DE102018115692A1 - 3D printing of organic fibers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dreidimensionalen Druck von organischen Fasern unter Erhalt eines Druckobjektes sowie ein 3D-gedrucktes Druckobjekt enthaltend organische Fasern.The invention relates to a method for three-dimensional printing of organic fibers while obtaining a printed object and a 3D-printed printed object containing organic fibers.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dreidimensionalen Druck von organischen Fasern unter Erhalt eines Druckobjektes sowie ein 3D-gedrucktes Druckobjekt enthaltend organische Fasern.The invention relates to a method for three-dimensional printing of organic fibers while obtaining a printed object and a 3D-printed printed object containing organic fibers.
Pattinson (
Compton (
Siqueira (
Henke (Henke, K. (2016). Additive Baufertigung durch Extrusion von Holzleichtbeton, Dissertation, TU München) beschreibt die Extrusion von Holzbeton.Henke (Henke, K. (2016). Additive construction by extrusion of lightweight wood concrete, dissertation, TU Munich) describes the extrusion of wood concrete.
Wang (
Bei der Verpackung von Maschinenteilen, Maschinen oder anderen Waren wird oft eine negative Form aus Wellpappe hergestellt, in die das Maschinenteil, die Maschine oder die andere Ware exakt hineinpasst. Dies hatte zum einen den Nachteil, dass sehr viel Abfall produziert wurde. Zum anderen konnte die Topologie der Verpackung schlecht optimiert werden.When packaging machine parts, machines or other goods, a negative form is often made from corrugated cardboard, into which the machine part, the machine or the other goods fit exactly. On the one hand, this had the disadvantage that a lot of waste was produced. Secondly, the topology of the packaging was poorly optimized.
Bisher werden formschlüssige Schutzverpackungen aus Cellulose-Fasermaterial mit Faserguß oder durch Zuschneiden von Wellpappe hergestellt.So far, form-fitting protective packaging has been produced from cellulose fiber material with fiber casting or by cutting corrugated cardboard.
Mit den bekannten 3D-Druckverfahren konnte man bisher keine formschlüssigen Schutzverpackungen aus Cellulose-Fasermaterial von größeren Maschinen, Maschinenteilen oder anderen Waren kostengünstig herstellen.Up to now, it was not possible to produce positive-locking protective packaging from cellulose fiber material from larger machines, machine parts or other goods cost-effectively with the known 3D printing processes.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Technologie bereitzustellen, mit der man beispielsweise Verpackungsmaterial kostengünstig und ohne Abfall unter Optimierung der Topologie herstellen kann.The object of the present invention is to provide a technology with which, for example, packaging material can be produced inexpensively and without waste while optimizing the topology.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform durch ein Verfahren zum dreidimensionalen Druck von organischen Fasern unter Erhalt eines Druckobjektes gelöst, bei dem eine wässrige Faser-Zusammensetzung mit einem 3D-Drucker auf ein Substrat gedruckt wird, wobei die Faser-Zusammensetzung organische Fasern mit einem Median der Faserstärke in einem Bereich von 1,5 bis 2000 µm enthält.The object on which the invention is based is achieved in a first embodiment by a method for three-dimensional printing of organic fibers while obtaining a printed object, in which an aqueous fiber composition is printed on a substrate using a 3D printer, the Fiber composition contains organic fibers with a median fiber strength in a range of 1.5 to 2000 microns.
Die Faserstärke kann mit einem optischen Mikroskop bestimmt werden.The fiber thickness can be determined with an optical microscope.
