DE102015217690A1

DE102015217690A1 - Härtbare Zusammensetzung

Info

Publication number: DE102015217690A1
Application number: DE102015217690.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beetz
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2017-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine härtbare Zusammensetzung (2) zur Verwendung als Druckmaterial, umfassend ein lichthärtendes Basismaterial (4), insbesondere ein Fotopolymer, und einen pulverförmigen Füllstoff (6), wobei der Füllstoff (6) einen Kaolin umfasst. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer härtbaren Zusammensetzung (2) sowie ein Verfahren (50) zur Herstellung eines dreidimensionalen Formstücks (52) als auch eine Druckmaschine (8).

Description

Die Erfindung betrifft eine härtbare Zusammensetzung, die geeignet, und insbesondere vorgesehen ist, als Druckmaterial verwendet zu werden. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer härtbaren Zusammensetzung, ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formstücks und eine Druckmaschine.
Komplexe Produkte weisen üblicherweise eine Anzahl an Werkstücken auf, die aus einem Kunststoff oder einem Metall gefertigt sind. Sofern die Herstellung derartiger Werkstücke industriell erfolgt, werden diese aus Kostengründen üblicherweise gegossen, beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens. Hierfür ist zunächst die Erstellung einer Gussform erforderlich, was beispielsweise mittels Fräsen aus einem Metallstück, wie einem Aluminiumblock, erfolgt. Dies ist einerseits vergleichsweise zeitaufwändig und andererseits vergleichsweise kostenintensiv, sodass eine derartige Fertigungstechnik vorwiegend in einer Großserienproduktion zum Einsatz kommt. Die Fertigung der Werkstücke mit der einmal erstellten Gussform hingegen ist in einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne durchführbar. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass die Gussform nach deren Erstellung nicht mehr verändert werden kann.
Eine Alternative hierzu ist die Fertigung der Werkstücke mittels eines sogenannten 3D-Drucks. Hierbei werden unterschiedliche Methoden eingesetzt. So wird bei dem sogenannten SLA-Verfahren ein Vorratsbehälter mit einem flüssigen Kunststoff befüllt und ein Träger hierin platziert. Mittels eines Lasers, üblicherweise eines HeCd-Lasers, wird der Träger bestrahlt und somit der im Fokus des Lasers liegende Anteil des Kunststoffs ausgehärtet. Auf diese Weise wird eine Schicht des Werkstücks erstellt. In einem weiteren Arbeitsschritt wird der Träger um einen bestimmten Bereich abgesenkt, üblicherweise 0,2 mm. In einem weiteren Arbeitsschritt wird eine zweite Schicht, die mit der ersten Schicht verbunden ist, mittels des Lasers ausgehärtet. Auf dieses Weise ist die Erstellung von Werkstücken ermöglicht, die aus einzelnen Schichten zusammengefügt sind, wobei die Schichtdicke im Wesentlichen 0,2 mm beträgt.
Eine Alternative hierzu ist das SLS-Verfahren (selectiv laser sintering), bei dem anstatt des flüssigen Kunststoffs ein pulverförmiger Kunststoff verwendet wird, der mittels des geeignet angepassten Lasers zur Erstellung der Schichten verschmolzen wird. Dasselbe Prinzip verwendet auch das SLM-Verfahren (selectiv laser melting), bei dem anstatt des Kunststoffpulvers ein Metallpulver verwendet wird. Gänzlich anders hierzu ist das sogenannte FDM-Verfahren (fuse deposition modelling), bei dem auf einem im Vakuum oder in Luft positionierten Träger verflüssigtes Kunststoff- oder Wachsmaterial aufgetragen wird, das zunächst mittels Erwärmung zumindest partiell aufgeschmolzen wurde. Die auf diese Weise erstellten Werkstücke sind aufgrund der verwendeten Materialien in die unterschiedlichen Raumrichtungen nicht gleichmäßig temperaturstabil.
Eine weitere Alternative hierzu ist das MJM-Verfahren (multi jet modelling), bei dem anstatt des erwärmten Kunststoffs ein flüssiger Kunststoff aufgesprüht wird, der mittels UV-Licht ausgehärtet wird. Sämtliche derartig hergestellten Werkstücke, unabhängig von deren Herstellungsverfahren, weisen eine vergleichsweise geringe Festigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit oder ein vergleichsweise geringes abrasives Verhalten auf. Infolgedessen ist eine Verwendung derart hergestellter Werkstücke als Gussform für eine Serie nicht ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geeignete härtbare Zusammensetzung, eine besonders geeignete Verwendung einer härtbaren Zusammensetzung, ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formstücks und eine besonders geeignete Druckmaschine anzugeben, wobei das mittels der aushärtbaren Zusammensetzung erstellte Formstück vorzugsweise eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit und/oder Festigkeit und/oder vergleichsweise hohes abrasives Verhalten aufweist.
