DE102021130142A1

DE102021130142A1 - Verfahren zum Einbringen von Objekten in additiv gefertigte Formteile

Info

Publication number: DE102021130142A1
Application number: DE102021130142.4A
Authority: DE
Inventors: Alena Folger; Alisa Rosenfeld
Original assignee: Dyemansion GmbH
Current assignee: Dyemansion GmbH
Priority date: 2021-11-18
Filing date: 2021-11-18
Publication date: 2023-05-25
Also published as: WO2023088836A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines additiv gefertigten Formteils und ein Produkt, umfassend ein Formteil, welches mittels additiver Fertigung erstellt wurde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines additiv gefertigten Formteils und ein Produkt, umfassend ein Formteil, welches mittels additiver Fertigung erstellt wurde.
Es ist bekannt, dass Formteile aus einem Polymer bzw. einem thermoplastischen Polymer mit unterschiedlichen Drucktechnologien hergestellt werden können. Industriell ist vor allem das selektive Lasersintern (SLS) eine verbreitete Methode. Das punktuelle und rasterartige Sintern des Pulvers mit einem oder mehreren Lasern hat meist lange Prozesszeiten zur Folge. Zur Verkürzung der Prozesszeit sind inzwischen mehrere Methoden entwickelt worden. Hier sind insbesondere auf Infrarotstrahlung basierte Verfahren, wie z.B. die Multi-Jet Fusion (MJF) Technologie, das High Speed Sintern (HSS) und das Selective Absorption Fusion (SAF)-Verfahren zu nennen. Die ebenfalls stark beschleunigte Laser-Pro-Fusion Technologie basiert auf Lasern statt Infrarotstrahlung. Weitere Druckverfahren zum Herstellen von Formteilen basieren beispielsweise auf Extrudierverfahren, wie die Fast-Filament-Fabrication (FFF), Fused-Deposition-Molding (FDM) und Fused Granular Fabrication (FGF) Methoden.
Im weiteren Verarbeitungsschritt können die additiv gefertigten Formtteile bearbeitet werden, indem sie mit dem weiteren Körper verbunden werden.
Die GB 2577772 B beschreibt das Bearbeiten eines additiv gefertigten Formteils mittels Einbringung von mikroskopischen Partikeln, insbesondere Farbpartikeln und magnetische Partikeln. Generell müssen die Partikeln in dem Trägergas suspendierbar sein, was deren Größe beschränkt. Das Bearbeiten eines additiv gefertigten Formteils mittels makroskopischer Werkstücke ist mit diesem Verfahren unmöglich, ebenso wie das Bearbeiten eines additiv gefertigten Formteils mittels mikroskopischer Partikeln, in dem die Partikeln im Voraus ohne Zuhilfenahme des Trägergases auf das Formteil aufgebracht wurden.
Die in additiven Fertigungsverfahren erhaltenen Formteile können beispielsweise mit anderen makroskopischen Werkstücken verbunden werden, um ein gewünschtes Endprodukt zu generieren. Dabei stellt die Verbindung zwischen diesen zwei verschiedenartigen Formteilen eine spezifische Anforderung an die gewünschte Verwendung dar. So können beispielsweise die beiden Formteile mittels eines Klebstoffes verbunden werden. Ebenfalls ist es möglich, eines der Formteile zu schmelzen, um es an das andere entsprechend anzubringen. Auch die Verbindung mittels eines Fügeverfahrens unter Verwendung eines Befestigungsmittels, beispielsweise ein Faden beim Nähen, kann die entsprechenden Formteile miteinander verbinden.
Je nach Beschaffenheit der Oberflächen bzw. der Anwendungsgebiete haben die entsprechenden Verbindungsebenen unterschiedliche physikalische Ausgestaltungen. So kann beispielsweise eine glatte Oberfläche schlecht zu kleben sein oder eine Verbindung, die mittels eines Fügeverfahrens erhalten wurde, luft- oder wasserdurchlässig sein.
Insbesondere ist der Nachteil bei den Fügeverfahren, dass das entsprechende Befestigungsmittel innerhalb der unterschiedlichen Formteile nicht fest fixiert vorliegt. Diese Problematik tritt beispielsweise auf, wenn ein Schuhwerk hergestellt werden soll, bei dem ein sogenannter Upper und die Sohle unabhängig voneinander hergestellt werden. Dabei werden Sohlen oft beispielsweise mittels Injection Molding, Blow Molding, Compression Molding, Rotational Molding oder dem Additive Manufacturing hergestellt. Die Upper werden oft mittels Stricken, Flechten, Häkeln, Weben hergestellt. Die Verbindung von Sohle und Upper muss dabei stabil sein. Eine Verbindung mittels Nähen hat die Nachteile, dass durch die entstandenen Löcher die Wasserabweisung schlecht ist.
