DE102019109005A1 - Method and device for the production of plastic particles - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffpartikeln (P), wobei ein Strang (S) aufgeschmolzenen Kunststoffs oder ein aus Kunststoff bestehendes Filament zur Bildung von Kunststoffpartikeln (P) mittels mindestens eines Laserstrahls (L) geschnitten wird.The invention relates to a method and a device for producing plastic particles (P), wherein a strand (S) of melted plastic or a filament made of plastic to form plastic particles (P) is cut by means of at least one laser beam (L).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffpartikeln.The invention relates to a method and a device for producing plastic particles.
Die Herstellung von Kunststoffpulvern ist für unterschiedliche Anwendungsfelder relevant, insbesondere für die additive Fertigung, bei der unterschiedliche Fertigungsverfahren Pulver benötigen, die aus thermoplastischen Kunststoffen bestehen und beispielsweise Partikeldurchmesser kleiner als 200 µm aufweisen. Der derzeit am häufigsten eingesetzte mittlere Partikeldurchmesser liegt im Bereich von 40 µm bis 80 µm. Grundsätzlich sind auch kleinere Partikel verwendbar.The production of plastic powders is relevant for different fields of application, in particular for additive manufacturing, in which different manufacturing processes require powders that are made of thermoplastics and have, for example, particle diameters smaller than 200 µm. The mean particle diameter currently most frequently used is in the range from 40 µm to 80 µm. In principle, smaller particles can also be used.
Zur Herstellung dieser Pulver sind unterschiedliche Verfahren bekannt, beispielhaft die in der
In der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffpartikeln anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved method and an improved device for producing plastic particles.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.The object is achieved according to the invention by a method with the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Kunststoffpartikeln wird ein Strang aufgeschmolzenen Kunststoffs oder ein aus Kunststoff bestehendes Filament zur Bildung von Kunststoffpartikeln mittels mindestens eines Laserstrahls geschnitten.In a method according to the invention for producing plastic particles, a strand of melted plastic or a filament made of plastic is cut by means of at least one laser beam to form plastic particles.
In einer Ausführungsform wird der Strang aus einer Schmelzedüse kontinuierlich oder diskontinuierlich gefördert, tritt im Wesentlichen senkrecht nach unten aus und wird anschließend mittels des mindestens einen Laserstrahls geschnitten.In one embodiment, the strand is conveyed continuously or discontinuously from a melt nozzle, exits essentially vertically downwards and is then cut by means of the at least one laser beam.
In einer weiteren Ausführungsform wird das das Filament kontinuierlich oder diskontinuierlich gefördert und an einem freien Ende, insbesondere frei hängenden Ende, mittels des mindestens einen Laserstrahls geschnitten. In einer weiteren Ausführungsform wird das Filament diskontinuierlich gefördert und an einem freien Ende gespannt und mittels mindestens zweier Laserstrahlen geschnitten.In a further embodiment, the filament is conveyed continuously or discontinuously and cut at a free end, in particular a freely hanging end, by means of the at least one laser beam. In a further embodiment, the filament is conveyed discontinuously and tensioned at a free end and cut by means of at least two laser beams.
In einer Ausführungsform tritt aus einer um die Schmelzedüse angeordneten Fluiddüse ein Fluidstrom so aus, dass der Strang beschleunigt und verjüngt wird. Das Fluid kann im einfachsten Fall Luft sein, aber auch andere Gase umfassen, beispielsweise Stickstoff oder andere Inertgase, um eine Oxidation oder mögliche thermooxidative Degradation der Schmelze zu vermeiden. Fluide mit höherer Viskosität als Luft sind hilfreich, um Strömungen mit weniger Turbulenzneigung zu erhalten. Die Aufgabe des Fluidstroms ist es, den Strang zu beschleunigen, so dass dieser sich verjüngt. Somit können Durchmesser des Strangs erzielt werden, die erheblich geringer sind als der Durchmesser der Schmelzedüse.In one embodiment, a fluid stream emerges from a fluid nozzle arranged around the melt nozzle in such a way that the strand is accelerated and tapered. In the simplest case, the fluid can be air, but it can also comprise other gases, for example nitrogen or other inert gases, in order to avoid oxidation or possible thermo-oxidative degradation of the melt. Fluids with a higher viscosity than air are helpful in obtaining flows with less tendency to turbulence. The job of the fluid flow is to accelerate the strand so that it tapers. In this way, the diameter of the strand can be achieved which is considerably smaller than the diameter of the melt nozzle.