Hinsichtlich der härtbaren Zusammensetzung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich der Verwendung durch die Merkmale des Anspruchs 6, hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 7 und hinsichtlich der Druckmaschine durch die Merkmale des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die härtbare Zusammensetzung ist geeignet und zweckmäßigerweise vorgesehen und eingerichtet, als Druckmaterial verwendet zu werden. Hierbei wird insbesondere ein MJM-Verfahren („multi jet modelling“) verwendet. Die Zusammensetzung umfasst ein lichthärtendes Basismaterial, das vorzugsweise im nicht gehärteten Zustand flüssig ist. Bei Bestrahlung mittels Lichts, also mittels elektromagnetischer Strahlung, wird dieses Basismaterial ausgehärtet, also in einen festen Zustand überführt. Solange das Basismaterial nicht dieser elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist, ist dieses vorzugsweise flüssig. Zweckmäßigerweise weist die das Basismaterial aushärtende elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge geringer als 380 nm auf und ist folglich zweckmäßigerweise nicht sichtbar. Insbesondere weist die das Basismaterial aushärtende elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge zwischen 315 und 280 nm, zwischen 280 und 200 nm oder zwischen 200 und 100 nm auf.
Zweckmäßigerweise ist das Basismaterial ein Fotopolymer und beispielsweise ein Methacrylat oder ein UV-härtendes Epoxidharz, eine UV-härtendes Polymer oder eine Vinyl- oder eine Acrylgruppe. Alternativ hierzu ist das Basismaterial ein Zweikomponentenwerkstoff, welches ein Baumaterial und einen Härter/Aktivator umfasst. Hierbei werden mittels des Härters/Aktivators die einzelnen Partikel des Baumaterials miteinander verbunden, falls dieses dem Licht mit der geeigneten Wellenlänge ausgesetzt wird.
Die härtbare Zusammensetzung umfasst ferner einen pulverförmigen Füllstoff. Mit anderen Worten ist der Füllstoff körner- oder aber auch plättchenförmig und zweckmäßigerweise innerhalb des Basismaterials eingebettet. Zweckmäßigerweise weist der Füllstoff eine mehlförmige Struktur auf. Insbesondere ist die härtbare Zusammensetzung eine Suspension, also ein hydrogenes Stoffgemisch, die das flüssige Basismaterial und den Füllstoff aufweist, der ein Feststoff ist. Zweckmäßigerweise besteht die härtbare Zusammensetzung aus dem Basismaterial und dem Füllstoff. Der Füllstoff selbst umfasst einen Kaolin und ist insbesondere hieraus gebildet. Insbesondere umfasst der Kaolin ein Kaolinit, also ein hydratisiertes Aluminiumsilikat, insbesondere Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O. Mit anderen Worten wird unter Kaolin insbesondere ein feines, eisenfreies, weißes Gestein verstanden, das als Hauptbestandteil Kaolinit (Al₂Si₂O₅(OH)₄), ein Verwitterungsprodukt des Feldspats, enthält. Weitere Bestandteile sind verschiedene andere Tonminerale und unzersetzte Feldspatteilchen. Der Kaolin ist insbesondere ein Ton und/oder umfasst im Wesentlichen, oder zumindest hauptsächlich Kaolinit und in geringerem Maße Quarz und/oder Glimmer. Vorzugsweise besteht die die härtbare Zusammensetzung aus dem Basismaterial und dem Kaolin. Der Kaolin ist insbesondere aufgrund der Verwitterung eines Granits gebildet. Vorzugsweise wird der Kaolin der Lagerstätte Hirschau-Schnaittenbach herangezogen.
Aufgrund des Füllstoffs ist eine Einstellung der Festigkeit des mittels der härtbaren Zusammensetzung gedruckten Formstücks ermöglicht. Zudem ist die Wärmeleitfähigkeit des auf diese Weise erstellten Formstücks erhöht, sodass das Formstück auch als Gussform verwendet werden kann. Aufgrund des Kaolins wird eine bevorzugte Ausrichtung des Basismaterials in eine Raumrichtung aufgehoben, sodass das Formstück, unabhängig von der Fertigung, in im Wesentlichen sämtliche Raumrichtungen nahezu die gleiche Festigkeit aufweist.
