DE102021119926A1

DE102021119926A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines beschichteten Objekts mittels additiver Fertigung im Vakuum

Info

Publication number: DE102021119926A1
Application number: DE102021119926.3A
Authority: DE
Inventors: Kilian Müller; Petra Mela; Markus Eblenkamp; Nicolas Niessen; Marina Kühn-Kauffeldt; Marvin Kühn
Original assignee: Univ Der Bundeswehr Muenchen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Der Bundeswehr Muenchen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Univ Der Bundeswehr Muenchen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Der Bundeswehr Muenchen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-02
Also published as: US20240399656A1; EP4377068A1; WO2023006989A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Objekts mittels additiver Fertigung im Vakuum sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines beschichteten Objekts. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer ersten Polymerschicht auf einem Werkstück und/oder auf einem Druckbett. Eine erste Beschichtungsschicht wird auf zumindest einem Teil der ersten Polymerschicht mittels vakuumbasierter Gasphasenabscheidung ausgebildet. Eine zweite Polymerschicht wird auf zumindest einem Teil der ersten Polymerschicht und/oder der ersten Beschichtungsschicht ausgebildet, wobei die zweite Polymerschicht vor, während oder nach dem Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht ausgebildet wird. Die erste Polymerschicht, die erste Beschichtungsschicht und die zweite Polymerschicht werden im Vakuum bei einem Gasdruck von weniger als 1 mbar ausgebildet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der additiven Fertigung und betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines beschichteten Objekts mittels additiver Fertigung im Vakuum.
HINTERGRUND
Polymermaterialien, insbesondere thermoplastische Hochleistungskunststoffe, haben eine Vielzahl vorteilhafter Eigenschaften für die Herstellung von Objekten mit komplexen Formen wie etwa medizinischen Implantaten, siehe z.B. R. F. M. R. Kersten et al., Spine J. 15 (2015) 1446-1460 und S. M. Kurtz, PEEK Biomaterials Handbook, 2. Auflage, William Andrew, Oxford, 2019. Viele thermoplastische Kunststoffe wie beispielsweise Polymere der Polyaryletherketon-Gruppe (PAEK-Gruppe) sind biokompatibel und weisen mechanische Kennwerte auf, die denen menschlicher Knochen ähneln. Hochleistungskunststoffe sind darüber hinaus aufgrund ihrer thermischen und chemischen Beständigkeit sowie ihrer hohen mechanischen Stabilität und ihres geringen Gewichts auch für andere Anwendungen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt von Interesse. Zudem lassen sich thermoplastische Kunststoffe in der Regel leicht verarbeiten und ermöglichen so die Herstellung individuell angepasster Objekte wie beispielsweise Knochenersatzimplantate. Insbesondere eignen sie sich für die additive Fertigung (3D-Druck), bei der Gegenstände durch iteratives Ausbilden einer Vielzahl von Schichten erzeugt werden, wodurch auch komplexe Strukturen schnell und kostengünstig hergestellt werden können.
Für manche Anwendungen können Polymermaterialien jedoch insbesondere als Oberflächenmaterial ungeeignet sein und eine zusätzliche Funktionalisierung erfordern. Polymermaterialien sind etwa im Allgemeinen bioinert, was beispielsweise das Anwachsen knöcherner Strukturen an solche Implantate erheblich erschwert. Um das Anwachsen knöcherner Strukturen dennoch zu ermöglichen, kann die Oberfläche des fertigen Implantats modifiziert werden, beispielsweise durch Aufbringen einer osseointegrativen Beschichtung oder durch Mikrostrukturierung der Oberfläche zur Erhöhung ihrer Rauheit, siehe z.B. J. Knaus et al., Macromol. Biosci. 20 (2020) 1900239. Die allermeisten Polymermaterialien sind außerdem elektrische Isolatoren, so dass zum Beispiel eine metallische Beschichtung aufgebracht werden muss, um eine elektrisch leitfähige Oberfläche zu erhalten.
Eine solche Oberflächenmodifikation erfolgt üblicherweise in einem zusätzlichen, der Herstellung des polymeren Grundkörpers nachgeschalteten Bearbeitungsschritt. Neben der damit einhergehenden höheren Komplexität und Kosten der Herstellung birgt dies insbesondere bei medizinischen Implantaten auch die Gefahr einer Kontamination und erfordert daher besondere Maßnahmen, um die Sterilität des Implantats zu gewährleisten. Außerdem können Objekte mit komplexen Geometrien wie beispielsweise Hinterschneidungen oder porösen Strukturen mit herkömmlichen Beschichtungsverfahren nicht beschichtet werden. Dadurch wird die durch die additive Fertigung überhaupt erst ermöglichte Designfreiheit zumindest teilweise wieder eingeschränkt.
ÜBERBLICK
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Herstellung von Objekten mit komplexen Strukturen und funktionalisierten Oberflächen zu ermöglichen, um beispielsweise das Anwachsen knöcherner Strukturen an medizinische Implantate zu erleichtern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Objekts mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Herstellung eines beschichteten Objekts mittels additiver Fertigung im Vakuum. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer ersten Polymerschicht auf einem Werkstück und/oder auf einem Druckbett. Auf zumindest einem Teil der ersten Polymerschicht wird eine erste Beschichtungsschicht mittels vakuumbasierter Gasphasenabscheidung ausgebildet. Außerdem wird eine zweite Polymerschicht auf zumindest einem Teil der ersten Polymerschicht und/oder der ersten Beschichtungsschicht ausgebildet, wobei die zweite Polymerschicht vor, während oder nach dem Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht ausgebildet wird. Die erste Polymerschicht, die erste Beschichtungsschicht und die zweite Polymerschicht werden im Vakuum bei einem Gasdruck von weniger als 1 mbar ausgebildet.
Das beschichtete Objekt kann beispielsweise ein medizinisches Implantat, insbesondere ein Knochenersatzimplantat sein, d.h. ein Implantat, welches dazu dient, einen Knochen im menschlichen oder tierischen Körper ganz oder teilweise zu ersetzen, auszubessern oder zu vergrößern, zum Beispiel nach einer Tumorresektion oder Entfernung des Ursprungsknochens wegen Trümmerbruch. Das Implantat kann beispielsweise eine Endoprothese oder ein Teil einer Endoprothese sein, die dazu dient, ein Gelenk ganz oder teilweise zu ersetzen. In anderen Ausführungsformen kann das Implantat beispielsweise ein Zahnimplantat sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Beispiel dazu verwendet werden, das medizinische Implantat mit einer osseointegrativen und/oder antibakteriellen Beschichtung zu versehen. In einigen Ausführungsformen kann das beschichtete Objekt auch zur Verwendung in der Luft- und Raumfahrt bestimmt sein. Das Objekt kann beispielsweise eine Komponente eines Flugzeugs sein, zum Beispiel eine Motorkomponente, und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer funktionalisierten Oberfläche, zum Beispiel einer elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Oberfläche versehen werden. In einem anderen Beispiel kann das Objekt eine Komponente eines Satelliten oder einer Raumsonde, zum Beispiel eine Komponente für ein Solarpanel oder eine Antenne, sein und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer funktionalisierten Oberfläche, zum Beispiel mit einer strahlungsbeständigen Oberfläche etwa aus Aluminium zum Schutz vor ultravioletter oder kosmischer Strahlung, einer Oberfläche zum Schutz vor atomarem Sauerstoff oder einer Oberfläche mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit, versehen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch zur Herstellung von Ersatzteilen im Orbit verwendet werden.
Das beschichtete Objekt wird zumindest teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, auch als 3D-Druck bezeichnet, hergestellt, zum Beispiel mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das beschichtete Objekt kann beispielsweise aus einer Vielzahl von Schichten herstellt werden, die sukzessive übereinander ausgebildet werden. Die Formulierung „übereinander ausgebildet“ soll auch diejenigen Ausführungsformen einschließen, in denen eine erste Schicht und die der ersten Schicht nachfolgende Schicht nicht über ihre kompletten Flächen in Kontakt miteinander stehen und/oder eine erste Schicht und die der ersten Schicht nachfolgende Schicht - in Aufbaurichtung betrachtet - nicht absolut deckungsgleich sind, insbesondere keine identische Außenkontur aufweisen. „Übereinander ausgebildet“ gibt vielmehr an, dass gemäß dem Herstellungsverfahren eine Aufbaurichtung vorgesehen ist, entlang der das beschichtete Objekt bzw. Werkstück aus einer Vielzahl von Schichten sukzessive aufgebaut wird, die im Wesentlichen entlang des Normalenvektors der Schichten, vorzugsweise entlang der Vertikalen, verläuft. Die Schichten können zum Beispiel durch Abscheiden eines flüssigen oder verflüssigten Materials wie etwa eines geschmolzenen thermoplastischen Kunststoffs ausgebildet werden, welches anschließend erstarrt oder aushärtet. Vorzugsweise wird das beschichtete Objekt mittels Schmelzschichtung (fused deposition modeling/fused filament fabrication) hergestellt.
Das Werkstück kann zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden oder kann als Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet werden. Als Werkstück wird vorliegend das herzustellende Objekt in einer Zwischenstufe zu Beginn oder während der Herstellung des beschichteten Objekts bezeichnet, beispielsweise zu Beginn oder während des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Werkstück kann insbesondere ganz oder teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt werden, zum Beispiel aus Kunststoff, Keramik und/oder Metall, beispielsweise durch Ausbilden einer Vielzahl von Polymer- und/oder Beschichtungsschichten vor dem Ausbilden der ersten Polymerschicht. Alternativ oder zusätzlich kann das Werkstück beispielsweise auch mittels eines Fräs- und/oder Spritzgussverfahrens hergestellt werden.
