufbaumaterial eine metallenthaltende und/oder eine polymerenthaltende und/oder eine metall- und polymerarme Komponente umfassen kann, wobei eine metallenthaltende, eine polymerenthaltende und eine metall- und polymerenthaltende Aufbaumaterialkomponente entsprechend jeweils einem metallenthaltenden, ein polymerenthaltenden und ein metall- und polymerarmen Aufbaumaterial gebildet ist. Im Folgenden, insbesondere in Bezug auf die Komponente einer elektrochemischen Einrichtung, werden auch Aktivmaterialien beschrieben. Ein Aktivmaterial ist eine Komponente einer elektrochemischen Einrichtung, die aus der Verarbeitung (bspw. aus der Verfestigung durch Bestrahlung) eines Aufbaumaterials und/oder einer Aufbaumaterialkomponente resultiert. Bspw. resultiert ein metallenthaltendes Aktivmaterial aus der Verarbeitung eines metallenthaltendes Aufbaumaterials bzw. einer metallenthaltenden Aufbaumaterialkomponente (gleiches gilt für die anderen oben genannten Aufbaumaterialien bzw. Aufbaumaterialkomponente und die entsprechenden Aktivmaterialien).Furthermore, the construction material can comprise a metal-containing and/or a polymer-containing and/or a metal- and polymer-poor construction material. If a construction material comprises construction materials with different compositions, these construction materials with different compositions are also referred to below as construction material components. This means that a construction material can comprise a metal-containing and/or a polymer-containing and/or a metal- and polymer-poor component, wherein a metal-containing, a polymer-containing and a metal- and polymer-containing construction material component is formed in accordance with a metal-containing, a polymer-containing and a metal- and polymer-poor construction material. Active materials are also described below, particularly with reference to the component of an electrochemical device. An active material is a component of an electrochemical device that results from the processing (e.g. from solidification by irradiation) of a construction material and/or a construction material component. For example, a metal-containing active material results from the processing of a metal-containing building material or a metal-containing building material component (the same applies to the other building materials or building material components mentioned above and the corresponding active materials).
Das Aufbaumaterial kann Additive umfassen (z. B. eine Rieselhilfe und/oder einen Absorber), die in Form separater Partikel und/oder Fasern vorliegen können oder als Teil von Komposit-Partikeln. Insbesondere kann das Aufbaumaterial ein Binder umfassen, welche optional Teil eines polymerenthaltenden Aufbaumaterials ist.The build material may comprise additives (e.g. a flow aid and/or an absorber), which may be in the form of separate particles and/or fibers or as part of composite particles. In particular, the build material may comprise a binder, which is optionally part of a polymer-containing build material.
Das Aufbaumaterial kann Partikel umfassen, die zumindest teilweise einen Metall- und einen Polymeranteil und/oder einen Keramik- und einen Polymeranteil oder einen Metall- und einen Keramikanteil aufweisen (z. B. mit einem Polymer-Binder beschichtete Metallpartikel). Bspw. können Metallpartikel und Polymerpartikeln (Granulaten) und metall- und polymerfreie Partikel vorzugsweise in den oben angegebenen Gewichtsverhältnissen zusammengemischt werden. Anstatt von oder in Kombination mit Partikeln können Fasern, z.B. Carbon- und/oder Keramik- und/oder Oxidfasern, zur Anwendung kommen.The construction material can comprise particles which at least partially have a metal and a polymer portion and/or a ceramic and a polymer portion or a metal and a ceramic portion (e.g. metal particles coated with a polymer binder). For example, metal particles and polymer particles (granules) and metal- and polymer-free particles can be mixed together, preferably in the weight ratios given above. Instead of or in combination with particles, fibers, e.g. carbon and/or ceramic and/or oxide fibers, can be used.
Ein metallenthaltendes Aufbaumaterial (bzw. eine metallenthaltende Aufbaumaterialkomponente) kann zumindest teilweise aus reinem Metall (bspw. Lithium, Kupfer, Aluminium, Kobalt, Nickel) bestehende Partikeln und/oder zumindest teilweise aus einer zumindest ein metallisches Element enthaltenden Verbindung (bspw. LFP, NMC, NCA, LCO, LAGP, LATP, LLTO, LLZO) bestehende Partikeln und aus nicht-metallischen und/oder polymeren Materialien bestehende Partikeln umfassen, welche Partikel miteinander nach den oben angegebenen Gewichtverhältnissen gemischt werden können. Alternativ oder ergänzend kann ein metallenthaltendes Aufbaumaterial zumindest teilweise aus reinem Metall (bspw. Lithium, Kupfer, Aluminium, Kobalt) bestehende Partikel und/oder zumindest teilweise aus einer zumindest ein metallisches Element enthaltenden Verbindung (bspw. LFP NMC, NCA, LCO, LAGP, LATP, LLTO, LLZO) bestehende Partikel umfassen, welche Partikel zusätzlich nicht-metallische und/oder polymere Materialien umfassen können. Beispielweise kann ein metallenthaltender Partikelkern mit einem nicht-metallischen und/oder mit einem polymeren Material beschichtet sein. Umgekehrt kann ein nicht-metallischer und/oder polymerer Partikelkern mit einem metallenthaltenden Material beschichtet sein. Der metallenthaltende Anteil (metallenthaltender Partikelkern oder metallenthaltende Beschichtung) und der nicht-metallische und/oder polymere Anteil (nicht-metallische und/oder polymere Partikelkern oder nicht-metallische und/oder polymere Beschichtung) stehen vorzugsweise nach den oben angegebenen Gewichtverhältnissen zueinander.A metal-containing building material (or a metal-containing building material component) can comprise particles consisting at least partially of pure metal (e.g. lithium, copper, aluminum, cobalt, nickel) and/or particles consisting at least partially of a compound containing at least one metallic element (e.g. LFP, NMC, NCA, LCO, LAGP, LATP, LLTO, LLZO) and particles consisting of non-metallic and/or polymeric materials, which particles can be mixed with one another according to the weight ratios specified above. Alternatively or additionally, a metal-containing construction material can comprise particles consisting at least partially of pure metal (e.g. lithium, copper, aluminum, cobalt) and/or particles consisting at least partially of a compound containing at least one metallic element (e.g. LFP NMC, NCA, LCO, LAGP, LATP, LLTO, LLZO), which particles can additionally comprise non-metallic and/or polymeric materials. For example, a metal-containing particle core can be coated with a non-metallic and/or a polymeric material. Conversely, a non-metallic and/or polymeric particle core can be coated with a metal-containing material. The metal-containing portion (metal-containing particle core or metal-containing coating) and the non-metallic and/or polymeric portion (non-metallic and/or polymeric particle core or non-metallic and/or polymeric coating) are preferably in the weight ratios given above.
Ein polymerenthaltendes Aufbaumaterial (bzw. eine polymerenthaltende Aufbaumaterialkomponente) kann zumindest teilweise aus einem Polymermaterial (bspw. PVDF, PEO, Nafion) bestehende Partikel und aus nicht-metallischen und/oder aus metallenthaltenden Materialien bestehende Partikel umfassen, welche Partikel miteinander nach den oben angegebenen Gewichtverhältnissen gemischt werden können. Alternativ oder ergänzend kann ein polymerenthaltendes Aufbaumaterial zumindest teilweise aus einem Polymer (bspw. PVDF, PEO, Nation) bestehende Partikel umfassen, welche Partikel zusätzlich nicht-metallische und/oder metallenthaltende Materialien umfassen können. Beispielweise kann ein polymerer Partikelkern mit einem nicht-metallischen und/oder mit einem metallenthaltenden Material beschichtet sein. Umgekehrt kann ein nicht-metallischer und/oder metallenthaltender Partikelkern mit einem polymeren Material beschichtet sein. Der polymerenthaltende Anteil (polymerer Partikelkern oder polymere Beschichtung) und der nicht-metallische und/oder metallenthaltende Anteil (nicht-metallischer und/oder metallenthaltender Partikelkern oder nicht-metallische und/oder metallenthaltende Beschichtung) stehen nach den oben angegebenen prozentualen Gewichtverhältnissen zueinander.A polymer-containing construction material (or a polymer-containing construction material component) can comprise particles consisting at least partially of a polymer material (e.g. PVDF, PEO, Nafion) and particles consisting of non-metallic and/or metal-containing materials, which particles can be mixed with one another in the weight ratios given above. Alternatively or additionally, a polymer-containing construction material can comprise particles consisting at least partially of a polymer (e.g. PVDF, PEO, Nafion), which particles can additionally comprise non-metallic and/or metal-containing materials. For example, a polymer particle core can be coated with a non-metallic and/or a metal-containing material. Conversely, a non-metallic and/or metal-containing particle core can be coated with a polymer material. The polymer-containing portion (polymer particle core or polymer coating) and the non-metallic and/or metal-containing portion (non-metallic and/or metal-containing particle core or non-metallic and/or metal-containing coating) are in the percentage weight ratios given above.
Ein metall- und polymerarmes Aufbaumaterial (bzw. eine metall- und polymerarme Aufbaumaterialkomponente) kann zumindest teilweise aus einem metall- und polymerarmen Material (bspw. Keramik, Oxide, abgesehen von metallische Elemente enthaltende Oxiden, Kohlenstoff, insbesondere Leitruß und/oder Graphit, Silicium) bestehenden Partikeln und aus polymeren und/oder aus metallenthaltenden Materialien bestehende Partikeln umfassen, welche Partikel miteinander nach den oben angegebenen Gewichtverhältnissen gemischt werden können. Alternativ oder ergänzend kann ein metall- und polymerarmes Aufbaumaterial zumindest teilweise aus einem metall- und polymerarmen Material (bspw. Keramik, Oxide, abgesehen von metallischen Elementen enthaltende Oxiden, Kohlenstoff, insbesondere Leitruß und/oder Graphit, Silicium) bestehende Partikel umfassen, welche Partikeln zusätzlich polymere und/oder metallenthaltende Materialien umfassen können. Beispielweise kann ein metall- und polymerfreier Partikelkern mit einem polymeren und/oder mit einem metallenthaltenden Material beschichtet sein. Umgekehrt kann ein polymerer und/oder metallenthaltender Partikelkern mit einem metall- und polymerarmen Material beschichtet sein. Der metall- und polymerfreie Anteil (metall- und polymerfreier Partikelkern oder metall- und polymerfreie Beschichtung) und der polymere und/oder metallenthaltende Anteil (polymere und/oder metallenthaltender Partikelkern oder polymere und/oder metallenthaltende Beschichtung) stehen nach den oben angegebenen prozentualen Gewichtverhältnissen zueinander.A low-metal and low-polymer construction material (or a low-metal and low-polymer construction material component) can comprise at least partially particles made of a low-metal and low-polymer material (e.g. ceramic, oxides, apart from oxides containing metallic elements, carbon, in particular conductive carbon black and/or graphite, silicon) and particles made of polymeric and/or metal-containing materials, which particles can be mixed with one another according to the weight ratios given above. Alternatively or additionally, a low-metal and low-polymer construction material can comprise at least partially particles made of a low-metal and low-polymer material (e.g. ceramic, oxides, apart from oxides containing metallic elements, carbon, in particular conductive carbon black and/or graphite, silicon), which particles can additionally comprise polymeric and/or metal-containing materials. For example, a metal- and polymer-free particle core can be coated with a polymeric and/or metal-containing material. Conversely, a polymeric and/or metal-containing particle core can be coated with a low-metal and low-polymer material. The metal- and polymer-free portion (metal- and polymer-free particle core or metal- and polymer-free coating) and the polymeric and/or metal-containing portion (polymeric and/or metal-containing particle core or polymeric and/or metal-containing coating) are in the percentage weight ratios given above.