Durch dieses Verfahren können sehr kostengünstig beispielsweise wässrige Zusammensetzungen aus Cellulose, die aus Altpapier gewonnen wurde, und üblichem Pulverleim zu Verpackungsmaterial präzise verdruckt werden. Weiterhin haben die Erfinder herausgefunden, dass sich Fasern mit einer Faserstärke unterhalb des beanspruchten Bereichs durch ihre höhere Oberfläche schlechter verarbeiten lassen. Oberhalb des beanspruchten Bereiches der Faserstärke sind die Fasern nur noch sehr schwer druckbar. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man beispielsweise mit großen Druckdüsen kostengünstig umweltschonendes und topologisch optimiertes Verpackungsmaterial aus Cellulose für Maschinen, Maschinenteile oder andere Waren drucken. Erstmals kann eine formschlüssige Schutzverpackung aus Cellulose-Fasermaterial hergestellt werden, ohne dabei Müll zu produzieren.This process enables, for example, very cost-effective printing of aqueous compositions made of cellulose, which was obtained from waste paper, and conventional powder glue into packaging material. Furthermore, the inventors have found that fibers with a fiber thickness below the claimed range are more difficult to process due to their higher surface area. Above the claimed range of fiber thickness, the fibers are very difficult to print. With the method according to the invention it is possible, for example, to print inexpensive environmentally friendly and topologically optimized packaging material made of cellulose for machines, machine parts or other goods using large printing nozzles. For the first time, a form-fitting protective packaging can be made from cellulose fiber material without producing waste.
Daher ist es besonders bevorzugt, wenn die organischen Fasern Cellulosefasern sind. Die organischen Fasern können grundsätzlich aber auch beispielsweise Polymerfasern wie Polyacrylnitrilfasern, Polyalkylenfasern, Polyamidfasern oder Polyesterfasern sein.It is therefore particularly preferred if the organic fibers are cellulose fibers. In principle, however, the organic fibers can also be, for example, polymer fibers such as polyacrylonitrile fibers, polyalkylene fibers, polyamide fibers or polyester fibers.
Eine Nutzung von natürlichen Rohstoffen wie Cellulose für das Herstellen der Verpackung macht diese umweltfreundlich. Die Rohstoffe können beispielsweise aus Altpapier oder auch bereits erfindungsgemäß gedruckten Verpackungen gewonnen werden. Das Altpapier kann für die Gewinnung der Fasern beispielsweise trocken oder nass aufgemahlen werden. Die erfindungsgemäß hergestellten Verpackungen lassen sich dann auch problemlos recyceln.The use of natural raw materials such as cellulose for the manufacture of the packaging makes it environmentally friendly. The raw materials can be obtained, for example, from waste paper or packaging already printed according to the invention. The waste paper can be ground dry or wet, for example, to obtain the fibers. The packaging produced according to the invention can then also be easily recycled.
In Abhängigkeit von der Größe, dem Gewicht und der Geometrie des zu verpackenden Artikels, ist es beim 3D-Druck möglich, jede Verpackung individuell anzupassen. So kann beispielsweise die Faserart, die Faserstärke oder die Rezeptur der Faser-Zusammensetzung je nach Anwendungsfall optimal angepasst werden. Die Wanddicke kann dabei an Gewicht und Größe des zu verpackenden Artikels angepasst werden, wodurch die gedruckte Verpackung leicht und trotzdem stabil bleibt. Durch eine Gitterstruktur kann die gedruckte Verpackung die nötige Stabilität bieten und es ist keine massive Verpackung notwendig. Zusätzlich können so Rohstoffe eingespart werden, was wiederum einen Vorteil zum derzeit üblichen Standardverfahren bietet.Depending on the size, weight and geometry of the article to be packaged, it is possible with 3D printing to individually adapt each packaging. For example, the type of fiber, the fiber thickness or the formulation of the fiber composition can be optimally adjusted depending on the application. The wall thickness can be adjusted to the weight and size of the item to be packaged, which means that the printed packaging remains light and still stable. Due to a grid structure, the printed packaging can offer the necessary stability and no massive packaging is necessary. In addition, raw materials can be saved, which in turn offers an advantage over the currently standard process.
3D-Druck ist ein flexibles Verfahren, das zum Herstellen einer exklusiven und individuellen Verpackung in kurzer Zeit von Vorteil ist. Eine 3D-gedruckte Verpackung wird mit weniger Produktionsschritten erzeugt. Auf Basis einer CAD-Datei vom zu verpackenden Artikel wird digital beispielsweise eine negative Form erstellt. Daraus wird beispielsweise die für die 3D-Extrusion benötigte Datei generiert. Mithilfe dieser Datei kann der 3D-Druck begonnen werden.3D printing is a flexible process that is advantageous for producing an exclusive and individual packaging in a short time. 3D printed packaging is produced with fewer production steps. On the basis of a CAD file of the article to be packed, for example, a negative form is created digitally. For example, the file required for 3D extrusion is generated from this. This file can be used to start 3D printing.
