Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks aus ei- nem flammhemmend ausgerüsteten Polyamidmaterial und die durch dieses Verfah- ren erhältlichen Werkstücke.

Sie betrifft außerdem ein flammhemmend ausgerüstetes pulverförmiges Polyamid- material und seine Verwendung in einem Verfahren zur additiven Fertigung.

Additive Fertigungsverfahren wurden anfänglich im Wesentlichen für die Herstellung einzelner Prototypen („rapid prototyping“) verwendet. Mit der Verbesserung der Ferti gungsverfahren gewinnen additive Fertigungsverfahren eine immer größere Bedeu- tung für Herstellung von Serienprodukten („rapid manufacturing“).

Zu den industriell angewendeten additiven Fertigungsverfahren gehört das selektive Lasersintern (SLS). Eine wesentliche Anwendung des selektiven Lasersinterns liegt bei der Herstellung von Gegenständen aus einem Thermoplasten. Die beim SLS- Verfahren einsetzbaren Thermoplaste werde im Folgenden auch als thermoplasti- sche Polymermaterialien oder kurz Polymermaterialien bezeichnet.

Bei der Auswahl der Polymermaterialien, die im SLS-Verfahren eingesetzt werden können, geht man von den Polymermaterialien aus, die in isotropen Herstellungsver- fahren, wie dem Spritzgießen einer in einem Extruder erweichten Polymermasse, zu Produkten mit dem gewünschten Eigenschaftsprofil führen. Hierzu gehören beispiels weise gute mechanische Eigenschaften, wie die Zugfestigkeit, und chemische Eigen- schaften, wie Beständigkeit gegen Schmierstoffe und Treibstoffe und gute Brand- schutzeigenschaften. Für den Brandschutz werden Polymere üblicherweise mit Flammschutzmitteln flammhemmend ausgerüstet. Zusätzlich müssen die Polymermaterialien für eine Verwendung unter den speziellen Verfahrensbedingungen des selektiven Lasersinterns geeignet sein. Die Polymerpar- tikel müssen sich beispielsweise bei der hohen Temperatur des Pulverbetts nahe der Schmelztemperatur des Polymermaterials gleichmäßig mit einer Rakel zu einer dün- nen Schicht verteilen lassen. Sie sollen ein Pulverbett liefern, das auch beim Hin- durchströmen eines Schutzgases ruhig ist. Im Hinblick auf das Endprodukt ist erfor- derlich, dass mit dem pulverförmige Polymermaterial gesinterte Produkte mit einer geeigneten Porosität erhalten werden. Die Porosität des gesinterten Polymers ist mit- entscheidend für die Festigkeit des fertigen Werkstücks. Außerdem muss das pulver- förmige Polymermaterial so aufgebaut sein und muss das selektive Lasersintern so durchgeführt werden, dass es zu keinem Übersintern kommt.

Beim selektiven Lasersintern kann eine Vielzahl an Polymermaterialien eingesetzt werden. Verwendbar sind Polyolefine, Polycarbonate, Polyamide, Polyvinylchloride, Polybutylenterephthalate, Polyacetale, Polystyrole. Für anspruchsvolle Anwendun- gen im Hochleistungsbereich ist die Anzahl der industriell brauchbaren Polymemnate- rialien jedoch eher gering. Die vorhandenen Materialien zeigen teilweise ein unzu- reichendes Eigenschaftsprofil.

Eine besonders hohe Leistungsfähigkeit wird von Polymermaterialien erwartet, die im Luftfahrzeugbau zum Einsatz kommen. Für dieses Einsatzgebiet zeigen Polyamid- materialien ein vorteilhaftes Eigenschaftsprofil. Sie verfügen über eine hohe Festig- keit und Steifigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit und Langzeitstabilität. Außerdem eignen sie sich wegen ihrer guten Trennschärfenauflösung, ihrer Detailtreue und den Nachbehandlungsmöglichkeiten gut für das selektive Lasersintern.

