DE102021114722A1 - Pulverförmige Zusammensetzung, Formkörper daraus, Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers sowie Verwendung einer pulverförmigen Zusammensetzung - Google Patents

Pulverförmige Zusammensetzung, Formkörper daraus, Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers sowie Verwendung einer pulverförmigen Zusammensetzung Download PDF

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Abstract

Eine pulverförmige Zusammensetzung enthält wenigstens ein Pulver aus einem Polyamid (PA) und ist dadurch gekennzeichnet, dass das PA-Pulver die folgenden Parameter aufweist: eine Schmelztemperatur im Bereich von 240 bis 320 °C, einen Schmelzflussindex von 700 cm3/10 min oder weniger, gemessen bei einer Temperatur von 30 bis 35 °C über der Schmelztemperatur, und einen Schmelzflussindex von 300 cm3/10 min oder weniger, gemessen bei einer Temperatur von 10 bis 15 °C über der Schmelztemperatur, jeweils gemessen bei einer Prüflast von 5 kg. Zudem weist die pulverförmige Zusammensetzung nach Sintern eine Bruchdehnung von wenigstens 2,0 % auf.Ferner wird ein Formkörper aus einer derartigen pulverförmigen Zusammensetzung, eine Verwendung der pulverförmigen Zusammensetzung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine pulverförmige Zusammensetzung zur Verwendung bei der Herstellung von dreidimensionalen Formkörpern in schichtweiser Fertigung sowie derartige Formkörper. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers und die Verwendung der pulverförmigen Zusammensetzung bei der Herstellung eines Formkörpers.
  • Die schnelle und kostengünstige Bereitstellung von Prototypen und Serienbauteilen mit Verfahren des „Additive Manufacturing“ ist eine in der jüngsten Zeit häufig gestellte Aufgabe. Besonders geeignet sind Verfahren des sogenannten „Powder Bed Fusion“, die auf der Basis von pulverförmigen Werkstoffen arbeiten, und bei denen schichtweise durch selektives Aufschmelzen und zeitverzögertes Verfestigen die gewünschten Strukturen hergestellt werden. Die Verfahren sind auch für die Herstellung von Kleinserien geeignet.
  • Ein besonders gut für den Zweck des „Additive Manufacturing“ oder die Herstellung von Bauteilen in Kleinserien geeignetes Verfahren sind „Powder Bed Fusion“-Verfahren wie das „HP Multi Jet Fusion™“-Verfahren (MJF-Verfahren), das „High-Speed-Sintering“ oder das „Selective Absorption Fusion“ (SAF™-Verfahren). Bei diesen Verfahren werden Kunststoffpulver in einer Kammer selektiv mit einem flüssigen Absorber bedruckt und flächig belichtet, wodurch die mit dem Absorber bedeckten Pulver-Partikel schmelzen. Die geschmolzenen Partikel laufen ineinander und erstarren schnell wieder zu einer festen Masse. Durch wiederholtes kurzes Belichten von immer neu aufgebrachten Schichten können mit diesem Verfahren dreidimensionale Körper einfach und schnell hergestellt werden.
  • Für das High-Speed-Sintering, das „HP Multi Jet Fusion™“-Verfahren oder das „Selective Absorption Fusion“ (SAF™-Verfahren) können Kunststoffpulver aus Polyester, Polyvinylchlorid, Polyacetal, Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, Polycarbonat, Poly-(N-methylmethacrylimide) (PMMI), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyamid oder Gemische davon verwendet werden.
  • Beim Laser-Sintern (LS), einem anderen „Powder Bed Fusion“-Verfahren, wird ein Pulver in dünner Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht und mit Hilfe eines Laserstrahls entsprechend der Schichtkontur des gewünschten Bauteils in das Pulverbett geschmolzen, wobei die Bearbeitung schichtweise, in vertikaler Richtung, erfolgt.
  • Aus der EP 3 028 842 B1 sind pulverförmige Zusammensetzungen bekannt, die wenigstens ein Pulver aus einem thermoplastischem Polypropylen (PP) umfassen. Das Pulver weist einen Schmelzpunkt im Bereich von 125 bis 155 °C und einen Schmelzflussindex bei 160 °C (2,16 kg) im Bereich von 2 bis 30 g/10 min auf.
  • Ein entscheidender Parameter für die Qualität eines mittels „Powder Bed Fusion“ geformten Bauteils ist dessen Bruchdehnung. Die Bruchdehnung gibt die Verformungsfähigkeit eines Werkstoffs an. Eine zu geringe Bruchdehnung resultiert in spröden Bauteilen, die sich für viele Einsatzzwecke nicht in ausreichendem Maße eignen. Nicht alle Kunststoffpulver, die sich grundsätzlich für den Einsatz mit „Powder Bed Fusion“ eignen, ergeben Formkörper mit ausreichender Bruchdehnung.