Alternativ oder ergänzend kann das Aufbaumaterial mindestens ein für die Komponente/den Teil der elektrochemischen Einrichtung spezifisches Aktivmaterial, umfassen, insbesondere:
- ein Kathoden-Aktivmaterial (z.B. LFP, NMC, NCA und/oder LCO), optional einen Binder (z.B. PVDF, insbesondere 2-15 wt.-%, bevorzugt 3-5 wt.-%) und Leitruß (insbesondere 0,1-10 wt.-%, vorzugsweise 0,1-5 wt.-%) und/oder
- ein Anoden-Aktivmaterial (typischerweise Graphit, ggf. mit Anteilen von z. B. 1-60 wt.-%, ggf. 10-15 wt.-% Silizium, und/oder, ggf. zumindest im Wesentlichen reines, Silizium), Binder (z.B. PVDF, insbesondere 5-15 wt.-%) und Leitruß (insbesondere 0,1-10 wt.-%, vorzugsweise 0,1-5 wt.-%) und/oder
- ein Feststoffzellenanoden-Aktivmaterial (z. B. Lithium, insbesondere Lithiumpulver, vorzugsweise ohne Binder) und/oder
- ein Feststoffelektrolytmaterial (z. B. ein polymerenthaltender Feststoffelektrolyt, umfassend PVDF-HFP, PEO und/oder Nafion, und/oder ein Feststoffelektrolyt, umfassend LAGP, LATP, LLTO und/oder LLZO).
- a cathode active material (e.g. LFP, NMC, NCA and/or LCO), optionally a binder (e.g. PVDF, in particular 2-15 wt.%, preferably 3-5 wt.%) and conductive carbon black (in particular 0.1-10 wt.%, preferably 0.1-5 wt.%) and/or
- an anode active material (typically graphite, optionally with proportions of e.g. 1-60 wt.%, optionally 10-15 wt.% silicon, and/or, optionally at least substantially pure silicon), binder (e.g. PVDF, in particular 5-15 wt.%) and conductive carbon black (in particular 0.1-10 wt.%, preferably 0.1-5 wt.%) and/or
- a solid cell anode active material (e.g. lithium, in particular lithium powder, preferably without binder) and/or
- a solid electrolyte material (e.g., a polymer-containing solid electrolyte comprising PVDF-HFP, PEO and/or Nafion, and/or a solid electrolyte comprising LAGP, LATP, LLTO and/or LLZO).
Alternativ oder zusätzlich kann das Aufbaumaterial umfassen: Einen Separator, insbesondere für eine (klassische) Batterie. Dieser kann als (dünne) Polymerfolie ausgebildet werden. Das Polymer kann umfassen (ggf. zu mindestens 50 Gew.-% oder 80 Gew.-%) Polyolefin, z. B. Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyamid, z. B. PA 6 und/oder PA 12 und/oder PA 6.6, und/oder Polyester.Alternatively or additionally, the construction material can comprise: A separator, in particular for a (classic) battery. This can be designed as a (thin) polymer film. The polymer can comprise (possibly at least 50% by weight or 80% by weight) polyolefin, e.g. polyethylene and/or polypropylene, and/or polyamide, e.g. PA 6 and/or
Beim Einsatz von Feststoffelektrolytpolymeren kann eine vergleichsweise gute Ionenleitfähigkeit, eine gute Verarbeitbarkeit, sowie eine hohe Flexibilität erwartet werden, wenn sich beispielsweise Lithium-Metall-Anoden ausdehnen. Wenn sich z. B. die Anode ausdehnt, ist es bevorzugt, wenn der Separator (z.B. aus einem oder mehreren Feststoffelektrolytpolymeren) Kräfte aufnehmen kann und flexibel nachgibt.When using solid electrolyte polymers, comparatively good ion conductivity, good processability and high flexibility can be expected when, for example, lithium metal anodes expand. If, for example, the anode expands, it is preferable if the separator (e.g. made of one or more solid electrolyte polymers) can absorb forces and give way flexibly.
Eine Feststoffelektrolytkeramik bzw. ein entsprechendes Oxid hat den Vorteil einer hohen Stabilität über die Zeit und einer vergleichsweise guten Performance. Andererseits ist ein vergleichsweise hoher Energieeintrag nötig, um im Rahmen der (selektiven) Verfestigung ein (zumindest teilweises) Aufschmelzen zu ermöglichen. Durch die oben und nachfolgend vorgeschlagenen Maßnahmen (beispielsweise eine Aufheizung eines Pulverbetts und/oder eine Hilfsbestrahlungseinheit, z. B. ein Hilfslaser und/oder ein Binder) kann einem solchen, grundsätzlich vorhandenen Nachteil, entgegengewirkt werden.A solid electrolyte ceramic or a corresponding oxide has the advantage of high stability over time and comparatively good performance. On the other hand, a comparatively high energy input is necessary to enable (at least partial) melting during the (selective) solidification. The measures suggested above and below (for example heating a powder bed and/or an auxiliary irradiation unit, e.g. an auxiliary laser and/or a binder) can counteract such a fundamentally existing disadvantage.
Generell ist es bevorzugt, einen Binder einzusetzen, der eine vergleichsweise hohe Lithium-Ionen-Leitfähigkeit aufweist.In general, it is preferable to use a binder that has a comparatively high lithium-ion conductivity.
Bei dem Trägermaterial (insbesondere zur Herstellung einer Kathodenstruktur) kann es sich um eine Aluminiumfolie (beispielsweise mit einer Dicke von 5-50 µm, insbesondere 10-15 µm, ggf. auch unter 8 µm oder sogar unter 5 µm) handeln. Alternativ kann es sich bei dem Trägermaterial um eine Kupferfolie mit einer Dicke von 5-20 µm, insbesondere 10-15 µm, beispielsweise ungefähr zumindest 10 µm, ggf. auch unter 8 µm oder sogar unter 5 µm, handeln.The carrier material (in particular for producing a cathode structure) can be an aluminum foil (for example with a thickness of 5-50 µm, in particular 10-15 µm, possibly also less than 8 µm or even less than 5 µm). Alternatively, the carrier material can be a copper foil with a thickness of 5-20 µm, in particular 10-15 µm, for example approximately at least 10 µm, possibly also less than 8 µm or even less than 5 µm.
Auf die (zumindest teilweise) verfestigte (erste) Schicht kann noch mindestens eine weitere Schicht aus einem Aufbaumaterial aufgebracht werden, die ebenfalls (vollständig oder selektiv) verfestigt wird. Dies kann mindestens einmal (bzw. beliebig oft) wiederholt werden.At least one further layer of a building material can be applied to the (at least partially) solidified (first) layer, which is also solidified (fully or selectively). This can be repeated at least once (or as often as desired).
Das Aufbaumaterial einer jeweiligen (weiteren) Schicht kann sich von dem Aufbaumaterial der ersten Schicht (oder einer vorher oder nachher aufgebrachten Schicht), insbesondere im Hinblick auf eine chemische Zusammensetzung und/oder eine Struktur, unterscheiden oder identisch zu diesem Aufbaumaterial ausgebildet sein. Die weitere Schicht kann mittels einer weiteren und/oder derselben Beschichtungseinheit aufgebracht werden (mit der auch die erste Schicht aufgebracht worden ist). Die weitere Schicht kann mittels einer weiteren oder derselben Bestrahlungseinheit verfestigt werden (mit der auch die erste oder eine sonstige Schicht verfestigt worden ist). Dadurch kann die jeweilige Schicht beispielsweise in ihren Eigenschaften und/oder ihrer Struktur beeinflusst werden. Z. B. kann/können eine gerichtete Porosität und/oder eine sich über die Schicht ändernde Porosität erzeugt werden.The construction material of a respective (further) layer can differ from the construction material of the first layer (or a layer applied before or after), in particular with regard to a chemical composition and/or a structure, or can be identical to this construction material. The further layer can be applied using a further and/or the same coating unit (with which the first layer was applied). The further layer can be solidified using a further or the same irradiation unit (with which the first or another layer was solidified). This can influence the properties and/or structure of the respective layer, for example. For example, a directed porosity and/or a porosity that changes across the layer can be created.
Durch eine Wiederholung von Beschichtung und Bestrahlung (Belichtung) können auf einfache Weise beispielsweise stärkere bzw. dickere Schichten aus dem gleichen Material und/oder verschiedenartige Schichten aufgebracht werden. Alternativ können stärkere bzw. dickere Schichten durch ein Auftragen einer dickeren bzw. höheren Schicht Aufbaumaterial und eine Verfestigung dieser Schicht mit entsprechend angepassten Energieeintragsparameterwerten der Bestrahlungseinheit erzeugt werden.By repeating the coating and irradiation (exposure), it is easy to apply, for example, stronger or thicker layers of the same material and/or different types of layers. Alternatively, stronger or thicker layers can be created by applying a thicker or higher layer of build-up material and solidifying this layer with appropriately adjusted energy input parameter values of the irradiation unit.