In einer Ausführungsform wird der Fluidstrom so temperiert, dass der Strang nicht oder nur wenig erkaltet oder dass der Strang erwärmt wird, beispielsweise durch vorheriges Aufheizen mit einem Heizregister o.ä. Der Fluidstrom kann beispielsweise Temperaturen im Bereich von +/- 50°C um die Temperatur der Schmelze aufweisen.In one embodiment, the fluid flow is tempered in such a way that the strand does not or only slightly cools or that the strand is heated, for example by prior heating with a heating register or the like. The fluid flow can, for example, have temperatures in the range of +/- 50 ° C. around the temperature of the melt.
In einer Ausführungsform wird der Strang unterhalb der Fluiddüse in einem Rohr geführt. Somit wird ein möglichst gleichmäßiger Fluidstrom mit möglichst gleichbleibender Geschwindigkeit in Austragsrichtung der Schmelze und möglichst geringen Verwirbelungen unterstützt. Eine Verjüngung des Rohres kann dazu genutzt werden, den Fluidstrom weiter zu beschleunigen und damit die Verstreckung des Strangs zu unterstützen.In one embodiment, the strand is guided in a tube below the fluid nozzle. In this way, a fluid flow that is as uniform as possible is supported with as constant a speed as possible in the discharge direction of the melt and with as little turbulence as possible. A tapering of the tube can be used to further accelerate the fluid flow and thus to support the stretching of the strand.
In einer Ausführungsform erfolgt mittels des Laserstrahls ein Energieeintrag in den Strang derart, dass der Kunststoff an der betreffenden Stelle des Strangs schlagartig verdampft oder sich gasförmig zersetzt. Auf diese Weise kann eine Fadenbildung vermieden werden. Es kann eine Parameterkonfiguration derart gewählt werden, dass ausreichend Energie eingetragen wird, um eine saubere, das heißt fadenfreie, Ablösung von Tropfen zu erzielen, insbesondere ohne Materialverlust durch Verdampfen. Mit der Temperierung des Stranges sowie des Fluidstroms und über die Wahl der Intensität, Verteilung und Dauer des Laserstrahls kann auch die Rundheit der Tropfen beeinflusst werden. So lange der Tropfen flüssig ist, wird die Oberflächenspannung eine gleichmäßige Verrundung des Tropfens anstreben.In one embodiment, energy is introduced into the strand by means of the laser beam in such a way that the plastic at the relevant point on the strand suddenly evaporates or decomposes in gaseous form. In this way, thread formation can be avoided. A parameter configuration can be selected in such a way that sufficient energy is introduced in order to achieve a clean, that is, thread-free, detachment of drops, in particular without any loss of material through evaporation. The roundness of the droplets can also be influenced by controlling the temperature of the strand and the fluid flow and by selecting the intensity, distribution and duration of the laser beam. As long as the drop is liquid, the surface tension will strive for an even rounding of the drop.
In einer Ausführungsform wird zur Erzeugung des Laserstrahls ein CO2-Laser verwendet. Dessen genutzte Wellenlänge, beispielsweise 10,6 µm, wird in der Regel von Kunststoffen ausreichend gut absorbiert.In one embodiment, a CO 2 laser is used to generate the laser beam. The wavelength used, for example 10.6 µm, is usually sufficiently well absorbed by plastics.
In einer Ausführungsform ist oder wird der Kunststoff so eingefärbt, dass sein Absorptionsspektrum der Wellenlänge des zur Erzeugung des Laserstrahls verwendeten Lasers angepasst ist. Die Einfärbung der Kunststoffe kann dazu dienen, das Absorptionsspektrum des Kunststoffs der Wellenlänge des Laserstrahls anzupassen. So absorbieren schwarz eingefärbte Kunststoffe, beispielsweise durch Zugabe von Rußen, Wellenlängen im Bereich der meisten gängigen Laserquellen. Somit können auch Faserlaser (typische Wellenlänge im Bereich von 1064 nm) oder andere Laserquellen mit geringeren Wellenlängen als die des CO2-Lasers genutzt werden. Dies ist vorteilhaft, um möglichst kleine Spotgrößen (Fokusdurchmesser) des Laserstrahls zu nutzen, die die Zone des Energieeintrags klein halten. Je kleiner diese Zonen, desto günstiger erfolgt die Separierung eines Tropfens bzw. Strangabschnittes.In one embodiment, the plastic is or is colored in such a way that its absorption spectrum is adapted to the wavelength of the laser used to generate the laser beam. The coloring of the plastics can be used to adapt the absorption spectrum of the plastics to the wavelength of the laser beam. For example, plastics colored black absorb wavelengths in the range of most common laser sources, for example by adding carbon black. This means that fiber lasers (typical wavelength in the range of 1064 nm) or other laser sources with shorter wavelengths than those of the CO 2 laser can also be used. This is advantageous in order to use the smallest possible spot sizes (focus diameter) of the laser beam, which keep the energy input zone small. The smaller these zones, the more favorable the separation of a drop or strand section.