Auf dem Werkstück wird zunächst die erste Polymerschicht ausgebildet, beispielsweise durch Abscheiden eines Polymermaterials in flüssiger Form und anschließendes Erstarren oder Aushärten. Die erste Polymerschicht kann auf dem gesamten Werkstück ausgebildet werden oder vorzugsweise selektiv auf einem oder mehreren Bereichen des Werkstücks, etwa gemäß einer vorgegebenen Form des beschichteten Objekts, zum Beispiel basierend auf einem Konstruktionsmodell des beschichteten Objekts wie etwa einem CAD-Modell.
Anschließend wird auf zumindest einem Teil der ersten Polymerschicht eine erste Beschichtungsschicht ausgebildet, zum Beispiel auf zumindest einem Teil einer zur Aufbaurichtung im Wesentlichen senkrechten Oberfläche der ersten Polymerschicht und/oder auf zumindest einem Teil einer zur Aufbaurichtung im Wesentlichen parallelen Seitenfläche der ersten Polymerschicht. Die erste Beschichtungsschicht kann zum Beispiel ein anorganisches, thermisch leitfähiges und/oder elektrisch leitfähiges Material, insbesondere ein Metall umfassen oder aus einem solchen Material bestehen. Die erste Beschichtungsschicht kann beispielsweise Titan, Aluminium, Kupfer, Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Fluor umfassen. Ein thermisch leitfähiges Material kann zum Beispiel ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/(m · K), vorzugsweise mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/(m · K), in einem Beispiel mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/(m · K) sein. Ein elektrisch leitfähiges Material kann zum Beispiel ein Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mehr als 10² (Ω, · m)^-1, vorzugsweise mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mehr als 10⁴ (Ω · m)^-1, in einem Beispiel mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mehr als 10⁶ (Ω · m)^-1 sein.
In manchen Ausführungsformen ist das beschichtete Objekt ein medizinisches Implantat, zum Beispiel ein Knochenersatzimplantat, und die erste Beschichtungsschicht umfasst oder besteht aus einem osseointegrativen und/oder antibakteriellen Material. Ein osseointegratives Material ist ein Material, an das Knochengewebe anwachsen kann. Das osseointegrative Material kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, dass Osteoblasten an seiner Oberfläche anhaften. Das osseointegrative Material kann ein osseointegratives Metall umfassen, vorzugsweise Titan, und kann beispielsweise reines Titan, Titanoxid und/oder eine Titanlegierung sein. Ein antibakterielles Material ist ein Material, das das Anhaften, das Wachstum und/oder die Vermehrung von Bakterien behindert oder vollständig verhindert und/oder Bakterien gezielt abtötet, beispielsweise ein für Bakterien toxisches Material. Das antibakterielle Material kann ein antibakterielles Metall umfassen, vorzugsweise Kupfer, Silber und/oder Aluminium, und kann beispielsweise reines Kupfer, Kupferoxid, eine Kupferlegierung, reines Silber, Silberoxid und/oder eine Silberlegierung sein. Alternativ oder zusätzlich kann das antibakterielle Material auch Titan umfassen, insbesondere Titandioxid (TiO₂). Titandioxid kann beispielsweise durch Bestrahlung mit Licht, insbesondere LTV-Licht, antibakteriell wirken (Photokatalyse).
Die erste Beschichtungsschicht wird mittels eines vakuumbasierten Gasphasenabscheidungsverfahrens ausgebildet, bei dem das Beschichtungsmaterial oder ein Vorläufermaterial (Precursor-Material) in einer Vakuumumgebung in die Gasphase überführt und auf dem Werkstück und/oder auf der ersten Polymerschicht abgeschieden wird. Die erste Beschichtungsschicht kann beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung oder vorzugsweise mittels physikalischer Gasphasenabscheidung ausgebildet werden. Das Beschichtungsmaterial kann zum Beispiel thermisch oder mittels eines Laserstrahls verdampft werden und anschließend auf dem Werkstück bzw. der ersten Polymerschicht kondensieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Beschichtungsschicht mittels Vakuum-Lichtbogen-Deposition (Lichtbogenverdampfen/cathodic arc deposition) ausgebildet. Hierzu kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an ein Target aus einem elektrisch leitfähigen Beschichtungsmaterial eine Gasentladung induziert werden und durch das entstehende Plasma Beschichtungsmaterial aus dem Target in die Gasphase überführt werden.
Weiterhin wird eine zweite Polymerschicht auf dem Werkstück ausgebildet, wobei die zweite Polymerschicht auf zumindest einem Teil der ersten Polymerschicht und/oder auf zumindest einem Teil der ersten Beschichtungsschicht ausgebildet werden kann. Die zweite Polymerschicht kann nach oder während des Ausbildens der ersten Polymerschicht und vor, während oder nach dem Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht ausgebildet werden. Die erste Beschichtungsschicht kann in zeitlicher Hinsicht zwischen der ersten und der zweiten Polymerschicht ausgebildet werden, zum Beispiel nach Abschluss des Ausbildens der ersten Polymerschicht und vor Beginn des Ausbildens der zweiten Polymerschicht. In anderen Beispielen kann die erste Beschichtungsschicht nach dem Ausbilden der ersten und der zweiten Polymerschicht ausgebildet werden, beispielsweise als letzte Schicht des additiven Fertigungsprozesses. In manchen Ausführungsformen können die erste Polymerschicht, die erste Beschichtungsschicht und/oder die zweite Polymerschicht zumindest teilweise gleichzeitig ausgebildet werden. Beispielsweise kann die zweite Polymerschicht bereits in einem ersten Bereich des Werkstücks ausgebildet werden, während die erste Beschichtungsschicht noch in einem zweiten Bereich des Werkstücks ausgebildet wird. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Polymerschicht erst dann ausgebildet werden, wenn die Ausbildung der ersten Beschichtungsschicht bereits abgeschlossen ist.
Sowohl die erste Beschichtungsschicht als auch die erste Polymerschicht und die zweite Polymerschicht werden im Vakuum ausgebildet. Das Werkstück kann sich beispielsweise während des Verfahrens in einer Vakuumkammer befinden. Der Gasdruck während der Ausbildung der Schichten beträgt weniger als 1 mbar (Feinvakuum). In manchen Beispielen beträgt der Gasdruck weniger als 10^-1 mbar, vorzugsweise weniger als 10^-2 mbar. In einigen Ausgestaltungen werden die Schichten im Hochvakuum (≤ 10^-3 mbar) ausgebildet, in einem Beispiel bei einem Gasdruck von weniger als 10^-4 mbar. In manchen Ausführungsformen erfolgt auch die Herstellung des Werkstücks und/oder die weitere Herstellung des beschichteten Objekts im Vakuum, zum Beispiel durch Ausbilden einer Vielzahl von Polymer- und/oder Beschichtungsschichten im Vakuum bei dem entsprechenden Gasdruck.
Die erste Beschichtungsschicht kann auf der gesamten ersten Polymerschicht und/oder auf dem gesamten Werkstück ausgebildet werden, beispielsweise als homogene Schicht. In anderen Ausführungsformen kann die erste Beschichtungsschicht nur auf einem Teil der ersten Polymerschicht ausgebildet werden, zum Beispiel nur auf Bereichen der ersten Polymerschicht, die nach Abschluss der Herstellung des beschichteten Objekts eine freiliegende Oberfläche des beschichteten Objekts bilden. Dies kann beispielsweise für die mechanische Stabilität des beschichteten Objekts vorteilhaft sein, aber gleichzeitig eine Funktionalisierung der Oberfläche ermöglichen, zum Beispiel um das Anwachsen knöcherner Strukturen an einem Knochenersatzimplantat zu ermöglichen. Die freiliegende Oberfläche kann nach außen freiliegen, d.h. mit einer Umgebung des beschichteten Objekts in Kontakt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die freiliegende Oberfläche auch nach innen freiliegen, d.h. zum Beispiel eine Oberfläche sein, die einen Hohlraum innerhalb des beschichteten Objekts begrenzt. In anderen Ausführungsformen kann die erste Beschichtungsschicht nach Abschluss der Herstellung des beschichteten Objekts ganz oder teilweise von Polymerschichten eingeschlossen sein, beispielsweise um die erste Polymerschicht im Inneren des Objekts mit einer funktionalisierten Beschichtung, zum Beispiel mit einer elektrisch leitfähigen Struktur, zu versehen.
In einigen Ausführungsformen kann das Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht die Zugabe eines Prozessgases umfassen, beispielsweise um eine reaktive Beschichtung auszubilden. Das Prozessgas kann vor, während oder nach der Gasphasenabscheidung zugegeben werden, zum Beispiel um eine weitere Spezies, insbesondere eine reaktive Spezies, in die erste Beschichtungsschicht einzubringen oder um eine weitere Schicht, insbesondere eine reaktive Schicht, unter oder auf der ersten Beschichtungsschicht auszubilden. Das Prozessgas kann beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Wasserdampf, Methan und/oder Kohlenstoffdioxid umfassen.