Damit Polyamidmaterialien im Luftfahrzeugbau verwenden werden können, müssen sie mit Flammschutzmitteln flammhemmend ausgerüstet werden. Für die flammhem- mende Ausrüstung von Polymeren stehen anorganisch-mineralische Flammschutz- mittel, stickstoffhaltige Flammschutzmittel, phosphorhaltige Flammschutzmittel und halogenhaltige Flammschutzmittel zur Verfügung. Problematisch am Einbringen der- artiger Flammschutzmittel ist, dass sie die chemischen und physikalischen Eigen- schaften von Polyamidmaterialien beeinflussen können. Die Vielzahl der Anforderungen, die an Polymermaterialien für additive Fertigungs- Verfahren, insbesondere das selektive Lasersintern, gestellt werden, hat zur Entwick- lung von pulverförmigen Spezialprodukten mit Eignung für die additive Fertigung ge- führt. Am Markt verfügbare pulverförmige Polymermaterialien sind daher speziell für das selektive Lasersintern optimiert worden und werden typischerweise nicht in Spritzgussverfahren und Extrusionsverfahren eingesetzt.

Ein speziell für die additive Fertigung entwickeltes, flammhemmend ausgerüstetes Polyamidmaterial ist von der EOS GmbH unter der Bezeichnung PA 2241 FR im Handel erhältlich ist. Hierbei handelt es sich um ein Polyamid 12, das ein halogenhal- tiges Flammschutzmittel enthält. PA 2241 FR ist ein weißes Polymerpulver und kann aufgrund seiner flammhemmenden Eigenschaften als Hochleistungskunststoff in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden.

Ein weiteres speziell für die additive Fertigung entwickeltes, flammhemmend ausge- rüstetes Polyamidmaterial ist von der EOS GmbH unter der Bezeichnung PA 2210 FR im Handel erhältlich. Hierbei handelt es sich um ein Polyamid 12, das ein halo- genfreies Flammschutzmittel enthält. PA 2210 FR ist ein weißes Polymerpulver, für das Luft- und Raumfahrt, Elektrotechnik und Elektrik als mögliche Anwendungsge- biete angegeben werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren für die addi- tive Fertigung eines Werkstücks aus einem flammhemmend ausgerüsteten Poly- amidmaterial anzugeben.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte, durch additive Fer- tigung erhältliche flammhemmend ausgerüstete Werkstücke bereitzustellen.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte flammhemmend ausgerüstete Polyamidmaterialien bereitzustellen, die für eine Verwendung in einem additiven Fertigungsverfahren geeignet sind. Nach einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks aus einem flammhemmend ausgerüsteten Polyamidmaterial, wo- bei das Flammschutzmittel für die flammhemmende Ausrüstung des Polyamidmateri- als unter einem oder mehreren von rotem Phosphor, phosphorhaltigen Verbindungen und Flammschutzmitteln auf Melaminbasis ausgewählt wird.

Das in dem Polyamidmaterial verwendete Flammschutzmittel kann aus einem einzi- gen der oben genannten Materialien, wie aus rotem Phosphor, oder aus einer Kom- bination der oben genannten Materialien, wie beispielsweise aus rotem Phosphor und einem Flammschutzmittel auf Melaminbasis, bestehen.

Bei dem additiven Fertigungsverfahren kann es sich im Wesentlichen um ein im Pul- verbett durchgeführtes Verfahren, wie selektives Lasersintern (SLS), selektives La- serschmelzen (SLM) oder selektives Absorbing-Sintering (SAS) handeln. Die flamm- hemmend ausgerüsteten Polyamidmaterialien können aber auch beim Fused Depo- sition Modeling, Fused Layer Modeling (FLM), Maskensintern und Polyjet-Modeling eingesetzt werden. Hierbei wird das flammhemmende Polyamidmaterial in Form ei- nes Filaments oder in Form von Pellets verarbeitet.

