DE102017214837A1 - Process for preparing a thermoplastic for a primary molding process and device for preparing a thermoplastic for a primary molding process - Google Patents

Process for preparing a thermoplastic for a primary molding process and device for preparing a thermoplastic for a primary molding process Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs (2) für einen Urformvorgang, bei welchem der thermoplastische Kunststoff (2) verflüssigt und mittels einer Düseneinrichtung (5) tropfenförmig in ein Fluid (9) ausgebracht wird, wodurch der thermoplastische Kunststoff (2) in jeweiligen Tropfen (11) erstarrt, und bei welchem der thermoplastische Kunststoff (2) nach dem Erstarren von dem Fluid (9) getrennt und zu einem Pulver getrocknet wird.

Figure DE102017214837A1_0000
Process for preparing a thermoplastic material (2) for a primary molding process, in which the thermoplastic material (2) is liquefied and applied dropwise in a fluid (9) by means of a nozzle device (5), whereby the thermoplastic material (2) is deposited in respective drops ( 11), and in which the thermoplastic (2) after solidification is separated from the fluid (9) and dried to a powder.
Figure DE102017214837A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs für einen dreidimensionalen Druckvorgang.The invention relates to a method and an apparatus for preparing a thermoplastic material for a three-dimensional printing process.

Ein bisheriges Verfahren für einen dreidimensionalen Druckvorgang, bei welchem ein thermoplastischer Kunststoff verflüssigt wird und anschließend mittels einer Düseneinrichtung tropfenförmig ausgebracht wird, ist bereits aus der DE 10 2013 003 167 A1 bekannt. Bei dem Verfahren härtet der thermoplastische Kunststoff in jeweiligen Tropfen schichtweise aus. Hierdurch wird ein dreidimensionaler Gegenstand durch einen generativen Aufbau in direkter Aufbaufolge aus mehreren Tropfen des thermoplastischen Kunststoffs hergestellt.A previous method for a three-dimensional printing process in which a thermoplastic material is liquefied and then applied drop-shaped by means of a nozzle device, is already out of the DE 10 2013 003 167 A1 known. In the process, the thermoplastic resin cures in layers in respective drops. As a result, a three-dimensional object is produced by a generative structure in a direct assembly sequence of a plurality of drops of the thermoplastic material.

Aus der DE 200 05 997 U1 ist des Weiteren eine Drop-on-demand Tropfenausstoßvorrichtung. Die Tropfenausstoßvorrichtung umfasst einen Flüssigkeitsvorrat sowie eine Tropfenausstoßdüse, mittels welcher durch einen piezoelektrischen Wandler eine in dem Flüssigkeitsvorrat gespeicherte Flüssigkeit tropfenförmig ausgestoßen wird. Diese Tropfenausstoßvorrichtung kann beispielsweise beim Rapid Prototyping-Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands verwendet werden.From the DE 200 05 997 U1 Furthermore, it is a drop-on-demand drop ejector. The drop ejection device comprises a liquid reservoir and a drop ejection nozzle, by means of which a liquid stored in the liquid reservoir is ejected drop-shaped by a piezoelectric transducer. This drop ejection device can be used, for example, in the rapid prototyping method for producing a three-dimensional object.