Beim (additiven) Herstellungsprozess kann nicht-verfestigtes Aufbaumaterial in das Herstellverfahren rückgeführt werden und in einem weiteren Verfestigungsvorgang zum Einsatz kommen. Bevor das Aufbaumaterial in einem weiteren Verfestigungsvorgang zum Einsatz kommt, kann es ggf. behandelt werden und/oder mit frischem Pulver vermengt werden.During the (additive) manufacturing process, non-solidified build-up material can be returned to the manufacturing process and used in a further solidification process. Before the build-up material is used in a further solidification process, it can be treated if necessary and/or mixed with fresh powder.
Vorzugsweise erfolgt die Verfestigung eines Aufbaumaterial, insbesondere eines polymerenthaltenden Aufbaumaterials und/oder eines eine polymerenthaltende Aufbaumaterialkomponente umfassenden Aufbaumaterials, durch das (selektive) Aufschmelzen zumindest eines polymeren Materials. Besonders bevorzugt erfolgt die Verfestigung eines Aufbaumaterials durch das (selektive) Aufschmelzen eines Binders. Durch das Aufschmelzen und das sukzessive Erstarren eines Binders bzw. eines Polymermaterials können andere (per se nicht, jedenfalls nicht vollständig) aufgeschmolzene (insbesondere metallenthaltende und/oder nicht-metallische und/oder metall- und polymerarme) Materialkomponenten mit dem Binder bzw. Polymermaterial und/oder miteinander verbunden werden.Preferably, the solidification of a building material, in particular a polymer-containing building material and/or a building material comprising a polymer-containing building material component, takes place by (selectively) melting at least one polymer material. Particularly preferably, the solidification of a building material takes place by (selectively) melting a binder. By melting and successively solidifying a binder or a polymer material, other (not per se, at least not completely) melted (in particular metal-containing and/or non-metallic and/or low in metal and polymer) material components can be connected to the binder or polymer material and/or to one another.
Die Verfestigung eines Aufbaumaterials durch das Aufschmelzen eines polymeren Materials bzw. eines Binders kann besonders vorteilhaft sein, weil chemische und/oder physikalische Eigenschaften (bspw. elektrische Leitungsfähigkeit, Elektronen- und/oder Ionentransportfähigkeit, Kristall- und/oder Gitterstruktur) anderer Aufbaumaterialien, insbesondere eines metallenthalten Aufbaumaterials und/oder eines metall- und polymerarmen Aufbaumaterials, unverändert bleiben. Eine Veränderung (Verschlechterung) ihrer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften könnte durch das (teilweise) Aufschmelzen (Phasenänderung) von, insbesondere metallenthaltenden und/oder metall- und polymerarmen, Aufbaumaterialien erfolgen.The solidification of a construction material by melting a polymer material or a binder can be particularly advantageous because chemical and/or physical properties (e.g. electrical conductivity, electron and/or ion transport capacity, crystal and/or lattice structure) of other construction materials, in particular a metal-containing construction material and/or a metal- and polymer-poor construction material, remain unchanged. A change (deterioration) in their chemical and/or physical properties could occur through the (partial) melting (phase change) of construction materials, in particular metal-containing and/or metal- and polymer-poor construction materials.
In Ausführungsformen erfolgt eine Schichtaufbringung mindestens eines metallenthaltenden Aufbaumaterialsund mindestens eines polymerenthaltenden Aufbaumaterials und mindestens eines metall- und polymerarmen Aufbaumaterials zumindest teilweise mittels derselben Beschichtungseinheit.In embodiments, a layer application of at least one metal-containing building material and at least one polymer-containing building material and at least one metal- and polymer-poor building material is carried out at least partially by means of the same coating unit.
Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Verfestigung mindestens eines metallenthaltenden Aufbaumaterials, und mindestens eines polymerenthaltenden Aufbaumaterials, und mindestens eines metall- und polymerfreien Aufbaumaterials zumindest teilweise mittels derselben Bestrahlungseinheit, vorzugsweise Lasereinheit, und/oder mit Strahlung derselben Wellenlänge.Alternatively or additionally, at least one metal-containing building material, and at least one polymer-containing building material, and at least one metal- and polymer-free building material are solidified at least partially by means of the same irradiation unit, preferably laser unit, and/or with radiation of the same wavelength.
Besonders bevorzugt werden Beschichtungseinheit bzw. Bestrahlungseinheit so konfiguriert, dass mindestens zwei von einem metallenthaltenden Aufbaumaterial, einem polymerenthaltenden Aufbaumaterial und einem metall- und polymerarmen Aufbaumaterial mittels derselben jeweiligen Einheit verarbeitet werden können. Gegebenenfalls können dazu zusätzliche Maßnahmen durchgeführt werden, wie beispielsweise der Einsatz einer Hilfsbestrahlungseinheit, eine Aufheizung (Erwärmung) oder Abkühlung des Aufbaumaterials und/oder der Einsatz eines Binders. Dies ist eine Abkehr von der üblichen Vorgehensweise, bei der für verschiedene Materialien (z. B. Metall und Polymer) deutlich unterschiedliche Konfigurationen zur additiven Fertigung verwendet werden.Particularly preferably, the coating unit or irradiation unit is configured such that at least two of a metal-containing build material, a polymer-containing build material and a metal- and polymer-poor build material can be processed using the same respective unit. If necessary, additional measures can be carried out for this purpose, such as the use of an auxiliary irradiation unit, heating (warming) or cooling the build material and/or the use of a binder. This is a departure from the usual approach in which significantly different configurations are used for additive manufacturing for different materials (e.g. metal and polymer).
Vorzugsweise entspricht eine Beschichtungsrichtung einer Bestrahlungsrichtung (oder ist entgegengesetzt dazu). Unter einer Beschichtungsrichtung ist insbesondere eine Richtung zu verstehen, die der Bewegungsrichtung einer Beschichtungseinheit relativ zum Aufbaumaterial, entspricht (was nicht bedeutet, dass sich die Beschichtungseinheit - absolut gesehen - bewegen muss, beispielsweise wenn sich das Aufbaumaterial selbst bewegt). Unter einer Bestrahlungsrichtung ist insbesondere eine Richtung der Fortbewegung eines Strahlungs-Auftreffbereiches gegenüber dem Aufbaumaterial zu verstehen (wiederum relativ gesehen). Der Begriff Bestrahlungsrichtung kann sich auf eine gemittelte Richtung beziehen, in der ein Bereich eines zu verfestigenden Bauteilquerschnitts mit dem Strahl abgetastet wird. Er bezieht sich also nicht zwingend auf die Richtung eines einzelnen Verfestigungspfads bzw. Scanvektors, die unter Umständen quer, z. B. senkrecht, zur Beschichtungsrichtung angeordnet sein kann, insbesondere wenn die Bestrahlungseinheit mit einem entsprechenden Scanner/Strahlablenkeinheit oder einem anderen Antrieb gekoppelt ist. Wenn Belichtungsrichtung (Bestrahlungsrichtung) und Beschichtungsrichtung gleich sind, kann eine besonders präzise (selektive) Verfestigung erfolgen.Preferably, a coating direction corresponds to an irradiation direction (or is opposite thereto). A coating direction is to be understood in particular as a direction that corresponds to the direction of movement of a coating unit relative to the building material (which does not mean that the coating unit - in absolute terms - has to move, for example when the building material itself moves). An irradiation direction is to be understood in particular as a direction of movement of a radiation impact area relative to the building material (again in relative terms). The term irradiation direction can refer to an average direction in which an area of a component cross-section to be solidified is scanned with the beam. It therefore does not necessarily refer to the direction of an individual solidification path or scan vector, which can under certain circumstances be arranged transversely, e.g. perpendicularly, to the coating direction, in particular if the irradiation unit is coupled to a corresponding scanner/beam deflection unit or another drive. If the exposure direction (irradiation direction) and coating direction are the same, particularly precise (selective) solidification can take place.
Vorzugsweise erfolgt eine Adhäsion von additiv gefertigten Schichten, die aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind, ggf. unterstützt durch eine prozessbedingte Verzahnung der Oberflächen.Preferably, adhesion of additively manufactured layers made of different materials occurs, if necessary supported by process-related interlocking of the surfaces.
Die Komponente (der elektrochemischen Einrichtung) wird vorzugsweise aus mindestens einem metallenthaltenden Aufbaumaterial und/oder mindestens einem polymerenthaltenden Aufbaumaterial und/oder mindestens einem metall- und polymerarmen Aufbaumaterial gefertigt, wobei vorzugsweise verschiedene Schichtstärken für mindestens eine raus einem polymerenthaltenden Aufbaumaterial aufgebaute Schicht und/oder für mindestens eine aus einer metallenthaltenden aufgebauten Schicht und/oder für mindestens eine aus einem metall- und polymerarmen Aufbaumaterial aufgebaute Schicht eingestellt werden können.The component (of the electrochemical device) is preferably made from at least one metal-containing construction material and/or at least one polymer-containing construction material and/or at least one metal- and polymer-poor construction material, wherein preferably different layer thicknesses can be set for at least one layer made up of a polymer-containing construction material and/or for at least one layer made up of a metal-containing construction material and/or for at least one layer made up of a metal-containing construction material and/or for at least one layer made up of a metal- and polymer-poor construction material.
Durch das Verfestigen kann gezielt eine Porosität in die Komponente eingebracht werden. Eine Porosität kann (zumindest lokal) gezielt eingestellt werden. Die Porosität kann einen Gradienten aufweisen. Konkret kann eine Zahl (bzw. Dichte, also Anzahl von Poren pro Volumen) und/oder Größe (beispielsweise Gesamtvolumen oder mittlere Porengröße) eingestellt, insbesondere (örtlich) variiert werden.By solidifying, porosity can be introduced into the component in a targeted manner. Porosity can be specifically adjusted (at least locally). The porosity can have a gradient. Specifically, a number (or density, i.e. number of pores per volume) and/or size (for example total volume or average pore size) can be adjusted, and in particular (locally) varied.
Alternativ kann jedoch (bewusst) keine Porosität (abgesehen von einer üblichen geringfügigen Porosität im Rahmen eines additiven Herstellungsverfahrens) eingebracht werden, beispielsweise bei elektrochemischen Einrichtungen, bei denen Lithium-Ionen in einem festen Elektrolyten geleitet werden.Alternatively, however, no porosity (apart from the usual minor porosity in an additive manufacturing process) can be introduced (intentionally), for example in electrochemical devices in which lithium ions are conducted in a solid electrolyte.