Es ist bevorzugt, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen des flammhemmend ausgerüsteten Polyamidmaterials in Form eines Pulvers,

b) Aufbringen des pulverförmigen, flammhemmend ausgerüsteten Polyamidma- terials auf eine Unterlage unter Erhalt einer Pulverschicht;

c) selektives Bestrahlen der Bereiche der Pulverschicht, die für die Werkstückbil- dung vorgesehen sind, mit einer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, die dafür geeignet ist, die Partikel der Pulverschicht in diesen Bereichen durch Sintern oder Schmelzen und Erstarren miteinander zu verbinden;

d) Wiederholen der Schritte b) und c) oberhalb der jeweils zuletzt bestrahlten Pulverschicht als Unterlage, bis das Werkstück aus flammhemmend ausgerüstetem Polyamidmaterial ausgebildet ist,

e) Trennen des Werkstücks von dem nicht durch Sintern oder Schmelzen und Erstarren verfestigten pulverförmigen, flammhemmend ausgerüsteten Polyamidmate- rial. Das pulverförmige flammhemmend ausgerüsteten Polyamidmaterial ist gut für eine Verarbeitung im Pulverbett geeignet. Es lässt sich einfach und homogen mit einer Rakel auf dem Pulverbett der Bauplattform verteilen und zeigt im Sinterprozess ein sehr gutes Fließverhalten und damit zusammenhängend eine vorteilhafte Schichtauf- tragung und Partikelanordnung.

Weiterhin wird beim Lasersintern eine gute Materialkonsolidierung und Formtreue, wie wenig Verzug, festgestellt. Das Verarbeitungsfenster oder Prozessfenster ist deutlich vergrößert. Pulverförmiges Polyamidmaterial, das beim Lasersintern nicht verfestigt wurde, kann im Bauraum wiederverwendet werden. Die Refresh-Rate des Lasersinterpulvers ist hoch.

Das erhaltene Werkstück auf der Basis eines Polyamidmaterials und mindestens ei- nes Flammschutzmittels, wie roter Phosphor, zeigt bei der Brandprüfung nach AITM- 0002 Verfahren B (Messung der Brandlänge), nach AITM2-0007 (Messung der Rauchgasdichte) und AITM3-0005 (Toxizität) verbesserte Brand- und Toxizitätsei- genschaften.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das addi- tiv aus einen Pulver gefertigte Werkstück nach seiner Entnahme aus dem Pulverbett mit einer höheren Oberflächenglätte erhalten wird.

Es ist bevorzugt, dass das Polyamidmaterial ein oder mehrere Polyamide oder ein Polymerblend aus einem oder mehreren Polyamiden mit einem oder mehreren mischbaren, kompatiblen oder nicht mischbaren Polymeren umfasst, die insbeson- dere unter Polyolefinen, Polystyrolen, thermoplastischen Elastomeren und Polyace- talen ausgewählt werden, wobei der Polyamidanteil im Polymerblend mindestens 30 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, bevorzugt mindestens 70 Gew.-%, noch bevorzugter mindestens 90 Gew.-%, beträgt.

Es ist bevorzugt, dass die eine oder die mehreren phosphorhaltigen Verbindungen aus einer Gruppe ausgewählt werden, die umfasst: aromatische und aliphatische Es- ter der Phosphorsäure, wie Resorcin-bis(diphenylphosphat) (RDP), Bisphenol-A- bis(diphenylphosphat) (BPD) und ihre Oligomere, Triphenylphosphat (TPP), Tris-(2- ethylhexyl)phosphat (TEHP), Trikresylphosphat (TKP), isopropyliertes Triphenylphos- phat (ITP), Ethylendiamindiphosphat, Ammoniumphosphat, Ammoniumpolyphosphat, Phosphinate, wie Salze der hypophosphorigen Säure und ihre Derivate, wie Alkylp- hosphinatsalze, z. B. Diethylenphosphinat-Aluminium oder Diethylenphosphinat-Zink oder Aluminiumphosphinat, Aluminiumphosphit, Aluminiumphosphonat, Phosphona- tester, Oligomere und polymere Derivate der Methanphosphonsäure, 9,10-Dihydro-9- oxa-10-phosphorylphenanthren-10-oxid, Ammoniumpolyphosphat, Phosphacene, Vi- nylphosphonsäure.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Flammschutzmittel aus rotem Phos- phor bestehen oder roten Phosphor enthalten.

