DE102010062875A1 - Producing component, preferably plastic component for motor vehicle, comprises laser sintering, where powdery material is used as sintering material, which comprises thermoplastic polyurethane - Google Patents

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Abstract

Producing a component, preferably a plastic component, comprises laser sintering, where a powdery material is used as a sintering material, which comprises thermoplastic polyurethane.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruches 1.The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Lasersintern ist ein Verfahren zum schichtweisen Aufbauen von Bauteilen. Eine dünne Schicht aus pulverförmigem Material wird mittels eines Lasers in denjenigen Bereichen, in denen ein Bauteil entstehen soll, belichtet. Durch das Belichten mit Laserlicht tritt eine Verfestigung des pulverförmigen Materials ein. Anschließend werden sukzessive weitere Schichten pulverförmigen Materials aufgebracht und in einzelnen Bauteilbereichen belichtet. Mit diesem Verfahren lassen sich Bauteile mit nahezu beliebiger Komplexität schichtweise aufbauen.Laser sintering is a process for layering components. A thin layer of powdered material is exposed by means of a laser in those areas in which a component is to be formed. By exposure with laser light occurs a solidification of the powdery material. Subsequently, successive layers of powdered material are applied and exposed in individual component areas. With this method, components of virtually any complexity can be built up layer by layer.

Die Verwendung von Pulvern im Lasersinterverfahren sowie die Herstellung von Formkörpern ist beispielhaft in der DE 20 2005 020 596 U1 („Pulver für das Rapid Prototyping”) beschrieben.The use of powders in the laser sintering process and the production of moldings is exemplary in the DE 20 2005 020 596 U1 ("Powder for Rapid Prototyping").

Aus der DE 101 22 492 A1 ist ein Lasersinterverfahren bekannt, bei dem mit thermoplastischen Polymeren gearbeitet wird. Zum relevanten Stand der Technik zählen ferner die DE 10 2004 012 682 A1 , DE 10 2004 012 683 A1 , DE 197 47 309 B4 , DE 19747309 B1 (Verwendung von Polyamid 12), EP 1443073 (Verwendung von Polyamidpulver), EP 879137 (Verwendung von Polymerpulvermischungen) und die DE 4410046 (Verwendung von Polyamid).From the DE 101 22 492 A1 is a laser sintering method is known to work with thermoplastic polymers. The relevant prior art also includes the DE 10 2004 012 682 A1 . DE 10 2004 012 683 A1 . DE 197 47 309 B4 . DE 19747309 B1 (Use of polyamide 12), EP 1443073 (Use of polyamide powder), EP 879137 (Use of polymer powder mixtures) and the DE 4410046 (Use of polyamide).

Im Automobilbau ist seit Jahren eine immer weiter zunehmende Aufspreizung des Produktportfolios zu beobachten. Damit einher geht ein Bedarf an Kleinserienbauteilen, d. h. an Bauteilen, die nur mit relativ geringen Stückzahlen hergestellt werden. Aufgrund der Zunahme von Produktvarianten und der damit einhergehenden Reduzierung von Volumen und Entwicklungszeiten, werden verstärkt Bauteile in Erwägung gezogen, die in werkzeuglosen Fertigungsverfahren hergestellt werden können.In the automotive industry, a steadily increasing spread of the product portfolio has been observed for years. This is accompanied by a need for small series components, d. H. on components that are produced only in relatively small quantities. Due to the increase in product variants and the concomitant reduction in volume and development times, components are increasingly being considered that can be manufactured in tool-less manufacturing processes.