Besonders bevorzugt weist der Kaolin eine Körnung zwischen 0,2 µm und 16 µm auf. Mit anderen Worten ist der Durchmesser, also die maximale Ausdehnung in einer räumlichen Richtung, der einzelnen Partikel des pulverförmigen Kaolins zwischen 0,2 µm und 16 µm. Besonders bevorzugt ist die Körnung zwischen 2 µm und 10 µm, besonders bevorzugt zwischen 3 µm und 4 µm. Auf diese Weise ist eine Verarbeitung der härtbaren Zusammensetzung auch mittels vergleichsweise filigraner Düsen ermöglicht, ohne dass diese verstopfen. Insbesondere ist ein Auftragen der härtbaren Zusammensetzung mittels eines Druckkopfes auf diese Weise ermöglicht. Zudem ist aufgrund der Abmessungen eine Vermischung mit dem Basismaterials ermöglicht, ohne dass es aufgrund der unterschiedlichen Dichte des Kaolins zu dem Basismaterial zu einer im Wesentlichen sofortigen Entmischung kommt.
Alternativ oder in Kombination hierzu umfasst der Kaolin einen Anteil von mindestens 90%, der eine Körnung kleiner oder gleich 6 µm aufweist. Mit anderen Worten weist zumindest 90% des Volumenanteils des Kaolins Partikel auf, deren Durchmesser, also deren maximale Ausdehnung in einer räumlichen Richtung, kleiner oder gleich 6 µm ist. Folglich ist eine Verarbeitung der härtbaren Zusammensetzung vergleichsweise unkompliziert, und eine Entmischung, also ein Ablagern oder Aufschwimmen des Füllstoffs innerhalb des Basismaterials, wird zumindest für einen bestimmten Zeitraum verhindert. Mit anderen Worten ist eine vergleichsweise stabile Suspension auf diese Weise bereitgestellt. Zweckmäßigerweise wird zur Erstellung des Füllstoffs zunächst ein Rohkaolin durch ein nassmechanisches Verfahren, insbesondere durch eine Kombination aus Mahlung und Delaminierung, pulverisiert und ein hochplättchenförmiger Kaolin erzeugt, dessen Aspect Ratio (bestimmt nach der Least-Bounding-Methode) insbesondere bei 60:1 liegt. Dabei wird vorzugsweise die Korngröße auf ca. 70 % < 2 µ (gemessen nach Sedigraph-Methode) eingestellt.
Beispielsweise umfasst der Füllstoff ein Metallpulver. Auf diese Weise sind die Wärmeleitfähigkeit und/oder die elektrische Leitfähigkeit der härtbaren Zusammensetzung verbessert. Zweckmäßigerweise besteht der Füllstoff aus dem Metallpulver und dem Kaolin. Das Metall ist beispielsweise ein Kupfer, ein Magnesium oder eine Bronze. Vorzugsweise weist das Metallpulver die gleiche Körnung auf wie der Kaolin. Insbesondere weist das Metallpulver eine Körnung zwischen 0,2µm und 16 µm auf, insbesondere zwischen 2µm und 10µm, vorzugsweise zwischen 3µm und 4µm. Zweckmäßigerweise weist das Metallpulver einen Anteil von mindestens 90% mit einer Körnung kleiner oder gleich 6µm auf (insbesondere gemessen nach Sedigraph-Methode).
Beispielsweise beträgt das Verhältnis des Kaolins zu dem Basismaterial bis zu 90%. Mit anderen Worten besteht die Zusammensetzung bis zu 95% aus dem Kaolin. Bevorzugt jedoch ist das Verhältnis des Volumens von Kaolin zu dem Basismaterial zwischen 0,05 und 1,5. Insbesondere beträgt der Anteil des Kaolins an der härtbaren Zusammensetzung zwischen 15% und 60%, beispielsweise 25% oder 40%. Mittels eines derartigen Verhältnisses ist das Drucken von vergleichsweise formstabilen Formstücken ermöglicht, wobei die Viskosität der härtbaren Zusammensetzung ein Aufsprühen zum Auftragen erlaubt.