Die erste Polymerschicht und die zweite Polymerschicht können einen thermoplastischen Kunststoff umfassen oder aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen. Vorzugsweise umfassen oder bestehen die erste und die zweite Polymerschicht jeweils aus einem oder mehreren technischen Polymeren und/oder aus einem oder mehreren Hochleistungspolymeren. Die Gruppe der technischen Polymere umfasst unter anderem Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Nylon 6, Nylon 6-6, Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polycarbonat (PC), Polyketon (PK), Polyethylenterephthalat (PET), Polyimid, Polyoxymethylen (POM/Acetal), Polyphenylenoxid (PPO) und Polymethylmethacrylate (PMMA). Die Gruppe der Hochleistungspolymere umfasst unter anderem Polyphenylensulfid (PPS), Polysulphon (PSU), Polytetrafluoroethylen (PTFE/Teflon) sowie die Gruppe der Polyaryletherketone (PAEK) einschließlich Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketoneketon (PEKK) und Polyetherketon (PEK). Die Polymerschichten können beispielsweise jeweils einen oder mehrere Polyetherketone (PEK) umfassen, vorzugsweise Polyaryletherketone (PAEK), insbesondere Polyetheretherketon (PEEK). Die erste und die zweite Polymerschicht können dabei aus dem gleichen Polymermaterial oder aus unterschiedlichen Polymermaterialien bestehen. In einigen Ausführungsformen können die erste und/oder die zweite Polymerschicht alternativ oder zusätzlich auch aus einem oder mehreren biodegradablen Polymeren bestehen oder solche Materialien umfassen. Ein biodegradables Polymer ist ein Polymer, das biologisch abbaubar ist und beispielsweise im menschlichen Körper ganz oder teilweise abgebaut werden kann, zum Beispiel über einen Zeitraum von mehreren Wochen, mehreren Monaten oder mehreren Jahren. Die Gruppe der biodegradablen Polymere umfasst beispielsweise Polycaprolacton (PCL), Polyglycolide (PGA), Polyactide (PLA), Polyethylenglycol (PEG) und Polydioxanon (PDS).
Die erste Polymerschicht und die zweite Polymerschicht können jeweils zum Beispiel mittels Schmelzschichtung ausgebildet werden (fused deposition modeling/fused filament fabrication). Hierbei wird ein Filament oder Strang aus einem thermoplastischen Kunststoff ganz oder teilweise aufgeschmolzen und selektiv auf dem Werkstück abgeschieden, zum Beispiel entlang eines vordefinierten Pfades, um eine strukturierte Polymerschicht auszubilden. Das Filament kann einem beweglich gelagerten Druckkopf zugeführt, in diesem aufgeschmolzen und durch eine Düse auf dem Werkstück abgeschieden werden. Grundlagen der additiven Fertigung mittels Schmelzschichtung sind beispielsweise in S. Vyavahare et al., Rapid Prototyp. J. 26 (2020), 176-201, B.N. Turner et αl., Rapid Prototyp. J. 20 (2014), 192-204 und B.N. Turner/S.A. Gold, Rapid Prototyp. J. 21 (2015), 250-261 beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner das Ausbilden weiterer Polymerschichten und/oder weiterer Beschichtungsschichten umfassen, zum Beispiel vor dem Ausbilden der ersten Polymerschicht und/oder nach dem Ausbilden der zweiten Polymerschicht. Insbesondere kann das Verfahren das additive Fertigen des Werkstücks durch iteratives Ausbilden einer Vielzahl von Polymer- und/oder Beschichtungsschichten umfassen und/oder das Fertigstellen des beschichteten Objekts durch iteratives Ausbilden einer Vielzahl von weiteren Polymer- und/oder Beschichtungsschichten auf dem Werkstück umfassen. Dabei kann jede der Beschichtungsschichten jeweils auf zumindest einem Teil einer bereits ausgebildeten Polymerschicht und vor dem Ausbilden einer weiteren Polymerschicht mittels vakuumbasierter Gasphasenabscheidung abgeschieden werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das iterative Ausbilden einer Vielzahl von Polymerschichten und einer Vielzahl von Beschichtungsschichten, wobei die Polymerschichten und die Beschichtungsschichten abwechselnd ausgebildet werden, beispielsweise indem zwischen der Ausbildung zweier aufeinander folgender Polymerschichten jeweils eine Beschichtungsschicht ausgebildet wird. In anderen Ausgestaltungen kann eine andere Schichtfolge gewählt werden, beispielsweise indem jeweils nach Ausbildung einer vorgegebenen Anzahl von Polymerschichten eine Beschichtungsschicht ausgebildet wird, wobei die vorgegebene Anzahl von Polymerschichten zum Beispiel zwischen 2 und 10 liegen kann. In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren das iterative Ausbilden einer Vielzahl von Polymerschichten, wobei lediglich eine einzige Beschichtungsschicht, nämlich die erste Beschichtungsschicht, ausgebildet wird, zum Beispiel nach dem Ausbilden der letzten Polymerschicht der Vielzahl von Polymerschichten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von beschichteten Objekten mit komplexen Strukturen, zum Beispiel von medizinischen Implantaten mit einer funktionalisierten Oberfläche, die das Anwachsen knöcherner Strukturen erleichtert. Durch Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht zusammen mit der ersten Polymerschicht und der zweiten Polymerschicht in einem Vakuum, zum Beispiel durch Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht zwischen dem Ausbilden der ersten und der zweiten Polymerschicht oder nach dem Ausbilden der ersten und der zweiten Polymerschicht, kann die Beschichtung des Objekts in den additiven Fertigungsprozess integriert werden. Dadurch ist zum Beispiel auch bei Implantaten aus bioinerten Polymeren kein nachgeschalteter Beschichtungsprozess nötig, wodurch neben einer Vereinfachung des Herstellungsprozesses auch das Risiko von Kontaminationen verringert werden kann. Zudem kann auch bei komplexen Strukturen eine vollständige und gleichmäßige Beschichtung erreicht werden, beispielsweise von Hohlräumen, Poren oder Hinterschneidungen, oder eine Beschichtung von Polymerschichten, die im Inneren des Objekts liegen, d.h. nach der Herstellung ganz oder teilweise von anderen Polymerschichten eingeschlossen sind. Dabei wird das gesamte Verfahren im Fein- oder Hochvakuum ausgeführt, wodurch ein kontaminationsfreier Fertigungsprozess gewährleistet werden kann, ohne dass hierzu ein Reinraum oder ein partikelgefilterter Luftkreislauf für das Bauvolumen der additiven Fertigungsanlage erforderlich wären. Durch Ausbildung der Polymerschichten im Vakuum können ferner Wärmeverluste durch Konvektion vermieden werden und damit ein zu schnelles Abkühlen des Bauteils verhindert werden. Hierdurch kann beispielsweise eine verbesserte Schichthaftung sowie eine geringere Oberflächenrauheit erreicht werden, vgl. S. Maidin et al., Int. J. Appl. Eng. Res. 12 (2017), 4877- 4881 und S. Maidin et al., J. Fundam. Appl. Sci. 10 (2018) 633-645.
Die Wärmeverluste durch Konvektion können dabei durch Anpassung des Gasdrucks gesteuert werden. Der Gasdruck kann beispielsweise so gewählt werden, dass eine mittlere freie Weglänge λ der Gasteilchen ähnlich oder größer als eine Abmessung d der Vakuumkammer ist, in der das Verfahren durchgeführt wird. Ab einer Knudsenzahl Kn = λ/d > 0,5 befindet man sich im molekularen Strömungsbereich, in dem die Gasteilchen sich nahezu frei von einer Wand der Vakuumkammer zu einer anderen Wand der Vakuumkammer bewegen können und der Wärmetransport unabhängig vom Druck ist. Bei einer Knudsenzahl Kn = λ/d < 0,01, d.h. einer mittleren freien Weglänge, die deutlich kleiner als die Abmessung der Vakuumkammer ist, befindet man sich im viskosen Strömungsbereich, in dem die Bewegung der Gasteilchen durch Stöße zwischen den Gasteilchen bestimmt wird und der Wärmetransport druckabhängig ist. Die Knudsenzahl kann anhand des Drucks in der Vakuumkammer berechnet werden: $K n = \frac{k_{B} T}{π d_{N_{2}}^{2} d p}$
wobei k_B die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur und d_N2 der Durchmesser eines Stickstoffmoleküls ist. Die erste Polymerschicht, die erste Beschichtungsschicht und die zweite Polymerschicht können im viskosen Strömungsbereich, im molekularen Strömungsbereich oder in einem Übergangsbereich zwischen dem viskosen und dem molekularen Strömungsbereich ausgebildet werden. Die erste Polymerschicht, die erste Beschichtungsschicht und die zweite Polymerschicht werden vorzugsweise bei einer Knudsenzahl Kn > 0.01 ausgebildet. In manchen Beispielen können die entsprechenden Schichten bei einer Knudsenzahl von 0.01 ≤ Kn ≤ 1 ausgebildet werden, zum Beispiel zur Regelung des Wärmetransports. In manchen Beispielen können die entsprechenden Schichten alternativ auch bei einer Knudsenzahl von Kn > 1 ausgebildet werden, wenn der Wärmetransport durch Konvektion verhindert werden soll.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung eines beschichteten Objekts mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen bereit. Die Vorrichtung umfasst eine Vakuumkammer mit einer Aufnahme, die dazu eingerichtet ist, ein Werkstück während der Herstellung des beschichteten Objekts aufzunehmen. Die Vorrichtung weist weiterhin eine additive Fertigungseinheit auf, die ganz oder teilweise in der Vakuumkammer angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, eine Polymerschicht selektiv auf zumindest einem Teil des von der Aufnahme aufgenommenen Werkstücks und/oder auf zumindest einem Teil eines Druckbetts auszubilden. Außerdem weist die Vorrichtung eine Beschichtungseinheit auf, die ganz oder teilweise in der Vakuumkammer angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, mittels vakuumbasierter Gasphasenabscheidung eine Beschichtungsschicht auf zumindest einem Teil des Werkstücks und/oder der Polymerschicht auszubilden.