  • Es besteht daher weiter Bedarf an Kunststoffpulvern zur Verwendung in „Powder Bed Fusion“-Verfahren wie dem Laser-Sintern, oder in flächigen Belichtungsverfahren wie dem MJF-Verfahren, dem „High-Speed-Sintering“ oder dem „Selective Absorption Fusion“, welche die Herstellung von Formteilen hoher Qualität ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die pulverförmige Zusammensetzung zur Verwendung bei der Herstellung von dreidimensionalen Formkörpern in schichtweiser Fertigung nach Anspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen pulverförmigen Zusammensetzung sind in den Unteransprüchen angegeben, die wahlweise miteinander kombiniert werden können.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers unter Verwendung der erfindungsgemäßen pulverförmigen Zusammensetzung sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen pulverförmigen Zusammensetzung bei der Herstellung eines Formkörpers.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Formkörper, hergestellt aus der erfindungsgemäßen pulverförmigen Zusammensetzung.
  • Die erfindungsgemäße pulverförmige Zusammensetzung enthält wenigstens ein Pulver aus einem Polyamid (PA) und ist dadurch gekennzeichnet, dass das PA-Pulver die folgenden Parameter aufweist:
    • eine Schmelztemperatur im Bereich von 240 bis 320 °C,
    • einen Schmelzflussindex von 700 cm3/10 min oder weniger, gemessen bei einer Temperatur von 30 bis 35 °C über der Schmelztemperatur, und
    • einen Schmelzflussindex von 300 cm3/10 min oder weniger, gemessen bei einer Temperatur von 10 bis 15 °C über der Schmelztemperatur, jeweils gemessen bei einer Prüflast von 5 kg.
  • Zudem weist die pulverförmige Zusammensetzung nach Sintern im trockenen, unkonditionierten Zustand eine Bruchdehnung von wenigstens 2,0 % auf.
  • Zuvor und im Folgenden werden der Ausdruck „Pulver aus einem Polyamid (PA)“ und „PA-Pulver“ synonym verwendet.
  • Der Schmelzflussindex ist ein Parameter zur Charakterisierung der Viskosität eines Kunststoffpulvers und wird nach ISO 1133-1 und ISO 1133-2 bestimmt, wobei das zu testende Kunststoffpulver zuvor für mindestens 24 Stunden im Ofen getrocknet wird. Die Trocknung im Ofen erfolgt bei 80 °C im Vakuum oder bei 105 °C bei Umluft. Die Messtemperatur wird jeweils an den Schmelzpunkt des zu bestimmenden Kunststoffpulvers angepasst. Der Schmelzflussindex wird als Mittelwert aus mindestens drei Einzelmessungen bestimmt. Der Schmelzflussindex ist hier als Schmelze-Volumenflussrate (englisch „Melt Volumeflow Rate“, MVR) definiert.
  • Es wurde erkannt, dass sich zur Herstellung von Formkörpern hoher Qualität in schichtweiser Fertigung pulverförmige Zusammensetzungen eignen, welche ein PA-Pulver enthalten, dessen Viskosität einem vorgegebenen Viskositätsprofil entspricht, wie es mittels der Messung des Schmelzflussindex bestimmbar ist.
  • Insbesondere ist das Viskositätsprofil in Abhängigkeit der Schmelztemperatur des PA-Pulvers definiert.
  • Die Schmelztemperatur des PA-Pulvers ist hier als die zugehörige Peak-Temperatur der DSC-Messung (DSC: Differential Scanning Calorimetry, dynamische Differenzkalorimetrie) des PA-Pulvers definiert. Die DSC-Messung erfolgt nach ISO 11357-1.
  • Durch die Begrenzung des Schmelzflussindex der PA-Pulver in den erfindungsgemäßen pulverförmigen Zusammensetzungen weisen die daraus hergestellten Bauteile eine hohe Oberflächengüte und eine gute Kantenschärfe auf. Dadurch ist eine Nachbearbeitung der Bauteile regelmäßig nicht notwendig, sodass der Aufwand und die Kosten in der Herstellung gesenkt werden können.
  • Ferner weist die erfindungsgemäße pulverförmige Zusammensetzung nach Sintern im trockenen, unkonditionierten Zustand, und somit ein aus der pulverförmigen Zusammensetzung hergestellter Formkörper bzw. hergestelltes Bauteil, eine hohe Bruchdehnung auf. Mit anderen Worten ermöglichen es die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen, durch die gezielte Begrenzung der Viskosität Bauteile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften zu erhalten.
  • Der Ausdruck „trockener, unkonditionierter Zustand“ bezeichnet hier, dass keine Wasseraufnahme nach dem Sintern der pulverförmigen Zusammensetzung stattgefunden hat. Insbesondere liegt der Anteil an Wasser im trockenen, unkonditionierten Zustand bei höchstens 0,2 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der pulverförmigen Zusammensetzung nach Sintern.