Besonders bevorzugt ist der Kaolin maskiert. Die Maskierung dient hierbei der verbesserten Verbindung des Kaolins mit dem Basismaterial. Insbesondere wirkt die Maskierung somit als Rezeptor bzw. als Adapter. Infolgedessen ist eine Ablagerung des Kaolins unterbunden, sodass keine Entmischung des Basismaterials und des Füllstoffs erfolgt, auch wenn die härtbare Zusammensetzung über einen bestimmten Zeitraum hinweg gelagert wird. Insbesondere wird als Maskierung eine Siliziumverbindung herangezogen. Vorzugsweise besteht die Maskierung aus einer Siliziumverbindung, die zumindest eine reaktive Gruppe enthält, beispielsweise eine Anzahl an reaktiven Gruppen. Mit anderen Worten ist der Kaolin mittels einer Siliziumverbindung maskiert, die zumindest eine reaktive Gruppe enthält. Die reaktiven Gruppen enthalten bevorzugt eine polymerisierbare Gruppe. Die polymerisierbare Gruppe umfasst beispielsweise eine Epoxid- oder Vinylgruppe, bevorzugt eine Methacryl- oder Acrylgruppen. Besonders bevorzugt umfasst die polymerisierbare Gruppe eine Epoxidgruppe und das Basismaterial ist ein Epoxidharz oder die polymerisierbare Gruppe ist eine Methacrylgruppe und das Basismaterial ist ein Methacrylat. Vorzugsweise umfasst die reaktive/polymerisierbare Gruppe eine Gruppe, die ebenfalls auch das Basismaterial enthält. Besonders bevorzugt ist der Kaolin der Lagerstätte Hirschau-Schnaittenbach mittels einer Siliziumverbindung, die zumindest eine reaktive Gruppe enthält, die eine polymerisierbare Gruppe umfasst, maskiert, wobei das Basismaterial der härtbaren Zusammensetzung ein Methacrylat ist. Alternativ ist der Kaolin der Lagerstätte Hirschau-Schnaittenbach mittels einer Siliziumverbindung, die zumindest eine reaktive Gruppe enthält, die eine polymerisierbare Gruppe umfasst, maskiert, wobei das Basismaterial der härtbaren Zusammensetzung ein UV-härtendes Epoxidharz ist.
Zweckmäßigerweise wird eine härtbare Zusammensetzung mit einem lichthärtenden Basismaterial, insbesondere einem Fotopolymer, und einem pulverförmigen Füllstoff, der einen Kaolin umfasst, und zweckmäßigerweise hieraus besteht, als Druckmaterial eines Multi-Jet-Modelling-Verfahrens verwendet. Insbesondere besteht die härtbare Zusammensetzung lediglich aus dem Basismaterial und dem Füllstoff. Bei dem Multi-Jet-Modelling-Verfahren wird die härtbare Zusammensetzung mittels eines Druckkopfs zur Erstellung einer Schicht aufgetragen, wobei die Schicht auf einen Träger oder aber auf eine bereits vorhandene Schicht aufgetragen wird. Diese Schicht wird mittels Lichts, insbesondere UV-Licht, polymerisiert und somit von einem flüssigen Ausgangszustand in einen festen Endzustand überführt. Insbesondere wird die Zusammensetzung als Druckmaterial für ein Poly-Jet-Modelling-Verfahren verwendet, insbesondere ein Objet-Verfahren der Firma Stratasys.
Das Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formstücks sieht vor, dass zunächst eine Schicht aufgetragen wird, die aus einer härtbaren Zusammensetzung besteht. Die härtbare Zusammensetzung selbst umfasst ein lichthärtendes Basismaterial, insbesondere ein Fotopolymer und einen pulverförmigen Füllstoff, und besteht zweckmäßigerweise hieraus. Der pulverförmige Füllstoff umfasst einen Kaolin und besteht zweckmäßigerweise hieraus. Insbesondere wird die Schicht aufgesprüht, beispielsweise mittels eines Druckkopfes. In einem weiteren Arbeitsschritt wird die Schicht mittels Bestrahlen mit Licht, insbesondere UV-Licht, ausgehärtet, und das Basismaterial somit zweckmäßigerweise polymerisiert. Vorzugsweise wird im Anschluss hieran erneut eine weitere Schicht aufgetragen und diese ebenfalls mittels Bestrahlen mit dem Licht ausgehärtet. Insbesondere umfasst das fertig erstellte Formstück eine Anzahl derartig erstellter Schichten, zweckmäßig einer Vielzahl, wie beispielsweise mehr als 100, 200, 300, 10.000 oder 50.000 derartige Schichten, und/oder zweckmäßigerweise weniger als 100.000, 200.000, 300.000, 400.000, oder 500.000 derartiger Schichten. Somit ist auch bei einer vergleichsweise geringen Herstellungszeit eine Ausbildung von vergleichsweise feinen Strukturen ermöglicht. Insbesondere ist das Verfahren ein Multi-Jet-Modelling-Verfahren, und die Schichten werden nach dem sogenannten Drop-on-Demand-Prinzip erstellt. Mit anderen Worten wird lediglich so viel härtbare Zusammensetzung aufgetragen, wie im Anschluss hieran mittels des UV-Lichts ausgehärtet wird. Zweckmäßigerweise wird die jeweils nachfolgende Schichten auf eine der bereits aufgetragenen und ausgehärteten Schichten aufgetragen und beim Aushärten mit dieser verbunden, insbesondere mit dieser polymerisiert.