Das 3D-Druck-Verfahren ist soweit vollautomatisiert und wird beispielsweise nur von einem Bediener gesteuert. Die Maschine hat beispielsweise keine zusätzlichen Werkzeuge bis auf die Verschleißteile wie Düsen, Schläuche usw. und muss regelmäßig gewartet werden. Beim konventionellen Verfahren werden Werkzeuge benutzt, die eine zusätzliche Wartung brauchen. Dazu gehört u.a. das Schneidwerkzeug.So far, the 3D printing process is fully automated and is only controlled by one operator. For example, the machine has no additional tools apart from the wearing parts such as nozzles, hoses, etc. and must be serviced regularly. The conventional method uses tools that require additional maintenance. This includes the cutting tool.
Verfahrenmethod
Vorzugsweise werden die organischen Fasern und/oder die Faser-Zusammensetzung während des Druckvorgangs nicht geschmolzen.Preferably, the organic fibers and / or the fiber composition are not melted during the printing process.
Vorzugsweise wird das Verfahren mit Ausnahme des optionalen Schrittes der Trocknung bei einer Temperatur in einem Bereich von 10 bis 40 °C durchgeführt.With the exception of the optional drying step, the method is preferably carried out at a temperature in a range from 10 to 40 ° C.
Vorzugsweise wird das Druckobjekt nach dem Druckvorgang getrocknet. Dieser Trockenvorgang kann vorzugsweise an Luft durchgeführt werden. Diese Luft kann vorzugsweise eine Temperatur in einem Bereich von 20 bis 160 °C aufweisen. Diese Trocknung nach dem Druckvorgang kann vorzugsweise über einen Zeitraum in einem Bereich von 0,1 bis 48 Stunden durchgeführt werden.The print object is preferably dried after the printing process. This drying process can preferably be carried out in air. This air can preferably have a temperature in a range from 20 to 160 ° C. This drying after the printing process can preferably be carried out over a period in a range from 0.1 to 48 hours.
Der Trockenvorgang kann vorzugsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 30 bis 160°C durchgeführt werden, vor allem bevorzugt während des Druckvorgangs durchgeführt werden. Das Druckobjekt wird allerdings vorzugsweise während des Druckvorgangs nur soweit getrocknet, dass die Oberfläche der zuletzt aufgetragenen Schicht noch feucht ist und besonders bevorzugt einen Restwassergehalt in einem Bereich von 5 bis 66 Gew.% aufweist.The drying process can preferably be carried out at a temperature in a range from 30 to 160 ° C., particularly preferably during the printing process. However, the printed object is preferably only dried so far during the printing process that the surface of the last applied layer is still moist and particularly preferably has a residual water content in a range from 5 to 66% by weight.
Der Trocknungsvorgang wird vorzugsweise in Luft durchgeführt. Beispielsweise wird die Trocknung mittels Wärmequelle, Infrarot- oder Mikrowellentrocknung durchgeführt. Der Trocknungsvorgang wird vorzugsweise nicht unter UV-Licht durchgeführt.The drying process is preferably carried out in air. For example, drying is carried out using a heat source, infrared or microwave drying. The drying process is preferably not carried out under UV light.
Vorzugsweise wird das Druckobjekt freistehend gedruckt und insbesondere nicht in einer Lösung, in einem Pulverbett oder in einer elastischen Masse gedruckt.The printed object is preferably printed free-standing and in particular is not printed in a solution, in a powder bed or in an elastic mass.