Um die Sohle und den Upper stabil miteinander zu verbinden, gibt es verschiedene Möglichkeiten, z.B. Verkleben, Verschmelzen, Stitching (durch bereits vorhandene Ösen) oder Nähen.
Die US 2018/0271211 A1 beschreibt Zwischensohlen für Schuhwerkartikel, bei denen eine additive Fertigung eingesetzt wird und die Schuhbestandteile durch Kleben oder Anlösen mit Lösungsmittel und Aufbringen eines weiteren Schuhbestandteils hergestellt werden.
Wird die Sohle durch additive Fertigungsverfahren, insbesondere durch Pulverbettverfahren, hergestellt, so ist sie produktionsbedingt porös und rau und muss vor der Weiterverarbeitung und vor dem eigentlichen Gebrauch (chemisch) geglättet werden (z.B. vor Verbindung mit dem Upper, weil sonst der Upper beim Glättungsprozess beschädigt werden könnte), da nur glatte Oberflächen schmutzabweisend sind. Es ist allerdings bekannt, dass die Glättung aber das Verkleben an der Sohle erschwert, da die Glättung die Oberflächenenergie der Sohle senkt, und die Adhäsive somit schlechter haften.
Alternativ könnte man die Sohle und den Upper miteinander verschmelzen. Allerdings kann durch die thermische Energie das Formteil (Upper oder Sohle) beschädigt, verzogen oder deformiert werden.
Wird die geglättete Sohle beim Nähen perforiert, so wird dadurch naturgemäß die Oberfläche beschädigt und die schmutzabweisenden Eigenschaften vermindert, da die Sohle im Inneren immer noch porös ist. Wird dagegen durch die bereits vorhandene Öse/Masche gestitcht, so hat das die erhöhte Wasserdurchlässigkeit zum Nachteil. In beiden Fällen wird der Faden im Sohlenmaterial nicht fixiert und ist relativ frei beweglich. Zerreißt der Faden, so lockert sich die Verbindung zwischen der Sohle und dem Upper.
Aufgrund dessen besteht die Notwendigkeit ein Verfahren bereitzustellen, in dem zwei unterschiedliche Formteile miteinander fest verbunden werden können, ohne die Oberfläche zu beschädigen und vorteilhafterweise wasserabweisende Eigenschaften erhalten bleiben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale in den abhängigen Ansprüchen definieren besondere Ausführungsformen.
Daher betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Behandeln eines Formteils, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Formteils, welches mittels additiver Fertigung erstellt wurde, umfassend mindestens ein Polymer K,
b) Inkontaktbringen des Formteils mit mindestens einem Werkstück durch (i) Einbringen mindestens eines Bereichs des Werkstückes in das Formteil, wobei sich mindestens ein Bereich des Werkstückes aus einer Oberfläche des Formteils heraus erstreckt, und/oder (ii) Aufbringen mindestens eines Bereichs des Werkstückes auf die Oberfläche des Formteils, und
c) Mindestens einmalige Kontaktierung des Formteils mit mindestens einem Lösungsmittel A.

Die Schritte a), b) und c) werden hintereinander ausgeführt.
Die beschriebenen Formteile aus Schritt a) sind bevorzugt aus mindestens einem Polymer K oder zwei Polymeren K aufgebaut.
Daher ist das Polymer K vorzugweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus thermoplastischen Elastomeren, thermoplastischen Elastomeren auf Urethan-Basis, thermoplastischen Polyamidelastomeren, thermoplastischen Copolyesterelastomeren, thermoplastischen Elastomeren auf Olefin-Basis, thermoplastischen Styrol-Blockcopolymeren, Polyoxymethylenen, Polyethylenterephthalaten, Polyethylenterephthalat-Glycolen, Polyetherblockamiden, Polyethylenfuranoaten, Polyurethanen, Acryl-Nitril-Butadien-Styrolen, thermoplastischen Polyamiden, Photopolymeren, Triblock-Polymeren aus Polystyrol und Poly(ethylenoxid)-Blöcken, Polyamiden, Polyestern, Polyolefinen, Polyacrylaten, Polyvinylaminen, Polyacrylamiden, Polymethyl(meth)acrylaten, Polyethern, Polycarbonaten, Polylactiden, Polyethersulfonen, Polysulfonen, Polyphenylsulfonen, Polyimiden, Polyetherimiden, Polyketonen, Polyetherketonen, Styrolpolymeren, Styrolblockpolymeren, Acrylnitrilstyrolacrylaten, oder Copolymeren, Blends oder Mischungen der genannten Polymerarten.
Ein Bereitstellen eines Formteils bedeutet vorzugsweise im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass ein fertiges Formteil in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird.