Es ist bevorzugt, dass das eine oder die mehreren Flammschutzmittel auf Melamin- basis aus einer Gruppe ausgewählt werden, die umfasst: Melamin, Melaminderivate, Melaminkondensationsprodukte, Melaminsalze, Meiern, Melam, Melon, Benzoguana- min, Allantoin, Polyisocyanurate, Melamincyanurat, Melaminphosphat, Dimelamin- phosphat, Melaminpyrophosphat, Melaminpolyphosphat, Melamin-Metall-Phosphate, wie Melaminaluminiumphosphat, Melaminzinkphosphat, Melaminmagnesiumphos- phat, die entsprechenden Pyrophosphate und Polyphosphate, Poly-[2,4-(piperazin- 1 ,4-yl)-6-(morpholin-4-yl)-1 ,3,5-triazin].

Es ist bevorzugt, dass das Flammschutzmittel in einem Anteil im Bereich von 0,1 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des flammhemmend ausgerüsteten Polyamidmaterials, in das Polyamidmaterial einge- bracht wird.

Es ist bevorzugt, dass das Polyamidmaterial ein oder mehrere Polyamide enthält, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die Polyamid 6, Polyamid 11 , Polyamid 12, Po- lyamid 6.6, Polyamid 6.9, Polyamid 6.10, Polyamid 6.12, Polyamid 10.10 und Copo- lyamiden davon, wie Polyamid 6/12, PA 6.6/6.10, umfasst, oder aus einem oder mehreren dieser Polyamide besteht. Es ist besonders bevorzugt, dass das Polyamidmaterial aus Polyamid 6 besteht oder Polyamid 6 in einem Anteil von mindestens 30 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, bevorzugt mindestens 70 Gew.-%, noch bevorzugter mindestens 90 Gew.- % enthält.

Ein pulverförmiges flammhemmend ausgerüstetes Polyamidmaterial, das besonders gute Ergebnisse bei selektiven Lasersintern liefert, umfasst Polyamid 6 und roten Phosphor (im Folgenden kurz: PA6-RP), wobei der rote Phosphor vorzugsweise in einem Anteil von 1 bis 15 Gew.-% enthalten ist. Das durch selektives Lasersintern aus PA6-RP erhaltene Werkstück zeigt gute Brandeigenschaften, die auch in Verbin- dung mit Lacken erhalten bleiben. Bei einem höheren Anteil an rotem Phosphor, wie 14 %, kann in der Norm UL-94 auch V0 erreicht werden. Damit wird eine wichtige Brandeigenschaft erreicht, wie sie z. B. in der Bahnindustrie gefordert wird. PA6-RP- Werkstücke zeigen bei der Brandprüfung nach AITM-0002 Verfahren B (Messung der Brandlänge), nach AITM2-0007 (Messung der Rauchgasdichte) und AITM3-0005 (Toxizität) verbesserte Eigenschaften. Es wurde eine Wärmebeständigkeit bis min- destens 85 °C ermittelt. Aufgrund dieses Brandverhaltens können aus PA6-RP im additiven Herstellungsverfahren erhältliche Werkstücke für den Innenausbau von Flugzeugen eingesetzt werden.

Pulverförmiges PA6-RP zeigt im Sinterprozess hinsichtlich Schichtauftragung und Partikelanordnung ein sehr gutes Fließverhalten. Das Material konsolidiert gut. Es wird eine hohe Formtreue (wenig Verzug) festgestellt. Das Verarbeitungsfenster (Prozessfenster) ist deutlich vergrößert. Pulverförmiges PA6-RP, das nicht verfestigt wurde, kann im Bauraum wiederverwendet werden. Es zeigt eine hohe Refresh- Rate.

Mit PA6-RP additiv durch selektives Lasersintern gefertigte Werkstücke zeigen nach ihrer Entnahme aus dem Pulverbett einer höhere Oberflächenglätte.

Es ist bevorzugt, dass das Polyamidmaterial neben dem Flammschutzmittel weitere Hilfsstoffe enthält, die insbesondere unter Antistatika, Farbstoffen, wie zum Beispiel löslichen anorganischen und/oder organische Pigmenten und/oder unlöslichen Farb- stoffen, Füllstoffen, wie zum Beispiel Glasfasern, Kreide, Graphit, Ruß, Gleitmitteln, Stabilisatoren und Weichmachern ausgewählt werden.

Es ist bevorzugt, dass das pulverförmige, flammhemmend ausgerüstete Polyamid- material eine Partikelgröße insbesondere im Bereich von 40 bis 110 mΐti aufweist.