In einer Ausführungsform wird der Laserstrahl gepulst.In one embodiment, the laser beam is pulsed.
In einer Ausführungsform wird der Laserstrahl als Laserscanner betrieben, so dass der Energieeintrag durch eine Führung des Laserstrahls bzw. der gepulsten Laserstrahlung gesteuert werden kann. Beispielsweise ist es dann auch möglich bei einem Spotdurchmesser, der kleiner als der Strangdurchmesser ist, einen Energieeintrag über die gesamte Breite des Strangs zu erzielen. Ist die Scangeschwindigkeit hinreichend groß und die Strangaustragsgeschwindigkeit entsprechend langsam, so kann mittels Scanning auch eine quasi-gleichzeitiges Ablösen mehrerer Strangabschnitte erreicht werden.In one embodiment, the laser beam is operated as a laser scanner so that the energy input can be controlled by guiding the laser beam or the pulsed laser radiation. For example, with a spot diameter that is smaller than the strand diameter, it is then also possible to achieve an energy input over the entire width of the strand. If the scanning speed is sufficiently high and the strand discharge speed is correspondingly slow, a quasi-simultaneous detachment of several strand sections can also be achieved by means of scanning.
In einer Ausführungsform weist das Rohr mindestens einen seitlich angeordneten, für den Laserstrahl transparenten Einlass auf, durch den der Laserstrahl geführt wird.In one embodiment, the tube has at least one laterally arranged inlet that is transparent to the laser beam and through which the laser beam is guided.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffpartikeln umfasst eine Schmelzedüse, aus der ein Strang aufgeschmolzenen Kunststoffs austragbar ist, und mindestens einen Laser, mittels dessen mindestens ein Laserstrahl auf den Strang führbar ist, um den Strang zur Bildung von Kunststoffpartikeln zu schneiden.A device according to the invention for the production of plastic particles comprises a melt nozzle from which a strand of melted plastic can be discharged, and at least one laser, by means of which at least one laser beam can be guided onto the strand in order to cut the strand to form plastic particles.
Unter dem Schneiden des Strangs kann in der vorliegenden Anmeldung zum einen verstanden werden, dass der Energieeintrag des Lasers die Zerlegung des Stranges in Tropfen lediglich befördert, zum anderen aber auch, dass der Energieeintrag durch den Laser so hoch ist, dass konventionelles Laserschneiden vorliegt, bei dem der Energieeintrag den Kunststoff teilweise verdampft, so dass ein Abschnitt abgetrennt wird. Außerdem sollen Mischformen dieser beiden Optionen unter dem Begriff des Schneidens des Strangs inbegriffen sein.In the present application, cutting the strand can be understood to mean, on the one hand, that the energy input from the laser merely promotes the breakdown of the strand into droplets, and on the other hand that the energy input by the laser is so high that conventional laser cutting is present the energy input partially evaporates the plastic, so that a section is separated. In addition, mixed forms of these two options should be included under the term of cutting the strand.
In einer Ausführungsform ist die Schmelzedüse so angeordnet, dass der Strang im Wesentlichen senkrecht nach unten austritt.In one embodiment, the melt nozzle is arranged such that the strand emerges essentially vertically downwards.
In einer Ausführungsform ist umliegend um die Schmelzedüse eine Fluiddüse für den Ausstoß eines Fluidstroms vorgesehen, um den Strang zu beschleunigen und zu verjüngen.In one embodiment, a fluid nozzle is provided around the melt nozzle for ejecting a fluid stream in order to accelerate and taper the strand.
In einer Ausführungsform ist eine Heizeinrichtung zum Temperieren des Fluidstroms vorgesehen.In one embodiment, a heating device is provided for controlling the temperature of the fluid flow.
In einer Ausführungsform ist unterhalb des Austritts des Fluidstroms ein Rohr vorgesehen, in dem der Strang führbar ist.In one embodiment, a tube, in which the strand can be guided, is provided below the outlet of the fluid flow.
In einer Ausführungsform weist das Rohr mindestens einen seitlich angeordneten, für den Laserstrahl transparenten Einlass auf, durch den der Laserstrahl führbar ist.In one embodiment, the tube has at least one laterally arranged inlet that is transparent to the laser beam and through which the laser beam can be guided.