Ein Gradient der gezielt eingebrachten Porosität verläuft vorzugsweise in z-Richtung (also entlang einer Flächennormalen zur Ebene der Oberfläche der Trägereinrichtung bzw. des Trägermaterials; Aufbaurichtung).A gradient of the deliberately introduced porosity preferably runs in the z-direction (i.e. along a surface normal to the plane of the surface of the carrier device or the carrier material; construction direction).
Eine Porosität kann (in einer gewünschten Verteilung) beispielsweise durch eine Variation von Prozessparameterwerten, z. B. einer Scangeschwindigkeit, einer Strahlleistung bzw. Laserleistung, eines Scanvektoren-Abstands und/oder einer Strahlformung, eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Porosität mittels eines Lasers nachträglich (z. B. mittels Polygonscanner) eingebracht werden. Der Laser kann eine Vielzahl kleiner Poren in die Schicht zur Erhöhung der Tortuosität und somit zu einem besseren Li-Ionen-Transport erzeugen.Porosity can be introduced (in a desired distribution), for example, by varying process parameter values, e.g. a scanning speed, a beam power or laser power, a scan vector distance and/or a beam shaping. Alternatively or additionally, porosity can be introduced subsequently using a laser (e.g. using a polygon scanner). The laser can create a large number of small pores in the layer to increase the tortuosity and thus improve Li-ion transport.
Vorzugsweise wird die Komponente aus einem ersten Aufbaumaterial und mindestens einem zweiten Aufbaumaterial gefertigt, wobei das höher schmelzende Material (also das Material, das eine höhere Schmelztemperatur aufweist) vorzugsweise vor dem niedriger schmelzenden Material aufgebracht und bestrahlt wird. Dadurch kann auf einfache Art und Weise ein Risiko reduziert werden, dass beim Aufschmelzen des höher schmelzenden Aufbaumaterials eine darunterliegende Schicht des niedriger schmelzenden Aufbaumaterials nochmals (ungewollt) aufgeschmolzen wird.Preferably, the component is made from a first construction material and at least one second construction material, wherein the higher melting material (i.e. the material that has a higher melting temperature) is preferably applied and irradiated before the lower melting material. This makes it easy to reduce the risk that when the higher melting construction material is melted, an underlying layer of the lower melting construction material is (unintentionally) melted again.
Beispielsweise kann ein (vorzugsweise in Gewichtsprozent überwiegend) Polymer umfassender Separator nach einer (vorzugsweise in Gewichtsprozent überwiegend) ein metallenthaltendes und/oder ein metall- und polymerarmes und/oder ein polymerenthaltendes Aufbaumaterial umfassenden Elektrode für einen Akkumulator gedruckt werden. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine Beschädigung der Separator-Struktur aufgrund ggf. höherer Laserintensitäten für das Schmelzen von Metall verhindert werden (insbesondere, wenn der Separator eine Porosität aufweist, die hinsichtlich ihrer Struktur bzw. Verteilung erhalten bleiben soll). Vorzugsweise wird in diesem Fall das Separator-Material erst nach dem Verfestigen der Elektrode (Kathode bzw. Anode) geschichtet. Wenn beispielsweise ein Separator aus Keramik (bzw. zu zumindest 50 Gew.-% aus Keramik) zum Einsatz kommt, kann es auch umgekehrt vorteilhaft sein.For example, a separator comprising polymer (preferably predominantly in weight percent) can be printed after an electrode for a rechargeable battery comprising a metal-containing and/or a low-metal and polymer-containing and/or a polymer-containing construction material (preferably predominantly in weight percent). This makes it easy to prevent damage to the separator structure due to possibly higher laser intensities for melting metal (particularly if the separator has a porosity that is to be retained in terms of its structure or distribution). In this case, the separator material is preferably only layered after the electrode (cathode or anode) has solidified. If, for example, a separator made of ceramic (or at least 50% by weight of ceramic) is used, the reverse can also be advantageous.
Vorzugsweise wird eine Fortschrittsgeschwindigkeit des Trägermaterial abhängig von einer Belichtungszeit (Bestrahlungszeit) und/oder Leistung der Bestrahlungseinheit gesteuert (und/oder umgekehrt). Dadurch kann die Fortschrittsgeschwindigkeit des Aufbaumaterials an eine Bestrahlungszeit (Belichtungszeit) bzw. Leistung angepasst werden.Preferably, a progress speed of the carrier material is controlled depending on an exposure time (irradiation time) and/or power of the irradiation unit (and/or vice versa). As a result, the progress speed of the building material can be adapted to an irradiation time (exposure time) or power.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Schaltgeschwindigkeit von Laservorrichtung/en (Laserdioden) bei der Fortschrittsgeschwindigkeit berücksichtigt werden bzw. die Fortschrittsgeschwindigkeit des Aufbaumaterials an die (maximale) Schaltgeschwindigkeit angepasst werden und/oder in Abhängigkeit von dieser gesteuert werden.Alternatively or additionally, a switching speed of laser device(s) (laser diodes) can be taken into account in the progress speed or the progress speed of the build material can be adapted to the (maximum) switching speed and/or controlled depending on this.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch eine Herstellvorrichtung, vorzugsweise konfiguriert zur Ausführung des obigen Herstellungsverfahrens, zur additiven Fertigung mindestens einer Komponente eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators, vorzugsweise eines Li-Ionen-Akkumulators, zumindest teilweise durch schichtweises Aufbringen und nachfolgendes, insbesondere selektives, Verfestigen eines, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterials, umfassend eine Aufnahmeeinheit zur Aufnahme einer Trägereinrichtung in Form eines Trägerbandes, insbesondere gebildet durch oder umfassend eine Trägerfolie, eine Beschichtungseinheit zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf das Trägerband, eine Bestrahlungseinheit zum zumindest teilweisen Verfestigen, insbesondere selektiven Verfestigen, des Aufbaumaterials auf dem Trägerband sowie eine Fördereinheit zum Bewegen des Trägerbandes relativ zu mindestens einer ersten, vorzugsweise stationären, Bestrahlungseinheit.The above-mentioned object is further achieved in particular by a manufacturing device, preferably configured to carry out the above manufacturing method, for the additive manufacture of at least one component of an electrochemical energy storage device, in particular an accumulator, preferably a Li-ion accumulator, at least partially by layer-by-layer application and subsequent, in particular selective, solidification of a, preferably powdery, building material, comprising a receiving unit for receiving a carrier device in the form of a carrier tape, in particular formed by or comprising a carrier film, a coating unit for applying a layer of the building material to the carrier tape, an irradiation unit for at least partially solidifying, in particular selectively solidifying, the building material on the carrier tape and a conveyor unit for moving the carrier tape relative to at least one first, preferably stationary, irradiation unit.
Alternativ oder zusätzlich wird die obige Aufgabe insbesondere gelöst durch eine Herstellvorrichtung, insbesondere mit den Merkmalen des unmittelbar vorhergehenden Absatzes, vorzugsweise konfiguriert zur Ausführung des obigen Herstellverfahrens, zur additiven Fertigung mindestens einer Komponente eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators, vorzugsweise eines Li-Ionen-Akkumulators, zumindest teilweise durch schichtweises Aufbringen und nachfolgendes, insbesondere selektives, Verfestigen eines, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterials, umfassend eine Trägereinrichtung, eine Beschichtungseinheit zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Trägereinrichtung, eine Bestrahlungseinheit zum zumindest teilweisen Verfestigen, insbesondere selektiven Verfestigen, des Aufbaumaterials auf der Trägereinrichtung, wobei die Bestrahlungseinheit eine Vielzahl von einzelnen, vorzugsweise in mindestens einer Zeile und/oder mindestens einer Spalte angeordneten, Strahlungsaustrittsabschnitten aufweist, insbesondere eine Vielzahl von Laserdioden und/oder Strahlungsleitungs-Enden.Alternatively or additionally, the above object is achieved in particular by a manufacturing device, in particular with the features of the immediately preceding paragraph, preferably configured to carry out the above manufacturing method, for the additive manufacture of at least one component of an electrochemical energy storage device, in particular an accumulator, preferably a Li-ion accumulator, at least partially by layer-by-layer application and subsequent, in particular selective, solidification of a, preferably powdery, building material, comprising a carrier device, a coating unit for applying a layer of the building material to the carrier device, an irradiation unit for at least partially solidifying, in particular selectively solidifying, the building material on the carrier device, wherein the irradiation unit has a plurality of individual radiation exit sections, preferably arranged in at least one row and/or at least one column, in particular a plurality of laser diodes and/or radiation line ends.
Vorzugsweise umfasst die Beschichtungseinheit:
- mindestens eine, insbesondere zwei oder mehr, Rolle/n, wobei vorzugsweise mindestens einer der ggf. mehreren Rollen eine Antriebseinheit zugeordnet ist, wobei weiter vorzugsweise eine Umfangsgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung einstellbar oder eingestellt ist, die gleich oder höher oder niedriger liegt als eine relative Verfahrgeschwindigkeit des Substratmaterial gegenüber der jeweiligen Rolle und/oder wobei sich zumindest eine Rolle zumindest im Wesentlichen über die gesamte Breite des Trägermaterials erstreckt und/oder vibriert oder zumindest in Vibration versetzbar ist, und/oder
- mindestens eine Dosiereinheit, die vorzugsweise einen Kammerdosierer und/oder einen oder mehrere steuerbare Auslässe umfasst und/oder die sich zumindest im Wesentlichen über die gesamte Breite des Trägermaterials erstreckt und/oder zumindest teilweise vibriert oder zumindest in Vibration versetzbar ist.
- at least one, in particular two or more, roller(s), wherein preferably at least one of the possibly several rollers is assigned a drive unit, wherein further preferably a peripheral speed and/or direction of rotation is adjustable or set which is equal to or higher or lower than a relative travel speed of the substrate material with respect to the respective roller and/or wherein at least one roller extends at least substantially over the entire width of the carrier material and/or vibrates or at least can be set to vibrate, and/or
- at least one dosing unit, which preferably comprises a chamber dosing device and/or one or more controllable outlets and/or which extends at least substantially over the entire width of the carrier material and/or at least partially vibrates or at least can be set into vibration.