Vor der Behandlung eines in einem 3D-Druckverfahren hergestellten Formteils im erfindungsgemäßen Verfahren kann das Formteil mechanisch aufbereitet werden, etwa gestrahlt werden, um beispielsweise überschüssiges Pulver zu entfernen. Zudem können die Formteile vor oder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Kunststoffkugeln gestrahlt werden, um dadurch ein Verdichten der Oberfläche zu erreichen. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Kunststoffkugeln einen geringeren Härtegrad aufweisen als das Material des Formteils - dadurch wird ein Verdichten der Oberfläche gewährleistet, ohne dass die Oberfläche beschädigt wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung können die Formteile vor oder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefärbt werden und/oder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren imprägniert oder lackiert werden. Optional kann die Oberfläche des Formteils vor dem erfindungsgemäßen Verfahren mechanisch bearbeitet werden, insbesondere geschliffen oder gestrahlt werden. Optional, aber dennoch vorteilhaft ist es, wenn - das Formteil vor dem Schritt (a) oder nach dem Schritt (c) gefärbt wird, und/oder das Formteil vor dem Schritt (a) von Restpulver befreit wird, sofern das Formteil in einem pulverbasierten Verfahren gedruckt wurde, und/oder das Formteil nach dem Schritt (c) mechanisch oder chemisch mattiert wird, insbesondere mittels Strahlen der Oberfläche, und/oder geschliffen wird, und/oder das Formteil nach dem Schritt (c) imprägniert und/oder lackiert wird, und/oder die Oberfläche des Formteils vor dem Schritt (a) oder nach dem Schritt (c) verdichtet wird, insbesondere mittels Strahlen der Oberfläche mit Kunststoffkugeln, und/oder das Formteil nach dem Schritt (c) in einem Ofen oder einem Vakuumofen ausgeheizt wird, und/oder das Formteil vor dem Schritt (a) oder nach dem Schritt (c) in einem Reinigungsbad bei einer vorbestimmten Temperatur gereinigt wird, und/oder die Oberfläche des Formteils vor dem Schritt (a) oder nach dem Schritt (c) geglättet wird, insbesondere mittels Schleifen. Erfindungsgemäß können die optionalen Vor- und Nachbehandlungsschritte in beliebiger Reihenfolge kombiniert werden.
Versuche haben gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelte Oberflächen erzeugt werden können, die sich von Oberflächen von Formteilen, die im Spritzgussverfahren hergestellt wurden, praktisch nicht unterscheiden. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch das erfindungsgemäße Behandeln der Formteile diese eine hochgradig homogene Oberfläche aufweisen, die besonders dann vorteilhaft ist, wenn die Formteile anschließend gefärbt werden. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte homogene Oberfläche der Formteile führt dazu, dass Farben über die gesamte Oberfläche gleich gut aufgenommen werden, sodass sich ein homogenes Farbbild ergibt. Insbesondere wird eine Fleckenbildung effizient verhindert.
Das Formteil wird vorzugsweise mittels additiver Fertigung hergestellt in einem Verfahren ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Pulverbettverfahren, wie (selektives) Lasersintern (SLS), Binder Jetting, Multijet Fusion Technologien (MJF), Highspeed Sintering (HSS), Selective Absorption Fusion (SAF), sowie Extrusionsverfahren wie Fused Deposition Modeling (FDM), Fused Filament Fabrication (FFF), Fused Granular Fabrication (FGF), MultiJet Modeling (MJM), Layer Plastic Deposition, Selective Thermoplastic Electrophotographic Process (STEP).
Ein Inkontaktbringen des Formteils mit mindestens einem Werkstück durch Einbringen mindestens eines Bereichs des Werkstücks in das Formteil kann im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeuten, dass das Werkstück mittels Krafteinwirkung in das Formteil und/oder in die Oberfläche eingebracht wird.
Das Kontaktieren des Formteils mit mindestens einem Lösungsmittel A kann im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeuten, dass ein Teil oder die Gesamtheit des Formteils mit dem Lösungsmittel A in Kontakt gebracht wird. Kontaktieren bedeutet dabei, dass das Lösungsmittel in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorhanden sein kann. Vorteilhafterweise befindet sich das Lösungsmittel in einem gasförmigen und/oder flüssigen Zustand. Daher wird ein Lösungsmittelbad oder ein Lösungsmitteldampf verwendet. Besonders bevorzugt ist das Werkstück gegenüber dem Lösungsmittel A inerter als das Formteil. In einer möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Werkstück nicht inerter als das Formteil. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Werkstück und das Formteil aus demselben Material bestehen oder wenn das Werkstück temporär inerter gegenüber dem Lösungsmittel gemacht wird.