  • Der trockene, unkonditionierte Zustand kann erreicht und beibehalten werden, wenn am Ende der Herstellung des Formkörpers dieser im sogenannten Pulverkuchen unter Inertgasatmosphäre abkühlt und unmittelbar nach der Entnahme aus dem Pulverkuchen in einer luft- und feuchtedichten Verpackung eingeschweißt wird.
  • Der Begriff „Sintern“ bezeichnet die Verarbeitung der pulverförmigen Zusammensetzung in schichtweiser Fertigung, beispielsweise mittels „Powder Bed Fusion“, zu einem Formkörper, Bauteil oder Prüfkörper, wobei das PA-Pulver der pulverförmigen Zusammensetzung schichtweise durch Zuführen von Energie vollständig geschmolzen, gegebenenfalls mit einer unterliegenden Schicht verschmolzen und nach Erstarrung der Schmelze zu einem im Wesentlichen porenfreien Körper verdichtet wird.
  • Die Bruchdehnung wird nach ISO 527-1 bestimmt. Die Prüfgeschwindigkeit zur Bestimmung der Bruchdehnung beträgt 5 mm/min. Für die Bestimmung der Bruchdehnung können die benötigten Prüfkörper (auch als „Zugstäbe“ bezeichnet) direkt aus der pulverförmigen Zusammensetzung hergestellt werden, beispielsweise mittels selektivem Laser-Sintern. Die Prüfkörper sind insbesondere nach ISO 3167 Typ A bzw. ISO 527-2 Typ 1A hergestellt.
  • Der Begriff „Bruchdehnung“ bezeichnet die Bruchdehnung in der Bauebene der aus der pulverförmigen Zusammensetzung hergestellten Formkörper bzw. Bauteile (auch als „Bruchdehnung in x“ bezeichnet). Für die Bruchdehnung in Aufbaurichtung wird der Ausdruck „Bruchdehnung in z“ verwendet.
  • PA-Pulver
  • Polyamide sind Polymere, die entlang ihrer Hauptkette sich regelmäßig wiederholende Amidbindungen aufweisen. Die Amidgruppe ist eine Amidbindung, die sich aus einer Carbonsäure und einem Amin ableitet. Polyamide sind synthetisierte, technisch verwendbare thermoplastische Kunststoffe. Sie können sich aus primären oder sekundären Aminen ableiten. Als Monomere für die Polyamide können beispielsweise Aminocarbonsäuren, Lactame, Polyethylenglykole und/oder Diamine und Dicarbonsäuren verwendet werden.
  • Grundsätzlich eignen sich alle Polyamide für die erfindungsgemäße pulverförmige Zusammensetzung, die eine Schmelztemperatur von 240 bis 320 °C haben, das erforderliche Viskositätsprofil besitzen und nach Sintern eine ausreichend hohe Bruchdehnung sowie insbesondere weitere angestrebte Eigenschaften aufweisen, beispielsweise ein gewünschtes E-Modul und/oder eine gewünschte Festigkeit.
  • Das Polyamid kann ein erstes Polyamid (A) umfassen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PA4.6, PA4.10, PA5.6, PA6.6, PA66.6, PA6I.6T, PA6-3-T, PA6T, PA6T.6, PA9T, PA12T, Copolymeren und Mischungen davon.
  • Insbesondere ist das erste Polyamid (A) ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PA4.6, PA4.10, PA5.6, PA6.6, Copolymeren und Mischungen davon.
  • In einer bevorzugten Variante besteht das Polyamid aus dem ersten Polyamid (A).
  • In einer weiteren Variante ist das Polyamid ein Copolymer oder eine Mischung aus dem ersten Polyamid (A) und einem zweiten Polyamid (B), wobei das erste Polyamid (A) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PA4.6, PA4.10, PA5.6, PA6.6, PA66.6, PA6I.6T, PA6-3-T, PA6T, PA6T.6, PA9T, PA12T, Copolymeren und Mischungen davon und das zweite Polyamid (B) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PA5.9, PA5.10, PA5.11, PA5.12, PA5.13, PA5.14, PA6, PA6.66, PA6.9, PA6.10, PA6.12, PA10.9, PA10.10, PA10.12, PA10.13, PA12.9, Copolymeren und Mischungen davon.
  • Insbesondere ist das Polyamid in dieser Variante ein Copolymer oder eine Mischung aus dem ersten Polyamid (A) und dem zweiten Polyamid (B), wobei das erste Polyamid (A) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PA4.6, PA4.10, PA5.6, PA6.6, Copolymeren und Mischungen davon und das zweite Polyamid (B) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PA5.9, PA5.10, PA5.11, PA5.12, PA5.13, PA5.14, PA6, PA6.66, PA6.9, PA6.10, PA6.12, PA10.9, PA10.10, PA10.12, PA10.13, PA12.9, Copolymeren und Mischungen davon.