Die (jeweilige) Rolle und/oder die Dosiereinheit kann/können eine Fluidisiereinrichtung zur Fluidisierung von Aufbaumaterial, wie im Zusammenhang mit dem obigen Verfahren beschrieben, aufweisen.The (respective) roller and/or the dosing unit may comprise a fluidizing device for fluidizing building material, as described in connection with the above method.
Die Dosiereinheit kann weiterhin alternativ oder zusätzlich eine Zellradschleuse aufweisen.The dosing unit may alternatively or additionally comprise a rotary valve.
Alternativ oder zusätzlich zu einer oder mehreren Rolle(n) kann mindestens ein Rakel und/oder mindestens eine Klinge und/oder mindestens eine Bürste und/oder mindestens ein Rechen vorgesehen sein.Alternatively or in addition to one or more rollers, at least one doctor blade and/or at least one blade and/or at least one brush and/or at least one rake may be provided.
Die Dosiereinheit kann weiterhin ein Rührwerk und/oder einen Abstreifer aufweisen, um anhaftendes Aufbaumaterial weiterbefördern zu können.The dosing unit can also have an agitator and/or a scraper in order to be able to transport adhering build-up material further.
Die Bestrahlungseinheit kann eine Vielzahl von einzelnen, vorzugsweise in mindestens einer Zeile und/oder mindestens einer Spalte, angeordneten, Strahlungsaustrittsabschnitten (Lichtaustrittsabschnitten) aufweisen, insbesondere eine Vielzahl von Laserdioden und/oder Strahlungsleitungs-Enden.The irradiation unit can have a plurality of individual radiation exit sections (light exit sections), preferably arranged in at least one row and/or at least one column, in particular a plurality of laser diodes and/or radiation line ends.
Vorzugsweise ist zusätzlich zu der (ersten) Bestrahlungseinheit eine Vielzahl von einzelnen, vorzugsweise in mindestens einer Zeile und/oder mindestens einer Spalte angeordneten, Strahlungsaustrittsabschnitten, eine Hilfsbestrahlungseinheit, vorzugsweise mindestens eine, insbesondere scannende, Hilfslasereinheit, wie beispielsweise ein CO-, CO2-, Faser- und/oder Nd:YAG-Laser, vorgesehen.Preferably, in addition to the (first) irradiation unit, a plurality of individual radiation exit sections, preferably arranged in at least one row and/or at least one column, an auxiliary irradiation unit, preferably at least one, in particular scanning, auxiliary laser unit, such as a CO, CO 2 , fiber and/or Nd:YAG laser, is provided.
Eine scannende Hilfslasereinheit kann, wie oben im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben, ausgebildet sein, insbesondere mit einem Galvanometer-Scanner und/oder Polygon-Scanner und/oder Mikrospiegel-Array gekoppelt sein.A scanning auxiliary laser unit can be designed as described above in connection with the method, in particular coupled to a galvanometer scanner and/or polygon scanner and/or micromirror array.
Vorzugsweise weist die Herstellvorrichtung mindestens eine gemeinsame Beschichtungseinheit auf, die zur Schichtaufbringung mindestens eines metallenthaltenden Aufbaumaterials und/oder mindestens eines polymerenthaltenden Aufbaumaterialsund/oder mindestens eines metall- und polymerarmes Aufbaumaterial konfiguriert ist.Preferably, the manufacturing device has at least one common coating unit which is configured for applying layers of at least one metal-containing building material and/or at least one polymer-containing building material and/or at least one metal- and polymer-poor building material.
Alternativ oder zusätzlich weist die Herstellvorrichtung eine gemeinsame Bestrahlungseinheit, vorzugsweise Lasereinheit, auf, die zur Befestigung mindestens eines metallenthaltenden Aufbaumaterials und/oder mindestens eines polymerenthaltenden Aufbaumaterialsund/oder mindestens eines metall- und polymerarmes Aufbaumaterials konfiguriert ist.Alternatively or additionally, the manufacturing device has a common irradiation unit, preferably a laser unit, which is configured for fastening at least one metal-containing building material and/or at least one polymer-containing building material and/or at least one metal- and polymer-poor building material.
Der (gemeinsamen) Bestrahlungseinheit kann z. B. eine Filtereinrichtung (zur Reduktion einer Leistung der Strahlung beim Auftreffen auf das Aufbaumaterial) oder ein Strahlteiler mit Strahlfalle zugeordnet werden, die vorzugsweise selektiv in einen Strahlengang gebracht werden kann, beispielsweise wenn ein vergleichsweise niedrig schmelzendes Material aufgeschmolzen werden soll.The (common) irradiation unit can be assigned, for example, a filter device (for reducing the power of the radiation when it hits the construction material) or a beam splitter with a beam trap, which can preferably be brought into a beam path selectively, for example when a comparatively low-melting material is to be melted.
Die Herstellvorrichtung kann mindestens eine (weitere) Beschichtungseinheit zum Aufbringen einer weiteren Schicht eines Aufbaumaterials und/oder mindestens eine weitere Bestrahlungseinheit zum Verfestigen einer/der weiteren Schicht aufweisen.The manufacturing device can have at least one (further) coating unit for applying a further layer of a building material and/or at least one further irradiation unit for solidifying a/the further layer.
Es können beispielsweise zwei Beschichtungseinheiten vor und nach der (jeweiligen) Bestrahlungseinheit vorgesehen sein. Dadurch kann bei einer hin- und herfahrenden Bestrahlungseinheit bei jeder Überfahrt bestrahlt werden bzw. eine neue Schicht (selektiv) verfestigt werden.For example, two coating units can be provided before and after the (respective) irradiation unit. This means that with an irradiation unit moving back and forth, irradiation can take place on each pass or a new layer can be (selectively) solidified.
Die Herstellvorrichtung umfasst vorzugsweise mindestens eine Steuerungs- und/oder Überwachungseinheit, die konfiguriert ist, mindestens einen Parameter, insbesondere eine Ebenheit und/oder eine Schüttdichte und/oder eine Temperatur bzw. Temperaturverteilung von auf die Trägereinrichtung aufgebrachtem Aufbaumaterial und/oder eine Ebenheit und/oder eine Dichte und/oder Porosität und/oder eine Temperatur bzw. Temperaturverteilung der Komponente während der Herstellung zu steuern und/oder zu überwachen, wobei das Aufbaumaterial vorzugsweise sowohl eine polymerenthaltende Aufbaumaterialkomponente und/oder mindestens eine metallenthaltende Aufbaumaterialkomponente und/oder zumindest eine metall- und polymerarme Aufbaumaterialkomponente umfasst.The manufacturing device preferably comprises at least one control and/or monitoring unit which is configured to control and/or monitor at least one parameter, in particular a flatness and/or a bulk density and/or a temperature or temperature distribution of building material applied to the carrier device and/or a flatness and/or a density and/or porosity and/or a temperature or temperature distribution of the component during production, wherein the building material preferably comprises both a polymer-containing building material component and/or at least one metal-containing building material component and/or at least one metal- and polymer-poor building material component.
Vorzugsweise umfasst die Herstellvorrichtung mindestens eine (aktive) Heiz- und/oder Kühleinheit, zur mittelbaren oder unmittelbaren Temperierung, insbesondere Heizung oder Kühlung, einer Verfestigungszone, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird, vorzugsweise durch Aufheizen oder Kühlen der Trägereinrichtung und/oder durch Aufheizen oder Kühlung einer Unterlage für die Trägereinrichtung und/oder durch Aufheizen oder Kühlen des Aufbaumaterials, beispielsweise mittels Strahlung, wobei die Heiz- und/oder Kühleinheit optional zumindest teilweise durch die Bestrahlungseinheit zur Verfestigung und/oder eine zusätzlich zu der Bestrahlungseinheit vorgesehene Heizungseinheit, z. B. zusätzliche Bestrahlungseinheit, beispielsweise eine Infrarot-Strahlungsquelle, bereitgestellt ist.Preferably, the manufacturing device comprises at least one (active) heating and/or cooling unit for the indirect or direct temperature control, in particular heating or cooling, of a solidification zone in which the building material is solidified, preferably by heating or cooling the carrier device and/or by heating or cooling a base for the carrier device and/or by heating or cooling the building material, for example by means of radiation, wherein the heating and/or cooling unit is optionally provided at least partially by the irradiation unit for solidification and/or a heating unit provided in addition to the irradiation unit, e.g. additional irradiation unit, for example an infrared radiation source.
Vorzugsweise erfolgt eine Temperierung auf beispielsweise eine konstante Temperatur (Plateau-Temperatur) oder auf eine Temperatur gemäß einer vordefinierten Kurve, insbesondere mit dem Ziel homogener Temperaturverhältnisse für alle zu fertigenden Komponenten (gleichen Materials). Durch eine Heiz- und/oder eine Kühleinheit können auf einfache Art und Weise, insbesondere bei der Verwendung verschiedener Materialien (z. B. in verschiedenen Schichten) entsprechende Unterschiede, beispielsweise im Hinblick auf eine Schmelztemperatur, ausgeglichen werden. Beispielsweise kann bei einem Aufschmelzen von einer Schicht, die aus einem metallenthaltenden Aufbaumaterial besteht, eine zusätzliche Wärmebestrahlung zur Erwärmung (Temperierung) erfolgen und beim Aufschmelzen einer Schicht, die aus einem polymerenthaltenden Aufbaumaterial besteht, eine solche Bestrahlung unterbleiben oder nur reduziert ausgeführt werden, oder eine Kühlung erfolgen. Alternativ kann auch bei einem Aufschmelzen von einer Schicht, die aus einem polymerenthaltenden Aufbaumaterial besteht, eine zusätzliche Wärmebestrahlung zur Erwärmung (Temperierung) erfolgen und beim Aufschmelzen einer Schicht, die aus einem metallenthaltenden Aufbaumaterial besteht, eine solche Bestrahlung unterbleiben oder nur reduziert ausgeführt werden, oder eine Kühlung erfolgenPreferably, tempering is carried out to, for example, a constant temperature (plateau temperature) or to a temperature according to a predefined curve, in particular with the aim of homogeneous temperature conditions for all components to be manufactured (of the same material). A heating and/or cooling unit can be used to compensate for corresponding differences, for example with regard to a melting temperature, in a simple manner, in particular when using different materials (e.g. in different layers). For example, when melting a layer consisting of a metal-containing construction material, additional heat radiation can be used for heating (tempering) and when melting a layer consisting of a polymer-containing construction material, such radiation can be omitted or only reduced, or cooling can take place. Alternatively, when melting a layer consisting of a polymer-containing construction material, additional heat radiation can be used for heating (tempering) and when melting a layer consisting of a metal-containing construction material, such radiation can be omitted or only reduced, or cooling can take place.
