DE102015003378A1

DE102015003378A1 - Verfahren zum Strangpressen, Extrudieren, Spritzgießen oder 3D-Drucken eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE102015003378A1
Application number: DE102015003378.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Jörg Beckmann
Current assignee: BECKMANN, JOERG, DR.-ING., DE
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2016-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strangpressen, Extrudieren, Spritzgießen oder 3D-Drucken eines Gegenstandes, bei dem ein Kunststoff zumindest lokal so weit erwärmt wird, das er plastisch verformbar ist, wobei dem Kunststoff Hohlkugeln, insbesondere Glashohlkugeln, beigemischt sind oder im Verlauf des Verfahrens beigemischt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strangpressen, Extrudieren, Spritzgießen oder 3D-Drucken eines Gegenstandes, bei dem ein Kunststoff zumindest lokal soweit erwärmt wird, dass er plastisch verformbar ist.
Derartige Verfahren sind heute in einer großen Vielzahl bekannt und werden für die Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Gegenstände verwendet. Dabei nimmt insbesondere die Anzahl der Gegenstände, die mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt werden, zu. Prototypen, Modelle, Einzelanfertigungen und Kleinserien können seit geraumer Zeit durch ein derartiges 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Mittlerweile können auch Kunststoffbauteile in Großserien mittels eines derartigen Verfahrens hergestellt werden.
Die auf diese Weise hergestellten Gegenstände werden in einer großen Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsbereiche verwendet. Durch die Auswahl der verwendeten Kunststoffe lassen sich eine Vielzahl von Eigenschaften der Gegenstände verändern. Die Verfahren sind kostengünstig und schnell, so dass auch große Stückzahlen von Gegenständen sehr kostengünstig herstellbar sind. Allerdings sind die erreichbaren Eigenschaften durch die Verwendung der Kunststoffe begrenzt. Insbesondere wenn der herzustellende Gegenstand eine möglichst geringe Dichte bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität aufweisen oder eine große Wärmedämmung gewährleisten soll, sind durch die zur Verfügung stehenden Kunststoffe Grenzen gesetzt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren so weiterzuentwickeln, dass auch diese Anforderungen erfüllt werden können.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zum Strangpressen, Extrudieren, Spritzgießen oder 3D-Drucken eines Gegenstandes, bei dem ein Kunststoff zumindest lokal so weit erwärmt wird, dass er plastisch verformbar ist, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass dem Kunststoff Hohlkugeln, insbesondere Glashohlkugeln, beigemischt sind oder im Verlauf des Verfahrens beigemischt werden. Derartige Hohlkugeln, insbesondere Glashohlkugeln sind mit Luft oder einem speziell ausgewählten Gas gefüllt und verfügen daher über eine niedrige Nenndichte. Im Vergleich zu Vollkugeln oder im Vergleich zu dem gewählten Kunststoff oder Kunststoffgemisch. Aufgrund Ihrer Kugelform verfügen sie dennoch über eine hohe Druckfestigkeit, so dass ein insbesondere gegen Druckbelastungen mechanisch stabiler Gegenstand herstellbar ist, der über eine reduzierte Gesamtdichte verfügt. Zudem kommt es durch das in den Hohlkugeln, insbesondere in den Glashohlkugeln, enthaltene Gas, das insbesondere Luft ist, auch zu einer erhöhten und verbesserten Wärmedämmung des Materials. Zudem sind insbesondere Glashohlkugeln, aber auch Hohlkugeln aus einem anderen geeigneten Material, chemisch inert, so dass sie von dem sie umgegebenen Kunststoff und gegebenenfalls enthaltenen Füllstoffen nicht angegriffen werden und diese nicht beeinflussen.