Faser-ZusammensetzungFiber composition
Vorzugsweise ist die Faser-Zusammensetzung ohne Druck- oder Kraftbeaufschlagung nicht fließfähig. Ist die Faser-Zusammensetzung nicht fließfähig, hat dies den entscheidenden Vorteil, dass sehr präzise gedruckt werden kann, ohne dass beispielsweise mit UV-Licht ausgehärtet werden müsste. Die Viskosität der Faser-Zusammensetzung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1.000 bis 1.000.000 mPa.s, besonders bevorzugt 5.000 bis 200.000 mPa·s, bei 25 °C und 1 bar Umgebungsdruck. Die Viskosität kann beispielsweise mit einem Rosand RH2000 Tischkapillarrheometer in einem Scherratenbereich von 100-1000 s-1 gemessen werden.The fiber composition is preferably not flowable without the application of pressure or force. If the fiber composition is not flowable, this has the decisive advantage that printing can be carried out very precisely without having to be cured with UV light, for example. The viscosity of the fiber composition is preferably in a range from 1,000 to 1,000,000 mPas, particularly preferably 5,000 to 200,000 mPas, at 25 ° C. and 1 bar ambient pressure. For example, the viscosity can be measured with a Rosand RH2000 table capillary rheometer in a shear rate range of 100-1000 s -1 .
Der pH Wert der Faser-Zusammensetzung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 7 bis 9.The pH of the fiber composition is preferably in a range from 7 to 9.
Die organischen Fasern sind in der Faser-Zusammensetzung vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von 10 bis 90 Gew.%, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 30 Gew.% enthalten.The organic fibers are contained in the fiber composition preferably in an amount in a range from 10 to 90% by weight, very particularly preferably in a range from 15 to 30% by weight.
Neben organischen Fasern können in der Faser-Zusammensetzung auch weitere Füllstoffe enthalten sein. Die weiteren Füllstoffe sind vorzugsweise in einem Bereich von 0 bis 10 Gew.% in der Faser-Zusammensetzung enthalten. Der Anteil an anorganischen Füllstoffen wie beispielsweise Nitriden und/oder Carbiden liegt in der Faser-Zusammensetzung vorzugsweise in einem Bereich von 0 bis 3 Gew.%.In addition to organic fibers, further fillers can also be contained in the fiber composition. The further fillers are preferably contained in the fiber composition in a range from 0 to 10% by weight. The proportion of inorganic fillers such as nitrides and / or carbides in the fiber composition is preferably in a range from 0 to 3% by weight.
In der Faser-Zusammensetzung ist vorzugsweise auch ein Binder enthalten. Der Binder ist vorzugsweise ein organischer Binder wie beispielsweise ein Binder auf Basis von Cellulosederivaten, Klebestoffen (beispielsweise auf Basis von Polyvinylacetat, Polyacrylat oder Polyvinylpyrrolidon), Dichtstoffen, Dispersionsklebstoffen (beispielsweise auf Basis von anorganischen Füllstoffen), Leim, oder auch Latex. Der Binder ist aber besonders bevorzugt ein Binder auf Basis von Methylcellulose. Der Binder kann beispielsweise ein üblicher Pulverleim sein, vorzugsweise auf Basis von Cellulose und ggf. Additiven. Es hat sich herausgestellt, dass Stärke als Binder nachteilig ist. Vorzugsweise enthält die Faser-Zusammensetzung daher höchstens 1 Gew.% Stärke, ganz besonders bevorzugt keine Stärke. Möglich sind auch anorganische Binder wie Zemente, Gips oder auch Silicate wie Wasserglas. Epoxidharz ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nachteilig, da dieses Harz üblicherweise aus wenigstens 2 Komponenten zusammengestellt werden muss und dann ausgehärtet werden muss. Daher enthält die erfindungsgemäße Faser-Zusammensetzung vorzugsweise höchstens 1 Gew.% Epoxidharz, ganz besonders bevorzugt kein Epoxidharz .Binder-Additive in Ergänzung zum Binder können zusätzlich enthalten sein, wie beispielsweise modifizierter Stärkeether, Kunstharz und/oder Additive auf Basis von beispielsweise Polyvinylacetat, Polyacrylat oder Polyvinylpyrrolidon.A binder is preferably also contained in the fiber composition. The binder is preferably an organic binder such as a binder based on cellulose derivatives, adhesives (for example based on polyvinyl acetate, polyacrylate or polyvinylpyrrolidone), sealants, dispersion adhesives (based on inorganic fillers for example), glue or even latex. However, the binder is particularly preferably a binder based on methyl cellulose. The binder can be, for example, a conventional powder glue, preferably based on cellulose and optionally additives. It has been found that starch as a binder is disadvantageous. The fiber composition therefore preferably contains at most 1% by weight of starch, very particularly preferably no starch. Inorganic binders such as cements, gypsum or silicates such as water glass are also possible. Epoxy resin is disadvantageous in the context of the present invention, since this resin usually has to be composed of at least 2 components and then has to be cured. The fiber composition according to the invention therefore preferably contains at most 1% by weight of epoxy resin, very particularly preferably no epoxy resin. Binder additives in addition to the binder may also be present, such as, for example, modified starch ether, synthetic resin and / or additives based on, for example, polyvinyl acetate, polyacrylate or polyvinyl pyrrolidone.