Überdies ist aus der DE 100 13 451 A1 eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Schwingungserzeuger, welcher mit einem piezoelektrischen Schwingungsaktuator verbunden ist und mittels welchem eine Flüssigkeit durch eine Düsenöffnung tropfenförmig ausgetragen wird.Moreover, from the DE 100 13 451 A1 a device for generating monodisperse drops of liquids known. The device comprises a vibration generator, which is connected to a piezoelectric vibration actuator and by means of which a liquid is discharged through a nozzle opening drop-shaped.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs für einen Urformvorgang sowie eine Vorrichtung zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs für einen Urformvorgang zu schaffen, mittels welchen der thermoplastische Kunststoff besonders vorteilhaft für den Urformvorgang vorbereitet werden kann.Object of the present invention is to provide a method for preparing a thermoplastic material for a primary molding process and an apparatus for preparing a thermoplastic material for a primary molding process, by means of which the thermoplastic material can be particularly advantageously prepared for the primary molding process.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs für einen Urformvorgang sowie durch eine Vorrichtung zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs für einen Urformvorgang mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.This object is achieved by a method for preparing a thermoplastic material for a primary molding process and by a device for preparing a thermoplastic material for a primary molding with the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are subject of the dependent claims and the description.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs für einen Urformvorgang, insbesondere einen dreidimensionalen Druckvorgang, bei welchem der thermoplastische Kunststoff verflüssigt und mittels einer Düseneinrichtung tropfenförmig in ein Fluid ausgebracht wird, wodurch der thermoplastische Kunststoff in jeweiligen Tropfen erstarrt. Bei dem Fluid kann es sich um ein flüssiges Medium oder ein gasförmiges Medium handeln. Das Fluid kann in einem gasförmigen Zustand oder in einem flüssigen Zustand bei einer definierten Temperatur, beispielsweise bei Raumtemperatur, vorliegen. Bei dem thermoplastischen Kunststoff handelt es sich um einen Kunststoff, welcher in einem bestimmten Temperaturbereich verformbar und/oder aufschmelzbar ist. Die Verformung des thermoplastischen Kunststoffs ist reversibel. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass der thermoplastische Kunststoff nach dessen Umformung zu dem Pulver unter Einwirkung von Temperatur weiterverarbeitet werden kann, ohne hinsichtlich seiner physikalischen Eigenschaften verändert zu werden. Des Weiteren ist vorgesehen, dass der thermoplastische Kunststoff nach dem Erstarren von dem Fluid getrennt und zu einem Pulver getrocknet wird. Mit anderen Worten wird der thermoplastische Kunststoff bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen bisherigen Verfahren eines dreidimensionalen Druckvorgangs verflüssigt und nicht direkt in dem dreidimensionalen Druckvorgang zu einem Gegenstand gedruckt, sondern mittels der Düseneinrichtung tropfenförmig in das Fluid ausgebracht, um dort zu erstarren beziehungsweise auszuhärten. Mittels der Düseneinrichtung können Tropfen des thermoplastischen Kunststoffs zumindest im Wesentlichen gleicher Größe hergestellt werden. Die Düseneinrichtung weist einen schnell schaltenden Öffnungs- und Schließmechanismus zum schnellen Öffnen und schnellen Verschließen der Düsenöffnung, welche mittels einer Steuereinrichtung zum Einstellen einer jeweiligen Partikelgröße steuerbar ist. Mittels der Düseneinrichtung kann somit eine Partikelgrößenverteilung des thermoplastischen Kunststoffs eingestellt werden. Das Fluid, in welches der thermoplastische Kunststoff tropfenförmig ausgebracht wird, kann einer Stützung des thermoplastischen Kunststoffs während eines Aushärtevorgangs dienen, sodass der thermoplastische Kunststoff seine tropfenförmige Form während des Erstarrens beibehält und nach dem Erstarren vorweist. Die jeweilige Stützung des thermoplastischen Kunststoffs kann von einem Oberflächenspannungsverhältnis abhängen. Nach dem Erstarren wird der thermoplastische Kunststoff von dem Fluid getrennt und beispielsweise durch Trocknung und/oder Waschen und/oder Filtration und/oder Abscheidung und/oder Zentrifugation und/oder mittels eines Zyklons von Rückständen des Fluids befreit. Anschließend liegt der thermoplastische Kunststoff als ein rieselfähiges Pulver vor, wobei einzelne Partikel des Pulvers eine zumindest im Wesentlichen gleiche Größe aufweisen. Mittels der Düseneinrichtung ist eine Partikelgrößenverteilung der Partikel des Pulvers einstellbar. Multimodale Pulver weisen eine besonders hohe Packungsdichte auf und führen zu besonders vorteilhaften mechanischen Bauteileigenschaften eines aus dem Pulver hergestellten Gegenstands. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Weiterverarbeitung des Pulvers. Somit wird mittels des beschriebenen Verfahrens das Pulver als ein Ausgangsmaterial für einen Urformvorgang hergestellt. Alternativ kann das Pulver als Ausgangsmaterial für einen Pulverspritzgußvorgang oder ein Rotationsformverfahren dienen.A first aspect of the invention relates to a method for preparing a thermoplastic material for a primary molding process, in particular a three-dimensional printing process, in which the thermoplastic material is liquefied and applied dropwise in a fluid by means of a nozzle device, whereby the thermoplastic material solidifies in respective drops. The fluid may be a liquid medium or a gaseous medium. The fluid may be in a gaseous state or in a liquid state at a defined temperature, for example at room temperature. The thermoplastic material is a plastic which is deformable and / or fusible in a specific temperature range. The deformation of the thermoplastic material is reversible. This has the advantage that the thermoplastic material can be further processed after its transformation to the powder under the action of temperature, without being changed in terms of its physical properties. Furthermore, it is provided that the thermoplastic material is separated after solidification of the fluid and dried to a powder. In other words, the thermoplastic material is liquefied in the inventive method, in contrast to the above-described previous method of a three-dimensional printing operation and not directly printed in the three-dimensional printing process to an object, but applied dropwise by means of the nozzle device in the fluid to solidify there or cure. By means of the nozzle device, drops of the thermoplastic material of at least substantially the same size can be produced. The nozzle device has a fast-switching opening and closing mechanism for rapid opening and fast closing of the nozzle opening, which is controllable by means of a control device for setting a respective particle size. By means of the nozzle device can thus be adjusted a particle size distribution of the thermoplastic material. The fluid, in which the thermoplastic resin is applied drop-shaped, can serve to support the thermoplastic during a curing process, so that the thermoplastic resin retains its teardrop-shaped form during solidification and presents after solidification. The respective support of the thermoplastic material may depend on a surface tension ratio. After solidification of the thermoplastic material is separated from the fluid and freed, for example, by drying and / or washing and / or filtration and / or separation and / or centrifugation and / or by means of a cyclone of residues of the fluid. Subsequently, the thermoplastic material is present as a free-flowing powder, wherein individual particles of the powder have an at least substantially the same size. By means of the nozzle device is a Particle size distribution of the particles of the powder adjustable. Multimodal powders have a particularly high packing density and lead to particularly advantageous mechanical component properties of an article produced from the powder. This allows a particularly advantageous further processing of the powder. Thus, by means of the described method, the powder is produced as a starting material for a primary molding operation. Alternatively, the powder may serve as a raw material for a powder injection molding or a rotational molding process.