Vorteilhafterweise verfügen die Hohlkugeln, insbesondere die Glashohlkugeln, über einen durchschnittlichen Durchmesser von 15 μm bis 300 μm, vorzugsweise bis 200 μm, besonders bevorzugt bis 100 μm. Insbesondere für Verfahren, bei denen das Kunststoff-Hohlkugel-Gemisch durch eine kleine Öffnung, beispielsweise eine Düse, geleitet werden muss, ist es von Vorteil, besonders kleine Hohlkugeln zu verwenden. Dies ist also insbesondere für 3D-Druckverfahren von Vorteil. Insbesondere bei diesen 3D-Druckverfahren sind unterschiedlichste Ausführungsformen möglich. So kann beispielsweise ein Schmelzschichtverfahren („Fused Deposition Modeling” FDM) verwendet werden, bei dem ein schmelzfähiger Kunststoff verwendet wird, wobei Punkte aus einem verflüssigten Kunststoffmaterial auf eine zu bedruckende Fläche aufgebracht werden. Alternativ dazu kann auch ein Lasersinterverfahren verwendet werden, wie es beispielsweise durch das selektive Lasersintern (SLS) bekannt ist. Hier wird der herzustellende Gegenstand ebenfalls Schicht für Schicht aufgebaut, allerdings wird der Grundstoff, der vorliegend aus einem Kunststoff mit den darin enthaltenen Hohlkugeln besteht, in pulverförmiger Form aufgebracht und anschließend durch den Einsatz eines Lasers oder einer anderen Wärmequelle erwärmt und gesintert. Natürlich sind auch andere bekannte 3D-Druckverfahren möglich.
In diesen 3D-Druckverfahren wird der herzustellende Gegenstand Schicht für Schicht aufgebaut, wobei die Dicke der Schichten je nach verwendetem Verfahren sehr gering sein kann. Je kleiner die verwendeten Hohlkugeln sind, desto geringer kann auch die aufgebrachte Schichtdicke im jeweiligen Herstellungsverfahren sein, so dass kleinere Hohlkugeln in einer größeren Anzahl unterschiedlicher Verfahren einsetzbar sind. Zudem können kleinere Hohlkugeln in der jeweiligen aufgebrachten Schicht homogener verteilt werden, so dass insbesondere Dichteschwankungen, aber auch Schwankungen in der Wärmeleitfähigkeit im Material vermieden werden können.
Vorteilhafterweise wird der Kunststoff als Granulat bereitgestellt, dem die Hohlkugeln, insbesondere die Glashohlkugeln, beigemischt werden. In einer denkbaren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bereits eine fertige Mischung aus Kunststoffgranulat und Hohlkugeln bereitgestellt. Dabei können die Hohlkugeln aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise unterschiedlichen Gläsern bestehen. Zudem ist es denkbar, gezielt Hohlkugeln unterschiedlicher Durchschnittsgröße oder unterschiedlicher Außenform zu verwenden. Hohlkugeln im Sinne der vorliegenden Erfindung sind nicht zwangsläufig im mathematischen Sinne Kugeln, sondern können auch eine von der perfekten Kugelform abweichende Form aufweisen. So sind beispielsweise auch ellipsoide Formen denkbar, die im Sinne der vorliegenden Erfindung ebenfalls als Hohlkugeln verstanden werden. Natürlich ist es auch möglich, nur eine einzige Art von Hohlkugeln in dem bereitgestellten Gemisch aus Kunststoff und Hohlkugeln zu verwenden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird nur ein Grundmaterial bereitgestellt, das beispielsweise nur aus einem oder mehreren unterschiedlichen Kunststoffgranulaten besteht. Alternativ kann das Grundmaterial auch aus einem oder mehreren Kunststoffgranulaten und aus einer oder mehreren Sorten Hohlkugeln bestehen. Dieses Grundmaterial oder diese Grundmischung wird bei allen durch das jeweilige Verfahren herzustellenden Gegenständen verwendet. Je nach Bedarf können jedoch beispielsweise in einer Maschine, in der das Strangpress-, Extrusions-, Spritzgieß- oder 3D-Druckverfahren durchgeführt wird, weitere Zusatzstoffe beigemischt werden. Dies können weitere Hohlkugeln, die sich beispielsweise in Größe oder Art des verwendeten Materials von dem bereits enthaltenen Hohlkugeln unterscheiden, seien. Alternativ oder zusätzlich können auch bestimmte weitere Kunststoffpartikel, insbesondere weitere Kunststoffgranulate beigemischt werden. Natürlich können auch andere Zusatzstoffe verwendet werden.
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn als Kunststoff ein Gemisch aus wenigstens zwei unterschiedlichen Kunststoffen verwendet wird.