Man hat erkannt, dass Kleinserienbauteile „generativ”, z. B. durch Lasersintern hergestellt werden können. Voraussetzung ist jedoch, dass die Bauteile hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften so beschaffen sind, dass sie dem Eigenschaftsprofil (insbesondere hinsichtlich ihrer Geometrie, Funktion und Festigkeit) eines entsprechenden Serienbauteils genügen. Viele aus dem Stand der Technik bekannte Lasersintermaterialien, wie z. B. ”Polyamid 12” (s. o.), werden diesen Anforderungen nicht gerecht. Aus Polyamid 12 hergestellte Lasersinterteile weisen eine relativ hohe Festigkeit und Steifigkeit auf, was bei vielen in Fahrzeuginnenräumen verbauten Kunststoffkomponenten gerade nicht gefragt ist. Aufgrund der unzureichenden Bruchdehnung mancher lasergesinterten Kunststoffe können derzeit insbesondere Anwendungen, die gummielastische Bauteileigenschaften benötigen (z. B. Dichtungen, Dämpfungselemente, Membranen, Ummantelungen etc.), nicht versorgt werden, insbesondere nicht, wenn eine hohe Standzeit verlangt wird. Aus anderen Lasersintermaterialien (z. B. auf Polyester-Basis) hergestellten Lasersinterteilen fehlt es an Steifigkeit und Festigkeit sowie an Duktilität. Bei wieder anderen für Lasersintern in Frage kommenden Materialien besteht der Nachteil, dass die Oberfläche des Lasersinterteils vergleichsweise rau ist und eine entsprechende Nachbearbeitung mit hohem Aufwand verbunden ist.It has been recognized that small series components "generative", z. B. can be produced by laser sintering. However, the prerequisite is that the components are designed with regard to their material properties so that they satisfy the property profile (in particular with regard to their geometry, function and strength) of a corresponding series component. Many known from the prior art laser sintering materials such. As "polyamide 12" (see above), do not meet these requirements. Made of polyamide 12 laser sintered parts have a relatively high strength and rigidity, which is just not in demand for many installed in vehicle interiors plastic components. Due to the insufficient elongation at break of some laser-sintered plastics, in particular applications which require elastomeric component properties (eg seals, damping elements, membranes, sheathing etc.) can not be supplied at the moment, in particular if a long service life is required. Laser sintered parts made from other laser sintering materials (eg polyester-based) lack rigidity, strength and ductility. In yet other materials that may be used for laser sintering, there is the disadvantage that the surface of the laser sintered part is comparatively rough and corresponding post-processing is associated with great expense.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass das mögliche Einsatzspektrum von lasergesinterten Kunststoffbauteilen, die aus herkömmlichen Pulvermaterialien hergestellt werden, relativ beschränkt bleibt.In summary, it should be noted that the possible range of use of laser-sintered plastic components, which are produced from conventional powder materials, remains relatively limited.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lasersinterverfahren anzugeben, mit dem sich Funktionsteile, insbesondere Funktionsteile für Anwendungen im Automobilbereich, herstellen lassen, die den dort auftretenden Belastungen standhalten und die auch den übrigen dort bestehenden Qualitätsanforderungen genügen. Insbesondere soll die bislang zwischen Lasersinterteilen auf Polyamidbasis und „gummielastischen” Teilen bestehende „Duktilitätslücke” verringert bzw. geschlossen werden.The object of the invention is to provide a laser sintering method with which functional parts, in particular functional parts for applications in the automotive sector, can be produced which withstand the loads occurring there and which also satisfy the other existing quality requirements there. In particular, the "ductility gap" previously existing between laser sintered parts based on polyamide and "rubber-elastic" parts should be reduced or closed.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be found in the dependent claims.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht in einem Lasersinterverfahren, bei dem als zu sinternden Material ein pulverförmiges Material verwendet wird, das „thermoplastisches Polyurethan (TPU)” enthält oder das aus thermoplastischem Polyurethan besteht. Das verwendete pulverförmige Material kann außer dem thermoplastischen Polyurethanmaterial ferner einen oder mehrere Füllstoffe enthalten.The basic principle of the invention is a laser sintering process in which a powdered material containing "thermoplastic polyurethane (TPU)" or consisting of thermoplastic polyurethane is used as the material to be sintered. The powdery material used may further contain one or more fillers other than the thermoplastic polyurethane material.

Thermoplastische Polyurethane (TPU) wurden bislang nicht für die Herstellung von Lasersinterteilen in Betracht gezogen. Der Begriff „thermoplastisches Polyurethan” umfasst eine Vielzahl chemischer Substanzen. Thermoplastische Polyurethane (TPE-U) gehören zu den thermoplastischen Elastomeren. Thermoplastische Elastomere können entsprechend ihres chemisch-morphologischen Aufbaus eingeteilt werden in Styrolblockcopolymere (TPEs), thermoplastische Copolyester, Polyetherester (TPE-E), Polyether-Polyamid-Blockcopolymere (TPE-A).Thermoplastic polyurethanes (TPU) have not hitherto been considered for the production of laser sintered parts. The term "thermoplastic polyurethane" includes a variety of chemical substances. Thermoplastic polyurethanes (TPE-U) are among the thermoplastic elastomers. Thermoplastic elastomers can be classified according to their chemical-morphological structure into styrene block copolymers (TPEs), thermoplastic copolyesters, polyether esters (TPE-E), polyether-polyamide block copolymers (TPE-A).