  • Ist das Polyamid ein Copolymer aus einem ersten Polyamid (A) und einem zweiten Polyamid (B), stellt das erste Polyamid (A) die Hauptkomponente im Copolymer dar.
  • Die verwendeten Bezeichnungen der Polyamide folgen der im Stand der Technik üblichen Notation zur Benennung von Polyamiden. In Tabelle 1 ist eine Übersicht über ausgewählte Polyamide und die zur Synthese benötigten Monomere angeführt. Tabelle 1: Übersicht über Polyamid-Typen.
    Polyamid Monomere
    PA4.6 Tetramethylendiamin und Adipinsäure
    PA4.10 Tetramethylendiamin und 1,10-Decandisäure
    PA5.6 Pentamethylendiamin und Adipinsäure
    PA5.9 Pentamethylendiamin und Azealinsäure
    PA5.10 Pentamethylendiamin und 1,10-Decandisäure
    PA5.11 Pentamethylendiamin und Aminoundecansäure
    PA5.12 Pentamethylendiamin und Dodecansäure
    PA5.13 Pentamethylendiamin und Brassylsäure
    PA5.14 Pentamethylendiamin und Tetradecansäure
    PA6 ε-Caprolactam
    PA6.6 Hexamethylendiamin und Adipinsäure
    PA6.9 Hexamethylendiamin und Azealinsäure
    PA6.10 Hexamethylendiamin und 1,10-Decandisäure
    PA6.12 Hexamethylendiamin und Dodecansäure
    PA66.6 Adipinsäure, ε-Caprolactam und Hexamethylendiamin
    PA6I.6T Hexamethylendiamin und Isophthalsäure/ Hexamethylendiamin und Terephthalsäure
    PA6-3-T Trimethylhexamethylendiamin und Terephthalsäure
    PA6T Hexamethylendiamin und Terephthalsäure
    PA6T.6 Hexamethylendiamin, Terephthalsäure und ε-Caprolactam
    PA9T Nonyldiamin und Terephthalsäure
    PA10.9 1,10-Decamethylendiamin und Azealinsäure
    PA10.10 1,10-Decamethylendiamin und 1,10-Decandisäure
    PA10.12 1,10-Decamethylendiamin und Dodecansäure
    PA10.13 1,10-Decamethylendiamin und Brassylsäure
    PA12.9 1,12-Dodecandisäure und Azealinsäure
    PA12T 1,12-Dodecandisäure und Terephthalsäure
  • Bevorzugt ist das erste Polyamid (A) PA6.6, ein PA6.6-Copolymer oder eine Mischung von PA6.6 mit einem PA6.6-Copolymer.
  • Besonders bevorzugt ist das erste Polyamid (A) PA6.6.
  • In der pulverförmigen Zusammensetzung liegt das PA-Pulver vorzugsweise in einem Anteil von mindestens 55 Gewichtsprozent vor, bezogen auf das Gesamtgewicht der pulverförmigen Zusammensetzung, bevorzugt in einem Anteil von mindestens 60 Gewichtsprozent.
  • Die pulverförmige Zusammensetzung kann aus dem PA-Pulver bestehen.
  • In einer Variante weist das PA-Pulver einen Schmelzflussindex von 500 cm3/10 min oder weniger, gemessen bei einer Temperatur von 30 bis 35 °C über dem Schmelzpunkt, und von 250 cm3/10 min oder weniger, gemessen bei einer Temperatur von 10 bis 15 °C über dem Schmelzpunkt auf, jeweils gemessen bei einer Prüflast von 5 kg.
  • In diesem Fall ist das erste Polyamid (A) insbesondere PA6.6, ein PA6.6-Copolymer oder eine Mischung von PA6.6 mit einem PA6.6-Copolymer.
  • Das Polyamid kann eine Viskositätszahl im Bereich von 125 bis 450 mL/g aufweisen, gemessen nach ISO 307. Zum Bestimmen der Viskositätszahl wird eine Lösung des Polyamids in 96%iger Schwefelsäure (w/w) genutzt, wobei das Polyamid in einer Konzentration von 0,005 g/mL eingesetzt wird. Die Messung erfolgt bei 25 °C.
  • Eigenschaften der pulverförmigen Zusammensetzung
  • Die nachfolgenden Eigenschaftsprofile der pulverförmigen Zusammensetzung beziehen sich jeweils auf die pulverförmige Zusammensetzung vor der Zugabe von Füllstoffen, sofern nicht anders angegeben.
  • Die erfindungsgemäße pulverförmige Zusammensetzung weist nach Sintern im trockenen, unkonditionierten Zustand eine Bruchdehnung von wenigstens 2,0 % auf. Insbesondere weist die pulverförmige Zusammensetzung nach Sintern eine Bruchdehnung im Bereich von 2,0 bis 100 % auf, bevorzugt von 2,0 bis 20 %, besonders bevorzugt von 4,0 bis 15 %.