Die Vakuumkammer kann ein Bauvolumen einschließen und eine Tür oder eine Ladeschleuse aufweisen, beispielsweise um das Werkstück in das Bauvolumen einzubringen oder das beschichtete Objekt aus dem Bauvolumen zu entnehmen. Die Aufnahme kann dazu eingerichtet sein, das Werkstück während des additiven Fertigungsprozesses in einer vorgegebenen Position zu halten, und kann beispielsweise ein Druckbett wie etwa eine Trägerplatte aufweisen, auf dem das Werkstück angeordnet werden kann, oder eine Halterung, in der das Werkstück oder ein Druckbett mittels eines oder mehrerer Haltemittel befestigt werden kann, zum Beispiel eingespannt werden kann. Das Werkstück kann dabei insbesondere durch Ausbilden einer Vielzahl von Polymer- und/oder Beschichtungsschichten in oder auf der Aufnahme, zum Beispiel auf dem Druckbett, mittels der additiven Fertigungseinheit und/oder der Beschichtungseinheit in der Vakuumkammer gefertigt worden sein.
Die Beschichtungseinheit ist dazu eingerichtet, eine oder mehrere Beschichtungsschichten mittels Gasphasenabscheidung auf dem Werkstück auszubilden, zum Beispiel auf zumindest einem Teil der von der additiven Fertigungseinheit ausgebildeten Polymerschicht. Die Beschichtungseinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine oder mehrere strukturierte Beschichtungsschichten auf dem Werkstück auszubilden, d.h. die jeweilige Schicht selektiv in einem oder mehreren Bereichen auf der Oberfläche des Werkstücks auszubilden. Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtungseinheit dazu eingerichtet sein, die eine oder mehreren Beschichtungsschichten homogen über dem gesamten Werkstück, d.h. über der gesamten freiliegenden Oberfläche des Werkstücks auszubilden. Die Beschichtungseinheit kann ganz oder teilweise innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Die Beschichtungseinheit kann beispielsweise an oder in einer Wand der Vakuumkammer, zum Beispiel an einem Flansch der Vakuumkammer, angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Beschichtungseinheit innerhalb der Vakuumkammer beweglich gelagert. Die Beschichtungseinheit kann dazu eingerichtet sein, die eine oder mehreren Beschichtungsschichten auf dem Werkstück auszubilden, während dieses von der Aufnahme aufgenommen ist, zum Beispiel auf dem Druckbett angeordnet ist. Alternativ kann die Beschichtungseinheit auch dazu eingerichtet sein, die eine oder mehreren Beschichtungsschichten auf dem Werkstück auszubilden, während dieses nicht von der Aufnahme aufgenommen ist, sondern sich beispielsweise in einem anderen Teil der Vakuumkammer befindet, z.B. von einer anderen Aufnahmevorrichtung aufgenommen ist.
Vorzugsweise ist die Beschichtungseinheit dazu eingerichtet, die eine oder mehreren Beschichtungsschichten mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, insbesondere mittels Vakuum-Lichtbogen-Deposition auszubilden. Die Beschichtungseinheit kann beispielsweise einen Verdampfer aufweisen, der dazu eingerichtet ist, ein Target aus dem Beschichtungsmaterial zumindest teilweise zu verdampfen, beispielsweise mit Hilfe eines Heizelements oder einer Laserquelle. Die Beschichtungseinheit kann insbesondere einen Lichtbogenverdampfer aufweisen, der dazu eingerichtet ist, ein Target aus dem Beschichtungsmaterial mittels eines Lichtbogens zumindest teilweise zu verdampfen, wobei das Beschichtungsmaterial ein elektrisch leitfähiges Material ist oder ein solches Material umfasst. Der Lichtbogenverdampfer kann dazu eingerichtet sein, eine elektrische Spannung zwischen dem Target und einer Elektrode anzulegen, um einen Lichtbogen zwischen dem Target und der Elektrode auszubilden, der Material aus dem Target lokal in die Gasphase überführt.
Die Beschichtungseinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, das verdampfte Beschichtungsmaterial selektiv auf das Werkstück aufzubringen, zum Beispiel auf zumindest einem Teil der von der additiven Fertigungseinheit ausgebildeten Polymerschicht und/oder auf zumindest einem Teil eines nicht von der Polymerschicht bedeckten Teils des Werkstücks. Hierzu kann die Beschichtungseinheit dazu eingerichtet sein, das Werkstück selektiv dem verdampften Material auszusetzen. Die Beschichtungseinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, das verdampfte Beschichtungsmaterial auf einen Ablagerungsbereich mit einer vorgegebenen Form und Größe auf das Werkstück aufzubringen. Der Ablagerungsbereich kann beispielsweise kreisförmig sein und einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 300 mm aufweisen. Die Beschichtungseinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, den Ablagerungsbereich auf der Oberfläche des Werkstücks selektiv dem verdampften Material auszusetzen. Die Beschichtungseinheit kann zum Beispiel eine oder mehrere Blenden aufweisen, die dazu eingerichtet sind, einen oder mehrere Bereiche des Werkstücks abzuschatten, beispielsweise alle Bereiche außerhalb des Ablagerungsbereichs. Der Ablagerungsbereich kann dabei beispielsweise einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 20 mm, in einem Beispiel einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 5 mm aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtungseinheit eine oder mehrere Elektroden und/oder einen oder mehrere Magnete aufweisen, die dazu eingerichtet sind, mittels elektromagnetischer Felder einen Strahl aus dem verdampften Material zu formen und/oder gezielt/geführt auf das Werkstück zu richten, zum Beispiel auf den Ablagerungsbereich.
Die additive Fertigungseinheit ist dazu eingerichtet, eine oder mehrere strukturierte Polymerschichten auf dem von der Aufnahme aufgenommenen Werkstück und/oder auf dem Druckbett auszubilden, d.h. die jeweilige Schicht selektiv in einem oder mehreren Bereichen auf der Oberfläche des Werkstücks bzw. des Druckbetts auszubilden, um eine Polymerschicht mit einer vorgegebenen Form herzustellen. Die additive Fertigungseinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die eine oder mehreren Polymerschichten aus einem thermoplastischen Kunststoff auszubilden, beispielsweise mittels selektivem Lasersintern (SLS) oder selektivem Laserschmelzen (selektive laser melting, SLM).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die additive Fertigungseinheit dazu eingerichtet, die eine oder mehreren Polymerschichten mittels Schmelzschichtung auszubilden. Die additive Fertigungseinheit kann beispielsweise einen oder mehrere Druckköpfe aufweisen, die jeweils in der Vakuumkammer angeordnet sind und jeweils dazu eingerichtet sind, einen thermoplastischen Kunststoff ganz oder teilweise aufzuschmelzen und den ganz oder teilweise aufgeschmolzenen thermoplastischen Kunststoff selektiv, zum Beispiel an einer vorgegebenen Position, auf dem von der Aufnahme aufgenommenen Werkstück und/oder auf dem Druckbett abzuscheiden. Jeder Druckkopf kann dazu eingerichtet sein, ein Filament oder einen Strang aus dem thermoplastischen Kunststoff zu empfangen, und kann eine Heizvorrichtung aufweisen, um das Filament oder den Strang ganz oder teilweise aufzuschmelzen. Jeder Druckkopf kann ferner eine Düse aufweisen, um das ganz oder teilweise aufgeschmolzene Filament oder den ganz oder teilweise aufgeschmolzenen Strang punktuell an einer vorgegebenen Position auf dem Werkstück abzuscheiden.
Die additive Fertigungseinheit kann ganz oder teilweise innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Insbesondere können der oder die Druckköpfe innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. Vorzugsweise ist jeder der Druckköpfe ohne Kunststoffkomponenten ausgestaltet, zum Beispiel um ein Ausgasen im Vakuum zu verhindern. Der oder die Druckköpfe können beispielsweise vollständig oder teilweise aus Metall hergestellt sein. In einigen Ausgestaltungen können Teile der additiven Fertigungseinheit auch außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein, beispielsweise ein Materialdepot, aus dem das Kunststofffilament dem Druckkopf zugeführt wird, oder eine Laserquelle zum Aufschmelzen des thermoplastischen Kunststoffs.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aufnahme, die additive Fertigungseinheit und/oder die Beschichtungseinheit innerhalb der Vakuumkammer beweglich gelagert, zum Beispiel so, dass das entsprechende Element entlang mindestens einer Richtung, vorzugsweise entlang mindestens zwei Richtungen bewegt werden kann. Um eine Vakuumkompatibilität zu gewährleisten, werden dabei vorzugsweise schmierfreie Lager verwendet. Die Vorrichtung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, zumindest die additive Fertigungseinheit und die Aufnahme relativ zueinander zu bewegen, zum Beispiel durch Bewegen der additiven Fertigungseinheit und/oder der Aufnahme. Die Vorrichtung kann einen Antrieb aufweisen, der dazu eingerichtet ist, die additive Fertigungseinheit und/oder die Beschichtungseinheit relativ zu dem von der Aufnahme aufgenommenen Werkstück zu bewegen und/oder das von der Aufnahme aufgenommene Werkstück relativ zu der additiven Fertigungseinheit und der Beschichtungseinheit zu bewegen, vorzugweise entlang zwei oder drei Richtungen. In einem Beispiel weist die Vorrichtung einen Antrieb auf, der dazu eingerichtet ist, die additive Fertigungseinheit und die Beschichtungseinheit gemeinsam relativ zu dem von der Aufnahme aufgenommenen Werkstück zu bewegen. Die additive Fertigungseinheit und die Beschichtungseinheit können beispielsweise zusammen an oder in einem Schlitten angeordnet sein und der Antrieb kann dazu eingerichtet sein, den Schlitten zu verfahren, zum Beispiel mittels eines Motors und eines Schneckengetriebes und/oder eines Riemengetriebes. Der Antrieb kann zudem ein Führungssystem mit einem oder mehreren Führungsmitteln wie beispielsweise Schienen und/oder beweglichen Armen aufweisen, um den Schlitten entlang eines vorgegebenen Pfads zu verfahren. Das Führungssystem kann beispielsweise eine kartesische Kinematik oder eine Delta-Kinematik umfassen.