Vorzugsweise wird das Verfahren in wenigstens zwei Arbeitsgängen durchgeführt, bei denen unterschiedliche Gemische aus Kunststoff und Hohlkugeln verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, einen Teil des herzustellenden Gegenstandes mit einem ersten Gemisch aus Kunststoff und Hohlkugeln herzustellen, während ein anderer Teil des Gegenstandes mit einem anderen Gemisch hergestellt wird. Dabei kann der zweite Teil an den ersten Teil durchaus angespritzt oder auf ihn aufgedruckt werden, so dass ein einstückiger Gegenstand entsteht. Die unterschiedlichen Gemische können sich dabei sowohl in Art und Anzahl der verwendeten Kunststoffe als auch bei den verwendeten Hohlkugeln, insbesondere bei dem verwendeten Material, der Größe, der äußeren Form und des verwendeten Gases im Innern der Hohlkugel unterscheiden.
Vorteilhafterweise sind dem Kunststoff zusätzlich Metallpartikel beigemischt oder diese werden im Verlauf des Verfahrens beigemischt. Dadurch lassen sich die Eigenschaften des herzustellenden Gegenstandes in noch größerem Umfang beeinflussen, als dies durch die bereits beigemischten Hohlkugeln der Fall ist. Insbesondere sind nun auch elektrisch leitfähige Gegenstände durch ein derartiges Verfahren auch aus einem an sich nicht leitfähigen Kunststoff schnell und kostengünstig herstellbar. Zudem wird durch die Verwendung von Metallpartikeln die mechanische Stabilität des hergestellten Gegenstandes weiter erhöht.
Vorteilhafterweise sind die Metallpartikel und/oder die Hohlkugeln, insbesondere die Glashohlkugeln, inhomogen in dem Gegenstand verteilt. Eine inhomogene Verteilung der Hohlkugeln, insbesondere der Glashohlkugeln, lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die sehr geringe Dichte der Hohlkugeln ausgenutzt wird. Intakte Hohlkugeln schwimmen im verflüssigten Kunststoff auf. Dies kann ausgenutzt werden, indem beispielsweise bestimmte Bereiche des herzustellenden Gegenstandes für bestimmte Zeitdauern verflüssigt oder zumindest soweit aufgeweicht werden, dass sich die enthaltenen Hohlkugeln aufgrund ihrer geringen Dichte bewegen können. Da ein derartiges Aufschwimmen immer in Richtung entgegen der Gewichtskraft erfolgt, lässt sich durch entsprechende Bewegungen und Orientierungen des Gegenstandes mit dem aufgeweichten oder verflüssigten Kunststoffbereich bestimmen, in welche Richtung sich die aufschwimmenden Hohlkugeln im Innern des Gegenstandes beziehungsweise des sie umgegebenen Kunststoffes bewegen.
Um enthaltene Metallpartikel inhomogen in dem umgebenen Kunststoff anzuordnen, wird vorteilhafterweise eine Form verwendet, in der der Gegenstand hergestellt ist, wobei die Form magnetisch oder zumindest magnetisierbar ist. Dabei ist die Form vorteilhafterweise durch wenigstens einen Elektromagneten magnetisierbar. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Gussformen von Vorteil, da sich die Mischung aus Kunststoff, Hohlkugeln und Metallpartikeln bei diesen Verfahren am längsten in der jeweiligen Form aufhält. Durch eine magnetische oder magnetisierbare Form kann auf eine große Anzahl unterschiedlicher Metallpartikel eine Kraft ausgeübt werden, durch die die Metallpartikel im Innern des Gemisches bewegt werden können. So ist es auf diese Weise möglich, die Metallpartikel beispielsweise in die äußeren Bereiche eines herzustellenden Gegenstandes zu ziehen und so die mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Gegenstandes zu beeinflussen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die entsprechende Guss- oder Pressform zu beheizen, und so ein vorzeitiges Abkühlen des erwärmten Kunststoffes zu verhindern. Dies ist natürlich auch bei Verformen für andere Verfahren möglich.