Der Binder ist in der Faser-Zusammensetzung vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von 1 bis 30 Gew.%, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 6 bis 20 Gew.% enthalten. Vorzugsweise ist mehr Binder als organische Fasern in der Faser-Zusammensetzung enthalten. Ist zu wenig Binder enthalten, dann kann es dazu kommen, dass die Faser-Zusammensetzung zu wenig plastisch ist. Der Binder inklusive der Binder-Additive ist in der Faser-Zusammensetzung vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von 1 bis 30 Gew.%, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 6 bis 20 Gew.% enthalten.The binder is contained in the fiber composition preferably in an amount in a range from 1 to 30% by weight, very particularly preferably in a range from 6 to 20% by weight. Preferably, more binder than organic fibers is included in the fiber composition. If there is too little binder, the fiber composition may not be plastic enough. The binder, including the binder additives, is contained in the fiber composition preferably in an amount in a range from 1 to 30% by weight, very particularly preferably in a range from 6 to 20% by weight.
Die wässrige Faser-Zusammensetzung enthält als Flüssigkeit immer Wasser. Vorzugsweise enthält die Faser-Zusammensetzung auch weitere Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit kann ein organisches Lösemittel sein (beispielsweise Glycerole und/oder Glykole). Die Faser-Zusammensetzung enthält vorzugsweise insgesamt Flüssigkeit in einem Bereich von 10 bis 90 Gew.%, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 45 bis 80 Gew.%. Die Faser-Zusammensetzung enthält vorzugsweise Wasser in einem Bereich von 10 bis 90 Gew.%, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 45 bis 80 Gew.%. Vorzugsweise enthält die Faser-Zusammensetzung von Wasser abweichende weitere Flüssigkeiten wie beispielsweise organische Lösemittel in einem Bereich von 2 bis 15 Gew.%.The aqueous fiber composition always contains water as a liquid. The fiber composition preferably also contains further liquid. This liquid can be an organic solvent (for example glycerols and / or glycols). The fiber composition preferably contains a total of liquid in a range from 10 to 90% by weight, very particularly preferably in a range from 45 to 80% by weight. The fiber composition preferably contains water in a range from 10 to 90% by weight, very particularly preferably in a range from 45 to 80% by weight. The fiber composition preferably contains other liquids which differ from water, for example organic solvents, in a range from 2 to 15% by weight.
Weiterhin können vorzugsweise weitere Additive in einer Menge in einem Bereich von 0,1 bis 15 Gew.% in der Faser-Zusammensetzung enthalten sein. Diese Additive können vorzugsweise ausgewählt sein aus Plastifizierungsmitteln (beispielsweise Hydrokolloide, Cellulosederivate, organische Quell- und Bindemittel oder Mischungen derselben), Konservierungsmitteln (beispielsweise Isothiazolinone), Press- und Gleitmitteln (beispielsweise auf Basis von Polyoxyethylen, Fettsäure, Wachs, Netzmittel oder Mischungen derselben), Dispergiermitteln, Farbstoffen und/oder Trocknungsverzögerungsmitteln. Vorzugsweise sind in der Faser-Zusammensetzung keine Reduktions- und/oder Oxidationsmittel enthalten. Vorzugsweise sind in der Faser-Zusammensetzung keine Katalysatoren enthalten. Furthermore, further additives may preferably be contained in the fiber composition in an amount in a range from 0.1 to 15% by weight. These additives can preferably be selected from plasticizers (for example hydrocolloids, cellulose derivatives, organic swelling and binding agents or mixtures thereof), preservatives (for example isothiazolinones), pressing agents and lubricants (for example based on polyoxyethylene, fatty acid, wax, wetting agents or mixtures thereof) , Dispersants, dyes and / or drying retardants. There are preferably no reducing and / or oxidizing agents in the fiber composition. There are preferably no catalysts in the fiber composition.