In Abhängigkeit der oben genannten Polymerarten ist es erforderlich, dass das Formteil, welches mittels additiver Fertigung erstellt wurde, unterschiedlich lange und/oder bei unterschiedlicher Lösungsmitteltemperatur mit dem Lösungsmittel A kontaktiert wird. Dabei können die chemische Zusammensetzung, die Wandstärke, die Größe des Formteils, die ursprüngliche und/oder die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit, wie zum Beispiel Porosität, oder die Hohlräume entsprechend berücksichtigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln eines Formteils umfasst den Schritt c) der Kontaktierung des Formteils mit mindestens einem Lösungsmittel A. Vorzugweise wird der Schritt c) für 1 sec bis 10 h, besonders bevorzugt für 5 sec bis 1 h durchgeführt. Optional wird der Schritt c) mehrfach wiederholt. Diese Zeitspanne ermöglicht es vorteilhafterweise, dass das Lösungsmittel das Polymer anlösen bzw. quellen lassen kann, sodass sich die angelöste gelartige Oberfläche idealerweise zumindest um einen Teil des Werkstücks vorteilhafterweise formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig legt. Vorzugweise kann das Lösungsmittel das Polymer K zumindest teilweise an der Oberfläche quellen lassen.
Vorzugsweise erfolgt die Kontaktierung des Formteils durch ein Eintauchen, ein Bedampfen oder ein Besprühen. Dazu können unter anderem Autoklaven, Tauchbäder, Tropfvorrichtungen, Spritz-, Tauch-, Schwallflut- und Dampfglättanlagen, Vernebelungsdüsen, Zerstäuber und andere Sprühvorrichtungen verwendet werden.
Vorzugsweise wird das Werkstück während des Verfahrens fixiert und die Oberfläche des Formteils zumindest teilweise geglättet. Fixiert bedeutet im Sinne der Erfindung, dass das Formteil mit dem Werkstück fester verbunden wird, als vorher.
Damit es zu einem Quellen bzw. Anlösen kommen kann, sollte das Lösungsmittel A vorteilhafterweise eine ähnliche Polarität wie das Polymer K aufweisen.
Als Lösungsmittel haben sich nachfolgend genannte Lösungsmittelklassen als vorteilhaft herausgestellt, wobei auch andere hier nicht genannte Lösungsmittelklassen verwendet werden können.
Bevorzugt ist das Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ketonen, Aldehyden, Lactonen, Lactamen, Nitrilen, Nitroverbindungen, tertiären Carbonsäureamiden, Harnstoffderivaten, Sulfoxiden, Sulfonen, Kohlensäureestern, Wasser, anorganischen Säuren, Alkoholen, Aminen, Carbonsäuren, primären Amiden, sekundären Amiden, Acetalen, Halbacetalen, halogenhaltigen Kohlenwasserstoffen oder Mischungen daraus. Die oben genannten polaren Lösungsmittel eignen sich besonders für polare Polymere, um diese entsprechend anzulösen bzw. quellen zu lassen.
Vorzugsweise ist das Lösungsmittel ebenfalls ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alkanen, Alkenen, Aromaten, Carbonsäuren, Estern, Ethern, Terpenen, oder Mischungen daraus. Die genannten unpolaren Lösungsmittel eignen sich besonders bevorzugt für unpolarere oder nicht weniger polare Polymere, um diese entsprechend anzulösen oder quellen zu lassen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Lösungsmittel ein destillierbares Lösungsmittel ist.
Besonders bevorzugt ist das Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Benzylalkohol, Limonen, 1,8-Cineol, Ameisensäure, Dichlormethan, Dimethylsulfoxid, Isopropanol, Acetophenon, Formaldehyd-Dibutyl-Acetal, Dichloressigsäure, Schwefelsäure, Dimethylformamid, 1,1,1,3,3,3-Hexafluor-2-propanol, m-Cresol und 2-Methyl-Tetrahydrofuran.
Besonders bevorzugt beträgt das Volumen des Formteils mindestens das Zehnfache des Volumens des Werkstückes, ganz besonders bevorzugt mindestens das Zehnfache und höchstens das 1000-Fache, ganz besonders bevorzugt mindestens das Zehnfache und höchstens das Hundertfache.
Vorzugsweise ist das Werkstück bis mindestens 100°C formstabil. Ganz besonders bevorzugt von 100°C bis 200°C, ganz besonders bevorzugt von 110°C bis 135°C.
Vorzugsweise wird mindestens ein Bereich des Werkstückes stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Formteil verbunden, besonders bevorzugt stoffschlüssig.
Bevorzugt wird ein Loch in das Formteil eingebracht, dessen Durchmesser von 0,5x bis 6x, vorzugsweise 0,5x bis 2x des Durchmessers des Werkstückes ist, ganz besonders bevorzugt von ±50% bis ±99% des Durchmessers des Werkstückes. So kann beispielsweise ein elastisches Werkstück eingebracht werden, welches durch Komprimierung an der Oberfläche des Formteils anliegt.