In einigen Ausgestaltungen umfasst die Vorrichtung ferner eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Dicke der Beschichtungsschicht zu steuern, vorzugsweise durch Anpassen einer Dauer der Gasphasenabscheidung. Die Steuereinheit kann als Hardware und/oder Software implementiert sein und kann beispielsweise einen Prozessor und ein Speichermedium aufweisen, wobei das Speichermedium Programmanweisungen speichert, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um die hier beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Die Steuereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Beschichtungseinheit und/oder einen Antrieb für die Beschichtungseinheit zu steuern, zum Beispiel um eine Verdampfungsdauer, während der die Beschichtungseinheit Beschichtungsmaterial verdampft, und/oder eine Verweildauer und/oder eine Geschwindigkeit der Beschichtungseinheit über bzw. relativ zu einem Bereich des Werkstücks anzupassen.
Die Vorrichtung kann zudem eine Kühlung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Aufnahme, die additive Fertigungseinheit, die Beschichtungseinheit und/oder einen Antrieb der Vorrichtung zu kühlen, zum Beispiel durch Zirkulation eines Wärmeaustauschmediums durch und/oder um die entsprechenden Bauteile, beispielsweise Wasser. Die Kühlung kann mit den entsprechenden Bauteilen mittels vakuumkompatibler Schläuche verbunden sein und kann ein Reservoir für das Wärmeaustauschmedium sowie eine Pumpe aufweisen, die dazu eingerichtet ist, das Wärmeaustauschmedium über die Schläuche durch und/oder um die entsprechenden Bauteile zu zirkulieren zu lassen. Hierdurch können warmlaufende Teile innerhalb der Vakuumkammer aktiv gekühlt werden, zum Beispiel ein Druckkopf der additiven Fertigungseinheit, ein Verdampfer der Beschichtungseinheit, ein oder mehrere Motoren des Antriebs und/oder an diese Teile angrenzende Bauelemente. Dies kann für einen Betrieb der entsprechenden Bauteile im Vakuum vorteilhaft sein, da im Vakuum kein oder kaum Wärmetransport durch Konvektion erfolgt. Zudem kann auch das in der Aufnahme aufgenommene Werkstück direkt oder indirekt gekühlt werden. Die Kühlung kann beispielsweise von der Steuereinheit gesteuert werden.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine Druckregelung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, einen vorgegebenen Gasdruck innerhalb der Vakuumkammer einzustellen. Der vorgegebene Gasdruck kann weniger als 1 mbar, in manchen Beispielen weniger als 10^-1 mbar, vorzugsweise weniger als 10^-2 mbar, in einem Beispiel weniger als 10^-3 mbar und in einem Beispiel weniger als 10^-4 mbar betragen. Die Druckregelung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, den Gasdruck innerhalb der Vakuumkammer auf einen Wert zwischen 10^-1 mbar und 1 bar, vorzugsweise zwischen 10^-4 mbar und 1 bar einzustellen. Hierzu kann die Druckregelung beispielsweise eine Vakuumpumpe und einen Drucksensor umfassen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet sein kann, die Vakuumpumpe in Abhängigkeit des von dem Drucksensor gemessenen Drucks zu steuern.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung:

1: eine Vorrichtung zur Herstellung eines beschichteten Objekts gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
2: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines beschichteten Objekts gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
3a: das Ausbilden einer ersten Polymerschicht auf einem Werkstück gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
3b: das Ausbilden einer ersten Beschichtungsschicht auf dem Werkstück aus 3a gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
3c: das Ausbilden einer zweiten Polymerschicht auf dem Werkstück aus 3b gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
4a: das Ausbilden einer zweiten Polymerschicht auf einem Werkstück gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
4b: das Ausbilden einer ersten Beschichtungsschicht auf einem Werkstück gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine schematische Darstellung (nicht maßstabsgetreu) einer Vorrichtung 100 zur Herstellung eines beschichteten Objekts 102 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 100 kann insbesondere für die Herstellung eines beschichteten Objekts mittels eines Verfahrens zur Herstellung eines beschichteten Objekts gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, zum Beispiel um das unten in Bezug auf 2 beschriebene Verfahren 200 auszuführen.
Das beschichtete Objekt 102 kann ein medizinisches Implantat wie beispielsweise ein Knochenersatzimplantat sein, das mit einer osseointegrativen und/oder antibakteriellen Beschichtung ausgebildet wird. Sowohl die Vorrichtung 100 als auch das Verfahren 200 sind aber nicht auf dieses Beispiel beschränkt und können alternativ oder zusätzlich beispielsweise auch dazu verwendet werden, ein Bauteil etwa zur Verwendung in der Luft- und Raumfahrt herzustellen, wobei das Bauteil mit einer funktionalisierten Beschichtung ausgebildet wird, zum Beispiel mit einer verstärkenden Armierung, einer elektrisch leitfähigen Beschichtung oder einer wärmeleitenden Beschichtung. In anderen Ausgestaltungen können die Vorrichtung 100 und/oder das Verfahren 200 auch dazu verwendet werden, ein Bauteil mit einer optischen Beschichtung auszubilden, beispielsweise einer reflektierenden Beschichtung, einer Antireflexbeschichtung oder einer Beschichtung mit einer bestimmten Farbe.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Vakuumkammer 104, die ein Bauvolumen 104A einschließt und dazu eingerichtet ist, ein Vakuum in diesem zu halten. Die Vakuumkammer 104 kann beispielsweise aus Metall, zum Beispiel Edelstahl, hergestellt sein und kann eine Tür oder eine Ladeschleuse (nicht dargestellt) aufweisen, um ein Werkstück für die Herstellung des beschichteten Objekts 102 in das Bauvolumen 104A einzubringen oder das fertige beschichtete Objekt 102 aus dem Bauvolumen 104A zu entnehmen.
In der Vakuumkammer 104 ist eine Aufnahme 106 angeordnet, die dazu eingerichtet ist, das Werkstück während der Herstellung des beschichteten Objekts 102 aufzunehmen. Im Beispiel der 1 weist die Aufnahme 106 ein Druckbett 106A, zum Beispiel eine Trägerplatte auf, auf dem das Werkstück oder das beschichtete Objekt 102 angeordnet und gehalten werden kann. Die Aufnahme 106 kann ferner ein oder mehrere Haltemittel (nicht dargestellt) aufweisen, die dazu eingerichtet sind, das Werkstück oder das beschichtete Objekt 102 auf der Trägerplatte zu befestigen, beispielsweise einzuspannen. Die Aufnahme 106 kann innerhalb der Vakuumkammer 104 beweglich gelagert sein, zum Beispiel so dass die Aufnahme 106 entlang von zwei oder drei Raumrichtungen bewegt werden kann. In anderen Ausführungsformen kann die Aufnahme 106 fest in der Vakuumkammer 104 installiert sein und beispielsweise an einer Wand der Vakuumkammer 104 befestigt sein.
Die Vorrichtung 100 umfasst außerdem eine additive Fertigungseinheit 108, die dazu eingerichtet ist, eine Polymerschicht (nicht dargestellt) selektiv auf zumindest einem Teil eines auf oder in der Aufnahme 106 angeordneten Werkstücks und/oder auf zumindest einem Teil des Druckbetts 106A auszubilden. Die additive Fertigungseinheit 108 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Polymerschicht aus einem thermoplastischen Kunststoff wie etwa Polyetheretherketon (PEEK) mittels Schmelzschichtung auf dem Werkstück abzuscheiden wie unten in Bezug auf 3a ausgeführt.
Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Beschichtungseinheit 110 auf, die dazu eingerichtet ist, mittels vakuumbasierter Gasphasenabscheidung eine Beschichtungsschicht (nicht dargestellt) aus einem Beschichtungsmaterial wie etwa einem osseointegrativen Material, beispielsweise Titan, auf dem Werkstück auszubilden. Die Beschichtungseinheit 110 kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, die Beschichtungsschicht mittels Vakuum-Lichtbogen-Deposition auf dem Werkstück abzuscheiden wie unten in Bezug auf 3b ausgeführt.
Im Beispiel der 1 sind die additive Fertigungseinheit 108 und die Beschichtungseinheit 110 an einem beweglich gelagerten Schlitten 112 angeordnet, der in mindestens zwei Raumrichtungen, vorzugsweise in allen drei Raumrichtungen entlang eines vorgegebenen Pfads 114 verfahren werden kann. Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise einen Antrieb (nicht dargestellt) aufweisen, der dazu eingerichtet ist, den Schlitten 112 entlang des Pfads 114 zu verfahren. Der Antrieb kann zum Beispiel einen oder mehrere Motoren umfassen, die dazu eingerichtet sind, den Schlitten 112 anzutreiben, sowie ein Führungssystem, welches dazu eingerichtet ist, den Schlitten 112 entlang des Pfads 114 zu führen, zum Beispiel wie unten in Bezug auf 3a ausgeführt.
Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Steuereinheit 116, die dazu eingerichtet ist, die additive Fertigungseinheit 108, die Beschichtungseinheit 110 sowie den Schlitten 112 zu steuern. Die Steuereinheit 116 kann beispielsweise einen Mikrocontroller (nicht dargestellt) mit einem Prozessor und einem Speichermedium aufweisen, wobei das Speichermedium Programmanweisungen zur Ausführung durch den Prozessor enthält, um die hier beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Die Steuereinheit 116 ist dazu eingerichtet, die Abscheidung von Polymermaterial durch die additive Fertigungseinheit 108, die Abscheidung des Beschichtungsmaterials durch die Beschichtungseinheit 110 sowie die Bewegung des Schlittens 112 zu kontrollieren. Insbesondere ist die Steuereinheit 116 dazu eingerichtet, eine Dicke der durch die Beschichtungseinheit 110 ausgebildeten Beschichtungsschicht durch Anpassen einer Dauer der Gasphasenabscheidung zu steuern. Hierzu kann die Steuereinheit 116 beispielsweise die Beschichtungseinheit 110 selektiv an- und ausschalten und/oder eine Geschwindigkeit oder eine Verweildauer des Schlittens 112 während der Ausbildung der Beschichtungsschicht anpassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 116 auch dazu eingerichtet sein, eine Beschichtungsrate der Beschichtungseinheit 110 anzupassen, beispielsweise durch Anpassen einer Verdampfungsrate des Beschichtungsmaterials. In einigen Ausgestaltungen kann die Steuereinheit 116 dazu eingerichtet sein, das Verfahren 200 ganz oder in Teilen auszuführen.
