Greiner, Ralph (Allensteiner Strasse 7, Leonberg, 71229, DE)
| 1. | Verwendung von Partikeln, die mindestens eine Kavität enthalten, bei schichtaufbauenden Verfahren zur Herstel lung eines dreidimensionalen Gegenstandes. |
| 2. | Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aufweisend folgende Schritte : Auftragen einer Schicht aus Partikeln auf eine Ziel fläche, Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Schicht, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, mit einem Energiestrahl oder einem Flüssigkeitsstrahl, so dass die Partikel im ausgewählten Teil verbunden werden, Wiederhohlen der Schritte des Auftragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten, so dass die verbunden Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass Partikeln verwendet werden, die mindestens eine Kavität enthalten. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung der Partikeln derart erfolgt, dass die Kavitäten im wesentlichen erhalten bleiben. |
| 4. | Mehrphasiges Materialsystem zur Verwendung beim 3DDrucken enthaltend feste Partikeln und eine Flüssigkeit, wobei zumindest Teile der Partikeln die Eigenschaft aufweisen, bei Kontakt mit der Flüssigkeit, bleibende Verbindungen mit angrenzenden Partikeln auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeln mindestens eine Kavität enthalten. |
| 5. | Partikel zur Verwendung beim Lasersintern an seiner Oberfläche zumindest partiell einen Bestandteil aufweisend, dessen Erweichungstemperatur weniger als 100°C beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Kavität enthält. |
| 6. | Materialsystem oder Partikel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeln Durchmesser von weniger als 500 Am aufweisen, vorzugsweise Durchmesser in der Größenordnung zwischen 10 und 300 Am aufweisen. |
| 7. | Materialsystem oder Partikel nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Kavitäten minimal 30% und ma ximal 90%, vorzugsweise mindestens 50% und maximal 80%, des Volumens der Partikeln ausmacht. |
| 8. | Materialsystem oder Partikel nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeln zumindest an ihrer Oberfläche vernetz bare Polymere aufweisen. |
| 9. | Gegenstand aus miteinander verbundenen Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass er mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 3 hergestellt wurde und/oder dass er aus einem Materialsystem oder aus Partikeln nach einem der Ansprüche 4 bis 8 hergestellt wurde. |
Schichtaufbauende Verfahren zur Herstellung von dreidimen- sionalen Gegenständen finden zunehmend breitere Anwendungs- felder, insbesondere sind hier zu nennen : Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing. Derartige Verfahren können flüssigkeitsbasiert sein, z. B. Stereolithographie, pulverbasiert, z. B. Lasersintern oder 3D-Drucken, oder auch festkörperschichtbasiert, z. B laminated object manufacturing.
All diesen Verfahren gemeinsam ist, dass mit zunehmender Verbreiterung der Anwendungsgebiete auch die Abmessungen der mit ihnen hergestellten Gegenstände immer größer werden.
Gleichermaßen werden die Gegenstände schwerer und damit schlechter handhabbar und transportierbar. Feinere Strukturen können sogar aufgrund ihres Eigengewichts vom Gesamtkörper abbrechen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein schichtaufbauendes Verfahren zur Herstellung eines dreidi- mensionalen Gegenstandes sowie dafür geeignete Materialsysteme anzugeben, mit denen ohne wesentliche Einschränkungen hin- sichtlich der Vielfalt der Materialauswahl und der Bauteilsta- bilität deren Handhabbarkeit und Transportierbarkeit verbes- sert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Verwendung von Partikeln, die mindestens eine Kavität enthalten, gelöst. Dadurch wird das Festkörpervolumen und damit das Gewicht im Vergleich zu massi- ven Partikeln verringert, ohne dadurch die Stabilität wesent- lich zu verringern.
Derartige Partikeln können in industriellen Mengen kostengün- stig und in für die genannten Verfahren geeigneten Partikel- größenverteilungen aus mikroporösen Materialen, z. B. Aktivkoh- le oder Zeolithe, durch Zerkleinerung hergestellt werden oder auch neu aufgebaut werden, z. B. lassen sich durch Emulsions- polymerisation Hohlkugeln im Mikrometermaßstab und darunter in industriellen Mengen herstellen. Industriell hergestellte Hohlkugeln können entweder selbst geeignete Partikeln darstel- len oder zu deren Herstellung dienen, indem z. B. Agglomerate aus mehreren Hohlkugeln oder aus mindestens einer Hohlkugel und mindestens einem massiven Partikel zu geeigneten Partikeln aufgebaut werden. Geeignete Partikelgrößenverteilungen können durch bekannte Verfahren, z. B. Sieben, Sichten, gewährleistet werden.
Als Partikelmaterial kommen sämtliche Materialien in Betracht, die mit Kavitäten geeigneter Dimension natürlich vorkommen oder hergestellt werden können, z. B. Metalle, Keramik oder Kunststoffe.
Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 sowie in Hinsicht auf das zu schaffende Material durch die Patentansprüche 4 und 5 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ver- fahrens und Materials (Patentansprüche 3 und 6 bis 8) sowie einen damit hergestellten Gegenstand (Patentanspruch 9).
Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens er- findungsgemäß dadurch gelöst, dass folgende Schritte durchge- führt werden : - Auftragen einer Schicht aus Partikeln auf eine Zielfläche, - Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Schicht, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, mit einem Energiestrahl oder einem Flüssigkeitsstrahl, so dass die Partikel im ausgewählten Teil verbunden werden, - Wiederholen der Schritte des Auftragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten, so dass die verbunden Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden, wobei Partikeln verwendet werden, die mindestens eine Kavität enthalten.
Dabei kann es sich um einen Energiestrahl beliebiger Art han- deln, z. B. einen Elektronenstrahl oder IR-Strahl, vorzugsweise um einen Laserstrahl, solange der Energieeintag in die Parti- kelschicht nur ausreichend hoch ist, um eine Verbindung der Partikeln zu bewirken. Dazu müssen die Partikeln im Bestrah- lungsbereich nicht vollständig aufschmelzen. Ein Anschmelzen oder die energetische Initierung einer chemischen Reaktion können ebenfalls ausreichen.
Bei Verwendung einer Flüssigkeit, muss in dieser zumindest ein Bestandteil der Partikeln löslich sein oder infolge der Wech- selwirkung mit der Flüssigkeit eine Reaktion ausgelöst werden, die eine Verbindung der Partikeln im Auftreffbereich der Flüs- sigkeit bewirkt. Die Bezeichnung Flüssigkeitsstrahl umfasst nicht nur einen kontinuierlichen Strahl, sondern auch einzelne Tropfen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestrahlung der Partikeln derart, dass die Kavitäten im wesentlichen erhalten bleiben. Dazu reicht es aus, den Ener- gie-oder Flüssigkeitseintrag so zu begrenzen, dass lediglich eine oberflächliche Verbindung der Partikeln ohne deren voll- ständiges Aufschmelzen oder Lösen erfolgt.
Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Materialsystems insbesondere zur Verwendung beim 3D-Drucken, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es feste Partikeln und eine Flüssigkeit enthält, wobei zumindest Teile der Partikeln die Eigenschaft aufweisen, bei Kontakt mit der Flüssigkeit, bleibende Verbin- dungen mit angrenzenden Partikeln auszubilden, wobei die Partikeln mindestens eine Kavität enthalten.
Ein solches Materialsystem ermöglicht es mit den vorstehend beschriebenen Verfahren dreidimensionale Gegenstände aufzu- bauen, die vergleichbare Eigenschaften wie aus massiven Partikeln aufgebaute Gegenstände aufweisen, aber wesentlich leichter und daher besser handhabbar sind.
Die bleibende Verbindung kann dadurch ausgebildet werden, dass zumindest Teile der Partikeln (z. B. eine Beschichtung) bei Kontakt mit der Flüssigkeit beispielsweise von dieser gelöst, zu einer Reaktion angeregt oder auch angeschmolzen werden.
Ein geeignetes Materialsystem zur Verwendung beim Lasersintern (auch Selektives Laser-Sintern genannt) besteht aus Partikeln die an ihrer Oberfläche zumindest partiell einen Bestandteil aufweisen, dessen Erweichungstemperatur weniger als 100°C beträgt, und die mindestens eine Kavität enthalten.
Materialien mit derartiger Erweichungstemperatur können Legierungen sein, die z. B. in Schmelzsicherungen (vgl. z. B.
JP2001143588A) verwendet werden, außerdem gesättigte lineare Carbonsäuren mit Kettenlänge > 16 (z. B. Heptadecansäure, Schmelzpunkt 60-63°C) oder auch Polymere im weitesten Sinne.
Derartige Partikeln sind mit gängigen Lasersinter-Vor- richtungen schnell und präzise verarbeitbar und daraus hergestellte Gegenstände aufgrund der Kavitäten gut hand- habbar.
Vorteilhaft ist bei den genannten Materialsystemen, wenn die Größenverteilungskurven der Partikeln Schwerpunkte bei Durch- messern von weniger als 500 Am aufweisen, vorzugsweise bei Durchmessern in der Größenordnung zwischen 10 und 300 Am. Mit derartigen Partikelgrößen können nahezu sämtliche Erfordernis- se der derzeit bekannten Anwendungsfelder abgedeckt werden.
Bei hohen Präzisionsanforderungen sind enge Schwankungsbreiten der Partikelgrößenverteilung erforderlich und ggf. kleine Durchmesser nahe der unteren angegebenen Grenze.