Ein Gas (Prozessgas) wird vorzugsweise im Umwälzbetrieb gefahren (als geschlossenes System).A gas (process gas) is preferably operated in recirculation mode (as a closed system).
Ein Sauerstoffgehalt wird vorzugsweise überwacht. Alternativ oder zusätzlich kann Laserrauch filtriert werden. Dazu können vorzugsweise vorgesehen sein: entsprechende Rohrleitungen, eine Filterkammer mit Speicherfilter und/oder abreinigbaren Filtern (was bevorzugt ist), ein Gebläse für das Umwälzen, sowie ein Sauerstoff-, Temperatur-, Druck- und/oder Volumenstromsensor.An oxygen content is preferably monitored. Alternatively or additionally, laser smoke can be filtered. For this purpose, the following can preferably be provided: appropriate pipes, a filter chamber with storage filter and/or cleanable filters (which is preferred), a fan for circulation, and an oxygen, temperature, pressure and/or volume flow sensor.
Die Herstellvorrichtung kann mindestens eine Absaugeinheit, vorzugsweise Absaugdüsenanordnung, aufweisen, umfassend eine Vielzahl von Absaugdüsen, vorzugsweise in Zeilen und/oder Spalten angeordnet.The manufacturing device can have at least one suction unit, preferably a suction nozzle arrangement, comprising a plurality of suction nozzles, preferably arranged in rows and/or columns.
Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Absaugeinheit vorgesehen sein, die (absolut gesehen, insbesondere in Bezug auf einen Bezugspunkt, der im Gebrauch Teil des Untergrundes ist, auf dem die Herstellvorrichtung angeordnet ist) stationär ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Absaugeinheit relativ zu der Beschichtungseinheit und/oder Bestrahlungseinheit stationär ausgebildet sein. Innerhalb des obigen Verfahrens kann entsprechend eine Absaugeinheit stationär konfiguriert sein (absolut gesehen) bzw. während des Herstellverfahrens in diesem Sinne stationär bleiben. Alternativ oder zusätzlich kann beim obigen Herstellverfahren die Absaugeinheit relativ zur Beschichtungseinheit und/oder Bestrahlungseinheit (während des Herstellverfahrens) stationär bleiben.Alternatively or additionally, at least one suction unit can be provided which is designed to be stationary (in absolute terms, in particular in relation to a reference point which, in use, is part of the substrate on which the manufacturing device is arranged). Alternatively or additionally, the suction unit can be designed to be stationary relative to the coating unit and/or irradiation unit. Within the above method, a suction unit can accordingly be configured to be stationary (in absolute terms) or remain stationary in this sense during the manufacturing process. Alternatively or additionally, in the above manufacturing process, the suction unit can remain stationary relative to the coating unit and/or irradiation unit (during the manufacturing process).
Weitere Merkmale der Herstellvorrichtung ergeben sich aus der obigen Erläuterung des Verfahrens. Dort erläuterte Verfahrensschritte können durch entsprechende Einrichtungen realisiert werden, die zur Durchführung des jeweiligen Verfahrensschrittes konfiguriert sind. Weiterhin kann die Herstellvorrichtung das (obige und/oder nachfolgend beschriebene) Trägermaterial und/oder das (obige und/oder nachfolgend beschriebene) Aufbaumaterial umfassen.Further features of the manufacturing device emerge from the above explanation of the method. The method steps explained there can be implemented by corresponding devices that are configured to carry out the respective method step. Furthermore, the manufacturing device can comprise the carrier material (described above and/or below) and/or the construction material (described above and/or below).
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch ein System, umfassend die obige Herstellvorrichtung sowie das Trägermaterial und/oder das Aufbaumaterial.The above-mentioned object is further achieved in particular by a system comprising the above manufacturing device and the carrier material and/or the building material.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung der obigen Herstellvorrichtung und/oder des obigen Systems zur additiven Fertigung mindestens einer Komponente einer elektrochemischen Einrichtung, vorzugsweise eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators, vorzugsweise eines Li-Ionen-Akkumulators, und/oder einer Elektrolysezelle.The above-mentioned object is further achieved by the use of the above manufacturing device and/or the above system for the additive manufacturing of at least one component of an electrochemical device, preferably an electrochemical energy storage device, in particular an accumulator, preferably a Li-ion accumulator, and/or an electrolysis cell.
Vorzugsweise wird die jeweilige elektrochemische Einrichtung zu mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 30 Gew.-%, ggf. mindestens 50 Gew.-% oder mindestens 90 Gew.-% additiv gefertigt.Preferably, the respective electrochemical device is manufactured additively to at least 10 wt.%, preferably at least 30 wt.%, optionally at least 50 wt.% or at least 90 wt.%.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further features emerge from the subclaims.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Herstellvorrichtung in einer schematischen Ansicht; -
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines strukturierten, dreidimensionalen Schichtverbundes; -
3 eine schematische Darstellung einer additiven Herstellung (beispielsweise einer Feststoff-Akkumulatorzelle); -
4 ein Beispiel für die Fertigung einer elektrochemischen Einrichtung; -
5 ein weiteres Beispiel für die Fertigung einer elektrochemischen Einrichtung; und -
6 ein weiteres Beispiel für die Fertigung einer elektrochemischen Einrichtung.
-
1 a manufacturing device according to the invention in a schematic view; -
2 a schematic representation of a process for producing a structured, three-dimensional layer composite; -
3 a schematic representation of an additive manufacturing process (e.g. a solid-state battery cell); -
4 an example of the manufacture of an electrochemical device; -
5 another example of the manufacture of an electrochemical device; and -
6 another example of the manufacturing of an electrochemical device.
Die Belichtungseinheit (Bestrahlungseinheit) 10 ist vorzugsweise ein VCSEL-Belichter. Mit einem VCSEL-Belichter können vergleichsweise schnell Binder und/oder andere Materialien geschmolzen bzw. strukturiert werden. Es können auf einfache Art und Weise formgebundene Elektroden (für die Batterieherstellung) gedruckt werden. Dies ermöglicht neue Zellgeometrien, die beispielsweise an den Bauraum angepasst sein können und/oder eine integrierte Kühlung in der Zelle aufweisen können.The exposure unit (irradiation unit) 10 is preferably a VCSEL exposure unit. Binders and/or other materials can be melted or structured relatively quickly using a VCSEL exposure unit. Shape-bound electrodes (for battery production) can be printed in a simple manner. This enables new cell geometries that can be adapted to the installation space, for example, and/or have integrated cooling in the cell.
Die in
- - Einer, vorzugsweise porösen, Kathode, bestehen aus einem metallenthaltenden Aktivmaterial, das aus der Verarbeitung (mittels Bestrahlung) eines metallenthaltenden Aufbaumaterial resultiert, das Aufbaumaterial umfassend überwiegend (insbesondere 75-97,9 wt.-%, vorzugsweise 90-96 wt.-%) zumindest ein metallenthaltendes Material (z.B. LFP, NMC, NCA und/oder LCO) und Leitruß (insbesondere 0,1-10 wt.%, vorzugsweise 1-5 wt.-%), optional weiter umfassend einen (polymeren) Binder (z.B. PVDF, insbesondere 2-15 wt.-%, bevorzugt 3-5 wt.-%).
- - Einem Separator, insbesondere für eine (klassische) Batterie. Dieser kann als (dünne) Polymerfolie ausgebildet werden. Das Polymer kann umfassen (ggf. zu mindestens 50 Gew.-% oder 80 Gew.-%).Polyolefin, z. B. Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyamid, z. B. PA 6 und/
oder PA 12 und/oder PA 6.6, und/oder Polyester. - - Einer, vorzugsweise porösen, insbesondere mit einer Porosität von zumindest 20 vol.-%, ggf. von zumindest 40 vol.-%, Anode, bestehend aus einem metall- und polymerarmen Aktivmaterial, das aus der Verarbeitung (mittels Bestrahlung) eines metall- und polymerarmen Aufbaumaterial resultiert, wobei das metall- und polymerarme Aktivmaterial überwiegend Kohlenstoff, vorzugsweise in Form von Leitruß und/oder Graphit (besonders vorzugsweise in Form von Graphitpartikeln), und/oder einen Binder (z.B. PVDF, insbesondere 5-15 wt.-%) umfasst. Vorzugsweise enthält das Aktivmaterial im Kohlenstoff/--Anteil 0,1-10 wt.-%, besonders vorzugsweise 1-5 wt.-%, Leitruß. Weiter vorzugsweise enthält das Aktivmaterial im Kohlenstoff--Anteil einen Anteil (0,1-60 wt.-%, besonders vorzugsweise 10-15 wt.-%), Silizium in Form von zumindest im Wesentlichen reinem (elementarem) Silicium und/oder Silicium Oxide, bspw. in Form von Si- und/oder SiO2-Partikeln. Optional kann der Kohlenstoff-Anteil zumindest im Wesentlichen durch einen Si- und/oder einen SiO2-Anteil ersetzt werden, sodass das metall- und polymerarme Aktivmaterial überwiegend Silicium und/oder Silicium Oxide, vorzugsweise zumindest 60 wt.-%, besonders vorzugsweise zumindest 90 wt.-% und/oder einen Binder (z.B. PVDF, insbesondere 5-20 wt.-%) und/oder Leitruß (insbesondere 5-20 wt.-%) umfasst.
- - A, preferably porous, cathode, consisting of a metal-containing active material which results from the processing (by means of irradiation) of a metal-containing building material, the building material comprising predominantly (in particular 75-97.9 wt.%, preferably 90-96 wt.%) at least one metal-containing material (e.g. LFP, NMC, NCA and/or LCO) and conductive carbon black (in particular 0.1-10 wt.%, preferably 1-5 wt.%), optionally further comprising a (polymeric) binder (e.g. PVDF, in particular 2-15 wt.%, preferably 3-5 wt.%).