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der thermoplastische Kunststoff mittels wenigstens einer Piezodüse der Düseneinrichtung tropfenförmig ausgebracht wird. Das bedeutet, dass die Düseneinrichtung die Piezodüse umfasst, welche mittels Spannung in Vibrationen versetzt werden kann, sodass der thermoplastische Kunststoff tropfenförmig, das bedeutet in Tropfen von zumindest im Wesentlichen gleicher Größe ausgebracht werden kann. Dies ermöglicht eine besonders hohe Rieselfähigkeit des aus dem thermoplastischen Kunststoff hergestellten Pulvers sowie eine reproduzierbare und standardisierbare Weiterverarbeitung des Pulvers aufgrund der zumindest im Wesentlichen einheitlichen Größe der Partikel des Pulvers. Mittels der Piezodüse ist die Düsenöffnung besonders schnell verschließbar und besonders schnell öffenbar sowie steuerbar.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the thermoplastic material is applied droplet-shaped by means of at least one piezo nozzle of the nozzle device. This means that the nozzle device comprises the piezoelectric nozzle, which can be vibrated by means of tension, so that the thermoplastic resin can drop-shaped, that can be applied in drops of at least substantially the same size. This allows a particularly high flowability of the powder produced from the thermoplastic material and a reproducible and standardized further processing of the powder due to the at least substantially uniform size of the particles of the powder. By means of the piezoelectric nozzle, the nozzle opening can be closed particularly quickly and can be opened and controlled particularly quickly.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pulver in einem dreidimensionalen Druckvorgang zu einem dreidimensionalen Druckelement umgeformt wird. Das bedeutet, dass der thermoplastische Kunststoff zu dem Pulver umgeformt wird und anschließend beispielsweise mittels selektiven Lasersinterns oder Multi Jet Fusion zu dem dreidimensionalen Druckelement umgeformt wird somit zu einem Bauteil verbunden wird. Das Pulver hat den Vorteil, dass dieses sich in einem pulverbasierten, additiven Kunststoffverarbeitungsverfahren, wie beispielsweise selektives Lasersintern oder Multi-Jet-Fusion, besonders schnell zu dem dreidimensionalen Druckelement umformen lässt. Eine Herstellung des dreidimensionalen Druckelements mittels eines selektiven, schichtweisen Aneinanderfügen von Kunststoffschmelze ist im Vergleich zu dem pulverbasierten, additiven Kunststoffverarbeitungsverfahren deutlich langsamer. Insbesondere wird das Pulver bei dem pulverbasierten, additiven Kunststoffverarbeitungsverfahren selektiv aufgeschmolzen und einzelne, aufgeschmolzene Partikel des Pulvers zu dem dreidimensionalen Druckelement, bei welchem es sich um ein konsolidiertes, solides Bauteil handelt, umgeformt. Insbesondere werden bei dem pulverbasierten, additiven Kunststoffverarbeitungsverfahren nebeneinander angeordnete Partikel aufgeschmolzen und hierdurch miteinander verschmolzen und verbunden. Beispielsweise wird das Pulver mittels Licht aufgeschmolzen.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the powder is formed in a three-dimensional printing process to form a three-dimensional printing element. This means that the thermoplastic material is transformed into the powder and is subsequently converted into the three-dimensional pressure element, for example by means of selective laser sintering or multi-jet fusion, thus becoming a component. The powder has the advantage that this can be converted into a three-dimensional printing element in a powder-based, additive plastic processing method, such as selective laser sintering or multi-jet fusion, particularly fast. Production of the three-dimensional printing element by means of selective, layer-by-layer joining together of plastic melt is markedly slower compared with the powder-based, additive plastics processing method. In particular, in the powder-based additive plastics processing process, the powder is selectively melted and individual molten particles of the powder are converted to the three-dimensional pressure element, which is a consolidated solid component. In particular, in the powder-based, additive plastics processing method juxtaposed particles are melted and thereby fused together and connected. For example, the powder is melted by means of light.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs für einen Urformvorgang, insbesondere einen dreidimensionalen Druckvorgang. Die Vorrichtung umfasst eine Verflüssigungseinrichtung, mittels welcher der thermoplastische Kunststoff verflüssigbar ist. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Düseneinrichtung, mittels welcher der verflüssigte thermoplastische Kunststoff tropfenförmig in ein Fluid ausbringbar ist, wodurch der thermoplastische Kunststoff in jeweiligen Tropfen erstarrbar ist. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Trenneinrichtung auf, mittels welcher der thermoplastische Kunststoff nach dem Aushärten von dem Fluid, insbesondere einem flüssigen Medium trennbar und zu einem Pulver trockenbar ist. Das bedeutet, dass die Düseneinrichtung derart gestaltet ist, dass der thermoplastische Kunststoff in das Fluid, welches beispielsweise in einem Behältnis aufgenommen ist, in jeweiligen Tropfen ausbringbar ist und in dem Medium in den jeweiligen Tropfen erstarrbar beziehungswesie aushärtbar ist. Bei dem Fluid kann es sich um ein flüssiges Medium oder um ein kaltes Gas handeln. Beispielsweise erstarrt der thermoplastische Kunststoff in dem Fluid besonders schnell. Anschließend ist der thermoplastische Kunststoff nach dessen Erstarren in einer Trenneinrichtung von dem Fluid trennbar und kann in der Trockeneinrichtung zu dem Pulver getrocknet werden. Mit anderen Worten ist der thermoplastische Kunststoff mittels der Trenneinrichtung von dem Fluid trennbar und mittels der Trockeneinrichtung zu dem Pulver trockenbar. Das Pulver kann vorteilhafterweise besonders einfach transportiert werden, ist besonders vorteilhaft dosierbar und weist vorteilhafterweise eine besonders hohe Rieselfähigkeit auf. Des Weiteren weist das Pulver vorteilhafterweise eine besonders enge Partikelgrößenverteilung mit einer gleichmäßigen Partikelform auf.Another aspect of the invention relates to a device for preparing a thermoplastic material for a primary molding process, in particular a three-dimensional printing process. The device comprises a liquefying device, by means of which the thermoplastic material is liquefiable. Furthermore, the device comprises a nozzle device, by means of which the liquefied thermoplastic resin is drop-shaped in a fluid ausbringbar, whereby the thermoplastic material is solidified in respective drops. Furthermore, the device has a separating device, by means of which the thermoplastic material after hardening of the fluid, in particular a liquid medium is separable and dryable to a powder. This means that the nozzle device is designed in such a way that the thermoplastic material can be dispensed into the fluid in the fluid, which is accommodated in a container, for example, and can be hardened or hardened in the medium in the respective drops. The fluid may be a liquid medium or a cold gas. For example, the thermoplastic material solidifies very quickly in the fluid. Subsequently, the thermoplastic material can be separated from the fluid after its solidification in a separating device and can be dried in the drying device to the powder. In other words, the thermoplastic material can be separated from the fluid by means of the separating device and dried by means of the drying device to the powder. The powder can advantageously be transported particularly easily, is particularly advantageous metered and advantageously has a particularly high flowability. Furthermore, the powder advantageously has a particularly narrow particle size distribution with a uniform particle shape.