Das Prinzip der Erfindung beruht auf dem insbesondere kontinuierlichen strangförmigen Ausstoß einer Kunststoffschmelze aus einer Düse, woraufhin dieser Strang pulsartig mit Hilfe von Laserstrahlung lokal derartig erwärmt wird, dass er in mehrere Teile, beispielsweise Tropfen, zerfällt. Diese Tropfen fallen anschließend nach unten und kühlen während des Falles ab, so dass der Kunststoff nun als Pulver, auch Mikrogranulat genannt, vorliegt.The principle of the invention is based on the particularly continuous strand-shaped ejection of a plastic melt from a nozzle, whereupon this strand is locally heated in a pulsed manner with the aid of laser radiation in such a way that it breaks up into several parts, for example drops. These drops then fall down and cool down as they fall, so that the plastic is now available as a powder, also known as microgranulate.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich die Ablösung von Tropfen aus dem Schmelzestrang gezielter beeinflussen und es kann auf eine Schwingungsanregung verzichtet werden.By means of the method according to the invention, the detachment of drops from the melt strand can be influenced in a more targeted manner and excitation of vibrations can be dispensed with.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Darin zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffpartikeln, und -
2 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffpartikeln.
-
1 a schematic view of an apparatus for producing plastic particles, and -
2 a schematic view of a further embodiment of an apparatus for producing plastic particles.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Die Vorrichtung
Das Verfahren benötigt jedoch nicht zwingend den Einsatz des Fluidstroms
Der Laserstrahl
Durch den Einsatz von mehreren Laserquellen, -strahlteilern oder Blenden können auch simultan mehrere Schnitte durch Laserstrahlen
Der Laserstrahl
Über die Parameter Durchmesser der Schmelzedüse
Dabei kommt eine kreisrunde Schmelzedüse
Aus diesem Kreisringspalt entwickelt sich nahtlos ein Rohr
Beispielsweise wird ein Polypropylen Homopolymer mit einer Melt Flow Rate (MFR) von 50 g/min (gemessen bei 230 °C, 2,16 kg) eingesetzt. Zum Aufschmelzen und Fördern des Kunststoffs kommt beispielsweise ein Einschneckenextruder zum Einsatz. Die Temperatur der Schmelze beträgt beispielsweise 240 °C, die Temperatur der in der Fluiddüse
Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls
In einer weiteren Ausführungsform kann anstatt des luftunterstützten Abzugs vorgesehen sein, den Strang
Grundsätzlich kann das Schneiden auch von der Filamentherstellung entkoppelt und auch diskontinuierlich durchgeführt werden.In principle, the cutting can also be decoupled from the filament production and can also be carried out discontinuously.
Grundsätzlich ist auch folgende diskontinuierliche Ausführung für einen besonders reproduzierbaren Schnitt anwendbar: Das Filament wird von einer Rolle abgespult, wobei das freie Ende gespannt wird, beispielsweise zwischen zwei Spannbacken oder mit einem Greifer. Das Abspulen wird gestoppt, so dass ein gespanntes Filament vorliegt. Dieses Filament wird durch gleichzeitig eintreffende Laserimpulse an mehreren Stellen geschnitten, so dass zahlreiche Abschnitte entstehen. Es müssen mindestens zwei Laserimpulse sein. Es können jedoch auch beliebig viele Laserimpulse sein. Nach dem Schneidvorgang verbleibt ein nicht geschnittener Rest an den Greifern/Einspannungen. Das Filament ist mit dem so abgewandelten Verfahren leichter kontrollierbar als ein mit einem Luftstrom geführter Schmelzestrang.In principle, the following discontinuous design can also be used for a particularly reproducible cut: The filament is unwound from a roll, the free end being tensioned, for example between two clamping jaws or with a gripper. Unwinding is stopped so that the filament is taut. This filament is cut at several points by simultaneously arriving laser pulses, so that numerous sections are created. There must be at least two laser pulses. However, there can also be any number of laser pulses. After the cutting process, an uncut residue remains on the grippers / fixtures. With the method modified in this way, the filament can be controlled more easily than a strand of melt guided with an air stream.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- SchmelzedüseMelt nozzle
- 33
- FluiddüseFluid nozzle
- 44th
- Rohrpipe
- 55
- Einlass inlet
- D1D1
- Durchmesserdiameter
- D2D2
- Durchmesserdiameter
- D3D3
- Durchmesserdiameter
- D4D4
- Durchmesserdiameter
- FF.
- FluidstromFluid flow
- LL.
- Laserstrahllaser beam
- PP
- Partikel, KunststoffpartikelParticles, plastic particles
- SS.
- Strangstrand
- TT
- Tropfendrops
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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