Bevorzugt ist das Loch ein Element der Geometrie des Formteils und wird bereits während der Herstellung eingebracht. Der Durchmesser einer solchen Öffnung beträgt bevorzugt von ±50% bis ±99% des Durchmessers des Werkstückes. So kann beispielsweise ein elastisches Werkstück eingebracht werden, welches durch Komprimierung an der Oberfläche des Formteils anliegt.
In den erfindungsgemäßen Verfahren ist das Werkstück vorzugsweise ein makroskopisches Werkstück oder ein mikroskopisches Werkstück.
Bei dem makroskopischen Werkstück handelt es sich um ein makroskopisches Objekt, also um ein Objekt, das mit dem bloßen Auge sichtbar ist, vorteilhafterweise sind alle Dimensionen größer als 0,1 mm.
Bei dem mikroskopischen Werkstück handelt es sich um ein mikroskopisches Objekt, also um ein Objekt, das nicht mit bloßem Auge sichtbar ist, vorteilhafterweise sind alle Dimensionen kleiner als 0,1 mm.
Vorzugsweise ist das Werkstück aus einem Werkstoff hergestellt, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Polymeren, gefüllten Polymeren, Keramiken, Metallen, Stahl, Legierungen, Gläsern, Mineralien, Gummis, Holz, elektrisch leitfähigen organischen und anorganischen Materialien, Materialien natürlichen Ursprungs, Graphit, Aktivkohle, Ruß, Fullerenen, Kohlenstoff-Nanotubes, Graphen oder Kombinationen hiervon.
Vorzugsweise kann das Werkstück eine makroskopische Ausgestaltung haben, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Fasern, Watte, Ketten, Fäden, Stoffen, Textilien, Netzen, Netzstoffen, Mesh-Geweben, Seilen, Schrauben, Federn, Schraubenfedern, Nadeln, Stecknadeln, Knäueln, Einfügungen (Inserts), Lamellen, Objekten mit texturierten (beispielsweise gefalteten, gewellten oder geriffelten) Oberflächen, 3D-gedruckten Objekten oder Kombinationen hiervon.
Die Ketten bestehen vorzugsweise aus Metall, Stahl, Legierungen, gefülltem und ungefülltem Kunststoff, Keramik, Gummi, Glas, Materialien natürlichen Ursprungs wie z.B. Holz, Mineral, und Kombinationen hiervon. Eine Kette ist im Sinne der Erfindung eine Aneinanderreihung von gegenseitig beweglichen Gliedern. Die Glieder können beispielsweise ineinandergefügt oder mit steifen oder beweglichen Gelenken verbunden sein. Ein Glied kann beispielsweise mit einem oder mehreren Gliedern in einer oder mehreren Dimensionen verbunden werden.
Eine Faser ist ein einzelnes Stück eines bestimmten Materials mit länglichem und etwa rundem Querschnitt, das oft mit anderen Fasern zu einem Faden verzwirnt ist.
Ein Faden ist ein langes, dünnes und flexibles Material mit im Allgemeinen rundem Querschnitt, das zum Beispiel zum Nähen, Stricken oder Weben verwendet wird. Im Allgemeinen ist ein Faden ein gedrehter bzw. verzwirnter Strang aus Fasern und kann auch aus Kombinationen von Fasern bestehen oder auch aus nur einem Strang. Letzterer kann z.B. durch Extrudieren erhalten werden und ist auch als Filament erhältlich.
Beispiele für natürliche Fasern sind Cellulose, Baumwolle, Wolle, Hanf, regenerierte Cellulosen und fibrillierte Cellulosen. Beispiele für anorganische Fasern sind Glasfasern, Mineralfasern, Basaltfasern und Quarzfasern. Beispiele für synthetische Fasern sind Polyesterfasern, Polypropylenfasern, Mehrkomponentenfasern, bei denen die einzelnen Komponenten unterschiedliche Schmelzpunkte haben, Polyamidfasern und Acrylfasern. Diese und andere Fasern und Fäden können auch als loses Gefüge in Form von Watte verwendet werden.
Vorzugsweise entsteht im Schritt c) ein Gel, basierend auf dem Polymer K des Formteils und dem Lösungsmittel A.
Besonders bevorzugt ist in dem Schritt c) die Temperatur gleich oder oberhalb des Siedepunktes des mindestens einen Lösungsmittels A, wobei der Siedepunkt im Schritt c) durch Druckänderung, z. B. Erzeugen eines weitgehenden Vakuums, verändert werden kann. Bevorzugt beträgt die Länge des Werkstückes mindestens das 10-Fache des maximalen Durchmessers des Werkstückes, ganz besonders bevorzugt von 0,01 bis 5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 4 mm Durchmesser und vorzugsweise 10 mm bis 1 m, vorzugsweise 10 mm bis 750 mm, vorzugsweise 10 cm bis 750 mm, vorzugsweise 20 cm bis 50 cm Länge.