Die Vorrichtung 100 weist weiterhin eine Kühlung 118 auf, die dazu eingerichtet ist, den Antrieb der Vorrichtung 100, insbesondere die Motoren des Antriebs zu kühlen, zum Beispiel durch Bereitstellen eines zirkulierenden Kühlmittels. Hierdurch kann ein Betrieb des Antriebs im Vakuum, in dem keine oder kaum Wärme über Konvektion abgegeben werden kann, ermöglicht werden. Die Kühlung 118 ist ferner dazu eingerichtet, die additive Fertigungseinheit 108, die Beschichtungseinheit 110, den Schlitten 112 oder Teile davon zu kühlen. In einigen Ausführungsformen kann die Kühlung 118 alternativ oder zusätzlich auch dazu eingerichtet sein, die Aufnahme 106, das Werkstück, das beschichtete Objekt 102 und/oder das Bauvolumen 104A zu kühlen. Die Steuereinheit 116 ist dazu eingerichtet die Kühlung 118 zu steuern und beispielsweise eine Flussrate und/oder eine Temperatur des Kühlmittels anzupassen.
Die Vorrichtung 100 umfasst außerdem eine Druckregelung 120, die dazu eingerichtet ist, einen vorgegebenen Gasdruck in dem Bauvolumen 104A einzustellen. Hierzu kann die Druckregelung 120 beispielsweise eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) aufweisen, die an einen Flansch oder ein Ventil der Vakuumkammer 104 angeschlossen ist. Die Druckreglung 102 kann zudem ein Gasregelventil (nicht dargestellt) aufweisen, das dazu eingerichtet ist, Gas aus der Umgebung der Vakuumkammer 104 in das Bauvolumen 104A einströmen zu lassen. Die Druckregelung 120 kann ferner einen Drucksensor (nicht dargestellt) aufweisen, der dazu eingerichtet ist, den Gasdruck in dem Bauvolumen 104A zu bestimmen. Die Steuereinheit 116 kann dazu eingerichtet sein, die Vakuumpumpe und/oder das Gasregelventil der Druckregelung 120 in Abhängigkeit des von dem Drucksensor gemessenen Gasdrucks zu steuern, um den Gasdruck auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln. Vorzugsweise ist die Druckregelung 120 dazu eingerichtet, den Gasdruck in dem Bauvolumen 104A innerhalb eines Bereichs zwischen 10^-3 mbar und 1 bar, in einem Beispiel zwischen 10^-4 mbar und 1 bar und in einem Beispiel zwischen 10^-5 mbar und 1 bar einzustellen.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zur Herstellung eines beschichteten Objekts wie etwa des beschichteten Objekts 102, beispielsweise eines medizinischen Implantats mit einer osseointegrativen und/oder antibakteriellen Beschichtung, mittels additiver Fertigung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 200 kann beispielsweise mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt werden. Im Folgenden wird das Verfahren 200 anhand der Vorrichtung 100 aus 1 beispielhaft beschrieben. Das Verfahren 200 kann ganz oder teilweise von einer Steuereinheit der entsprechenden Vorrichtung ausgeführt werden, beispielsweise der Steuereinheit 116 der Vorrichtung 100. Die Ausführung des Verfahrens 200 ist nicht auf die durch das Flussdiagramm in 2 angedeutete sequentielle Abfolge beschränkt. Soweit technisch möglich können die Schritte des Verfahrens 200 auch zumindest teilweise gleichzeitig ausgeführt werden. Zum Beispiel kann mit dem Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht in Schritt 204 begonnen werden, bevor das Ausbilden der ersten Polymerschicht in Schritt 202 abgeschlossen ist. Insbesondere kann die zweite Polymerschicht vor, gleichzeitig mit oder nach der ersten Beschichtungsschicht ausgebildet werden. Zum Beispiel kann mit dem Ausbilden der zweiten Polymerschicht in Schritt 206 begonnen werden, bevor das Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht in Schritt 204 abgeschlossen ist. Hierzu können die additive Fertigungseinheit 108 und die Beschichtungseinheit 110 der Vorrichtung 100 beispielsweise gleichzeitig aktiviert werden.
In den 3a, 3b und 3c sind einzelne Schritte des Verfahrens 200 schematisch dargestellt. In diesen Beispielen ist die additive Fertigungseinheit 108 dazu eingerichtet, Polymerschichten 300, 300A aus einem thermoplastischen Kunststoff, zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK), mittels Schmelzschichtung auf einem in der Aufnahme 106 angeordneten Werkstück 102A auszubilden. Hierzu weist die additive Fertigungseinheit 108 einen Druckkopf 108A auf, dem ein Filament 108B aus dem thermoplastischen Kunststoff zugeführt wird. Der Druckkopf 108A ist dazu eingerichtet, das Filament 108B zumindest teilweise aufzuschmelzen und den geschmolzenen Kunststoff durch eine Düse 108C punktuell an einer vorgegebenen Position auf dem Werkstück 102A abzuscheiden. Als Werkstück 102A wird dabei eine Vorstufe des beschichteten Objekts 102 zu Beginn und während der Fertigung des beschichteten Objekts 102 bezeichnet. Das Werkstück 102A kann insbesondere vor Beginn des Verfahrens 200 oder als Teil des Verfahrens 200 vor dem Ausbilden der ersten Polymerschicht 300A in Schritt 202 mittels der Vorrichtung 100 auf dem Druckbett 106A additiv gefertigt werden, zum Beispiel durch Ausbilden einer Vielzahl von Polymer- und/oder Beschichtungsschichten. In anderen Ausführungsformen kann die erste Polymerschicht 300A in Schritt 202 statt auf dem Werkstück 102A auch direkt auf dem Druckbett 106A ausgebildet werden und zum Beispiel die erste Schicht des beschichteten Objekts 102 überhaupt sein, d.h. vor dem Ausbilden der ersten Polymerschicht 300A kann kein Werkstück 102A auf dem Druckbett 106A bereitgestellt oder gefertigt worden sein.
Weiterhin ist in diesen Beispielen die Beschichtungseinheit 110 dazu eingerichtet, Beschichtungsschichten 302, 302A aus einem Beschichtungsmaterial wie etwa einem osseointegrativen Material, zum Beispiel Titan, mittels Vakuum-Lichtbogen-Deposition auf dem Werkstück 102A auszubilden. Hierzu weist die Beschichtungseinheit 110 einen Lichtbogenverdampfer auf, der dazu eingerichtet ist, ein Target 110A aus dem Beschichtungsmaterial aufzunehmen und zwischen dem Target 110A und einer (oder mehreren) Elektroden 110B eine Spannung anzulegen, um durch Vakuumlichtbogenprozess einen Lichtbogen (nicht dargestellt) von der Elektrode 110B zu dem Target 110A zu erzeugen. Der Lichtbogen kann an einer Oberfläche des Targets 110A Beschichtungsmaterial abtragen und in den nahezu vollständig ionisierten Zustand überführen. Das abgetragene Material ist nahezu vollständig ionisiert und kann durch eine zusätzliche, zwischen der Elektrode 110B und dem Werkstück 102A und/oder dem Druckbett 106A anliegende Spannung beschleunigt werden. Mittels einer Blende oder Düse 110C kann das Werkstück 102A teilweise abgeschattet und nur punktuell an einer vorgegebenen Position dem verdampften Beschichtungsmaterial ausgesetzt werden, beispielsweise indem ein sich kegelförmig ausbreitender Strahl aus dem Beschichtungsmaterial erzeugt wird wie in 3b schematisch dargestellt. In einigen Ausgestaltungen kann der Strahl aus Beschichtungsmaterial auch im Wesentlichen kollimiert sein.
Die additive Fertigungseinheit 108 und die Beschichtungseinheit 110 können wie in 1 gezeigt an einem Schlitten (in den 3a-3c nicht dargestellt) angeordnet sein und mittels eines Antriebs entlang einer oder mehrerer Führungsschienen 122 eines Führungssystems in dem Bauvolumen 104A verfahren werden. Das Führungssystem kann beispielsweise eine kartesische Kinematik umfassen, in der die Führungsschienen 122 sich entlang mehrerer orthogonaler Richtungen erstrecken. Alternativ oder zusätzlich kann das Führungssystem auch eine Delta-Kinematik mit einem oder mehreren rotierbar gelagerten und/oder ein-/ausfahrbaren Armen umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 100 auch dazu eingerichtet sein, die additive Fertigungseinheit 108 und die Beschichtungseinheit 110 unabhängig voneinander zu bewegen und/oder die Aufnahme (in den 3a-3c nicht dargestellt) für das Werkstück 102A relativ zu der additiven Fertigungseinheit 108 und der Beschichtungseinheit 110 zu bewegen.