Es ist bevorzugt, dass für das Bereitstellen eines pulverförmigen, flammhemmend ausgerüsteten Polyamidmaterials einer, mehrere oder alle der folgenden Schritte durchgeführt werden:

Fierstellen eines Gemischs oder Compounds aus dem Polyamidmaterial und dem Flammschutzmittel, insbesondere in Form eines gegossenen Blocks oder eines in einem Extruder hergestellten Granulats oder eines körnigen Materials,

Zerkleinern des Blocks oder des Granulats oder des körnigen Materials durch mechanisches Bearbeiten, vorzugsweise Mahlen, besonders bevorzugt kryogenes Mahlen, zu einem pulverförmigen Material, und

Sieben des pulverförmigen Materials unter Erhalt einer Siebfraktion des pul- verförmigen Materials mit der für die additive Fertigung gewünschten Korngrößenver- teilung.

Gegebenenfalls kann vor oder nach dem Sieben die kantige Oberfläche der nach dem Mahlen erhaltenen Partikel aus dem pulverförmigen Material verrundet werden.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt c) die Pulverschicht mit Laserstrahlung mit einer Wellenlänge bestrahlt wird, die innerhalb der Absorptionsbande des Flammschutz- mittels, insbesondere von rotem Phosphor, liegt. In diesem Fall trägt die Absorption durch das Flammschutzmittel zu der erforderlichen Erwärmung des Sinterpulvers bei.

Es ist alternativ bevorzugt, dass in Schritt c) die Pulverschicht mit Laserstrahlung mit einer Wellenlänge bestrahlt wird, die außerhalb der Absorptionsbande des Flamm- schutzmittels, insbesondere von rotem Phosphor, liegt, die insbesondere auf der langwelligen Seite des sichtbaren Lichts liegt oder genauer im Bereich der Infrarot- Strahlung liegt oder oberhalb von 3000 nm liegt. Bei einer Belichtung der Pulver- schichten außerhalb der Absorptionsbande des Flammschutzmittels, insbesondere von rotem Phosphor, erfolgt die erforderliche Erwärmung des Sinterpulvers vorteil haft überwiegend durch Absorption des Polyamidmaterials.

Es ist ebenfalls bevorzugt, dass in Schritt c) die Laserstrahlung von einem Infrarot- Laser, wie einem CO2-Laser, einem Nd:YAG-Laser oder einem Faserlaser, emittiert wird.

Es ist bevorzugt, dass die in Schritt c) eingestrahlte Laserenergie im Bereich von etwa 0,10 bis 0,30 J/mm ³ , vorzugsweise etwa 0,15 bis 0,25 J/mm ² , insbesondere bei etwa 0,2 J/mm ³ liegt. Das Vorgehen bei der Ermittlung der optimal eingestrahlten Energie wird im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschrieben.

Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein flammhemmend ausgerüstetes Werkstück, das durch ein wie weiter oben beschriebenes additives Fertigungsverfah- ren erhältlich ist.

Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines flammhem- mend ausgerüsteten Polyamidmaterials, das wie weiter oben definiert ist und insbe- sondere pulverförmig vorliegt, für die additiven Fertigung, insbesondere durch selek- tives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen, eines flammhemmend ausgerüs- teten Werkstücks, insbesondere eines flammhemmend ausgerüsteten Werkstücks mit einer hohen Oberflächenglätte.

Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein flammhemmend ausgerüstetes Polyamidmaterial, das wie weiter oben definiert ist und insbesondere pulverförmig vorliegt, für die additive Fertigung eines flammhemmend ausgerüsteten Werkstücks, insbesondere durch selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen.

Es ist bevorzugt, dass das flammhemmend ausgerüstete pulverförmige Polyamidma- terial erhältlich ist durch

Herstellen eines Gemischs oder Compounds oder Blends aus dem Polyamid- material und dem Flammschutzmittel, insbesondere in Form eines gegossenen Blocks oder eines in einem Extruder hergestellten Granulats oder eines körnigen Ma- terials, Zerkleinern des Blocks oder des Granulats oder des körnigen Materials durch mechanisches Bearbeiten, insbesondere Mahlen, vorzugsweise kryogenes Mahlen, zu einem pulverförmigen Material, und

Sieben des pulverförmigen Materials unter Erhalt einer Siebfraktion des pul verförmigen Materials mit der für die additive Fertigung gewünschten Korngrößenver- teilung.