Vorteilhaft ist es bei den genannten Materialsystemen außer- dem, wenn der Volumenanteil der Kavitäten der Partikeln mini- mal 30% und maximal 90%, vorzugsweise minimal 50% und maximal 80%, des Volumens der Partikeln ausmacht.
Damit ist-je nach Material-eine ausreichende Festigkeit der hergestellten Gegenstände bei einem geringen Gewicht und guter Handhabbarkeit erreichbar.
Vorteilhaft ist es bei den genannten Materialsystemen, wenn die Partikeln zumindest an ihrer Oberfläche vernetzbare Poly- mere aufweisen. Diese können z. B. in Form einer Beschichtung vorliegen. Die Vernetzung kann durch energetische Bestrahlung oder durch die Flüssigkeit initiiert werden und zur Ausbildung einer bleibenden Verbindung mit benachbarten Partikeln führen.
Nachfolgend werden anhand von zwei Ausführungsbeispielen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Material- systeme näher erläutert : Ein geeignetes Materialsystem für das Lasersintern enthält Partikeln aus natürlichen vulkanischen Zeolithen, die zer- kleinert wurden und durch Sieben eine Durchmesserverteilung mit Schwerpunkt bei 100 Mm aufweisen. Sie weisen eine Poro- sität von circa 45%, daraus resultiert eine Senkung der tatsächlichen Dichte von 2,5 g/cm3 auf scheinbare 1,4 g/cm3.
Mineralogische Bestandteile : hauptsächlich Klinoptilolith und Mordenit. Chemische Zusammensetzung : hauptsächlich Si02 und Au203.
Diese Partikeln wurden mittels des bekannten Wirbelschicht- verfahrens (vgl. DE 10313452 A1) mit einer Polyvinylbutyral- Beschichtung versehen, die eine Erweichungstemperatur von cir- ca 66°C aufweist.
Die beschichteten Partikeln werden auf einer Zielfläche schichtweise aufgetragen, ein ausgewählter Teil der Schicht, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, wird mit ei- nem Laserstrahl bestrahlt, so dass die Partikel im ausgewähl- ten Teil verbunden werden, dann werden die Schritte des Auf- tragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten wiederholt, so dass die verbunden Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden.
Der Laserstrahl wird so geführt (Leistung M 10 Watt (bei ge- ringen Festigkeitsanforderungen auch weniger), Vorschubge- schwindigkeit # 5 m/s, Laserspotdurchmesser 0,4 mm), dass die eingekoppelte Strahlungsenergie zur Erweichung der Be- schichtung und dadurch zur Verbindung der bestrahlten Parti- keln führt, ohne dabei das Kernmaterial aufzuschmelzen. Die Beschichtung weist eine Dicke von circa 0,3 bis 0,7 Am auf.
Ein geeignetes Materialsystem für das 3D-Drucken enthält Par- tikeln aus PMMA-Hohlkugeln, die mittels Emulsionspolymerisati- on hergestellt wurden und mittels des Wirbelschichtverfahrens mit Polyvinylpyrrolidon (PVP) beschichtet wurden. Die Be- schichtung weist eine Dicke von circa 0,3 bis 0,7 Am auf. Die Durchmesserverteilung der Partikeln weist ihren Schwerpunkt bei 50 Mm auf. Das Materialsystem enthält als flüssige Kompo- nente Wasser. PVP ist in Wasser löslich.
Die beschichteten Partikeln werden auf einer Zielfläche schichtweise aufgetragen, ein ausgewählter Teil der Schicht, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, wird mit Was- ser tropfenweise bestrahlt, so dass die Partikel im ausgewähl- ten Teil verbunden werden, dann werden die Schritte des Auf- tragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten wiederholt, so dass die verbunden Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Mate- rialsysteme erweisen sich in den Ausführungsformen der vor- stehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für Ra- pid Prototyping-, Rapid Tooling-und Rapid Manufacturing- Anwendungen in der Automobilindustrie.
Insbesondere kann so eine deutliche Verbesserung der Handhab- barkeit und der Stabilität großer filigraner Strukturen er- reicht werden.
Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Aus- führungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
So ist es beispielsweise denkbar, dass die Kavitäten der Partikeln gefüllt sind mit einem im Vergleich zur Kavitäten- wandung leichterem Medium, z. B. einer Flüssigkeit oder einem Gas.
Ebenso können Partikeln in Form von metallischen Hohlkugeln verwendet werden. Diese können im Wirbelschichtverfahren hergestellt werden, indem beispielsweise Styroporkügelchen mit einer Binder-Metallpulver-Suspension besprüht werden und dann so stark erhitzt werden, dass das Metallpulver aufschmilzt und eine feste Oberfläche bildet während das Styropor sich verflüchtigt. Die resultierende Oberfläche kann geschlossen oder porös sein.