  • Um weiter verbesserte mechanische Eigenschaften zu ermöglichen, kann die pulverförmige Zusammensetzung nach Sintern im trockenen, unkonditionierten Zustand ein E-Modul von 2000 MPa oder mehr aufweisen, insbesondere ein E-Modul im Bereich von 2500 bis 4000 MPa, bestimmt nach ISO 527-1.
  • Zudem kann die pulverförmige Zusammensetzung nach Sintern im trockenen, unkonditionierten Zustand eine Festigkeit im Bereich von 50 bis 85 MPa aufweisen, bestimmt nach ISO 527-1.
  • Für die Bestimmung des E-Moduls sowie der Festigkeit kommen insbesondere die gleichen Prüfkörper nach ISO 3167 (Typ A) bzw. ISO 527-2 Typ 1A wie für die Bestimmung der Bruchdehnung zum Einsatz.
  • Ferner kann die pulverförmige Zusammensetzung eine Teilchengröße im Bereich von 0,1 bis 200 µm aufweisen, bevorzugt von 0,1 bis 125 µm. Die Teilchengröße kann durch Siebanalyse gemäß DIN 66165-1 und DIN 66165-2 bestimmt werden, bevorzugt unter Verwendung eines Luftstrahlsiebes.
  • Die mittlere Teilchengröße D50 der pulverförmigen Zusammensetzung liegt insbesondere im Bereich von 30 bis 100 µm, bevorzugt von 40 bis 90 µm. Unter der mittleren Teilchengröße D50 wird hier der volumenbezogene Median der Partikelgrößenverteilung verstanden, wie er mittels dynamischer Bildanalyse gemäß ISO 13322-2 bestimmt werden kann.
  • Die Schüttdichte der pulverförmigen Zusammensetzung beträgt insbesondere mindestens 330 g/L, bevorzugt beträgt die Schüttdichte 350 bis 750 g/L. Die Schüttdichte wird erfindungsgemäß gemessen nach DIN EN ISO 60.
  • Durch die Verwendung einer pulverförmigen Zusammensetzung mit einer hohen Schüttdichte können im Vergleich zu bekannten Kunststoffpulvern dichtere Formkörper nach dem Sintern erhalten werden, wodurch das Erreichen einer hohen Bruchdehnung gefördert werden kann. Zudem führt eine höhere Schüttdichte zu verbesserter Rieselfähigkeit und einer verbesserten Dosierbarkeit, wodurch sich die Verarbeitung der pulverförmigen Zusammensetzung vereinfacht.
  • Die pulverförmige Zusammensetzung kann durch Kaltmahlen eines thermoplastischen Polyamids (PA) unter Bildung eines gemahlenen PA-Pulvers und Sieben des gemahlenen PA-Pulvers unter Abtrennung einer Siebfraktion des PA-Pulvers hergestellt sein.
  • Dazu kann ein gegossener Polyamidblock oder ein Polyamidgranulat mit flüssigem Stickstoff abgekühlt und mittels einer Mühle zu feinem, pulverförmigen Material vermahlen werden. Durch Aussieben des pulverförmigen Materials nach dem Mahlen wird eine Siebfraktion des PA-Pulvers mit einer gewünschten Korngrößenverteilung erhalten.
  • Weitere Bestandteile der pulverförmigen Zusammensetzung
  • Zusätzlich zum PA-Pulver kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung eine oder mehrere der folgenden Komponenten enthalten.
  • Die pulverförmige Zusammensetzung kann ein Antioxidans enthalten, insbesondere in einem Anteil von 0,05 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der pulverförmigen Zusammensetzung. Das Antioxidans kann einen Abbau der Polymerketten des Polyamids während der Verarbeitung und/oder Lagerung wenigstens teilweise verhindern und auf diese Weise die mechanischen Eigenschaften eines aus der pulverförmigen Zusammensetzung hergestellten Formkörpers verbessern. Das Antioxidans kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus aromatischen Aminen, Phenolen, Polyphenolen, aliphatischen Kohlenwasserstoffen mit zwei oder mehr Hydroxygruppen, Alkalibromiden, Phosphorsäuren sowie phosphorigen Säuren einschließlich ihrer Ester und Salze, Kupferkomplexen sowie andere Kupferverbindungen und Kombinationen davon.
  • Des Weiteren kann die pulverförmige Zusammensetzung ein Fließhilfsmittel umfassen, insbesondere in einem Anteil von 0,01 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der pulverförmigen Zusammensetzung. Als Fließhilfsmittel kann beispielsweise eine gefällte oder pyrogene Kieselsäure, Ruß, ein Aluminiumoxid, ein Aluminiumsilikat und/oder andere Metalloxide eingesetzt werden.