Vor oder nach dem Sieben kann die kantigen Oberfläche der nach dem Mahlen er- haltenen Partikel aus dem pulverförmigen Material abgerundet werden.

Das erfindungsgemäße additive Fertigungsverfahren, insbesondere selektive Laser- sinterverfahren, kann für die Herstellung verschiedener Werkstücke, insbesondere Bauteile für Innenanwendungen in Flugzeugen, wie den Innenausbau, beispielsweise Systeminstallationen, eingesetzt werden. Es können Kantenschutz-Formteile zum Schutz von Sandwichbauteilen im Flugzeuginnenraum, wie Eckverbinder-Stoßleis- ten, hergestellt werden. Die verbesserten Flammschutzeigenschaften durch die Kom- bination eines Polyamidmaterials mit einem wie weiter oben definierten Flamm- schutzmittel, wie insbesondere rotem Phosphor, ist insbesondere für den druckbelüf- teten Bereich des Flugzeugs wichtig.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug- nahme auf die Fig. 1 bis Fig. 5 beschrieben, in denen zeigen:

Fig. 1 graphische Darstellungen der Ergebnisse der Messung des Lawinenwinkels und der Lawinenenergie der untersuchten Polyamidpulver in einem Revolu- tion Powder Analyzer,

Fig. 2 graphische Darstellungen der Ergebnisse der Messung des Oberflächen- fraktals und der Oberflächenlinearität der untersuchten Polyamidpulver in einem Revolution Powder Analyzer;

Fig. 3 die fotografische Darstellung des Fließverhalten von in der Trommel des

Revolution Powder Analyzers in Drehung versetzten pulverförmigen Poly- amidmaterialien; Fig. 4 eine Anlage für die Durchführung der additiven Fertigung von erfindungsge- mäßen Werkstücken und dem Vergleich dienenden Werkstücken;

Fig. 5 ein Diagramm, in dem die Bauteildichte in Abhängigkeit von der Volumen- energiedichte aufgetragen ist.

Es werden drei pulverförmige Polyamidmaterialien hinsichtlich ihrer Pulvereigen- schaften charakterisiert. Untersucht werden ein erfindungsgemäßes flammhemmen- des Polyamidmaterial, das Polyamid 6 als Polymerbasis und roten Phosphor als Flammschutzmittel umfasst (im Folgenden kurz PA6-RP), ein Polyamidmaterial aus Polyamid 6 ohne Flammschutzmittel (im Folgenden kurz PA6) als erster Vergleich und ein Polyamidmaterial aus Polyamid 12 mit nachgewiesener Eignung für das se- lektive Lasersintern als zweiter Vergleich (im Folgenden kurz PA12).

Das pulverförmige PA6-RP und das pulverförmige PA6 werden durch selektives La- sersintern zu Probekörpern verarbeitet.

Der Anteil an rotem Phosphor im PA6-RP kann vorteilhaft bei 1 bis 15 % liegen. Das in den folgenden Versuchen verwendete PA6-PR enthält 3 bis 6 % roten Phosphor.

A. Herstellung und Charakterisierung der Pulver für das selektive Lasersintern A1. Herstellungsverfahren

Für die Flerstellung des PA6-RP-Sinterpulvers wird ein gegossener PA6-RP-Block o- der ein grobkörniges Granulat als Ausgangsmaterial verwendet. Der Block oder das Granulat wird mit einer Mühle kryogen zu einem feinen, pulverförmigen Material ver- mahlen. Durch Sieben des pulverförmigen Materials wird eine Siebfraktion mit einer für die additive Fertigung gewünschten Korngrößenverteilung erhalten. Nach dem kryogenen Mahlen weisen die Partikel beispielsweise eine Partikelgröße im Bereich von 40 bis 110 mΐti und insbesondere eine kantige, unregelmäßige Oberfläche auf.