Organische FasernOrganic fibers
Es ist wie oben bereits geschrieben besonders bevorzugt, wenn die organischen Fasern Cellulosefasern sind. Die Cellulosefasern können beispielsweise auch in Form von Sulfatzellstoffen, Sulfitzellstoffen, TMP (thermomechanical pulp) und/oder CTMP (chemithermomechanical pulp) vorliegen. Die organischen Fasern können grundsätzlich aber auch beispielsweise Polymerfasern wie Polyacrylnitrilfasern, Polyalkylenfasern, Polyamidfasern oder Polyesterfasern sein.As already described above, it is particularly preferred if the organic fibers are cellulose fibers. The cellulose fibers can, for example, also be in the form of sulfate pulps, sulfite pulps, TMP (thermomechanical pulp) and / or CTMP (chemithermomechanical pulp). In principle, however, the organic fibers can also be, for example, polymer fibers such as polyacrylonitrile fibers, polyalkylene fibers, polyamide fibers or polyester fibers.
Die organischen Fasern sind vorzugsweise Cellulosefasern (beispielsweise Viskosefasern oder Cellulosefasern aus z.B. aus Nadelholz, Zellwolle, Sisal, Hanf, Kokos, Jute, Gräser, Flachs, oder Fasern hergestellt aus Altpapier). Die Cellulosefasern können auch Fibride (z.B. Lyocell-Fibride) oder Pulp oder Sägemehl sein. Die organischen Fasern können auch eine Mischung der vorgenannten Fasern sein.The organic fibers are preferably cellulose fibers (for example viscose fibers or cellulose fibers from, for example, from softwood, cellulose, sisal, hemp, coconut, jute, grass, flax, or fibers made from waste paper). The cellulose fibers can also be fibrids (e.g. Lyocell fibrids) or pulp or sawdust. The organic fibers can also be a mixture of the aforementioned fibers.
Die Faserlänge der organischen Fasern liegt im Median vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 20 mm, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,7 bis 10 mm. Wenn die Fasern zu kurz sind, dann verhaken sich die Fasern nur schlecht bzw. verfilzten schlecht, sodass die mechanische Stabilität des entstehenden Druckobjektes abnehmen kann. Wenn die Fasern zu lang sind, dann kann es dazu kommen, dass die Düse des Druckers leichter verstopft.The median fiber length of the organic fibers is preferably in a range from 0.1 to 20 mm, very particularly preferably in a range from 0.7 to 10 mm. If the fibers are too short, then the fibers only get caught badly or matted badly, so that the mechanical stability of the resulting printed object can decrease. If the fibers are too long, the printer nozzle may become clogged more easily.
Die Faserstärke der organischen Fasern liegt im Median vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 500 µm, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 70 µm. Vorzugsweise sind die organischen Fasern keine Nanofasern. Sind die organischen Fasern zu dünn, haben diese eine hohe Oberfläche und sind daher schwerer zu verarbeiten. Sind Nanofasern nicht bioresorbierbar, dann sind diese vermutlich auch gesundheitsgefährdend. The median fiber thickness of the organic fibers is preferably in a range from 2 to 500 μm, very particularly preferably in a range from 10 to 70 μm. The organic fibers are preferably not nanofibers. If the organic fibers are too thin, they have a high surface area and are therefore more difficult to process. If nanofibers are not bioabsorbable, then they are probably also a health hazard.
Vorzugsweise wird keine kristalline Cellulose und insbesondere keine Nanokristalle aus Cellulose eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass die mechanische Stabilität des Druckobjektes bei kristalliner Cellulose geringer sein kann.Preferably, no crystalline cellulose and in particular no cellulose nanocrystals are used. It has been shown that the mechanical stability of the printed object can be lower with crystalline cellulose.