In einer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Düseneinrichtung wenigstens eine Piezodüse umfasst, mittels welcher der thermoplastische Kunststoff tropfenförmig aus der Düseneinrichtung ausbringbar ist. Die Piezodüse kann beispielsweise mittels Spannung in Schwingungen versetzt werden, wodurch die tropfenförmige Austragung des thermoplastischen Kunststoffs aus der Düseneinrichtung ermöglicht wird. Mittels der Schwingungen kann mit der Piezodüse der thermoplastische Kunststoff beispielsweise in besonders gleichmäßigen Tropfen in das Fluid ausgebracht werden.In one embodiment of the invention, it has proven to be advantageous if the nozzle device comprises at least one piezoelectric nozzle, by means of which the thermoplastic material can be dispensed drop-shaped from the nozzle device. For example, the piezoelectric nozzle can be vibrated by means of tension, whereby the drop-shaped discharge of the thermoplastic material from the nozzle device is made possible. By means of the vibrations can be applied with the piezoelectric nozzle of the thermoplastic material, for example, in a particularly uniform droplets in the fluid.

Es hat sich als weiterhin vorteilhaft gezeigt, wenn die Piezodüse dazu eingerichtet ist, der thermoplastische Kunststoff in Tropfen unterschiedlicher, einstellbarer Größe aus der Düseneinrichtung auszubringen. Das bedeutet, dass mittels der Piezodüse der thermoplastische Kunststoff gleichmäßig in kleineren Tropfen oder im Vergleich dazu größeren Tropfen ausgebracht werden kann, sodass mittels der Piezodüse eine gewünschte Tropfengröße des thermoplastischen Kunststoffs eingestellt werden kann. Beispielsweise ist mittels der Piezodüse vorteilhafterweise eine besonders genaue Einstellung der Tropfengröße möglich. Dabei können mehrere erste Tropfen eine erste Größe aufweisen, während mehrere zweite Tropfen eine zu der ersten Größe unterschiedliche, zweite Größe aufweisen können. Alternativ können sämtliche mittels der Piezodüse ausgebrachten Tropfen einge definerte, eingestellte Größe aufweisen.It has also proven to be advantageous if the piezodiode is set up for the thermoplastic in drops of different, adjustable size from the nozzle device deploy. This means that by means of the piezoelectric nozzle, the thermoplastic material can be applied uniformly in smaller drops or in comparison with larger drops, so that a desired droplet size of the thermoplastic material can be adjusted by means of the piezoelectric nozzle. For example, a particularly accurate adjustment of the drop size is advantageously possible by means of the piezoelectric nozzle. In this case, a plurality of first drops may have a first size, while a plurality of second drops may have a second size different from the first size. Alternatively, all droplets applied by means of the piezo nozzle can have a defined, set size.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fluid ein Nichtlösemittel ist, in welchem der thermoplastische Kunststoff nicht lösbar ist. Unter dem Nichtlösemittel ist zu verstehen, dass sich der thermoplastische Kunststoff bei Kontakt mit dem Fluid in seinen chemischen Eigenschaften nicht verändert und somit das Fluid zu dem thermoplastischen Kunststoff chemisch inert ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Oberfläche der jeweiligen Tropfen nicht mit dem flüssigen Fluid reagiert und die Tropfen somit durchgehend homogen sind.In a further embodiment of the invention it is provided that the fluid is a non-solvent, in which the thermoplastic material is not soluble. By non-solvent is meant that the thermoplastic does not change in contact with the fluid in its chemical properties and thus the fluid is chemically inert to the thermoplastic. This results in the advantage that a surface of the respective drops does not react with the liquid fluid and the drops are thus homogeneous throughout.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs für einen dreidimensionalen Druckvorgang mit einer Verflüssigungseinrichtung, mittels welcher ein thermoplastischer Kunststoff verflüssigbar ist; und
  • 2 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts einer Düseneinrichtung der Vorrichtung.
The invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment and with reference to the drawings. Show it:
  • 1 a schematic sectional view of an apparatus for preparing a thermoplastic material for a three-dimensional printing process with a liquefying device, by means of which a thermoplastic plastic is liquefiable; and
  • 2 a schematic sectional view of a section of a nozzle device of the device.