Zweckmäßigerweise wird das Verfahren mittels einer Druckmaschine ausgeführt, insbesondere einer 3D-Druckmaschine. Besonders bevorzugt wird dieses Verfahren zur Erstellung einer Gussform verwendet, die insbesondere beim Spritzgussverfahren Verwendung findet. Zweckmäßigerweise wird folglich mittels des Verfahrens eine Spritzgussform erstellt, beispielsweise für ein Kunststoffspritz-Verfahren. Bevorzugt wird die Dicke der Schicht kleiner als 0,1 mm und besonders bevorzugt kleiner als 0,05 mm gewählt. Mit anderen Worten wird lediglich so viel härtbare Zusammensetzung aufgetragen, dass diese eine Dicke kleiner als 0,1 mm bzw. kleiner als 0,05 mm aufweist. Zumindest jedoch im ausgehärteten Zustand ist die Dicke der Schicht kleiner als 0,1 mm bzw. 0,05 mm. Besonders bevorzugt wird als Schichtdicke 0,016 mm herangezogen. Mittels einer derartigen Schichtdicke ist auch eine Ausbildung von vergleichsweise filigranen Strukturen des Formstücks ermöglicht. Aufgrund der vergleichsweise geringen Schichtdicken ist hierbei auch das mittels der Gussform erstellte Gussteil vergleichsweise präzise gefertigt, sofern das Formstück eine Gussform ist.
Die Druckmaschine ist insbesondere eine 3D-Druckmaschine und weist eine Lichtquelle auf. Die Lichtquelle ist bevorzugt eine UV-Lichtquelle, also eine Lichtquelle, mittels derer elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 100 nm, beispielsweise zwischen 380 und 315 nm, zwischen 315 und 280 nm, zwischen 280 und 200 nm oder zwischen 200 und 100 nm abgegeben wird. Die Lichtquelle ist beispielsweise eine Licht emittierende Diode (LED) oder ein Laser. Die Druckmaschine weist ferner einen Druckkopf sowie einen hiermit fluidtechnisch verbundenen Vorratsbehälter auf. Der Vorratsbehälter ist vorgesehen und eingerichtet, eine härtbare Zusammensetzung aufzunehmen, die ein lichthärtendes Basismaterial, insbesondere ein Fotopolymer, und einen pulverförmigen Füllstoff aufweist, wobei der Füllstoff einen Kaolin umfasst und zweckmäßigerweise hieraus besteht. Bei Betrieb wird die härtbare Zusammensetzung aus dem Vorratsbehälter zu dem Druckkopf geleitet, beispielsweise mittels einer Pumpe der Druckmaschine. Mittels des Druckkopfes wird die härtbare Zusammensetzung aufgetragen, beispielsweise aufgesprüht, und im Anschluss hieran mittels der Lichtquelle ausgehärtet.
Insbesondere ist die Druckmaschine vorgesehen und eingerichtet, ein dreidimensionales Formstück herzustellen, wobei zunächst eine Schicht bestehend aus der härtbaren Zusammensetzung aufgetragen wird, und in einem weiteren Schritt mittels Bestrahlen mit Licht die Schicht ausgehärtet wird. Insbesondere wird mittels der Druckmaschine zur Erstellung des dreidimensionalen Formstücks eine Vielzahl derartiger Schichten aufgetragen und jede Schicht jeweils separat ausgehärtet. Mit anderen Worten ist die Druckmaschine vorgesehen und eingerichtet, ein sogenanntes Multi-Jet-Modelling-Verfahren durchzuführen, wobei die härtbare Zusammensetzung insbesondere nach dem Drop-on-Demand-Prinzip aufgetragen wird.
Besonders bevorzugt umfasst der Vorratsbehälter eine Mischvorrichtung. Mittels der Mischvorrichtung wird die härtbare Zusammensetzung vermischt, sodass ein Ablagern des Füllstoffs oder ein Aufschwemmen des Füllstoffs innerhalb des Basismaterials unterbunden wird. Mit anderen Worten wird mittels der Mischvorrichtung eine Durchmischung der härtbaren Zusammensetzung aufrecht erhalten, sodass die härtbare Zusammensetzung stets als Suspension innerhalb des Vorratsbehälters vorliegt, was ein Verarbeiten erleichtert.
