DE102007025656A1 - Selbstaushärtendes Material und Verfahren zum schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Bauteile - Google Patents

Selbstaushärtendes Material und Verfahren zum schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Bauteile Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein 3-D-Druck-Verfahren und ein selbständig aushärtendes Material zum schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Bauteile, wobei das Material zumindest ein Partikelmaterial und ein getrennt aufzutragendes Bindemittel zur Verfestigung des Partikelmaterials aufweist, wobei das Partikelmaterial Polymethylmethacrylat aufweist sowie zusätzlich mindestens einen Vernetzungsinitiator, wobei das Bindemittel zumindest einen Bestandteil der Gruppe, umfassend Acrylate, Methacrylate und/oder Styrole, aufweist, wobei das Bindemittel zusätzlich Vernetzer und Katalysator aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein selbst aushärtendes Material und ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Bauteile.
  • Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile sind schon seit längerer Zeit bekannt.
  • Beispielsweise wird in der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 B1 ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dort wird beschrieben, dass ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht auf eine Plattform aufgetragen und selektiv mittels eines Druckkopfes mit Binder bedruckt wird. Der bedruckte Bereich verklebt und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders. Die Plattform wird um eine Schichtdicke abgesenkt und mit einer neuen Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewisse Höhe erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt. Dieses Objekt ist in loser Partikelmaterial eingebettet und wird entnommen und von dem losen Partikelmaterial befreit.
  • Bei diesen Verfahren wurde beobachtet, dass die Verfahren geringe Produktivität sowie die gedruckten Bauteile ungenügende mechanische Eigenschaften aufweisen, insbesondere Festigkeit.
  • Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein selbstaushärtendes Material zum schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Bauteile, wobei das Material zumindest ein Partikelmaterial und ein getrennt aufzutragendes Bindemittel zur Verfestigung des Partikelmaterials aufweist, wobei das Partikelmaterial Polymethylmethacrylat aufweist sowie zusätzlich mindestens einen Vernetzungsinitiator, wobei das Bindemittel zumindest einen Bestandteil der Gruppe umfassend Acrylate, Methacrylate und oder Styrole aufweist, wobei das Bindemittel zusätzlich Vernetzer und Katalysator aufweist.
  • Mit einem solchen Material ist es nun möglich, Bauteile mit besseren mechanischen Eigenschaften herzustellen, insbesondere Bauteile mit höherer Festigkeit.
  • Ein selbst aushärtendes Material im Sinne der Erfindung bezeichnet ein System aus Partikelmaterial und Bindemittel, das ohne fremde Einwirkung (in Form von Temperatur, Energiezugabe, ...) binnen 72 Stunden oder schneller aushärten kann. Die dazu benötigte Zeit wird als Verfestigungsdauer bezeichnet.
  • In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Materials kann das Bindemittel mittels reaktiver Aktivatoren polymerisiert werden, welche Bestandteil des Partikelmaterials sind.
  • Vorteilhaft sind auch abgerundete Partikel, insbesondere Perlpolymerisate, da diese eine vergleichsweise höhere Verdichtung des Partikelmaterials zulassen. Eine höhere Verdichtung ermöglicht bessere mechanische Eigenschaften.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Bauteile, wobei ein Partikelmaterial und ein Bindemittel zur selbständigen Verfestigung des Partikelmaterials aufgetragen werden, wobei das Partikelmaterial Polymethylmethacrylat aufweist sowie zusätzlich mindestens einen Vernetzungsinitiator, wobei das Bindemittel zumindest einen Bestandteil der Gruppe umfassend Acrylate, Methacrylate und oder Styrole aufweist, wobei das Bindemittel zusätzlich Vernetzer und Katalysator aufweist.
  • Unter Bindemittel wird im Sinne dieser Anmeldung jegliche Substanz verstanden, die das Partikelmaterial verkleben und zu einer zusammenhängenden Struktur verfestigen kann. Dazu eignen sich verschiedene Materialien und Reaktionsmechanismen. Insbesondere müssen Bindemittel und Partikelmaterial ein geeignetes System bilden.