In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Bearbeiten, insbesondere zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs 2 für einen dreidimensionalen Druckvorgang dargestellt. Mittels dieser Vorrichtung 1 wird der thermoplastische Kunststoff 2 vorbereitet, um dem thermoplastischen Kunststoff 2 für einen späteren Druckvorgang vorteilhafte Eigenschaften aufzuprägen. Bei dem thermoplastischen Kunststoff 2 handelt es sich vorliegend um einen Thermoplasten, der mittels der Vorrichtung 1 durch Umschmelzen in seiner Form verändert werden soll.In 1 is a device 1 for processing, in particular for preparing a thermoplastic material 2 shown for a three-dimensional printing process. By means of this device 1 becomes the thermoplastic 2 prepared to the thermoplastic 2 to impose advantageous properties for a later printing process. In the thermoplastic 2 this is a thermoplastic, by means of the device 1 to be changed by remelting in its form.

Hierfür umfasst die Vorrichtung 1 eine Verflüssigungseinrichtung 3, in welcher der thermoplastische Kunststoff 2 verflüssigbar ist. Dabei wird der thermoplastische Kunststoff 2 von einen Vorratsbehälter 4, in welcher der thermoplastische Kunststoff 2 zwischengespeichert werden kann, der Verflüssigungseinrichtung 3 zugeführt. Bei der Verflüssigungseinrichtung 3 handelt es sich vorliegend um eine Schneckeneinrichtung, mittels welcher der thermoplastische Kunststoff 2 durch Druckbeaufschlagung infolge einer Rotation der Schneckeneinrichtung verflüssigbar ist. Die Vorrichtung 1 umfasst des Weiteren eine Düseneinrichtung 5, mittels welcher der verflüssigte thermoplastische Kunststoff 2 tropfenförmig ausbringbar ist, wodurch der thermoplastische Kunststoff 2 in jeweiligen Tropfen 11 erstarrbar ist. Dabei umfasst die Düseneinrichtung 5 eine Piezodüse 6 mit einem Piezoelement 7. Das Piezoelement 7 ist mittels Stromspannung in Schwingung versetzbar, sodass der thermoplastische Kunststoff 2 mittels der Piezodüse 6 durch eine Düsenöffnung 8 tropfenförmig aus der Düseneinrichtung 5 ausbringbar ist.For this purpose, the device comprises 1 a liquefaction facility 3 , in which the thermoplastic material 2 is liquefiable. This is the thermoplastic material 2 from a storage container 4 , in which the thermoplastic material 2 can be cached, the liquefaction facility 3 fed. At the liquefaction facility 3 this is a screw device by means of which the thermoplastic material 2 can be liquefied by pressurization due to a rotation of the screw device. The device 1 further comprises a nozzle device 5 , by means of which the liquefied thermoplastic 2 drop-shaped, whereby the thermoplastic material 2 in respective drops 11 is solidifiable. In this case, the nozzle device comprises 5 a piezo nozzle 6 with a piezo element 7 , The piezo element 7 is vibrated by means of voltage, so that the thermoplastic material 2 by means of the piezoelectric nozzle 6 through a nozzle opening 8th drop-shaped from the nozzle device 5 can be carried out.

Die Piezodüse 6 ist vorliegend dazu eingerichtet, der thermoplastische Kunststoff 2 in Tropfen 11 individuell einstellbarer Größe aus der Düseneinrichtung 5 auszubringen. The piezo nozzle 6 is in the present case adapted to the thermoplastic material 2 in drops 11 individually adjustable size from the nozzle device 5 deploy.

Um aus dem thermoplastischen Kunststoff 2 in einem dreidimensionalen Druckvorgang besonders schnell einen dreidimensionalen Gegenstand drucken zu können, ist der thermoplastische Kunststoff 2 mittels der Düseneinrichtung 5 in ein Fluid, vorliegend ein flüssiges Medium 9 ausbringbar, welches in einer Aufnahme 10 aufgenommen ist. In diesem flüssigen Medium 9 ist der thermoplastische Kunststoff 2 in jeweiligen Tropfen 11 erstarrbar beziehungsweise aushärtbar. Bei dem flüssigen Medium 9 handelt es sich vorliegend um ein Nichtlösemittel mit guter Kapazität, in welchem der thermoplastische Kunststoff 2 nicht lösbar ist. Alternativ kann es sich bei dem Fluid um ein gasförmiges Medium handeln.To get out of the thermoplastic 2 To be able to print a three-dimensional object very quickly in a three-dimensional printing process is the thermoplastic 2 by means of the nozzle device 5 in a fluid, in this case a liquid medium 9 ausbringbar, which in a recording 10 is included. In this liquid medium 9 is the thermoplastic 2 in respective drops 11 solidified or hardenable. In the liquid medium 9 this is a non-solvent with good capacity, in which the thermoplastic material 2 is not solvable. Alternatively, the fluid may be a gaseous medium.

Nach dem Erstarren der Tropfen 11 ist der thermoplastische Kunststoff 2 von dem flüssigen Medium 9 trennbar und zu einem Pulver trockenbar.After the solidification of the drops 11 is the thermoplastic 2 from the liquid medium 9 separable and dryable to a powder.