Beispielsweise umfasst die Mischvorrichtung ein Mittel zur Erzeugung eines elektrischen und/oder magnetisches Felds, mittels dessen bei Betrieb die härtbare Zusammensetzung durchsetzt wird. Hierbei ist das jeweilige Feld beispielsweise nicht homogen, insbesondere räumlich oder zeitlich. Infolgedessen wird der Kaolin innerhalb des Basismaterials bewegt, insbesondere verwirbelt. In einer besonders bevorzugten Alternative hierzu weist die Mischvorrichtung einen Schüttler auf, der beispielsweise nach Art einer Wippe ausgestaltet ist, was zu vergleichsweise geringen Herstellungskosten führt. Mittels des Schüttlers wird die härtbare Zusammensetzung in Bewegung gehalten, sodass eine Ablagerung unterbunden ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch vereinfacht eine härtbare Zusammensetzung,
2 schematisch vereinfacht eine Druckmaschine, und
3 ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formstücks.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch vereinfacht eine härtbare Zusammensetzung 2 dargestellt, die aus einem flüssigen Basismaterial 4 und einem pulverförmigen Füllstoff 6 besteht. Mit anderen Worten ist die härtbare Zusammensetzung eine Suspension. Das Basismaterial 4 ist lichthärtend und insbesondere ein Fotopolymer, beispielsweise ein UV-härtendes Epoxidharz. Folglich polymerisiert das Basismaterial 4, sofern dieses mittels eines UV-Lichts bestrahlt wird. Der Füllstoff 6 ist ein Kaolin, dessen einzelne Partikel im Wesentlichen eine Körnung zwischen 3 µm und 4 µm aufweisen. Mit anderen Worten ist die maximale Ausdehnung der einzelnen Partikel des Kaolins 6 zum überwiegenden Teil geringer als 4 µm. Zumindest über 90% der einzelnen Partikel des Kaolins 6 weisen eine maximale Ausdehnung von 6 µm auf. Das Verhältnis des Kaolins 6 zu dem Basismaterial beträgt zwei Drittel. Mit anderen Worten besteht die härtbare Zusammensetzung zu 40% aus Kaolin 6. Der Kaolin 6 selbst ist mittels einer Maskierung 7 versehen, also maskiert. Die Maskierung 7 ist eine Siliziumverbindung, die reaktive Gruppen enthält. Die reaktiven Gruppen enthalten polymerisierbare Gruppen. Wobei die polymerisierbaren Gruppen Epoxid- oder Vinylgruppen, bevorzugt Methacryl- oder Acrylgruppen enthalten. Mittels der Maskierung 7 ist eine Verbindung des Kaolins 6 mit dem Basismaterial 4 verbessert, sodass eine Ablagerung des Kaolins 6 verhindert ist.
In 2 ist eine Druckmaschine 8 schematisch vereinfacht dargestellt, mittels derer ein sogenanntes Multi-Jet-Modelling-Verfahren durchführbar ist. Die Druckmaschine 8 weist einen Träger 10 auf, der in einer lotrechten ersten Richtung 12 mittels nicht dargestellter Aktoren verfahrbar ist. In der ersten Richtung 12 oberhalb des Trägers 10 ist ein Halter 14 positioniert, der in eine zweite Richtung 16 und eine dritte Richtung 18 verfahrbar ist, die senkrecht zueinander sind. Die zweite und dritte Richtung 16, 18 ist senkrecht zur ersten Richtung 12. Mit anderen Worten ist der Halter 14 in einer vertikalen Ebene verfahrbar. Hierfür werden nicht näher dargestellte Aktoren, beispielsweise Schrittmotoren, verwendet. Der Halter 14 weist eine UV-Lichtquelle 20 in Form eines Lasers auf, mittels dessen bei Betrieb ein UV-Licht 22 erstellt wird. Der Halter 14 umfasst ferner einer Druckkopf 24, der mittels einer Versorgungsleitung 26 mit einem Reservoir 28 eines Vorratsbehälters 30 gekoppelt ist. Innerhalb des Reservoirs 28 ist die härtbare Zusammensetzung 2 angeordnet und wird mittels nicht näher dargestellter Pumpen durch die Versorgungsleitung 26 zu dem Druckkopf 24 geleitet, mittels dessen bei Betrieb ein Materialstrahl 32 erstellt wird.