Bevorzugt liegt die Länge des Werkstückes in einem Bereich von 10 mm bis 1 m, vorzugsweise 10 mm bis 750 mm, vorzugsweise 10 cm bis 750 mm, vorzugsweise 20 cm bis 50 cm. Ganz besonders bevorzugt hat das Werkstück eine radiale Symmetrie. Ganz besonders bevorzugt liegt die Länge des Werkstückes in einem Bereich von 10 mm bis 750 mm.
Vorzugsweise ist der maximale Durchmesser des Werkstückes 0,01 mm bis 5 mm.
Vorzugsweise liegt die Länge des Werkstückes in einem Bereich von 10 mm bis 750 mm und der maximale Durchmesser des Werkstückes in einem Bereich von 0,01 mm bis 5 mm.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren zudem den Schritt:

d) Trocknen des Formteils bei Atmosphärendruck und einer Temperatur im Bereich von 10°C bis 180°C, ganz besonders bevorzugt bei 20°C bis 100°C oder alternativ das Trocknen im Vakuum (0-900 mbar) bei Temperaturen zwischen 10°C und 180°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 20°C und 100°C.

Die Temperatur und der Druck im Schritt d) werden vorzugsweise so gewählt, dass die Temperatur unter der Schmelztemperatur des Polymers K, besonders bevorzugt unter der Erweichungstemperatur des Polymers K liegt und die Kombination aus Druck und Temperatur ein Entweichen des Lösungsmittels aus der angelösten (gequollenen) Oberfläche in einer realistischen Zeitspanne ermöglicht. Durch diesen Temperaturbereich bei der Trocknung erfolgt kein großer Energieeintrag in das Formteil. Dies hat zum einen den Vorteil, dass insbesondere thermoplastische Formteile ihre Form nicht verändern, zum anderen, dass keine hohen Energiekosten entstehen. Dies ermöglicht beispielsweise die Massenproduktion oder einen hohen Durchsatz bei der Behandlung eines Formteils mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Für ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von ca. 200°C eignet sich beispielsweise eine Trocknung bei 20 mbar und 80°C.
Besonders bevorzugt wird die Oberfläche des Formteils nach dem Schritt (c) glatter. Bevorzugt legt sich das Gel während des Schritts c) zumindest teilweise um das Werkstück, und das Werkstück wird dadurch fixiert. Besonders bevorzugt wird das Loch bzw. die Öffnung nach dem Schritt (c) durch das Gel verschlossen und das makroskopische Werkstück somit fixiert.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren zum Behandeln eines Formteils, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Formteils, welches mittels additiver Fertigung erstellt wurde, umfassend mindestens ein Polymer K, wobei das Formteil mittels additiver Fertigung hergestellt wurde in einem Verfahren ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Pulverbettverfahren, wie (selektives) Lasersintern (SLS), Binder Jetting, Multijet Fusion Technologien (MJF), Highspeed Sintering (HSS), sowie Extrusionsverfahren wie Fused Deposition Modeling (FDM), Fused Filament Fabrication (FFF), Fused Granular Fabrication (FGF), MultiJet Modeling (MJM), Layer Plastic Deposition, Selective Thermoplastic Electrophotographic Process (STEP), Selective Absorption Fusion (SAF).
b) Inkontaktbringen des Formteils mit mindestens einem Werkstück durch (i) Einbringen mindestens eines Bereichs des Werkstückes in das Formteil, wobei sich mindestens ein Bereich des Werkstückes aus einer Oberfläche des Formteils heraus erstreckt, und/oder (ii) Aufbringen mindestens eines Bereichs des Werkstückes auf die Oberfläche des Formteils, und wobei das Werkstück aus einem Werkstoff hergestellt wird, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Polymeren, gefüllten Polymeren, Keramiken, Metallen, Stahl, Legierungen, Gläsern, Mineralien, Gummis, Holz, elektrisch leitfähigen organischen und anorganischen Materialien, Materialien natürlichen Ursprungs, Graphit, Aktivkohle, Ruß, Fullerenen, Kohlenstoff-Nanotubes, Graphen oder Kombinationen hiervon.

Vorzugsweise kann das Werkstück eine makroskopische Ausgestaltung haben, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Fasern, Watte, Ketten, Fäden, Stoffen, Textilien, Netzen, Netzstoffen, Mesh-Geweben, Seilen, Schrauben, Federn, Schraubenfedern, Nadeln, Stecknadeln, Knäueln, Einfügungen (Inserts), Lamellen, Objekten mit texturierten (beispielsweise gefalteten, gewellten oder geriffelten) Oberflächen, 3D-gedruckten Objekten oder Kombinationen hiervon.