Bei einem Verfahren zum Vorbereiten des thermoplastischen Kunststoffs 2 für den dreidimensionalen Druckvorgang wird der thermoplastische Kunststoff 2 von dem Vorratsbehälter 4 auf die Verflüssigungseinrichtung 3 gegeben und in dieser verflüssigt. Anschließend wird der thermoplastische Kunststoff 2 mittels der Düseneinrichtung 5 tropfenförmig in das flüssige Medium 9 ausgebracht, in welchem der thermoplastische Kunststoff 2 in den jeweiligen Tropfen 11 erstarrt. Nach dem Erstarren wird der thermoplastische Kunststoff 2 von dem flüssigen Medium 9 getrennt und zu dem Pulver getrocknet. Anschließend kann das Pulver in dem dreidimensionalen Druckvorgang zu einem dreidimensionalen Druckelement umgeformt werden.In a method of preparing the thermoplastic 2 for the three-dimensional printing process, the thermoplastic material 2 from the reservoir 4 on the liquefaction facility 3 given and liquefied in this. Subsequently, the thermoplastic material 2 by means of the nozzle device 5 dropwise into the liquid medium 9 applied, in which the thermoplastic material 2 in the respective drops 11 stiffens. After solidification, the thermoplastic material 2 from the liquid medium 9 separated and dried to the powder. Subsequently, the powder can be converted into a three-dimensional printing element in the three-dimensional printing process.

In 2 ist in einer schematischen Schnittansicht ein Ausschnitt der Düseneinrichtung 5, vorliegend ein Bereich der Düsenöffnung 8 dargestellt. Dabei kann erkannt werden, dass das Piezoelement 7 der Piezodüse 6 beabstandet von der Düsenöffnung 8 angeordnet ist und von dem thermoplastischen Kunststoff 2 umgeben ist. Durch ein Anlegen von Spannung an das Piezoelement 7 wird dieses in Schwingung versetzt, sodass das Piezoelement 7 den das Piezoelement 7 umgebenden thermoplastischen Kunststoff 2 aus der Düsenöffnung 8 in jeweiligen Tropfen 11 heraus schleudert. Die Tropfen 11 des thermoplastischen Kunststoffs 2 werden von der Aufnahme 10 aufgefangen und in der Aufnahme 10 von dem flüssigen Medium 9 umgeben. Nach dem Erstarren der Tropfen 11 des thermoplastischen Kunststoffs 2 können die Tropfen 11 mittels einer Trenneinrichtung von dem flüssigen Medium 9 getrennt werden und anschließend mittels einer Trocknungseinrichtung zu dem Pulver getrocknet werden.In 2 is a section of the nozzle device in a schematic sectional view 5 , In this case, a region of the nozzle opening 8th shown. It can be seen that the piezoelectric element 7 the piezo nozzle 6 spaced from the nozzle opening 8th is arranged and of the thermoplastic material 2 is surrounded. By applying voltage to the piezo element 7 this is vibrated so that the piezo element 7 the piezo element 7 surrounding thermoplastic 2 from the nozzle opening 8th in respective drops 11 flings out. The drops 11 of the thermoplastic 2 be from the recording 10 caught and in the recording 10 from the liquid medium 9 surround. After the solidification of the drops 11 of the thermoplastic 2 can the drops 11 by means of a separator of the liquid medium 9 be separated and then dried by means of a drying device to the powder.

Im Fokus für eine Weiterverarbeitung des Pulvers stehen als dreidimensionale Druckvorgänge pulverbasierte Kunststoffverarbeitungsverfahren, beispielsweise ein selektives Lasersintern oder Multi Jet Fusion. Mittels selektiven Lasersinterns, einem generativen Fertigungsverfahren, werden dreidimensionale Modelle durch einen Laserstrahl erzeugt. Bei diesem Prozess erfolgt zunächst ein schichtweiser Auftrag von Kunststoffpulver. Entsprechend eines gewünschten dreidimensionalen Modells wird das Kunststoffpulver durch einen CO2-Laser selektiv aufgeschmolzen und geht eine Verbindung mit einer darunterliegenden Schmelzeschicht von Kunststoffpulver ein. Neuere Verfahren wie Multi Jet Fusion arbeiten mit einer flächigen Belichtung des Kunststoffpulvers, wodurch besonders kurze Schichtzeiten möglich sind. Nicht aufgeschmolzenes Kunststoffpulver wirkt bei dem dreidimensionalen Druckvorgang als Stützmaterial für eine erzeugte Schmelze.The focus for further processing of the powder are three-dimensional printing processes, powder-based plastics processing techniques, such as selective laser sintering or multi-jet fusion. By means of selective laser sintering, a generative manufacturing process, three-dimensional models are generated by a laser beam. In this process, a layered application of plastic powder takes place first. According to a desired three-dimensional model, the plastic powder is selectively melted by a CO 2 laser and forms a connection with an underlying melt layer of plastic powder. Newer methods such as Multi Jet Fusion work with a two-dimensional exposure of the plastic powder, which enables particularly short shift times. Unmelted plastic powder acts in the three-dimensional printing process as a support material for a melt produced.