Der Vorratsbehälter 30 der Druckmaschine 8 weist ferner eine Mischvorrichtung 34 auf, mittels derer eine Entmischung der härtbaren Zusammensetzung 2, also ein Ablagern des Kaolins 6 am Boden des Reservoirs 28 verhindert wird. Dies würde anderweitig beispielsweise auftreten, falls mittels der Druckmaschine 8 für einen längeren Zeitraum kein Druckvorgang erfolgt, also die härtbare Zusammensetzung 2 nicht zu dem Druckkopf 24 befördert wird, jedoch aber der Vorratsbehälter 30 mit der härtbaren Zusammensetzung 2 befüllt ist. In einer Ausführungsform umfasst die Mischvorrichtung 34 ein Mittel 36 zur Erzeugung eines elektrischen und/oder magnetischen Felds 38, welches insbesondere zeitlich variabel ist. Das Mittel 36 umfasst beispielsweise Permanentmagnete oder aber bevorzugt Elektromagnete, die mittels einer Anzahl von elektromagnetischen Spulen erstellt sind. Aufgrund des elektromagnetischen Feldes 38 werden die Partikel des Füllstoffs 6 innerhalb des Basismaterials 4 bewegt und aufgrund der zeitlichen Inhomogenität des Feldes 38 mit dem Basismaterial 4 verwirbelt.
In einer Alternative hierzu umfasst die Mischvorrichtung 34 einen Schüttler 40 mit einer Wippe 42, die mittels eines Aktors 44 in Bewegung gehalten wird. Hierbei wird eine Plattform 46 um eine Walze 48 der Wippe 42 verschwenkt, wobei die Verschwenkung stets um den gleichen Winkel, jedoch in abwechselnder Richtung erfolgt. Das Reservoir 28 ist auf der Plattform 46 befestigt, sodass bei einer Ansteuerung des Aktors 44 das Reservoir 28 wippenartig bewegt wird. Infolgedessen wird auch die innerhalb des Reservoirs 28 angeordnete härtbare Zusammensetzung 2 in Bewegung versetzt, wobei sich Wellen ausbreiten, die insbesondere am Rand des Reservoirs 28 brechen und folglich eine turbulente Strömung innerhalb der härtbaren Zusammensetzung 2 bewirken.
In 3 ist ein Verfahren 50 zur Herstellung eines dreidimensionalen Formstücks 52 dargestellt, das in 2 gezeigt ist. Das Formstück 52 ist eine Gussform zur Erstellung von Spritzgussteilen. Mit anderen Worten dient das Formstück 50 der Herstellung von weiteren Formstücken, die mittels eben dieser Gussform 50 erstellt werden, jedoch in einem andern Verfahren, insbesondere in einem Spritzgussverfahren. Zweckmäßigerweise werden mittels der Gussform 50 Bestandteile eines Kraftfahrzeugs hergestellt, insbesondere in einer Kleinserie. Vorzugsweise sind die auf diese Weise hergestellten Werkstücke Bestandteil eines Verstellantriebs eines Kraftfahrzeugs. Mittels des Verfahrens 50 wird insbesondere die Druckmaschine 8 betrieben.
In einem ersten Arbeitsschritt 54 wird die härtbare Zusammensetzung 2 bereitgestellt, und beispielsweise in das Reservoir 28 gefüllt. Insbesondere wird innerhalb des ersten Arbeitsschritts 54 die Mischvorrichtung 34 aktiviert, sodass eine Ablagerung des Kaolins 6 an einem Boden des Reservoirs 28 unterbunden ist. In einem sich zeitlich anschließenden zweiten Arbeitsschritt 56 wird mittels des Druckkopfs 24 die härtbare Zusammensetzung 2 auf den Träger 10 zur Erstellung einer Schicht 58 aufgesprüht, wobei die Schichtdicke 0,016 mm beträgt. Hierfür wird der Halter 14 mit dem daran angebundenen Druckkopf 24 entlang der zweiten und dritten Richtung 16, 18 bewegt.
In einem sich hieran anschließenden dritten Arbeitsschritt 60 wird mittels der UV-Lichtquelle 20 das auf die Schicht 58 gerichtete UV-Licht 22 erstellt, sodass die härtbare Zusammensetzung 2 aushärtet. In einem sich hieran anschließenden vierten Arbeitsschritt 62 wird der Träger 10 um die Schichtdicke, also um 0,16 mm, abgesenkt und folglich in die erste Richtung 12 bewegt, wobei der Abstand zwischen dem Träger 10 und dem Halter 14 um eben diese 0,016 mm vergrößert wird. Hieran anschließend wird erneut der zweite Arbeitsschritt 56 ausgeführt und folglich mittels des Druckkopfs 24 der Materialstrahl 32 erstellt, wobei dieser auf die bereits vorhandene Schicht 58 zumindest teilweise aufgetragen wird. Hieran anschließend wird diese Schicht erneut mittels des UV-Lichts 22 gehärtet und der Träger 10 erneut abgesenkt.