Zu Beginn des Verfahrens 200 wird ein Werkstück 102A in der Aufnahme 106 bereitgestellt. Das Werkstück 102A kann beispielsweise aus Kunststoff, Keramik und/oder Metall hergestellt sein und zum Beispiel ein Grundgerüst für das Bauteil 102 bilden. In manchen Ausführungsformen kann das Werkstück 102A vor Beginn des Verfahrens 200 oder als Teil des Verfahrens 200 ganz oder teilweise mittels additiver Fertigung hergestellt werden. Hierzu kann beispielsweise mit der additiven Fertigungseinheit 108 und/oder der Beschichtungseinheit 110 eine Vielzahl von Polymerschichten 300 und/oder eine Vielzahl von Beschichtungsschichten 302 iterativ ausgebildet werden, wobei in den 3a-3c der Einfachheit halber nur eine Polymerschicht 300 und eine Beschichtungsschicht 302 dargestellt sind. Die Polymerschichten 300 und die Beschichtungsschichten 302 können zum Beispiel direkt auf dem Druckbett 106A der Aufnahme 106 oder auf einem in der Aufnahme 106 oder auf dem Druckbett 106A angeordneten Substrat ausgebildet werden. In einigen Ausgestaltungen kann in der Aufnahme 106 auch ein anderweitig hergestelltes Grundgerüst (nicht dargestellt) für das Werkstück 102A bereitgestellt werden und können die Polymerschichten 300 und die Beschichtungsschichten 302 auf dem Grundgerüst ausgebildet werden. Das Grundgerüst kann beispielsweise Kunststoff, Keramik und/oder Metall umfassen und zum Beispiel durch Fräsen und/oder Spritzguss hergestellt worden sein.
Das Verfahren 200 kann ferner das Evakuieren des Bauvolumens 104A vor dem Ausbilden der ersten Polymerschicht 300A in Schritt 202 umfassen, zum Beispiel nach dem Bereitstellen des Werkstücks 102A oder vor dem additiven Fertigen des Werkstücks 102A. Hierzu kann die Vakuumkammer 104 zum Beispiel mittels der Druckregelung 120 abgepumpt werden, bis ein vorgegebener Gasdruck erreicht ist. Der vorgegebene Gasdruck kann beispielsweise zwischen 10^-5 mbar und 1 mbar, vorzugsweise zwischen 10^-4 mbar und 0.1 mbar betragen. In einem Beispiel beträgt der vorgegebene Gasdruck zwischen 0.5 · 10^-4 mbar und 2.0 · 10^-4 mbar, z.B. 1.0· 10^-4 mbar. Der Gasdruck in der Vakuumkammer 104 kann während des gesamten Verfahrens 200, insbesondere während der Ausführung der Schritte 202, 204 und 206, konstant gehalten werden In manchen Ausführungsformen kann das Bauvolumen 104A bereits vor Beginn des Verfahrens 200 evakuiert worden sein und das Werkstück 102A oder ein Grundgerüst dafür gegebenenfalls über eine Ladeschleuse (nicht dargestellt) in der Aufnahme 106 angeordnet werden.
Das Verfahren 200 umfasst zunächst das Ausbilden einer ersten Polymerschicht 300A auf dem Werkstück 102A in Schritt 202, zum Beispiel wie in 3a dargestellt. Hierzu wird der Druckkopf 108A mit Hilfe der Führungsschienen 122 entlang eines vorgegebenen Pfades verfahren und währenddessen aufgeschmolzener Kunststoff auf dem Werkstück 102A selektiv abgeschieden, um die erste Polymerschicht 300A auszubilden. Die Form der ersten Polymerschicht 300A kann beispielsweise anhand eines Konstruktionsmodells für das beschichtete Objekt 102, z.B. eines CAD-Modells, ermittelt werden und der geschmolzene Kunststoff durch geeignete Wahl des Pfads und/oder Aktivieren des Druckkopfes 108A entsprechend auf dem Werkstück 102A abgeschieden werden, zum Beispiel um eine strukturierte erste Polymerschicht 300A wie in 3b dargestellt auszubilden. Eine Dicke der ersten Polymerschicht 300A kann beispielsweise zwischen 0.05 mm und 2 mm betragen, vorzugsweise zwischen 0.1 mm und 1 mm. In manchen Ausführungsformen kann das Ausbilden der ersten Polymerschicht 300A in Schritt 202 zudem eine Abkühlphase umfassen, in der der abgeschiedene Kunststoff erstarren kann.
Anschließend wird in Schritt 204 eine erste Beschichtungsschicht 302A aus dem Beschichtungsmaterial auf der ersten Polymerschicht 300A ausgebildet, zum Beispiel wie in 3b dargestellt. Hierzu wird die Beschichtungseinheit 110 mit Hilfe der Führungsschienen 122 entlang eines vorgegebenen Pfades verfahren und währenddessen das Beschichtungsmaterial mittels vakuumbasierter Gasphasenabscheidung, zum Beispiel mittels Vakuum-Lichtbogen-Deposition, selektiv auf dem Werkstück 102A abgeschieden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Beschichtungsschicht 302A nur auf denjenigen Bereichen der ersten Polymerschicht 300A ausgebildet, die nach Abschluss der Herstellung des beschichteten Objekts 102 eine freiliegende Oberfläche des beschichteten Objekts 102 bilden, während auf Bereichen der ersten Polymerschicht 300A, die später von einer oder mehreren weiteren Polymerschichten, zum Beispiel der zweiten Polymerschicht 300B, abgedeckt werden, kein Beschichtungsmaterial abgeschieden wird. In anderen Ausführungsformen kann die erste Beschichtungsschicht 302A auch auf zumindest einem Teil der Bereiche der ersten Polymerschicht 300A, die später von einer oder mehreren weiteren Polymerschichten abgedeckt werden, ausgebildet werden, beispielsweise auf an die später freiliegenden Bereiche angrenzenden Randbereichen oder auf der gesamten ersten Polymerschicht wie z.B. in 4a gezeigt. Die erste Beschichtungsschicht 302A kann beispielsweise mit einer Dicke zwischen 1 nm und 10 µm, vorzugsweise zwischen 50 nm und 500 nm, in einem Beispiel mit einer Dicke von 100 nm ausgebildet werden
Nach dem Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht 302A wird in Schritt 206 eine zweite Polymerschicht 300B auf dem Werkstück 102A ausgebildet, zum Beispiel wie in 3c dargestellt. Die zweite Polymerschicht 300B wird ähnlich wie die erste Polymerschicht 300A in Schritt 202 ausgebildet, z.B. durch selektives Abscheiden von aufgeschmolzenem Kunststoff basierend auf einem CAD-Modell des beschichteten Objekts 102A. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Polymerschicht 300B dabei nur auf freiliegenden Bereichen der ersten Polymerschicht 300A, die nicht von der ersten Beschichtungsschicht 302A bedeckt sind, ausgebildet. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Polymerschicht 300B auch bereits vor dem Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht 302A oder während des Ausbildens der ersten Beschichtungsschicht 302A ausgebildet werden.
Das Verfahren 200 kann zudem das iterative Ausbilden weiterer Polymerschichten und/oder weiterer Beschichtungsschichten nach dem Ausbilden der zweiten Polymerschicht 300B in Schritt 206 umfassen, etwa bis die gewünschte Form des beschichteten Objekts 102 erreicht ist. Insbesondere kann das Verfahren 200 das Ausbilden einer zweiten Beschichtungsschicht (nicht dargestellt) aus dem Beschichtungsmaterial auf zumindest einem Teil der zweiten Polymerschicht 300B mittels vakuumbasierter Gasphasenabscheidung umfassen.
In manchen Ausführungsformen kann die erste Beschichtungsschicht 302A wie in 4a dargestellt uniform auf der gesamten ersten Polymerschicht 300A ausgebildet werden, zum Beispiel indem die gesamte freiliegende Oberfläche des Werkstücks 102A mit dem Beschichtungsmaterial beschichtet wird. In einigen Ausgestaltungen kann die Beschichtungseinheit 110 beispielsweise statt an dem Schlitten 112 fest in der Vakuumkammer 104 installiert sein und dazu eingerichtet sein, statt eines sich kegelförmig ausbreitenden oder im Wesentlichen kollimierten Strahls aus dem Beschichtungsmaterial wie in 3b dargestellt das verdampfte Beschichtungsmaterial großflächig auf dem Werkstück 102A aufzubringen. Alternativ kann die erste Beschichtungsschicht 302A auch durch geeignetes Verfahren der Beschichtungseinheit 110 homogen auf die gesamte erste Polymerschicht 300A aufgetragen werden.
Die Polymerschichten 300, 300A, 300B und die Beschichtungsschichten 302, 302A können wie in den 3a-3c und 4a dargestellt in alternierender Reihenfolge ausgebildet werden, d. h. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Polymerschichten kann jeweils eine Beschichtungsschicht ausgebildet werden. In manchen Ausführungsformen kann das beschichtete Objekt 102 auch ganz oder teilweise unter Verwendung einer oder mehrerer anderer Schichtfolgen hergestellt werden. Beispielsweise kann zunächst ein Grundgerüst für das beschichtete Objekt 102 hergestellt werden, welches keine Beschichtungsschichten umfasst, sondern zum Beispiel ausschließlich aus Polymerschichten und/oder anderen Materialien besteht, etwa weil keine der betreffenden Teile des beschichteten Objekts 102 nach Abschluss der Herstellung des beschichteten Objekts 102 freiliegen. Anschließend können oberflächennahe Teile des beschichteten Objekts 102 beispielsweise in alternierender Schichtfolge aus Polymerschichten und Beschichtungsschichten ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann auch lediglich eine einzige Beschichtungsschicht auf dem beschichteten Objekt 102 ausgebildet werden, zum Beispiel am Ende der Herstellung nachdem sämtliche Polymerschichten für das beschichtete Objekt 102 ausgebildet wurden.