  • Um die Verarbeitung der pulverförmigen Zusammensetzung zu fördern, kann die pulverförmige Zusammensetzung ein Gleitmittel aufweisen, insbesondere in einem Anteil von 0,05 bis 15 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der pulverförmigen Zusammensetzung. Als Gleitmittel können Polyolefinwachse, Metallseifen, Metallstearate, insbesondere Erdalkalistearate, esterhaltige Komplexverbindungen, Fettsäureester und/oder Fettsäuren mit linearen Kohlenstoffketten zum Einsatz kommen.
  • In einer Variante umfasst die pulverförmige Zusammensetzung einen Farbstoff, insbesondere in einem Anteil von 0,05 bis 5 Gewichtsprozent. Bei der Verarbeitung von Polyamid-basierten Zusammensetzungen können, insbesondere bei den für die Verarbeitung benötigten Temperaturen, bräunliche Verfärbungen auftreten, die mit Hilfe des zugesetzten Farbstoffs wenigstens teilweise ausgeglichen werden können. Als Farbstoff kann beispielsweise Titandioxid, Ruß und/oder Nigrosin zum Einsatz kommen.
  • Ferner kann die pulverförmige Zusammensetzung ein Flammschutzmittel umfassen, insbesondere in einem Anteil von 0 bis 40 Gewichtsprozent. Das Flammschutzmittel ist bevorzugt halogenfrei. Insbesondere können Phosphinate, Melamin und/oder Melamincyanurat als Flammschutzmittel verwendet werden.
  • Zudem kann die pulverförmige Zusammensetzung noch einen oder mehrere übliche Füllstoffe enthalten, insbesondere in einem Anteil von 0 bis 40 Gewichtsprozent. Als Füllstoff können beispielsweise Glaskugeln, Glasfasern, Kohlefasern, Wollastonit, Kaolin, Keramik oder Kombinationen davon verwendet werden.
  • Werden sowohl Flammschutzmittel als auch Füllstoffe in der pulverförmigen Zusammensetzung eingesetzt, haben diese zusammen insbesondere einen Anteil im Bereich von 0 bis 60 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der pulverförmigen Zusammensetzung.
  • Die zusätzlichen Komponenten können in die pulverförmige Zusammensetzung zugemischt oder eincompoundiert sein. Antioxidantien und Gleitmittel sind bevorzugt eincompoundiert.
  • Um eine möglichst homogene pulverförmige Zusammensetzung zu erhalten, kann die Korngröße der zuvor beschriebenen weiteren Komponenten vorzugsweise im Bereich der Korngröße des PA-Pulvers liegen.
  • In einer Variante besteht die erfindungsgemäße Zusammensetzung aus dem PA-Pulver und einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Komponenten.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen pulverförmigen Zusammensetzungen beschrieben.
  • Pulverförmige Zusammensetzungen mit PA 6.6
  • In einer bevorzugten Variante ist das erste Polyamid (A) PA6.6. Insbesondere besteht in dieser Variante das PA-Pulver aus dem ersten Polyamid (A).
  • Das PA-Pulver aus PA6.6 hat insbesondere eine Schmelztemperatur im Bereich von 240 bis 280 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 260 bis 265 °C.
  • Ferner weist das PA-Pulver aus PA6.6 insbesondere einen Schmelzflussindex von 700 cm3/10 min oder weniger, bevorzugt von 500 cm3/10 min oder weniger und besonders bevorzugt von 370 cm3/10 min oder weniger auf, gemessen bei einer Temperatur von 30 bis 35 °C über dem Schmelzpunkt und bei einer Prüflast von 5 kg.
  • Zudem weist das PA-Pulver aus PA6.6 insbesondere einen Schmelzflussindex von 300 cm3/10 min oder weniger, bevorzugt von 250 cm3/10 min oder weniger und besonders bevorzugt von 180 cm3/10 min oder weniger auf, gemessen bei einer Temperatur von 10 bis 15 °C über dem Schmelzpunkt und bei einer Prüflast von 5 kg.
  • Das PA-Pulver aus PA6.6 weist insbesondere eine Viskositätszahl im Bereich von 120 bis 450 mL/g auf, bevorzugt im Bereich 130 bis 440 mL/g.
  • Die erfindungsgemäße pulverförmige Zusammensetzung mit einem PA-Pulver aus PA6.6 weist nach Sintern insbesondere eine Bruchdehnung im Bereich von 2,0 bis 20 % auf, bevorzugt im Bereich von 4,0 bis 15%.
  • Zudem weist die pulverförmige Zusammensetzung mit einem PA-Pulver aus PA6.6 nach Sintern insbesondere eine Festigkeit im Bereich von 50 bis 85 MPa auf, bevorzugt von 65 bis 85 MPa.
  • Die pulverförmige Zusammensetzung mit einem PA-Pulver aus PA6.6 weist nach Sintern insbesondere ein E-Modul im Bereich von 2000 bis 4000 MPa auf, bevorzugt im Bereich von 2500 bis 3500 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 2700 bis 3300 MPa.