  • Beispielhaft sollen im Folgenden einige Materialien und deren Reaktionsmechanismen aufgezählt werden:
    Monomere Bindemittel auf Basis von Acrylaten, Methacrylaten, Styrolen, vernetzt oder unvernetzt, deren Polymerisation durch reaktive Aktivatoren ausgelöst wird.
  • Das Bindemittel kann ferner verschiedene Lösungsmittel und/oder Monomere enthalten, Vernetzer, und/oder Reaktionshilfsstoffe wie Katalysatoren oder Füllstoffe (z. B. Nanopartikel) aufweisen. Zu Verbesserung der Druckeigenschaften können dem Binderfluid noch weitere Hilfsstoffe z. B. zur Modifikation der Viskosität zugefügt werden.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Partikelmaterial Füllstoffe aufweisen, um eine Schwindung des aufgebauten Bauteiles zu minimieren oder die Materialeigenschaften zu verbessern.
  • Des Weiteren können Hilfsstoffe wie Initiatoren, Katalysatoren, Verzögerer dem Partikelmaterial zugesetzt sein, die z.B. für die Reaktion des Bindemittels benötigt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird ein Bindemittel auf Basis von verschiedenen Methacrylaten und/oder Styrolen verwendet, das beispielsweise selektiv mittels Piezodruckköpfen auf eine Pulverschicht aufgetragen wird.
  • Das Bindemittel kann neben einem Monomer auch einen Vernetzer (z.B. Mehrfunktionelle Methacrylate) aufweisen. Des Weiteren kann auch ein Katalysator (z.B. Toluidin) verwendet werden.
  • Weitere Zusätze und Reaktionshilfsmittel sind denkbar. Ein Fachmann kann durch Modifikation der Zusammensetzung des Bindemittels gezielt die Eigenschaften des Bauteils einstellen.
  • Des Weiteren sind Zusätze zur Erhöhung oder Senkung der Viskosität, Oberflächenspannung und/oder anderer auf die Druckbarkeit Einfluss nehmender Eigenschaften des Bindemittels möglich. Hierdurch könnte die Druckbarkeit des Bindemittels verbessert werden.
  • Das Partikelmaterial kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der der vorliegenden Erfindung ein Perlpolymerisat auf Basis von PMMA aufweisen.
  • Des Weiteren kann das Partikelmaterial Füllstoffe wie Glas, Metalle, Kurzfasern aufweisen.
  • Vorteilhafterweise kann das Partikelmaterial einen Reaktionsinitiator (z. B. Benzoylperoxid = BPO oder auf Basis von Ba bitursäure) aufweisen. Ein solcher Initiator kann entweder unter das Partikelmaterial gemischt werden oder in den Partikeln des Partikelmaterials gelöst sein.
  • Wird ein das Bindemittel aufweisendes Druckfluid auf ein Partikelmaterial gedruckt, startet gemäß der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform eine Reaktion zwischen dem im Pulver befindlichen Initiator (BPO) und einem im Fluid befindlichen Katalysator (Toluidin). Es bilden sich Radikale, die eine Verkettungsreaktion des Monomers auslösen.
  • Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass sich mit einem solchen System Bauteile mit hoher Festigkeit im 3D-Druckverfahren herstellen lassen.
  • Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Material und das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird von einem Partikelmaterial auf Basis von Polymethylmethacrylat und einem Bindemittel auf Basis verschiedener Methacrylate und/oder Styrole ausgegangen. Die Zusammensetzung eines solchen beispielhaften Systems ist nachstehender Tabelle dargestellt:
    Nr. Komponente Gewichtsanteil/[%]
    (5) Partikelmaterial
    (12) Grundmaterial
    PMMA-Perlpolymerisat 2–100
    (13) Initiator
    Benzoylperoxid (gelöst im Grundmaterial) 0,1–5
    (14) Füllstoff
    z.B. Metallpulver, Glas-/Kohlefasern, unlösliches Polymer 5–98
    (22) Bindemittel
    (15) Monomere
    (15a) Styrol 0–75
    (15b) Hydoxyethylmethacrylat 25–100
    (16) Vernetzer
    Polyethylenglykol-dimethacrylat 0–50
    (17) Beschleuniger/Katalysator
    N,N-Dimethyl-p-Toluidin 0,5–1,5
  • Das Bauteil wird, wie bereits beschrieben, schichtweise aus dem Partikelmaterial (hier abgerundete Partikel aus Perlpolymerisat) und dem Bindemittel aufgebaut.