Vorzugsweise sind die Cellulose bzw. die Cellulosefasern chemisch nicht modifiziert und besonders bevorzugt sind die Cellulosefasern nicht aus Celluloseazetat. Durch die chemische Modifizierung werden die Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Hydroxylgruppen aufgebrochen bzw. gestört, sodass die mechanische Stabilität des Druckobjektes verschlechtert sein kann.The cellulose or the cellulose fibers are preferably not chemically modified and the cellulose fibers are particularly preferably not made of cellulose acetate. The chemical modification breaks or disrupts the hydrogen bond between the hydroxyl groups, so that the mechanical stability of the printed object can be impaired.
Je nach Anwendungsfall kann eine Faserart und -form und insbesondere eine Cellulosefaserart und -form gewählt werden, um das Druckobjekt für diese Anwendung zu optimieren.Depending on the application, a fiber type and shape and in particular a cellulose fiber type and shape can be selected in order to optimize the printed object for this application.
D-DruckerD Printers
Vorzugsweise ist der 3D-Drucker ein Delta-3D-Drucker. Vorzugsweise ist der 3D-Drucker ein 3D-Extruder. Diese sind zur Herstellung von großen Verpackungen besonders geeignet.The 3D printer is preferably a delta 3D printer. The 3D printer is preferably a 3D extruder. These are particularly suitable for the production of large packaging.
Der Düsendurchmesser liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,3 bis 20 mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,5 bis 10 mm. Liegt der Düsendurchmesser unterhalb dieses Bereiches, dann kann es dazu kommen, dass zu viel Kraft aufgewendet werden muss, um die pastöse Zusammensetzung durch die Düse zu drücken. Zudem dauert bei einem zu kleinen Düsendurchmesser der Druck länger. Liegt der Düsendurchmesser oberhalb dieses Bereiches, dann kann es dazu kommen, dass nicht mehr präzise genug gedruckt werden kann.The nozzle diameter is preferably in a range from 0.3 to 20 mm, particularly preferably in a range from 0.5 to 10 mm. If the nozzle diameter is below this range, it can happen that too much force has to be applied to push the pasty composition through the nozzle. In addition, the pressure takes longer if the nozzle diameter is too small. If the nozzle diameter is above this range, it can happen that printing can no longer be precise enough.
Vorzugsweise liegt das Verhältnis vom Median der Faserlänge der organischen Fasern zum Düsendurchmesser in einem Bereich von 0,5:1 bis 50:1. Liegt das Verhältnis oberhalb dieses Bereiches, dann kann es dazu kommen, dass der Druckvorgang nicht präzise genug gestartet und beendet werden kann. Liegt das Verhältnis unterhalb dieses Bereiches, dann kann es dazu kommen, dass die Fasern innerhalb der Zusammensetzung beim Druckvorgang nicht hinreichend ausgerichtet werden und so die mechanische Stabilität des Druckobjektes beeinträchtigt wird.The ratio of the median of the fiber length of the organic fibers to the nozzle diameter is preferably in a range from 0.5: 1 to 50: 1. If the ratio is above this range, then can it may happen that the printing process cannot be started and ended precisely enough. If the ratio is below this range, it can happen that the fibers within the composition are not sufficiently aligned during the printing process and the mechanical stability of the printed object is impaired.
Vorzugsweise liegt das Verhältnis vom Düsendurchmesser zum Median der Faserstärke der organischen Fasern in einem Bereich von 5:1 bis 200:1.The ratio of the nozzle diameter to the median of the fiber thickness of the organic fibers is preferably in a range from 5: 1 to 200: 1.
Vorzugsweise weist der 3D-Drucker einen Extruder und besonders bevorzugt eine Extrusionsschnecke auf, so dass die Faser-Zusammensetzung damit zur Düse befördert werden kann.The 3D printer preferably has an extruder and particularly preferably an extrusion screw, so that the fiber composition can thus be conveyed to the nozzle.
Druckobjektprint object
Vorzugsweise ist das Druckobjekt eine Verpackung, ganz besonders bevorzugt eine formschlüssige Schutzverpackung.The printed object is preferably a packaging, very particularly preferably a form-fitting protective packaging.
Vorzugsweise wird das Druckobjekt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.The printed object is preferably produced according to the method according to the invention.