Eine der größten Herausforderungen bei pulverbasierten, additiven Kunststoffverarbeitungsverfahren stellt ein stark eingeschränktes nutzbares thermoplastischen Kunststoffspektrum dar. Aktuell werden für diese Kunststoffverarbeitungsverfahren hauptsächlich Polyamid 11 und Polyamid 12, sowie thermoplastisches Polyurethan eingesetzt. Dies hat den Grund, dass sich das Kunststoffpulver mittels eines Beschichters, der von jeweiligen Anlagen zur Durchführung eines dreidimensionalen Druckvorgangs verwendet wird, zu einer glatten, homogenen Schicht auftragen lassen sollte. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil rieselfähiges Kunststoffpulver zu benutzen, wobei eine Korngröße, eine Form und eine Partikelgrößenverteilung des Kunststoffpulvers entscheidend für den dreidimensionalen Druckvorgang sind. Fehlstellen in einem Pulverauftrag führen zu Fehlstellen im Modell oder zu einem Abbruch des dreidimensionalen Druckvorgangs. Weitere wesentliche Merkmale bei Werkstoffen für die Kunststoffpulver sind ein Aufschmelzverhalten und ein Kristallisationsverhalten.One of the biggest challenges in powder-based, additive plastics processing is a very limited usable range of thermoplastics. At present, polyamide is mainly used for these plastics processing processes 11 and polyamide 12 , as well as thermoplastic polyurethane used. This is because the plastic powder should be applied to a smooth, homogeneous layer by means of a coater used by respective equipment for performing a three-dimensional printing operation. In this context, it is advantageous to use free-flowing plastic powder, wherein a particle size, shape and particle size distribution of the plastic powder are crucial for the three-dimensional printing process. Defects in a powder application lead to defects in the model or to a termination of the three-dimensional printing process. Other essential features of materials for the plastic powder are a melting behavior and a crystallization behavior.

Es gibt verschiedenen Verfahren bei einer Pulvergewinnung. Zum einen kann das Kunststoffpulver aus einer Fällungspolymerisation heraus gewonnen werden. Hierbei wird ein Polymer in einem Nichtlösemittel dispergiert. Der Gewinn von Kunststoffpulver mittels Fällungspolymerisation ist allerdings auf ein kleines Spektrum an Kunststoffen eingeschränkt. Eine weitere Möglichkeit zur Pulvergewinnung ist eine Kaltmahltechnik, also ein mechanisches Zerkleinern des Werkstoffs. Meist ausgehend von einem Granulat wird ein thermoplastischer Kunststoff gemahlen, um besonders kleine Korngrößen zu generieren und somit ein Pulver zu erzeugen. Nachteilig sind eine aufwändige Kühlung und eine zerklüftete Form von resultierenden Pulverpartikeln, welche eine Rieselfähigkeit negativ beeinflussen. Ein weiterer Nachteil ist ein besonders geringer Wirkungsgrad dieser Methode.There are various methods of powder extraction. On the one hand, the plastic powder can be recovered from a precipitation polymerization. Here, a polymer is dispersed in a non-solvent. However, the gain of plastic powder by means of precipitation polymerization is limited to a small range of plastics. Another possibility for powder extraction is a cold grinding technique, ie a mechanical comminution of the material. Usually starting from a granulate, a thermoplastic material is ground in order to generate particularly small particle sizes and thus to produce a powder. Disadvantages are complicated cooling and a fissured shape of resulting powder particles, which negatively influence a flowability. Another disadvantage is a particularly low efficiency of this method.

Bei dem beschriebenen Verfahren zum Vorbereiten des thermoplastischen Kunststoffs 2 für den dreidimensionalen Druckvorgang handelt es sich um eine alternative Herstellungsweise zur Herstellung besonders rieselfähiger Pulver. Dabei wird der thermoplastische Kunststoff 2 in kleinen Tropfen 11 aus der Düseneinrichtung herausgeschleudert. Hierfür öffnet und schließt die Piezodüse 6 die Düsenöffnung 8. Ein Druck zum Schleudern wird vorher durch die Verflüssigungseinrichtung 3 aufgebaut. Anstatt den dreidimensionalen Gegenstand direkt aus den Tropfen 11 zu formen, soll das tröpfchenweise Ausstoßen des thermoplastischen Kunststoffs 2 durch die Piezodüse 6 für eine Pulverherstellung genutzt werden. Hierbei kann ein Array an Piezodüsen 6 geschaffen werden und die Tropfen 11 können nach deren Ausstoßen in einem Bad aus dem flüssigen Medium 9, bei welchem es sich um ein Nichtlösemittel handelt, gekühlt und geformt werden. Durch eine gezielte Ansteuerung der Piezodüsen 6 erfolgt eine Formung der Tropfen 11 und somit von Partikeln des Pulvers nicht willkürlich, sondern kann je nach gewünschtem Detailgrad des zu erstellenden Modells beziehungsweise des zu erstellenden Gegenstands angepasst werden. Wie sich intuitiv vermuten lässt, sind für einen poröseren Gegenstand größere Tropfen 11 zu verwenden als für einen im Vergleich dazu feineren Gegenstand. Auch fordern verschiedene selektive Lasersintermaschinen eine entsprechende Feinkörnigkeit der Partikel des Pulvers.In the described method for preparing the thermoplastic material 2 The three-dimensional printing process is an alternative method of producing particularly free-flowing powders. This is the thermoplastic material 2 in small drops 11 ejected from the nozzle device. For this the piezo nozzle opens and closes 6 the nozzle opening 8th , A pressure to spin is previously through the liquefaction facility 3 built up. Instead of the three-dimensional object directly from the drops 11 to form, is the droplet ejecting the thermoplastic material 2 through the piezo nozzle 6 be used for a powder production. This can be an array of piezo nozzles 6 to be created and the drops 11 can after ejecting them in a bath from the liquid medium 9 , which is a non-solvent, cooled and molded. By targeted control of the piezo nozzles 6 a shaping of the drops takes place 11 and thus of particles of the powder is not arbitrary, but can be adjusted depending on the desired level of detail of the model to be created or the object to be created. As can be intuitively intuited, larger drops are for a more porous object 11 to use as compared to a finer object. Also, various selective laser sintering machines require a corresponding fine grain of the particles of the powder.