  • Dazu wird das abgerundete Partikelmaterial mit einer handelsüblichen Vorrichtung schichtweise aufgetragen und mit einer Verdichtungseinrichtung (wie sie z.B. in der DE 10117875 C1 in Form einer schwingenden Klinge beschrieben) ist zunächst vorverdichtet.
  • Sobald das Bindemittel aus dem Druckkopf auf das Partikelmaterial im Pulverbett trifft, beginnen die Interaktionen zwischen den verschiedenen Komponenten des Systems.
  • Zunächst wird das Grundmaterial 12 angelst. Dabei wird der sich im Grundmaterial 12 befindliche Initiator 13 aus den Partikeln des Grundmaterials geschwemmt. Die Geschwindigkeit dieses Prozessschritts ist von der Löslichkeit des Grundmaterials 12 und die Lösungsstärke des Bindemittels 22 ab. Nach der nachfolgend dargestellten Reaktion wird der Initiator 13 durch den Beschleuniger 17 gespalten und bildet Radikale 19. I (13) → 2 R• (19)
  • Diese Radikale spalten die Doppelbindung eines Monomers 15 und reagieren zu einem Monomerradikal 20: R• (19) + M (15) → RM• (20)
  • Durch die Addition weiterer Monomere 15 an das Monomerradikal 20 bildet sich ein Makromolekül 21. Durch die Auswahl und Komposition des Monomers 15 kann die Geschwindigkeit der Wachstumsreaktion gesteuert werden. Die Wachstumsreaktion ist nachfolgend dargestellt: RM• (20) + n M (15) → RMn+1 •
  • Durch die Kettenabbruchreaktion wird das Wachsen der Makromoleküle beendet. In der Literatur sind verschiedenen Abbruchmechanismen beschrieben. Beispielhafte Kettenabbrüche durch Kombination und Disproportionierung sind nachfolgend dargestellt: Kombination: RMn • + RMm • → RMn+mR (21) Disproportionierung: RMn • + RMm • → RMn + RMm (21)

Claims (8)

  1. Selbständig aushärtendes Material zum schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Bauteile, wobei das Material zumindest ein Partikelmaterial und ein getrennt aufzutragendes Bindemittel zur Verfestigung des Partikelmaterials aufweist, wobei das Partikelmaterial Polymethylmethacrylat aufweist sowie zusätzlich mindestens einen Vernetzungsinitiator, wobei das Bindemittel zumindest einen Bestandteil der Gruppe umfassend Acrylate, Methacrylate und oder Styrole aufweist, wobei das Bindemittel zusätzlich Katalysator aufweist.
  2. Selbständig aushärtendes Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel mittels reaktiven Aktivatoren polymerisiert werden kann.
  3. Selbständig aushärtendes Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel weitere Zusätze zur Verbesserung der Verdruckbarkeit, wie beispielsweise Erhöhung oder Senkung der Viskosität und/oder der Oberflächenspannung aufweist.
  4. Selbständig aushärtendes Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Partikelmaterial Füllstoffe aufweist.
  5. Selbständig aushärtendes Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Partikelmaterial abgerundete Partikel, insbesondere Perlpolymerisat, aufweist.
  6. Verfahren zum schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Bauteile, wobei ein Partikelmaterial und ein Bindemittel zur selbständigen Verfestigung des Partikelmaterials aufgetragen werden, wobei das Partikelmaterial Polymethylmethacrylat aufweist sowie zusätzlich mindestens einen Vernetzungsinitiator, wobei das Bindemittel zumindest einen Bestandteil der Gruppe umfassend Acrylate, Methacrylate und oder Styrole aufweist, wobei das Bindemittel zusätzlich Vernetzer und Katalysator aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei abgerundete Partikel, insbesondere Perlpolymerisat, verwendet werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei eine Verdichtungseinrichtung für das aufgetragene Partikelmaterial eingesetzt wird.
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