c) Mindestens einmalige Kontaktierung des Formteils mit mindestens einem Lösungsmittel A,
d) Trocknen des Formteils bei Atmosphärendruck und einer Temperatur im Bereich von 10°C bis 140°C, ganz besonders bevorzugt bei 20°C bis 100°C, oder alternativ das Trocknen im Vakuum (0-900 mbar) bei Temperaturen zwischen 10°C und 140°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 20°C und 100°C.

Vorzugsweise ist das Werkstück ein Befestigungsmittel. Ein Befestigungsmittel ist ein Mittel, das das Formteil an einem anderen Teil befestigt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Formteil ein erster Teil eines Schuhs, beispielsweise eine Sohle, und das Werkstück ein Befestigungsmittel, das das Formteil an einem zweiten Teil des Schuhs, beispielsweise einem Upper, befestigt. Beispiele für Befestigungsmittel sind Fäden, Fasern, Ketten, Seile, Schrauben, Nadeln, Stecknadeln oder Bänder. Vorzugsweise ist das Befestigungsmittel ein Faden. Der Begriff „Befestigungsmittel“ im Sinne dieser Erfindung ist synonym mit dem Begriff „Konnektor“ zu verstehen.
Vorzugsweise ist das Werkstück ein Faden, wobei der Faden vorteilhafterweise ein Baumwollfaden oder ein synthetischer Faden ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Produkt, umfassend ein Formteil, welches mittels additiver Fertigung erstellt wurde und mindestens ein Polymer K umfasst, sowie mindestens ein Werkstück, wobei (i) mindestens ein Bereich des Werkstückes in das Formteil eingebracht ist und sich mindestens ein Bereich des Werkstückes aus einer Oberfläche des Formteils heraus erstreckt und/oder (ii) mindestens ein Bereich des Werkstückes in den Oberflächenbereich des Formteils eingebracht ist, wobei das Produkt durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird.
Vorzugsweise ist das Formteil ein erster Teil eines Schuhs, vorzugsweise eine Sohle, und das Werkstück ein Faden.
Vorzugsweise ist das Formteil ein erster Teil eines Schuhs, vorzugsweise eine Sohle, und das Werkstück ein anderes textilhaltiges Teil des Schuhs, z.B. ein Upper.
Durch das Zusammenfügen von dem Formteil und dem Werkstück nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können vorteilhafterweise bi- oder multifunktionelle Formteile hergestellt werden. Vorzugsweise kann die Oberfläche des Formteils dadurch funktionalisiert werden,
Im Folgenden werden einige Beispiele von bi- oder multifunktionellen Formteilen genannt.
So kann eine additiv hergestellte Brillenfassung mit einer Brillenkette verbunden werden und/oder der Bügel und/oder das frontale Teil der Brille mit dem Gelenk verbunden werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt es zu veränderten Oberflächeneigenschaften des Formteils, beispielsweise zu besseren mechanischen Eigenschaften und/oder besserer Textur, durch das Werkstück, beispielsweise die Fäden oder Watte oder Polsterung. Eine mögliche Ausführung wäre ein Formteil (beispielweise Orthese oder Prothese oder ein Kleidungsstück), was mit einer Polsterung an der Oberfläche verbunden wurde, was zum erhöhten Tragekomfort führt.
Eine weitere Ausführung wäre ein Formteil, das mit mineralischen Fasern, beispielsweise Wollastonit, an der Oberfläche verbunden wurde, was zu verbesserten mechanischen und/oder feuerresistenten Eigenschaften führt.
Zum Durchführen des Schrittes c) wird das Formteil im Korb auf den Aufhängehaken mittels dem im Formteil im Voraus angebrachten Haken oder Öse positioniert. Das sichert den vollen Kontakt des Lösungsmitteldampfes mit der kompletten Oberfläche des Formteils, außer der Kontaktstelle zwischen dem Formteil und dem Aufhängehaken. Wird der Faden oder andere Ausgestaltung des Werkstücks in oder auf das Formteil eingebracht bzw. aufgebracht, so kann er auch als Kontaktstelle zwischen dem Formteil und dem Aufhängehaken des Korbes fungieren. Das Formteil und der Faden können auch kraftschlüssig (z.B. mittels Schwerkraft) miteinander verbunden werden. Dabei hängt das Formteil auf dem Faden.