  • Die Schüttdichte der pulverförmigen Zusammensetzung mit einem PA-Pulver aus PA6.6 beträgt insbesondere mindestens 375 g/L, bevorzugt beträgt die Schüttdichte von 400 bis 520 g/L, besonders bevorzugt beträgt die Schüttdichte von 450 bis 500 g/L.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, das auf der Basis von pulverförmigen Werkstoffen unter Verwendung einer pulverförmigen Zusammensetzung der zuvor beschriebenen Art arbeitet, und bei dem schichtweise durch selektives Sintern oder Schmelzen die gewünschten Strukturen hergestellt werden.
  • Insbesondere wird der Formkörper innerhalb eines Bauraumes hergestellt, der bevorzugt eine Atmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von 1,0 Volumenprozent oder weniger aufweist.
  • Ebenso ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung einer pulverförmigen Zusammensetzung der zuvor beschriebenen Art bei der Herstellung eines Formkörpers, der schichtweise oder durch additives Hinzufügen durch selektives Sintern oder Schmelzen erstellt wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung Formkörper, hergestellt durch Laser-Sintern, „High-Speed-Sintering“, „Multi-Jet Fusion“, „Selective Absorption Fusion“ oder einem anderen „Powder Bed Fusion“-Verfahren, durch ein „Selective Thermoplastic Electrophotographic Process“-Verfahren oder durch ein anderes „Additive Manufacturing“-Verfahren aus einer pulverförmigen Zusammensetzung der zuvor beschriebenen Art.
  • Die erfindungsgemäßen Formkörper weisen insbesondere die mechanischen Eigenschaften auf, die zuvor für die pulverförmige Zusammensetzung nach Sintern im trockenen, unkonditionierten Zustand beschrieben wurden.
  • Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen.
  • Zuvor und im Folgenden bezeichnet die Abkürzung „MVR (x °C)“ den Schmelzflussindex in cm3/10 min, gemessen bei einer Temperatur von x °C, mit einer Prüflast von 5 kg und bestimmt nach ISO 1133-1 und ISO 1133-2.
  • Der angegebene Werte der Bruchdehnung bezieht sich im Folgenden auf einen aus derjeweiligen pulverförmigen Zusammensetzung nach ISO 3167 hergestellten Zugstab (Prüfkörper), bestimmt nach ISO 527-1.
  • Die Viskositätszahl ist bestimmt nach ISO 307.
  • PA6.6
  • Tabelle 2: Übersicht pulverförmige Zusammensetzungen mit PA6.6.
    Beispiel Polyamid Schmelztemperatur in °C Viskositätszahl in mL/g Weitere Komponente
    1.1* PA6.6 263 n.b.
    1.21 PA6.6 262 150
    1.32 PA6.6 262 150
    1.41 PA6.6 262 150 Antioxidans
    1.52 PA6.6 262 150 Antioxidans
    1.61 PA6.6 263 n.b.
    1.72 PA6.6 263 n.b.
    1.81 PA6.6 263 n.b. Antioxidans
    1.92 PA6.6 263 n.b. Antioxidans

    *: nicht erfindungsgemäß
    1: unter Stickstoff getrocknet
    2: im Vakuum getrocknet
    n.b.: nicht bestimmt Tabelle 3: Eigenschaften der pulverförmigen Zusammensetzungen aus Tabelle 2.
    Beispiel MVR (275 °C) MVR (295 °C) Bruchdehnung
    1.1* 319 1281 n.b.
    1.21 176 307 2 - 4%
    1.32 163 369 2 - 4%
    1.41 46 119 4,5 - 15%
    1.52 58 161 4,5 - 15%
    1.61 54 138 2 - 6,5%
    1.72 54 136 2 - 6,5%
    1.81 28 60 4 - 7%
    1.92 41 126 4 - 7%

    *: nicht erfindungsgemäß
    1: unter Stickstoff getrocknet
    2: im Vakuum getrocknet
    n.b.: nicht bestimmt
  • Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, sind aus pulverförmigen Zusammensetzungen mit einem PA-Pulver aus PA6.6 Prüfkörper mit hohen Bruchdehnungswerten erhältlich.
  • Das E-Modul der erhaltenen Prüfkörper in den Beispielen 1.2 bis 1.9 lag im Bereich von 2600 bis 3400 MPa. Die Festigkeit der erhaltenen Prüfkörper lag im Bereich von 50 bis 85 MPa. Die Bruchdehnung sowie die Festigkeit kann durch Zugabe des Antioxidans erhöht werden.
  • Die Schüttdichte der pulverförmigen Zusammensetzungen der Beispiele 1.2 bis 1.9 lag im Bereich von 450 bis 500 g/L.