Auf diese Weise wird eine Anzahl an Schichten zur Fertigung des Formstücks 52 erstellt und jeweils ausgehärtet. Das vollendete Formstück 52 weist somit eine Vielzahl derartiger Schichten auf, die aufgrund des jeweils selektiven Aushärtens miteinander verbunden sind. Die Anzahl der Schichten beträgt beispielsweise 10.000 oder ist größer, beispielsweise bis zu 100.000 oder 500.000. Bereiche des Formstücks 52, die beim fertigen Formstück 52 frei von der ausgehärteten Zusammensetzung 2 sein sollen, werden im Wesentlichen nicht mittels des Materialstrahls 32 ausgefüllt. Mit anderen Worten handelt es sich um ein sogenanntes Drop-on-Demand-Prinzip. Infolgedessen ist eine vergleichsweise geringe Menge der härtbaren Zusammensetzung 2 zur Erstellung des Formstücks 52 erforderlich, wenn auch zum Teil Stützkonstruktionen erforderlich sind, die nach Beendigung des Druckprozesses zur Vollendung des Formstücks 52 in einem fünften Arbeitsschritt 64 entfernt werden.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: härtbare Zusammensetzung
4: Basismaterial
6: Füllstoff
7: Maskierung
8: Druckmaschine
10: Träger
12: erste Richtung
14: Halter
16: zweite Richtung
18: dritte Richtung
20: UV-Lichtquelle
22: UV-Licht
24: Druckkopf
26: Versorgungsleitung
28: Reservoir
30: Vorratsbehälter
32: Materialstrahl
34: Mischvorrichtung
36: Mittel zur Erzeugung eines elektrischen und/oder magnetischen Felds
38: elektrisches und/oder magnetisches Feld
40: Schüttler
42: Wippe
44: Aktor
46: Plattform
48: Walze
50: Verfahren
52: Formstück
54: erster Arbeitsschritt
56: zweiter Arbeitsschritt
58: Schicht
60: dritter Arbeitsschritt
62: vierter Arbeitsschritt
64: fünfter Arbeitsschritt

Claims

Härtbare Zusammensetzung (2) zur Verwendung als Druckmaterial, umfassend ein lichthärtendes Basismaterial (4), insbesondere ein Fotopolymer, und einen pulverförmigen Füllstoff (6), wobei der Füllstoff (6) einen Kaolin umfasst.
Härtbare Zusammensetzung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaolin (6) eine Körnung zwischen 0,2µm und 16 µm aufweist, insbesondere zwischen 2µm und 10µm, vorzugsweise zwischen 3µm und 4µm.
Härtbare Zusammensetzung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaolin (6) einen Anteil von mindestens 90% mit einer Körnung kleiner oder gleich 6µm aufweist.
Härtbare Zusammensetzung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Volumens des Kaolins (6) zu dem Basismaterial (4) zwischen 0,05 und 1,5 ist.
Härtbare Zusammensetzung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaolin (6) maskiert ist, insbesondere mittels einer Siliziumverbindung.
Verwendung einer härtbaren Zusammensetzung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Druckmaterial eines Multi-Jet-Modelling Verfahrens.
Verfahren (50) zur Herstellung eines dreidimensionalen Formstücks (52), insbesondere einer Gussform, bei dem – eine Schicht (58) bestehend aus einer härtbaren Zusammensetzung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufgetragen wird, – die Schicht (58) mittels Bestrahlen mit Licht (22), insbesondere UV- Licht, ausgehärtet wird.
Verfahren (50) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht (58) kleiner als 0,1mm, insbesondere kleiner als 0,05mm, gewählt wird.
Druckmaschine (8) mit einer Lichtquelle (20), insbesondere einer UV-Lichtquelle, und mit einem Druckkopf (24) sowie mit einem hiermit fluidtechnisch verbundenen Vorratsbehälter (30), der vorgesehen und eingerichtet ist, die härtbare Zusammensetzung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufzunehmen, und der einen Mischvorrichtung (34) umfasst.
Druckmaschine (8) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (34) ein Mittel (36) zur Erzeugung eines elektrischen und/oder magnetischen Felds (38) oder einen Schüttler (40) umfasst.