Ein großer Vorteil von Lasersintermaterial auf der Basis von thermoplastischem Polyurethan ist darin zu sehen, dass sich die Eigenschaften von „TPU-Systemen” über weite Bereiche „einstellen” und sind somit für verschiedenste Anwendungen sehr gut „maßschneidern” lassen. Das erforderliche Spektrum an mechanischen Eigenschaften konnte vor allem durch „aliphatische Esterurethane” erfüllt werden.A big advantage of laser sintered material based on thermoplastic polyurethane is the fact that the properties of "TPU systems" "adjust" over a wide range and are thus very well "tailor" for a wide variety of applications. The required spectrum of mechanical properties could be met by "aliphatic ester urethanes".

Thermoplastische Polyurethane entstehen aus der Polyaddition von Polyisocyanaten und Polyolen. Das mechanische Verhalten der thermoplastischen Polyurethane resultiert aus dem segmentartigen Aufbau der Makromoleküle, wobei das Hartsegment aus Diisocyanat und einem Kettenverlängerer gebildet wird. Als Weichsegment werden langkettige Polyole, wie z. B. Polyesterpolyole eingesetzt. Durch Variation des NCO/OH-Verhältnisses werden Eigenschaften für die Verarbeitung und des Produkts nach der Verarbeitung wesentlich beeinflusst.Thermoplastic polyurethanes arise from the polyaddition of polyisocyanates and polyols. The mechanical behavior of the thermoplastic polyurethanes results from the segmental structure of the macromolecules, wherein the hard segment is formed from diisocyanate and a chain extender. As a soft segment long-chain polyols, such as. B. polyester polyols used. By varying the NCO / OH ratio, processing properties and product after processing are significantly affected.

Versuche haben gezeigt, dass Lasersinterteile, die aus einem Material aufgebaut werden, welches thermoplastisches Polyurethan enthält oder daraus besteht, eine relativ hohe Flexibilität bzw. Duktilität und Festigkeitseigenschaften aufweisen, wie sie bei vielen in Fahrzeugen verbauten Kunststoffteilen benötigt wird. Ein wesentlicher Vorteil thermoplastischen Polyurethans ist darin zu sehen, dass überschüssiges Sintermaterial nahezu oder absolut vollständig recycelt, d. h. für weitere Sintervorgänge verwendet werden kann.Experiments have shown that laser sintered parts, which are constructed of a material containing or consisting of thermoplastic polyurethane, have a relatively high flexibility or ductility and strength properties, as is required in many installed in vehicles plastic parts. An important advantage of thermoplastic polyurethane is that excess sintered material is recycled almost completely or completely. H. can be used for further sintering operations.

Gemäß der Erfindung kann ein pulverförmiges Material auf TPU-Basis („TPU-System”) verwendet werden, das folgende Eigenschaften aufweist:

  • • Schmelztemperatur im Bereich von 150°C (Zielsetzung: Enger Schmelzbereich);
  • • Kristallisationstemperatur im Bereich. von 110°C;
  • • Viskosität bei 170°C (MVR) von z. B. 75 cm3/10 min, bei 200°C (MVR) von z. B. 275 cm3/10 min;
  • • Schmelzenthalpie von 10–30 J/g;
According to the invention, a TPU-based powdery material ("TPU system") can be used which has the following properties:
  • Melting temperature in the range of 150 ° C (objective: narrow melting range);
  • • crystallization temperature in the range. of 110 ° C;
  • • Viscosity at 170 ° C (MVR) of z. B. 75 cm 3/10 min, at 200 ° C (MVR) of z. B. 275 cm 3/10 min;
  • • enthalpy of fusion of 10-30 J / g;