- - A separator, in particular for a (classic) battery. This can be designed as a (thin) polymer film. The polymer can comprise (if necessary at least 50% by weight or 80% by weight) polyolefin, e.g. polyethylene and/or polypropylene, and/or polyamide, e.g. PA 6 and/or
PA 12 and/or PA 6.6, and/or polyester. - - An anode, preferably porous, in particular with a porosity of at least 20 vol. %, optionally of at least 40 vol. %, consisting of an active material with a low metal and polymer content, which results from the processing (by means of irradiation) of a construction material with a low metal and polymer content, wherein the active material with a low metal and polymer content predominantly comprises carbon, preferably in the form of conductive carbon black and/or graphite (particularly preferably in the form of graphite particles), and/or a binder (e.g. PVDF, in particular 5-15 wt. %). The active material preferably contains 0.1-10 wt. % conductive carbon black in the carbon/carbon content, particularly preferably 1-5 wt. %. The active material further preferably contains a proportion (0.1-60 wt.%, particularly preferably 10-15 wt.%) of silicon in the form of at least substantially pure (elemental) silicon and/or silicon oxides, for example in the form of Si and/or SiO2 particles, in the carbon proportion. Optionally, the carbon proportion can be at least substantially replaced by a Si and/or a SiO2 proportion, so that the active material with low metal and polymer content predominantly comprises silicon and/or silicon oxides, preferably at least 60 wt.%, particularly preferably at least 90 wt.% and/or a binder (e.g. PVDF, particularly 5-20 wt.%) and/or conductive carbon black (particularly 5-20 wt.%).
Vorzugsweise kann gemäß
Eine derartige elektrochemische Zelle kann ausgehend von einem Folienband hergestellt werden, das eine Aluminium-Schicht (als ersten Kollektor) umfasst. Die Kathode, und sukzessive der Separator und die Anode, können auf dieser Aluminium-Schicht (Kollektor) gebaut (insbesondere Kathode und Anoden) und/oder aufgetragen werden (insbesondere Separator) werden. Nachfolgend kann eine Kupfer-Schicht (als zweiter Kollektor) auf die so gebaute elektrochemische Zelle aufgetragen werden, Alternativ können die Aluminium-Schicht und/oder die Kupfer-Schicht (Kollektoren), bspw. aus einem metallenthaltenden Aufbaumaterial, insbesondere enthaltend entsprechend zumindest im Wesentlichen reines Aluminium oder Kupfer, additiv mittels der Bestrahlungseinheit (10) hergestellt werden. Die Herstellung einer im Wesentlichen aus reinem Metall (Aluminium oder Kupfer) bestehenden Schicht (Kollektor) kann, insbesondere für die Erreichung einer bestimmten Materialdichte und/oder Krystallstruktur und/oder Porosität, mittels eines Wärmeleitschweißverfahren, eines Tiefschweißverfahrens und/oder einer Kombination davon erfolgen.Such an electrochemical cell can be produced starting from a foil strip that comprises an aluminum layer (as a first collector). The cathode, and successively the separator and the anode, can be built on this aluminum layer (collector) (in particular cathode and anodes) and/or applied (in particular separator). A copper layer (as a second collector) can then be applied to the electrochemical cell thus constructed. Alternatively, the aluminum layer and/or the copper layer (collectors), for example from a metal-containing construction material, in particular containing at least essentially pure aluminum or copper, can be produced additively by means of the irradiation unit (10). The production of a layer (collector) consisting essentially of pure metal (aluminum or copper) can be carried out by means of a thermal conduction welding process, a deep welding process and/or a combination thereof, in particular for achieving a certain material density and/or crystal structure and/or porosity.
Als Wärmeleitungsschweißen wird hier ein Vorgang angesehen, bei dem die durch die Strahlung in das Aufbaumaterial eingetragene Strahlungsleistung pro Flächeneinheit zu niedrig ist, um eine Verdampfung des Aufbaumaterials zu bewirken. Die Energie breitet sich über Wärmeleitung in das Aufbaumaterial aus, was zu einer geringeren Ausdehnung des durch die Strahlung erzeugten Schmelzbades in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche führt. Im Gegensatz dazu wird in einem Tiefschweißprozess eine ausreichend hohe Strahlungsleistung pro Flächeneinheit erreicht, damit ein Materialtransport auch in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche stattfindet. Das bedeutet, dass Aufbaumaterial verdampft wird und dass gleichzeitig in den vorherigen Belichtungsvorgängen verarbeitetes (verfestigtes) Material (wieder) aufgeschmolzen wird (was zur Bildung eines sogenannten „Keyhole“ führt). Insbesondere kann das Aufbaumaterial vorteilhafterweise in einem Wärmeleitschweißprozess verarbeitet werden, wenn eine hohe Oberflächenqualität (-homogenität) und/oder eine homogene Krystallstruktur erreicht werden muss, während eine Verarbeitung des Aufbaumaterials in einem Tiefschweißprozess vorteilhaft sein kann, wenn eine starke Anbindung der Schichte der elektrochemischen Zelle (miteinander und/oder an einem Substrat) erreicht werden muss. Eine solche starke Anbindung ist vom gleichzeitigen Aufschmelzen von verschiedenen Schichten/Aufbaumaterialien gegeben.Thermal conduction welding is considered to be a process in which the radiation power per unit area introduced into the build-up material by the radiation is too low to cause the build-up material to evaporate. The energy spreads into the build-up material via thermal conduction, which leads to a smaller expansion of the melt pool created by the radiation in a direction perpendicular to the surface. In contrast, in a deep welding process, a sufficiently high radiation power per unit area is achieved so that material transport also takes place in a direction perpendicular to the surface. This means that build-up material is evaporated and that at the same time material processed (solidified) in the previous exposure processes is (re)melted (which leads to the formation of a so-called "keyhole"). In particular, the build-up material can advantageously be processed in a thermal conduction welding process if a high surface quality (homogeneity) and/or a homogeneous crystal structure must be achieved, while processing the build-up material in a deep welding process can be advantageous if a strong bond between the layers of the electrochemical cell (together and/or to a substrate) must be achieved. Such a strong bond is provided by the simultaneous melting of different layers/build-up materials.
Die aufgebrachte Schicht des ersten Aufbaumaterials 15a wird mittels einer ersten Bestrahlungseinheit 10a selektiv verfestigt (wobei nicht-verfestigtes Aufbaumaterial beispielsweise abgesaugt, insbesondere selektiv abgesaugt, werden kann, was nicht in
Bei der (jeweiligen) Bestrahlungseinheit 10a-10d kann es sich beispielsweise um eine Bestrahlungseinheit handeln, die mehrere Laserstrahlen nebeneinander (in Y- und/oder X-Richtung) appliziert. Bei der X-Richtung handelt es sich vorzugsweise um die Bewegungsrichtung des Aufbaumaterials (gegenüber der jeweiligen Bestrahlungseinheit). Bei der Z-Richtung handelt es sich um die Aufbaurichtung. Bei der Y-Richtung handelt es sich um eine Richtung senkrecht zu X- sowie Z-Richtung.The (respective)
Abweichend von dem gezeigten 4-stufigen Aufbau können auch weniger (z. B. zwei oder drei) oder mehr (z. B. 5 oder mehr) Stufen (mit entsprechenden Glätteinrichtungen bzw. Beschichtungseinrichtungen und Bestrahlungseinheiten) vorgesehen werden. Es können auch mit einer jeweiligen Bestrahlungseinheit (z. B. der ersten Bestrahlungseinheit 10a) verschiedene Schichten bzw. in separaten Vorgängen weiteres Aufbaumaterial verfestigt werden, beispielsweise wenn ein entsprechender Abschnitt des Trägermaterials 16 mehrmals in einen Bestrahlungsbereich der jeweiligen Bestrahlungseinheit kommt (was beispielsweise durch Zurückführen des Trägermaterials 16 oder ein umlaufendes Trägermaterial 16 erreicht werden kann).Deviating from the 4-stage structure shown, fewer (e.g. two or three) or more (e.g. 5 or more) stages (with corresponding smoothing devices or coating devices and irradiation units) can also be provided. Different layers or additional building material can also be solidified in separate processes with a respective irradiation unit (e.g. the
Die Prozesskammer kann über eine Inertgaszufuhr 42 mit Inertgas (z. B. Argon) geflutet werden. Das in der Prozesskammer befindliche Gas kann über einen Gasauslass 33 die Prozesskammer verlassen. Optional können Sensoren, beispielsweise ein Drucksensor 34, ein Sauerstoffdetektionssensor 35 sowie ein Temperatursensor 36 vorgesehen sein, um verschiedene Parameter innerhalb der Prozesskammer (beispielsweise einen Druck, einen Sauerstoffgehalt und/oder eine Temperatur des in der Prozesskammer befindlichen Gases) zu messen. Optional ist eine Monitoring-Einheit 39 ausgebildet, die beispielsweise Defekte und/oder Auffälligkeiten bzw. Abweichungen, beispielsweise eine Delamination erkennen kann.The process chamber can be flooded with inert gas (e.g. argon) via an
Die Beschichtungseinheit 11 umfasst hier (beispielhaft) drei Dosiereinheiten 12a, 12b und 12c, so dass verschiedene Aufbaumaterialien 15a-15c aufgebracht werden können. Sukzessive wird ein Schichtverbund auf eine Bauplattform 37 (die der Höhe nach verstellbar ist) aufgebracht (und zwar durch ein sich an den jeweiligen Beschichtungsvorgang anschließendes Bestrahlen mittels der Bestrahlungseinheit 10). Die Bestrahlungseinheit 10 kann eine Vielzahl von Strahlungsaustrittsabschnitten 38 aufweisen. An den Seiten der Beschichtungseinheit 11 ist optional eine jeweilige Absaugvorrichtung 43a, 43b vorgesehen. Diese ermöglichen es Pulver wieder zu entfernen, das nicht aufgeschmolzen wurde.The
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Beschichtungseinheiten vorgesehen (nicht in
Die in
- - Einem erstem Kollektor, z.B. basierend auf Aluminium (insbesondere für eine Komposit-Kathode). Dieser aluminiumbasierte Kollektor kann durch die Verarbeitung (Verfestigung mittels Bestrahlung) eines überwiegend aus reinem Aluminium bestehenden metallenthaltenden, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterial ausgebildet werden.