Das als Vergleich dienende pulverförmige PA6 ohne Flammschutzmittel wird nach dem gleichen Verfahren hergestellt. A2. Charakterisierung der pulverförmiqen Polvamidmaterialien in einem Revolution Powder Analyzer

Die Analyse von pulverförmigem PA6-RP, PA6 und PA12 erfolgt in einem Revolution Powder Analyzer (RPA). Auf diese Weise können das Fließverhalten, die Fluidisier- barkeit und die Granulation der pulverförmigen Materialien gemessen und die Eig- nung für das selektive Lasersintern abgeschätzt werden.

Fig. 1 zeigt den Lawinenwinkel und die Lawinenenergie von pulverförmigem PA6-RP, PA6 und PA12.

Fig. 2 stellt das Oberflächenfraktal bzw. die Oberflächenrauheit und die Oberflächen- linearität der dieser drei Pulver dar.

Fig. 3 zeigt drei Fotos, die das Fließverhalten von pulverförmigem PA6-RP und pul verförmigem PA6 bei einer Drehgeschwindigkeit von 10 min ^-1 im Revolution Powder Analyzer zeigen. Aufnahmebedingungen: 10 Bilder/Sekunde (FPS).

(I) Standardmessung von PA6-RP bei Raumtemperatur;

(II) Standardmessung von PA6 bei Raumtemperatur;

(III) Temperierte Messung von PA6 bei 100 °C.

B. Selektives Lasersintern von pulverförmiqen PA6-RP und PA6

Die so erhaltenen pulverförmigen PA6-RP und PA6 werden in den Pulvervorratsbe- hälter 118 der Herstellvorrichtung 100 gemäß Fig. 4 gegeben. In Lasersinterexperi- menten wird zunächst die optimale Laserenergie ermittelt. Anschließend werden Pro- bekörper für weitere Untersuchungen durch selektives Lasersintern hergestellt.

B1. Vorrichtung zur Durchführung

Die Vorversuche zur Bestimmung der Dichte der Werkstücke in Abhängigkeit von den Belichtungsparametern und die Herstellung von Probekörpern werden in einer üblichen Lasersinter-Anlage durchgeführt, die in ihrem Aufbau der in Fig. 4 schema- tisch dargestellten Herstellvorrichtung 100 entspricht. Die Herstellvorrichtung 100 weist einen CO2-Laser 104, ein System zur Lenkung des Laserstrahls 106, ein Pulverbett 108 mit einer vertikal verfahrbaren Bauplattform 110, in dem das Werkstück 102 entsteht, einen Pulvervorratsbehälter 118, einen Pul- verauffangbehälter 124 und eine Pulverauftragseinrichtung 112 mit einer Rakel 120 auf. Weiter ist eine Steuerungseinrichtung 114 zum Steuern des Herstellverfahrens vorgesehen. Insbesondere steuert die Steuerungseinrichtung 114 die Laserstrahllen- kungseinrichtung 106 und damit die Geschwindigkeit des fokussierten Lasers in der Bauebene, die Laserleistung, die vertikale Bewegung der Bauplattform 110 sowie die Horizontalbewegung der Pulverauftragseinrichtung 112. Die Lasersinter-Anlage weist weiterhin eine oder mehrere Heizeinrichtungen zum Erhitzen des pulverförmigen Po- lyamidmaterials oder Materialpulvers 116 im Pulverbett auf eine Temperatur über der Glasübergangstemperatur und unterhalb der Schmelztemperatur des pulverförmigen Polyamidmaterials auf (Heizeinrichtungen nicht dargestellt).

Die unter A. hergestellten Sinterpulver 116 aus PA6-RP bzw. PA6 werden in der La- serstrahl-Pulverbett-Herstellvorrichtung 100 zum Werkstück 102 geformt.

Der CO2-Laser 104 erzeugt einen energiereichen Laserstrahl bei einer Wellenlänge von 10,6 mΐti, mit dem das pulverförmige PA6-RP und das pulverförmige PA6 zu Pro- bekörpern geformt werden.

Für die schichtweise Erzeugung des Werkstücks 102 wird das pulverförmige PA6-RP 116 aus dem Pulverreservoir 118 mit der Rakel 120 auf der Bauplattform 110 gleich- mäßig und wiederkehrend in dünnen Pulverschichten verteilt. Auf der gegenüberlie- genden Seite des der Bauplattform 110 ist ein Pulverauffangbehälter 124 vorgese- hen, der überschüssiges pulverförmiges PA6-RP oder PA6 aufnimmt.