Das aus dem thermoplastischen Polyurethan herzustellende Kunststoffbauteil wird schichtweise aufgebaut. Eine erste Schicht des pulverförmigen Materials wird flächig auf ein Substrat aufgebracht. In Bereichen, in denen das pulverförmige Material verfestigt werden soll, wird es mit Laserlicht belichtet. Auf eine zumindest bereichsweise belichtete (z. B. erste) Schicht wird nach dem Belichtungsvorgang eine weitere Schicht pulverförmigen Materials aufgebracht. Diese wird dann wiederum in Bereichen, in denen das pulverförmige Material verfestigt werden soll, mittels Laserlicht belichtet. Auf diese Weise kann Schicht für Schicht ein sehr komplexes Bauteil aufgebaut werden.The plastic component to be produced from the thermoplastic polyurethane is built up in layers. A first layer of the powdery material is applied flat to a substrate. In areas where the powdery material is to be solidified, it is exposed to laser light. On an at least partially exposed (eg first) layer, a further layer of powdery material is applied after the exposure process. This is then exposed again in areas where the powdery material is to be solidified by means of laser light. In this way, layer by layer, a very complex component can be built up.

Überschüssiges Material, das nicht belichtet wurde, kann nach dem Belichten einer Schicht aus den unbelichteten Bereichen entfernt werden, z. B. durch Absaugen oder Wegblasen, und anschließende wieder verwendet werden.Excess material which has not been exposed may be removed after exposure of a layer of the unexposed areas, e.g. B. by suction or blowing away, and then used again.

Versuche haben gezeigt, dass pulverförmiges Material, das eine Partikelgröße aufweist, die im Bereich zwischen 100 μm und 200 μm liegt, zu Bauteilen führt, die eine für viele Anwendungen hinreichende Flexibilität und Festigkeit sowie eine vergleichsweise hohe Oberflächengüte aufweisen.Experiments have shown that powdered material having a particle size ranging between 100 .mu.m and 200 .mu.m leads to components which have sufficient flexibility and strength for many applications and a comparatively high surface quality.

Das zum Sintern verwendete pulverförmige Material kann durch mechanische Bearbeitung, z. B. durch Mahlen, insbesondere Kaltmahlen bzw. durch kryogenes Mahlen, aus einem thermoplastischen Polyurethanhalbzeug hergestellt werden. Als Ausgangshalbzeug kann beispielsweise ein gegossener Polyurethanblock verwendet. werden, der abgekühlt und mittels einer Mühle zu feinem, pulverförmigen Material vermahlen wird, das vorzugsweise eine Partikelgröße aufweist, die in dem oben genannten Bereich (100 μm und 200 μm) liegt.The powdery material used for sintering can by mechanical processing, for. B. by grinding, in particular cold milling or by cryogenic grinding, are made of a thermoplastic polyurethane semi-finished. As a starting semi-finished product, for example, a cast polyurethane block can be used. are cooled and ground by means of a mill to fine, powdery material, which preferably has a particle size which is in the above-mentioned range (100 microns and 200 microns).

Nach einer Weiterbildung der Erfindung können Teilbereiche oder die gesamte Oberfläche des herzustellenden Kunststoffbauteils mit einer Beschichtung versehen werden.According to a development of the invention, partial areas or the entire surface of the plastic component to be produced can be provided with a coating.

Thermoplastische Polyurethane zeigen nach der Verarbeitung durch Lasersintern das Potenzial, die Lücke zwischen den technischen Elastomeren und bislang zu verarbeitenden Polyamid-Typen schließen zu können. Lasergesinterte TPUs zeichneten sich durch hohe gummielastische Eigenschaften mit gleichzeitig geringer plastischer Verformung aus.Thermoplastic polyurethanes, after processing by laser sintering, have the potential to close the gap between the technical elastomers and the polyamide types to be processed so far. Laser-sintered TPUs were characterized by high rubber-elastic properties with low plastic deformation.