Claims (11)

  1. Pulverförmige Zusammensetzung zur Verwendung bei der Herstellung von dreidimensionalen Formkörpern in schichtweiser Fertigung, wobei die pulverförmige Zusammensetzung wenigstens ein Pulver aus einem Polyamid (PA) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das PA-Pulver die folgenden Parameter aufweist: eine Schmelztemperatur im Bereich von 240 bis 320 °C, einen Schmelzflussindex von 700 cm3/10 min oder weniger, gemessen bei einer Temperatur von 30 bis 35 °C über der Schmelztemperatur, und einen Schmelzflussindex von 300 cm3/10 min oder weniger, gemessen bei einer Temperatur von 10 bis 15 °C über der Schmelztemperatur, jeweils gemessen bei einer Prüflast von 5 kg, und dass die pulverförmige Zusammensetzung nach Sintern im trockenen, unkonditionierten Zustand eine Bruchdehnung von wenigstens 2,0 % aufweist.
  2. Pulverförmige Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyamid ein erstes Polyamid (A) umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PA4.6, PA4.10, PA5.6, PA6.6, PA66.6, PA6I.6T, PA6-3-T, PA6T, PA6T.6, PA9T, PA12T, Copolymeren und Mischungen davon, insbesondere aus der Gruppe bestehend aus PA4.6, PA4.10, PA5.6, PA6.6, Copolymeren und Mischungen davon, bevorzugt dass das Polyamid PA6.6, ein PA6.6-Copolymer oder eine Mischung von PA6.6 mit einem PA6.6-Copolymer ist, besonders bevorzugt dass das Polyamid PA6.6 ist.
  3. Pulverförmige Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyamid ein Copolymer oder eine Mischung aus dem ersten Polyamid (A) und einem zweiten Polyamid (B) ist, wobei das zweite Polyamid (B) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PA5.9, PA5.10, PA5.11, PA5.12, PA5.13, PA5.14, PA6, PA6.66, PA6.9, PA6.10, PA6.12, PA10.9, PA10.10, PA10.12, PA10.13, PA12.9, Copolymeren und Mischungen davon.
  4. Pulverförmige Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das PA-Pulver einen Schmelzflussindex von 500 cm3/10 min oder weniger, gemessen bei einer Temperatur von 30 bis 35 °C über dem Schmelzpunkt, und von 250 cm3/10 min oder weniger, gemessen bei einer Temperatur von 10 bis 15 °C über dem Schmelzpunkt, jeweils gemessen bei einer Prüflast von 5 kg, aufweist.
  5. Pulverförmige Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmige Zusammensetzung nach Sintern im trockenen, unkonditionierten Zustand eine Bruchdehnung im Bereich von 2,0 bis 20 % aufweist.
  6. Pulverförmige Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmige Zusammensetzung einen oder mehrere der folgenden Parameter aufweist: eine Teilchengröße im Bereich von 0,1 bis 200 µm, bevorzugt von 0,1 bis 125 µm, eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 30 bis 100 µm, bevorzugt von 40 bis 90 µm, eine Schüttdichte von mindestens 330 g/L, bevorzugt eine Schüttdichte im Bereich von 350 bis 750 g/L.
  7. Pulverförmige Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PA-Pulver in einem Anteil von mindestens 55 Gewichtsprozent vorliegt, bezogen auf das Gesamtgewicht der pulverförmigen Zusammensetzung, bevorzugt in einem Anteil von mindestens 60 Gewichtsprozent.
  8. Pulverförmige Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmige Zusammensetzung eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst: ein Antioxidans, insbesondere in einem Anteil von 0,05 bis 10 Gewichtsprozent, ein Fließhilfsmittel, insbesondere in einem Anteil von 0,01 bis 10 Gewichtsprozent, ein Gleitmittel, insbesondere in einem Anteil von 0,05 bis 15 Gewichtsprozent, einen Farbstoff, insbesondere in einem Anteil von 0,05 bis 5 Gewichtsprozent, einen Füllstoff, insbesondere in einem Anteil von 0 bis 40 Gewichtsprozent, ein Flammschutzmittel, insbesondere in einem Anteil von 0 bis 40 Gewichtsprozent, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der pulverförmigen Zusammensetzung.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, das auf der Basis von pulverförmigen Werkstoffen unter Verwendung einer pulverförmigen Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche arbeitet, und bei dem schichtweise durch selektives Sintern oder Schmelzen der Formkörper mit einer vorbestimmten Struktur hergestellt wird.
  10. Verwendung einer pulverförmigen Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 bei der Herstellung eines Formkörpers, der schichtweise oder durch additives Hinzufügen durch selektives Sintern oder Schmelzen erstellt wird.
  11. Formkörper, hergestellt durch selektives Sintern, insbesondere Laser-Sintern, High-Speed-Sintering, Multi-Jet Fusion oder einem anderen „Powder Bed Fusion“-Verfahren, durch ein „Selective Thermoplastic Electrophotographic Process“-Verfahren oder durch ein anderes „Additive Manufacturing“-Verfahren unter Verwendung einer pulverförmigen Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
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