In der Steuerungseinrichtung 114 sind Daten über die Form des Werkstücks 102 bei- spielsweise in Form von CAD-Daten gespeichert. Die Steuerungseinrichtung 114 lenkt daraufhin den Laserstrahl 122 mittels der Laserstrahllenkungseinrichtung 106 so, dass der gesamte Querschnitt des Werkstücks 102 auf Höhe dieser Schicht ver- festigt wird. Anschließend fährt die Steuerungseinrichtung 114 die Bauplattform 110 um einen bestimmten Betrag nach unten, um so die nächste Schicht Pulver aufzutra- gen und erneut den Querschnitt zu verfestigen. B2. Festlegung der Parameter für PA6-RP

Beim selektiven Lasersintern werden poröse Werkstücke erhalten, wobei die Porosi- tät und die Dichte des Materials von den Belichtungsparametern abhängen, wie Strahldurchmesser und Strahlleistung und Geschwindigkeit, mit der sich der Laser- strahl über die Pulverschicht bewegt. Diese physikalischen Parameter bestimmen die Menge an ein in ein bestimmtes Volumen der Pulverschicht eingebrachte Energie (Messgröße ist hier J/mm3). Da die Porosität und die Dichte des gesinterten Werk- stücks entscheidend für die Materialeigenschaften, wie die Werkstückfestigkeit, sind, werden in Vorversuchen die besten Belichtungsbedingungen für PA6-RP ermittelt. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse für 19 Versuche mit unterschiedlichen Parametern, Tabelle 2 die Ergebnisse der Dichtemessung und die Auswertung. Die Bewertung er- folgt mit: +++ (besonders gut geeignet), ++ (gut geeignet) bis + (brauchbar).

Tabelle 1 : Festlegung der Laser-Parameter für das selektive Laser- sintern von PA6-RP und PA6

Tabelle 2: Dichtemessung und Auswertung

Die Vorabversuche und ihre Auswertung gemäß Tabelle 1 und 2 zur Ermittlung der Dichte in Abhängigkeit von den Belichtungsparametern sind in Fig. 5 zusammenge- fasst. Danach wird eine maximale Bauteildichte bei einer Volumenenergiedichte (J/mm ³ ) von 0,197 J/mm ³ und bei einer Volumenenergiedichte von 0,328 J/mm ³ .

Für die Volumenenergiedichte von etwa 0,2 J/mm ³ wird verglichen mit etwa 0,33 J/mm ³ ein noch besseres Sinterergebnis festgestellt. Somit wird die größte Bauteil- dichte mit dem besten Sinterergebnis bei einer Volumenenergiedichte von etwa 0,2 J/cm ³ erhalten.

B3. Flerstellunq von Probekörpern für die Analyse des Brandverhaltens

In der Flerstellvorrichtung 100 werden nach Ermittlung der vorteilhaften Volumen- energiedichte Werkstücks 102 aus PA6-RP und PA6 in Form von Probekörpern für die Untersuchung des Brandverhaltens hergestellt. Die Probekörper werden nach vollständiger additiver Fertigung aus dem Pulverbett herausgezogen. Lose an den Probekörpern anhaftendes Sinterpulver kann leicht entfernt werden. Die Oberfläche der Probekörper ist glatt.

Die Brandprüfungen werden nach den Normen AITM2-0002 (Entflammbarkeit), Ver- fahren B, AITM-0007 (Rauchtest) und AITM3-0005 (Toxizität) durchgeführt. Es wer- den die folgenden Ergebnisse erhalten:

Mit diesen Brandeigenschaften ist PA6-RP für die Herstellung von Bauteilen für den Innenausbau von Flugzeugen, wie den druckbelüfteten Bereich, geeignet. Bezugszeichenliste:

100 Laserstrahl-Pulverbett-Herstellvorrichtung 102 Werkstück

104 CO2-Laser

106 Laserstrahllenkungseinrichtung

108 Pulverbett

110 Bauplattform

112 Pulverauftragseinrichtung

114 Steuerungseinrichtung

116 Materialpulver

118 Pulvervorratsbehälter

120 Rakel

122 Laserstrahl

124 Pulverauffangbehälter