Bei vergleichbarer Energiedichte können durch die Verarbeitung des thermoplastischen Polyurethan-Pulvers deutlich verbesserte mechanische Kennwerte erzielt werden (Zugversuch nach DIN 53504 ):

  • – E-Modul: 80 MPa (TPU) – 25 MPa (konventionelle TPE-Sorte);
  • – Zugfestigkeit: 12 MPa (TPU) – 5 MPa (konventionelle TPE-Sorte);
  • – Bruchdehnung: 350% (TPU) – 250% (konventionelle TPE-Sorte);
With comparable energy density, significantly improved mechanical properties can be achieved by processing the thermoplastic polyurethane powder (tensile test according to DIN 53504 ):
  • - modulus of elasticity: 80 MPa (TPU) - 25 MPa (conventional TPE grade);
  • Tensile strength: 12 MPa (TPU) - 5 MPa (conventional TPE grade);
  • - Elongation at break: 350% (TPU) - 250% (conventional TPE grade);

Mit erhöhter Energiedichte lässt sich der E-Modul des lasergesinterten TPU-Pulvers bis 100 MPa steigern, wohingegen der E-Modul des konventionellen TPE-Typs bei 30 MPa stagniert. Auch mit wiederholter Verarbeitung des TPU-Pulvers bleiben die mechanischen Eigenschaften über denen des konventionellen TPE-Pulvers. Das Gefüge des lasergesinterten Thermoplastischen Polyurethans (vergleichbare Energiedichte beim Lasersintern) ist wesentlich dichter und homogener.With increased energy density, the modulus of elasticity of the laser-sintered TPU powder can be increased up to 100 MPa, whereas the modulus of elasticity of the conventional TPE type stagnates at 30 MPa. Even with repeated processing of the TPU powder, the mechanical properties remain above those of the conventional TPE powder. The structure of the laser-sintered thermoplastic polyurethane (comparable energy density in laser sintering) is much denser and more homogeneous.

Figure 00060001
Figure 00060001

Neben der hohen Elastizität, Zugfestigkeit und Reißdehnung zeigten die Bauteile eine hohe Beständigkeit gegen einwirkende Medien und hohe Weiterreißfestigkeit.In addition to the high elasticity, tensile strength and elongation at break, the components showed a high resistance to acting media and high tear strength.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 19747309 B1 [0004] DE 19747309 B1 [0004]
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  • EP 879137 [0004] EP 879137 [0004]
  • DE 4410046 [0004] DE 4410046 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • DIN 53504 [0022] DIN 53504 [0022]

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Kunststoffbauteils für ein Kraftfahrzeug, durch Lasersintern, dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermaterial ein pulverförmiges Material verwendet wird, das thermoplastisches Polyurethan enthält oder daraus besteht.A method for producing a component, in particular a plastic component for a motor vehicle, by laser sintering, characterized in that a powdery material is used as the sintered material, which contains or consists of thermoplastic polyurethane. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil schichtweise aufgebaut wird.A method according to claim 1, characterized in that the component is constructed in layers. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht des Materials flächig auf ein Substrat aufgebracht wird und Bereiche, in denen das pulverförmige Material zu dem Bauteil verfestigt werden soll, mittels Laserlicht belichtet werden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a first layer of the material is applied flat to a substrate and areas in which the powdery material is to be solidified to the component, are exposed by means of laser light. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine zumindest bereichsweise belichtete Schicht nach dem Belichtungsvorgang eine weitere Schicht pulverförmigen Materials aufgebracht wird und diese wiederum in Bereichen, in denen das pulverförmige Material verfestigt werden soll, mittels Laserlicht belichtet wird.A method according to claim 3, characterized in that on an at least partially exposed layer after the exposure process, a further layer of powdered material is applied and these in turn, in areas where the powdery material is to be solidified, is exposed by means of laser light. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Material nach dem Belichten einer Schicht aus unbelichteten Schichtbereichen entfernt wird.Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that material is removed after exposure of a layer of unexposed layer areas. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Partikelgröße aufweist, die im Bereich zwischen 100 μm und 200 μm liegt.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the material has a particle size which is in the range between 100 microns and 200 microns. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Material durch mechanische Bearbeitung aus einem thermoplastischen Polyurethanhalbzeug hergestellt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the powdery material is produced by mechanical processing of a thermoplastic polyurethane semi-finished product. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyurethanhalbzeug zu pulverförmigem Material gemahlen wird.A method according to claim 7, characterized in that the polyurethane semi-finished product is ground to powdery material. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des lasergesinterten Bauteils mit einer Beschichtung versehen wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that a surface of the laser-sintered component is provided with a coating.
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