Durch die Verwendung von wenigstens einem Elektromagneten zum Magnetisieren der entsprechenden Form lässt sich erreichen, dass der Rohling des Gegenstandes oder ein fertig hergestellter Gegenstand leicht aus der Form entfernt werden kann. Dazu wird einfach der Elektromagnet abgeschaltet, so dass keine magnetische Wechselwirkung mehr zwischen der Form und den sich im Gegenstand befindlichen Metallpartikeln vorliegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt zumindest ein überwiegender Anteil der Metallpartikel in wenigstens einer Raumrichtung über eine Ausdehnung von weniger als 100 μm, bevorzugt weniger als 50 μm, besonders bevorzugt weniger als 20 μm. Den überwiegenden Anteil bilden vorteilhafterweise mehr als 50% der verwendeten Metallpartikel, vorteilhafterweise mehr als 75%, besonders bevorzugt mehr als 90% der verwendeten Partikel. Je kleiner die Metallpartikel ausgebildet werden, desto eher sind sie auch in den sehr genauen 3D-Druckverfahren verwendbar, die eine laterale Auflösung von wenigen Hundertsteln Millimeter aufweisen.
Vorzugsweise ist ein Anteil der Metallpartikel so groß gewählt, dass der herzustellende Gegenstand elektrisch leitfähig ist. Dies bedeutet wenigstens, dass die elektrische Leitfähigkeit des herzustellenden Gegenstandes größer ist als die des verwendeten Kunststoffes allein. Der Anteil der Metallpartikel kann dabei in Volumenprozent oder in Gewichtsprozent gemessen und angegeben werden.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch einen Gegenstand, der durch ein hier beschriebenes Verfahren herstellbar ist.
Mögliche Kunststoffe sind beispielsweise Polyamid 6, Polyamid 12 oder Thermoplaste wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyactide, ABS oder thermoplastische Elastomere. Natürlich sind jedoch auch andere Kunststoffe einsetzbar.
Durch die Verwendung von Hohlkugeln, insbesondere von Glashohlkugeln, als Füllstoff oder Zusatz zum verwendeten Kunststoff wird neben dem Gewicht des herzustellenden Gegenstandes auch die Menge des benötigten Kunststoffes reduziert, wodurch eine Kostenersparnis erreicht wird. Zudem wird der Kunststoff weiterhin resistent gegen Wasser, ist nicht porös und erreicht eine verbesserte Fließfähigkeit, was insbesondere bei Strangpress-, Extrudier- und Spritzgießverfahren von Vorteil ist. Zudem wird dadurch der Schrumpf und Verzug von hergestellten Gegenständen beim Abkühlen des Kunststoffes reduziert und gleichzeitig die Wärmedämmeigenschaft erhöht.

Claims

Verfahren zum Strangpressen, Extrudieren, Spritzgießen oder 3D-Drucken eines Gegenstandes, bei dem ein Kunststoff zumindest lokal so weit erwärmt wird, dass er plastisch verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff Hohlkugeln, insbesondere Glashohlkugeln, beigemischt sind oder im Verlauf des Verfahrens beigemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln, insbesondere Glashohlkugeln, einen durchschnittlichen Durchmesser von 15 μm bis 300 μm, vorzugsweise bis 200 μm, besonders bevorzugt bis 100 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff als Granulat bereitgestellt wird, dem die Hohlkugeln, insbesondere Glashohlkugeln, beigemischt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff ein Gemisch aus wenigstens zwei unterschiedlichen Kunststoffen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren aus wenigstens zwei Arbeitsgängen besteht, bei denen unterschiedliche Gemische aus Kunststoff und Hohlkugeln, insbesondere Glashohlkugeln, verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff zusätzlich Metallpartikel beigemischt sind oder im Verlauf des Verfahrens beigemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel und/oder die Hohlkugeln, insbesondere die Glashohlkugeln, inhomogen in dem Gegenstand verteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein überwiegender Anteil der Metallpartikel in wenigstens einer Richtung eine Ausdehnung von weniger als 100 μm, bevorzugt weniger als 50 μm, besonders bevorzugt weniger als 20 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der Metallpartikel so groß gewählt ist, dass der Gegenstand elektrisch leitfähig ist.
Gegenstand herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.