Da alle Thermoplasten aufschmelzbar sind, erweitert sich das nutzbare thermoplastischen Kunststoffspektrum für selektives Lasersintern und Multi Jet Fusion durch dieses Verfahren erheblich. Somit erschließt sich ein sehr großer Anwendungsbereich des selektiven Lasersinterns. Hierdurch kann zum einen der Vorteil erreicht werden, dass eine gezielte Formung und Größeneinstellung des hergestellten Pulvers möglich ist. Zum anderen kann eine enorme Erweiterung des nutzbaren thermoplastischen Kunststoffspektrums für das selektive Lasersintern und Multi Jet Fusion erreicht werden. Since all thermoplastics are meltable, the usable thermoplastic polymer spectrum for selective laser sintering and multi-jet fusion expands considerably by this method. This opens up a very wide range of applications for selective laser sintering. In this way, on the one hand, the advantage can be achieved that targeted shaping and size adjustment of the produced powder is possible. On the other hand, a tremendous expansion of the usable thermoplastic plastic spectrum for selective laser sintering and multi-jet fusion can be achieved.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vorrichtungcontraption
22
thermoplastischer Kunststoffthermoplastic
33
Verflüssigungseinrichtungliquefier
44
Vorratsbehälterreservoir
55
Düseneinrichtungnozzle device
66
PiezodüsePiezodüse
77
Piezoelementpiezo element
88th
Düsenöffnungnozzle opening
99
Mediummedium
1010
Aufnahmeadmission
1111
Tropfendrops

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013003167 A1 [0002]DE 102013003167 A1 [0002]
  • DE 20005997 U1 [0003]DE 20005997 U1 [0003]
  • DE 10013451 A1 [0004]DE 10013451 A1 [0004]

Claims (7)

Verfahren zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs (2) für einen Urformvorgang bei welchem der thermoplastische Kunststoff (2) verflüssigt und mittels einer Düseneinrichtung (5) tropfenförmig in ein Fluid (9) ausgebracht wird, wodurch der thermoplastische Kunststoff (2) in jeweiligen Tropfen (11) erstarrt, und bei welchem der thermoplastische Kunststoff (2) nach dem Erstarren von dem Fluid (9) getrennt und zu einem Pulver getrocknet wird.Method for preparing a thermoplastic material (2) for a primary molding process in which the thermoplastic material (2) is liquefied and applied drop-shaped into a fluid (9) by means of a nozzle device (5), whereby the thermoplastic material (2) in respective drops (11 ) and in which the thermoplastic (2) after solidification is separated from the fluid (9) and dried to a powder. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff (2) mittels wenigstens einer Piezodüse (7) der Düseneinrichtung (5) tropfenförmig ausgebracht wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the thermoplastic material (2) by means of at least one piezoelectric nozzle (7) of the nozzle device (5) is applied drop-shaped. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver in einem dreidimensionalen Druckvorgang zu einem dreidimensionalen Druckelement umgeformt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the powder is formed in a three-dimensional printing process to a three-dimensional printing element. Vorrichtung (1) zum Vorbereiten eines thermoplastischen Kunststoffs (2) für einen Urformvorgang, mit einer Verflüssigungseinrichtung (3), mittels welcher der thermoplastische Kunststoff (2) verflüssigbar ist, mit einer Düseneinrichtung (5), mittels welcher der verflüssigte Kunststoff (2) tropfenförmig in ein Fluid (9) ausbringbar ist, wodurch der thermoplastische Kunststoff (2) in jeweiligen Tropfen (11) erstarrbar ist, und mit einer Trenneinrichtung, mittels welcher der thermoplastische Kunststoff (2) nach dem Erstarren von dem Fluid (9) trennbar und zu einem Pulver trockenbar ist.Device (1) for preparing a thermoplastic material (2) for a primary molding operation, with a liquefying device (3) by means of which the thermoplastic material (2) is liquefiable, with a nozzle device (5), by means of which the liquefied plastic (2) is drop-shaped in a fluid (9) can be discharged, whereby the thermoplastic material (2) in respective drops (11) is solidified, and with a separating device by means of which the thermoplastic material (2) after solidification of the fluid (9) separable and to a powder is dry. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düseneinrichtung (5) wenigstens eine Piezodüse (6) umfasst, mittels welcher der thermoplastische Kunststoff (2) tropfenförmig aus der Düseneinrichtung (5) ausbringbar ist.Device (1) according to Claim 4 , characterized in that the nozzle device (5) comprises at least one piezoelectric nozzle (6), by means of which the thermoplastic material (2) can be dispensed drop-shaped from the nozzle device (5). Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezodüse (6) dazu eingerichtet ist, den thermoplastischen Kunststoff (2) in Tropfen (11) unterschiedlicher, einstellbarer Größen aus der Düseneinrichtung (5) auszubringen.Device (1) according to Claim 5 , characterized in that the piezoelectric nozzle (6) is adapted to deploy the thermoplastic material (2) in drops (11) of different, adjustable sizes from the nozzle device (5). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (9) ein Nichtlösemittel ist, in welchem der thermoplastische Kunststoff (2) nicht lösbar ist.Device (1) according to one of Claims 4 to 6 , characterized in that the fluid (9) is a non-solvent, in which the thermoplastic material (2) is not detachable.
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