Vorzugsweise liegt die 3-Punkt-Biegefestigkeit des Materials des Druckobjekts, ermittelt mit einem Auflagerabstand von 40mm und einer Last-Anstiegsgeschwindigkeit von 0,15 MPa/s in einem Bereich von 20 bis 200 MPa. Vorzugsweise liegt das E-Modul des Materials des Druckobjekts nach gleicher Art gemessen in einem Bereich von 200 bis 4000 MPa. Die Messung erfolgte an Proben mit Maßen von 50x2x7mm. Die Festigkeit liegt gegenüber einer vergleichbar großen Wellpappe auf signifikant höherem Niveau (Biegefestigkeit unter 5 MPa, E-Modul unter 100 MPa). Vorzugsweise liegen wenigstens 50 Gew.% des Druckobjektes als Leichtbaustrukturen (beispielsweise als Waben- oder Gitterstrukturen) vor.The 3-point flexural strength of the material of the printed object, determined with a support distance of 40 mm and a load rise speed of 0.15 MPa / s, is preferably in a range from 20 to 200 MPa. The modulus of elasticity of the material of the printed object, measured in the same way, is preferably in a range from 200 to 4000 MPa. The measurement was carried out on samples with dimensions of 50x2x7mm. The strength is significantly higher than that of a similarly large corrugated cardboard (bending strength below 5 MPa, elastic modulus below 100 MPa). At least 50% by weight of the printed object is preferably in the form of lightweight structures (for example honeycomb or lattice structures).
Vorzugsweise enthält das Druckobjekt weniger als 1 Gew.% Thermoplaste und ganz besonders bevorzugt Cellulosefasern in einem Bereich von 60 bis 95 Gew.%. Dadurch gibt es keine Erweichung oberhalb der Glasübergangstemperatur, so dass die erfindungsgemäßen Druckobjekte temperaturbeständiger aber trotzdem leicht sind.The printed object preferably contains less than 1% by weight of thermoplastics and very particularly preferably cellulose fibers in a range from 60 to 95% by weight. As a result, there is no softening above the glass transition temperature, so that the printed objects according to the invention are more temperature-resistant but nevertheless light.
Vorzugsweise ist das Druckobjekt nach den Testverfahren OECD
Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1-3 zeigen als Druckobjekt eine formschlüssige Schutzverpackung aus Cellulose-Fasermaterial für ein Maschinenteil zu einem verschiedenen Druckfortschritt. -
4 zeigt das Maschinenteil - Maßangaben in mm.
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1-3 show as a printed object a form-fitting protective packaging made of cellulose fiber material for a machine part for a different printing progress. -
4 shows the machine part - dimensions in mm.
Ausführungsbeispielembodiment
Es wurde eine pastöse und nicht fließfähige Faser-Zusammensetzung enthaltend die folgenden Komponenten durch intensives Vermischen hergestellt:
Aus den Komponenten wurde als Faser-Zusammensetzung eine homogene Masse mittels SpeedMixer DAC 150SP hergestellt.A homogeneous mass was produced from the components as a fiber composition using SpeedMixer DAC 150SP.
Die fertige Faser-Zusammensetzung wurde als Extrusionsmasse mit dem 3D-Drucker WASP Delta 2040 verarbeitet. Dabei wurde die Faserzusamensetzung mit einem Extruder zur Extrusionsdüse (Düsendurchmesser 0,75 mm) befördert und während der Verfahrung der Düse gedruckt. Zunächst wurde auf ein Substrat wie eine Metallplatte gedruckt. Wie bei der additiven Fertigung üblich wurde anschließend auf die bereits gedruckten Schichten gedruckt.The finished fiber composition was processed as an extrusion mass with the 3D printer WASP Delta 2040. The fiber composition was transported with an extruder to the extrusion die (die diameter 0.75 mm) and printed while the die was moving. First was on a substrate printed like a metal plate. As usual with additive manufacturing, the layers that were already printed were then printed.
Auf Basis der CAD-Datei wurde eine Datei mit einem entsprechenden Maschinencode generiert, mittels welcher der vorgenannte Drucker das entsprechende Bauteil anfertigte. Die
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.The features of the invention disclosed in the present description, in the drawings and in the claims can be essential both individually and in any combination for realizing the invention in its various embodiments. The invention is not restricted to the described embodiments. It can be varied within the scope of the claims and taking into account the knowledge of the responsible specialist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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