- - Einer Kathode, umfassend mindestens ein oder mindestens oder genau zwei metallenthaltende Aktivmaterialien, das/die aus der Verarbeitung (mittels Bestrahlung) eines metallenthaltenden Aufbaumaterials resultiert/- en, wobei mindestens ein erstes metallenthaltendes Aktivmaterial und/oder LATP und/oder LLTO und/oder LLZO umfassen kann und/oder mindestens eine zweites metallenthaltendes Aktivmaterial LFP und/oder NMC und/oder NCA und/oder LCO. Vorzugsweise besteht die Kathode überwiegend (75-99 wt.-%, vorzugsweise 90-95 wt.-%) aus einem oder mehreren der o.g. Materialien. Optional kann das Kathoden-Aktivmaterial zumindest einen Binder (bspw. PVDF, ggf. zu 1-25 wt.-% oder vorzugsweise 5-10 wt.-%) umfassen.
- - einem Elektrolytmaterial, insbesondere ein polymerenthaltendes Elektrolytmaterial, bspw. umfassend PVDF-HFP, PEO und/oder Nafion, und/oder insbesondere ein metallenthaltendes, vorzugweise ein Lithiumenthaltendes Elektrolytmaterial, bspw. LAGP, LATP, LLTO und/oder LLZO. Optional kann das Elektrolytmaterial ausgehend aus einem polymerenthaltenden und einem metallenthaltenden Aufbaumaterial, d.h. aus einem Aufbaumaterial, das eine polymerenthaltende und eine metallenthaltende Aufbaumaterialkomponente umfasst, hergestellt werden. Vorzugsweise ist das Elektrolytmaterial als Festelektrolytmaterial ausgebildet. Das bedeutet insbesondere, dass das Elektrolytmaterial eine geringfügige Porosität ausweist.
- - Einer Anode, z.B. basierend auf Lithium. Diese lithiumbasierte Anode kann durch die Verarbeitung (Verfestigung mittels Bestrahlung) eines überwiegend aus reinem Lithium bestehenden metallenthaltenden, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterial ausgebildet werden. Vorzugsweise ist die Anode als Feststoffzelleanode ausgebildet; das bedeutet insbesondere, dass die Anode eine geringfügige Porosität ausweist.
- - Einem zweiten Kollektor, z.B. basierend auf Kupfer. Dieser kupferbasierte basierte Kollektor kann durch die Verarbeitung (Verfestigung mittels Bestrahlung) eines überwiegend aus reinem Kupfer bestehenden metallenthaltenden, vorzugsweise pulverförmigen, Aufbaumaterial ausgebildet werden.
- - A first collector, e.g. based on aluminum (in particular for a composite cathode). This aluminum-based collector can be formed by processing (solidification by irradiation) a metal-containing, preferably powdered, construction material consisting predominantly of pure aluminum.
- - A cathode comprising at least one or at least or exactly two metal-containing active materials resulting from the processing (by means of irradiation) of a metal-containing construction material, wherein at least a first metal-containing active material and/or LATP and/or LLTO and/or LLZO can comprise and/or at least a second metal-containing active material LFP and/or NMC and/or NCA and/or LCO. Preferably, the cathode consists predominantly (75-99 wt.%, preferably 90-95 wt.%) of one or more of the above-mentioned materials. Optionally, the cathode active material can comprise at least one binder (e.g. PVDF, optionally 1-25 wt.% or preferably 5-10 wt.%).
- - an electrolyte material, in particular a polymer-containing electrolyte material, for example comprising PVDF-HFP, PEO and/or Nafion, and/or in particular a metal-containing, preferably a lithium-containing electrolyte material, for example LAGP, LATP, LLTO and/or LLZO. Optionally, the electrolyte material can be produced from a polymer-containing and a metal-containing construction material, ie from a construction material that comprises a polymer-containing and a metal-containing construction material component. The electrolyte material is preferably designed as a solid electrolyte material. This means in particular that the electrolyte material has a slight porosity.
- - An anode, e.g. based on lithium. This lithium-based anode can be produced by processing (solidifying by irradiation) a predominantly pure lithium anode. metal-containing, preferably powdered, construction material. The anode is preferably designed as a solid cell anode; this means in particular that the anode has a slight porosity.
- - A second collector, e.g. based on copper. This copper-based collector can be formed by processing (solidification by means of irradiation) a metal-containing, preferably powdered, construction material consisting predominantly of pure copper.
Besonders bevorzugt kann
Alternativ oder zusätzlich kann das Aufbaumaterial einen Separator umfassen, insbesondere für eine (klassische) Batterie. Dieser Separator kann als (dünne) Polymerfolie ausgebildet werden. Das Polymer kann umfassen (ggf. zu mindestens 50 Gew.-% oder 80 Gew.-%), z. B. Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyamid, z. B. PA 6 und/oder PA 12 und/oder PA 6.6, und/oder Polyester. Insbesondere kann in einigen Anwendungen der Separator das Festelektrolytmaterial ersetzen. Die Herstellung einer im Wesentlichen aus reinem Metall (bspw. Lithium, Aluminium oder Kupfer) bestehenden Komponente einer elektrochemischen Zelle kann, insbesondere für die Erreichung einer bestimmten Materialdichte und/oder Krystallstruktur und/oder Porosität, mittels eines Wärmeleitschweißverfahren, eines Tiefschweißverfahren und/oder eine Kombination davon erfolgen. Insbesondere kann das Aufbaumaterial vorteilhafterweise in einem Wärmeleitschweißprozess verarbeitet werden, wenn eine hohe Oberflächenqualität (-homogenität) und/oder eine homogene Krystallstruktur erreicht werden muss, während eine Verarbeitung des Aufbaumaterials in einem Tiefschweißprozess vorteilhaft sein kann, wenn eine starke Anbindung der Schichten (Komponenten) der elektrochemischen Zelle erreicht werden muss. Eine solche starke Anbindung ist insbesondere beim gleichzeitigen Aufschmelzen von verschiedenen Schichten/Aufbaumaterialien gegeben.Alternatively or additionally, the construction material can comprise a separator, in particular for a (classic) battery. This separator can be designed as a (thin) polymer film. The polymer can comprise (if necessary at least 50% by weight or 80% by weight), e.g. polyethylene and/or polypropylene, and/or polyamide, e.g. PA 6 and/or
Die
In einem nachgelagerten Schritt kann ggf. auf der Rückseite (grundsätzlich auf identische Art und Weise) bestrahlt (belichtet) werden, ggf. kalandriert werden und dann optional in „daughter rolls“ (Tochterrollen) geschnitten werden.In a subsequent step, the back side can be irradiated (exposed) (basically in an identical manner), calendered if necessary and then optionally cut into “daughter rolls”.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebene Teile bzw. Funktionen für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.At this point, it should be noted that all parts and functions described above are considered to be essential to the invention when viewed individually and in any combination, particularly the details shown in the drawings. Modifications to this are familiar to those skilled in the art.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass ein möglichst breiter Schutzumfang angestrebt wird. Insofern kann die in den Ansprüchen enthaltene Offenbarung auch durch Merkmale präzisiert werden, die mit weiteren Merkmalen beschrieben werden (auch ohne dass diese weiteren Merkmale zwingend aufgenommen werden sollen). Explizit wird darauf hingewiesen, dass runde Klammern und der Begriff „insbesondere“ im jeweiligen Kontext die Optionalität von Merkmalen hervorheben soll (was nicht im Umkehrschluss bedeuten soll, dass ohne derartige Kenntlichmachung ein Merkmal als im entsprechenden Zusammenhang zwingend zu betrachten ist).It is also pointed out that the aim is to achieve the broadest possible scope of protection. In this respect, the disclosure contained in the claims can also be made more precise by features that are described with further features (even without these further features necessarily being included). It is explicitly pointed out that round brackets and the term "in particular" are intended to emphasize the optionality of features in the respective context (which does not mean, conversely, that without such identification a feature is to be considered mandatory in the corresponding context).
BezugszeichenReference symbols
- 10a-d10a-d
- Bestrahlungseinheit (Belichtungseinheit)Irradiation unit (exposure unit)
- 1111
- BeschichtungseinheitCoating unit
- 12a-c12a-c
- Dosierer (Dosiereinrichtung)Doser (dosing device)
- 1313
- BeschichtungsrolleCoating roll
- 1414
- GegenrolleCounter role
- 15a-d15a-d
- AufbaumaterialConstruction material
- 1616
- TrägermaterialCarrier material
- 1717
- Rollerole
- 1818
- (Umlenk-)Rolle(Deflection) roller
- 1919
- BestrahlungsbereichIrradiation area
- 2020
- Rollerole
- 2121
- Rollerole
- 2222
- BearbeitungstischProcessing table
- 2323
- BewegungsrichtungDirection of movement
- 24a-d24a-d
- GlätteinrichtungSmoothing device
- 2525
- Kollektorcollector
- 2626
- Kathodecathode
- 2727
- FeststoffelektrolytSolid electrolyte
- 2828
- Anodeanode
- 2929
- Kollektorcollector
- 3030
- BestrahlungseinheitIrradiation unit
- 3131
- VerschieberichtungShift direction
- 3232
- Führungguide
- 3333
- GasauslassGas outlet
- 3434
- DrucksensorPressure sensor
- 3535
- SauerstoffdetektionssensorOxygen detection sensor
- 3636
- TemperatursensorTemperature sensor
- 3737
- BauplattformConstruction platform
- 3838
- StrahlungsaustrittsabschnittRadiation exit section
- 3939
- MonitoringeinheitMonitoring unit
- 4040
- TrägerfolieCarrier film
- 4141
- KathodenstrukturCathode structure
- 4242
- InertgaszufuhrInert gas supply
- 43a, 43b43a, 43b
- AbsaugvorrichtungExtraction device
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 20200411838 A1 [0003]US 20200411838 A1 [0003]
Claims (30)
Priority Applications (2)
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PCT/EP2023/079584 WO2024089010A1 (en) | 2022-10-24 | 2023-10-24 | Method and apparatus for additively producing electrochemical devices |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102022128049.7A DE102022128049A1 (en) | 2022-10-24 | 2022-10-24 | Method and device for the additive manufacturing of electrochemical devices |
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DE102022128049A1 true DE102022128049A1 (en) | 2024-04-25 |
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DE102022128049.7A Pending DE102022128049A1 (en) | 2022-10-24 | 2022-10-24 | Method and device for the additive manufacturing of electrochemical devices |
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CN 1 06 694 878 A (Maschinenübersetzung, DPMA, Übersetzung erstellt am 20.06.2022) |
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Legal Events
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R079 | Amendment of ipc main class |
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