Alternativ oder zusätzlich können zumindest Teile des beschichteten Objekts 102 in einer Schichtfolge ausgebildet werden, die weniger Beschichtungsschichten als Polymerschichten aufweist. Beispielsweise kann zunächst jeweils eine vorgegebene Anzahl von Polymerschichten, zum Beispiel zwischen 2 und 10 Polymerschichten, ausgebildet werden, ehe auf diesen Polymerschichten, zum Beispiel auf den nach Abschluss der Herstellung des beschichteten Objekts freiliegenden Bereichen dieser Polymerschichten, eine Beschichtungsschicht ausgebildet wird. Anschließend kann dann wiederum die vorgegebene Anzahl von Polymerschichten und danach eine weitere Beschichtungsschicht ausgebildet werden. In 4b ist dies beispielhaft für eine Schichtfolge dargestellt, in der jeweils zwei Polymerschichten pro Beschichtungsschicht ausgebildet werden. Hierzu wird nach oder gleichzeitig mit dem Ausbilden der ersten Polymerschicht 300A zunächst eine weitere Polymerschicht 300C ausgebildet, ehe die erste Beschichtungsschicht 302A auf zumindest einem Teil der ersten Polymerschicht 300A und/oder auf zumindest einem Teil der weiteren Polymerschicht 300C ausgebildet wird.
Aufgrund der in der Vakuumkammer 104 angeordneten additiven Fertigungseinheit 108 und Beschichtungseinheit 110 ermöglicht die Vorrichtung 100 die Ausbildung beliebiger Schichtfolgen von Polymer- und/oder Beschichtungsschichten in einem gemeinsamen Fertigungsprozess, ohne dass das Werkstück 102A aus der Vakuumkammer 104 entnommen werden muss. Somit können Objekte mit komplexen Strukturen und einer oder mehreren Beschichtungen ausgebildet werden, wobei die Beschichtungen sowohl an einer Oberfläche des Objekts als auch im Inneren des Objekts ausgebildet werden können. In manchen Ausgestaltungen kann die Vorrichtung neben der additiven Fertigungseinheit 108 und der Beschichtungseinheit 110 noch eine oder mehrere weitere additive Fertigungseinheiten und/oder eine oder mehrere weitere Beschichtungseinheiten aufweisen, beispielsweise um Polymerschichten aus unterschiedlichen Materialien und/oder Beschichtungsschichten aus unterschiedlichen Materialien auszubilden.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und die Figuren dienen nur zur rein beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Gestalt variieren, ohne dass sich das zugrundeliegende Funktionsprinzip ändert. Der Schutzumfang der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung zur Herstellung eines beschichteten Objekts
102: beschichtetes Objekt
104: Vakuumkammer
104A: Bauvolumen
106: Aufnahme
106A: Druckbett
108: additive Fertigungseinheit
108A: Druckkopf
108B: Kunststoff-Filament
108C: Düse
110: Beschichtungseinheit
110A: Target
110B: Elektrode
110C: Blende/Düse
112: Schlitten
114: Druckpfad
116: Steuereinheit
118: Kühlung
120: Druckregelung
122: Führungsschiene
200: Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Objekts
202: Ausbilden einer ersten Polymerschicht
204: Ausbilden einer ersten Beschichtungsschicht
206: Ausbilden einer zweiten Polymerschicht
300: Polymerschicht
300A: erste Polymerschicht
300B: zweite Polymerschicht
300C: weitere Polymerschicht
302: Beschichtungsschicht
302A: erste Beschichtungsschicht

Claims

Verfahren (200) zur Herstellung eines beschichteten Objekts (102) mittels additiver Fertigung im Vakuum, wobei das Verfahren (200) umfasst: Ausbilden einer ersten Polymerschicht (300A) auf einem Werkstück (102A) und/oder auf einem Druckbett (106A); Ausbilden einer ersten Beschichtungsschicht (302A) auf zumindest einem Teil der ersten Polymerschicht (300A) mittels vakuumbasierter Gasphasenabscheidung; und Ausbilden einer zweiten Polymerschicht (300B) auf zumindest einem Teil der ersten Polymerschicht (300A) und/oder der ersten Beschichtungsschicht (302A), wobei die zweite Polymerschicht (300B) vor, während oder nach dem Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht (302A) ausgebildet wird, wobei die erste Polymerschicht (300A), die erste Beschichtungsschicht (302A) und die zweite Polymerschicht (300B) im Vakuum bei einem Gasdruck von weniger als 1 mbar ausgebildet werden.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei die erste Beschichtungsschicht (302A) ein anorganisches, thermisch leitfähiges und/oder elektrisch leitfähiges Material, insbesondere ein Metall umfasst.
Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das beschichtete Objekt (102) ein medizinisches Implantat ist und die erste Beschichtungsschicht (302A) ein osseointegratives und/oder antibakterielles Material, insbesondere Titan, Kupfer, Silber und/oder Aluminium umfasst.
Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Beschichtungsschicht (302A) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, insbesondere mittels Vakuum-Lichtbogen-Deposition ausgebildet wird.
Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasdruck im Vakuum beim Ausbilden der ersten Polymerschicht (300A), der ersten Beschichtungsschicht (302A) und der zweiten Polymerschicht (300B) weniger als 10-² mbar, vorzugsweise weniger als 10^-3 mbar beträgt.
Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Beschichtungsschicht (302A) nur auf Bereichen der ersten Polymerschicht (300A) ausgebildet wird, die nach Abschluss der Herstellung des beschichteten Objekts (102) eine freiliegende Oberfläche des beschichteten Objekts (102) bilden.
Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbilden der ersten Beschichtungsschicht (302A) die Zugabe eines Prozessgases zur Ausbildung einer reaktiven Beschichtung umfasst.
Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Polymerschicht (300A) und die zweite Polymerschicht (300B) jeweils ein technisches Polymer und/oder ein Hochleistungspolymer, insbesondere ein Polymer der Polyaryletherketon-Gruppe umfassen.
Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Polymerschicht (300A) und die zweite Polymerschicht (300B) jeweils mittels Schmelzschichtung ausgebildet werden.
Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das additive Fertigen des Werkstücks (102A) durch: iteratives Ausbilden einer Vielzahl von Polymerschichten (300); und/oder iteratives Ausbilden einer Vielzahl von Beschichtungsschichten (302) mittels vakuumbasierter Gasphasenabscheidung, wobei jede der Beschichtungsschichten (302) vorzugsweise jeweils auf zumindest einem Teil einer bereits ausgebildeten Polymerschicht (300) und vor dem Ausbilden einer weiteren Polymerschicht (300A) abgeschieden wird.
Vorrichtung (100) zur Herstellung eines beschichteten Objekts (102) mittels eines Verfahrens (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) umfasst: eine Vakuumkammer (104) mit einer Aufnahme (106), die dazu eingerichtet ist, ein Werkstück (102A) während der Herstellung des beschichteten Objekts (102) aufzunehmen; eine ganz oder teilweise in der Vakuumkammer (104) angeordnete additive Fertigungseinheit (108), die dazu eingerichtet ist, eine Polymerschicht (300, 300A-C) selektiv auf zumindest einem Teil des von der Aufnahme (106) aufgenommenen Werkstücks (102A) und/oder eines Druckbetts (106A) auszubilden; und eine ganz oder teilweise in der Vakuumkammer (104) angeordnete Beschichtungseinheit (110), die dazu eingerichtet ist, mittels vakuumbasierter Gasphasenabscheidung eine Beschichtungsschicht (302, 302A) auf zumindest einem Teil des Werkstücks (102A) und/oder der Polymerschicht (300, 300A-C) auszubilden.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die Beschichtungseinheit (110) einen Lichtbogenverdampfer aufweist, der dazu eingerichtet ist, ein Target (110A) aus einem leitfähigen Material mittels eines Lichtbogens zumindest teilweise zu verdampfen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei die Beschichtungseinheit (110) dazu eingerichtet ist, das verdampfte leitfähige Material selektiv auf das Werkstück (102A) und/oder auf die Polymerschicht (300, 300A-C) aufzubringen.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die additive Fertigungseinheit (108) einen in der Vakuumkammer (104) angeordneten Druckkopf (108A) aufweist, der dazu eingerichtet ist, einen thermoplastischen Kunststoff ganz oder teilweise aufzuschmelzen und den ganz oder teilweise aufgeschmolzenen thermoplastischen Kunststoff selektiv auf dem von der Aufnahme (106) aufgenommenen Werkstück (102A) und/oder auf dem Druckbett (106A) abzuscheiden.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Aufnahme (106), die additive Fertigungseinheit (108) und/oder die Beschichtungseinheit (110) innerhalb der Vakuumkammer (104) beweglich gelagert sind.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 15, ferner umfassend einen Antrieb, der dazu eingerichtet ist, die additive Fertigungseinheit (108) und/oder die Beschichtungseinheit (110) relativ zu dem von der Aufnahme (106) aufgenommenen Werkstück (102A) zu bewegen und/oder das von der Aufnahme aufgenommene Werkstück relativ zu der additiven Fertigungseinheit (108) und der Beschichtungseinheit (110) zu bewegen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 16, wobei der Antrieb dazu eingerichtet ist, die additive Fertigungseinheit (108) und die Beschichtungseinheit (110) gemeinsam relativ zu dem von der Aufnahme (106) aufgenommenen Werkstück (102A) zu bewegen.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, ferner umfassend eine Steuereinheit (116), die dazu eingerichtet ist, eine Dicke der Beschichtungsschicht (302, 302A) zu steuern.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, ferner umfassend eine Kühlung (118), die dazu eingerichtet ist, die Aufnahme (106), die additive Fertigungseinheit (108), die Beschichtungseinheit (110) und/oder einen Antrieb der Vorrichtung (100) zu kühlen.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 19, ferner umfassend eine Druckregelung (120), die dazu eingerichtet ist, einen vorgegebenen Gasdruck innerhalb der Vakuumkammer (104) einzustellen, wobei der vorgegebene Gasdruck weniger als 1 mbar, vorzugsweise weniger als 10^-2 mbar beträgt.