Ebenso wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln eines Formteils ermöglicht, elektronische Sensoren oder elektrische Konnektoren in das Formteil, vorzugsweise in additiv hergestellte Prothesen oder Orthesen, einzubringen. Dadurch können die erhaltenen Produkte, beispielsweise als myoelektrische Prothesen, vorteilhafterweise in der Orthopädie eingesetzt werden. Ebenso können Werkstücke mit dem Formteil verbunden werden, sodass das Werkstück als Identifikations-Tag fungiert.
Figurenliste

1: In der 1 wird schematisch die Einbringung des Fadens beschrieben.
2: In der 2 wird das Herstellen einer Gel-Schicht auf der Oberfläche gezeigt.
3: In der 3 wird der Zustand nach Entfernen des Lösungsmittels sowie der fixierte Faden gezeigt.

Bezugszeichenliste

1: Faden
2: Formteil
2a: Oberfläche
2b: feste Oberfläche
3: Nadel
4: Loch

Detaillierte Beschreibung der Figuren
1 zeigt, dass ein Faden (1) in ein Formteil (2), welches mittels additiver Fertigung erstellt wurde, durch eine Nadel (3) eingebracht wird. In diesem Fall bringt man den Faden (1) in die Oberfläche des Formteils (2) (Sohle) manuell ein bzw. der Faden (1) wird automatisiert eingebracht. Dabei entsteht ein Loch (4), der Faden (2) ist deswegen relativ frei und beweglich und nicht fixiert.
Bei der 2 wird durch die Kontaktierung des Formteils (2) mit mindestens einem Lösungsmittel die Oberfläche (2a) (schraffierte Fläche) des Formteils (2) gelöst, sodass der Faden (1) an der Oberfläche (2a) von dem gelösten Polymer zumindest teilweise umschlossen und ggf. infiltriert wird. Dadurch verbessert sich die Reißfestigkeit des Fadens.
In der 3 erkennt man, dass nach Entfernen des Lösungsmittels eine feste Oberfläche (2b) entsteht. So wird das Stichloch nach der Kontaktierung der Oberfläche wieder geschlossen. Dadurch wird der Faden an der Oberfläche fixiert. Die freien Enden des Fadens können als Ansatzpunkte zum Stricken dienen, daher zum Verbinden mit einem weiteren Formteil, beispielsweise dem Upper, verwendet werden. Die geringere Oberflächenenergie der geglätteten Formteile stellt nun kein Problem dar, weil man keinen Kleber zum Verkleben braucht. Beispielsweise braucht die Sohle so nicht irreversibel geschmolzen zu werden und wird somit nicht beschädigt. Die Perforation wird im Glättschritt (Inkontaktbringen mit dem Lösungsmittel) wieder verschlossen und beeinträchtigt somit nicht die wasserabweisenden Eigenschaften der Sohle.
Beispiele:
Eine additiv hergestellte (im SLS-Verfahren) Sohle aus TPU mit einer porösen und rauen Oberfläche wird bereitgestellt. Ein Nähgarn wurde mittels einer Nadel durch eine additiv hergestellte TPU - Sohle durchgefädelt. Das Garn hat nun zwei Berührungspunkte mit der Oberfläche (einen Eingang und einen Ausgang), ist frei beweglich, die Bewegung ist nur geringfügig durch die Reibungskräfte im Inneren der Sohle gebremst. Um den Faden zu fixieren und gleichzeitig die Sohle zu glätten, wird die Sohle und das Garn einem Lösungsmitteldampf ausgesetzt, in dem TPU löslich ist und Garn unlöslich ist. Dadurch entsteht an der Oberfläche der Sohle eine Gelschicht, die das durch das Einfädeln entstandene Loch befüllt. Beim Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum erstarrt die Oberfläche wieder und der Faden wird fixiert.
Das Projekt, das zu dieser Patentanmeldung führte, wurde durch das Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101009685 gefördert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2577772 B [0004]
US 2018/0271211 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Behandeln eines Formteils, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Formteils, welches mittels additiver Fertigung erstellt wurde, umfassend mindestens ein Polymer K, b) Inkontaktbringen des Formteils mit mindestens einem Werkstück durch (i) Einbringen mindestens eines Bereichs des Werkstückes in das Formteil, wobei sich mindestens ein Bereich des Werkstückes aus einer Oberfläche des Formteils heraus erstreckt, und/oder (ii) Aufbringen mindestens eines Bereichs des Werkstückes auf die Oberfläche des Formteils, und c) Mindestens einmalige Kontaktierung des Formteils mit mindestens einem Lösungsmittel A.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkstück fixiert wird und die Oberfläche von dem Formteil zumindest teilweise geglättet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 2, wobei das Volumen des Formteils mindestens das 10-Fache des Volumens des Werkstückes beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Werkstück bis mindestens 100°C formstabil ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Werkstück ein makroskopisches Werkstück oder ein mikroskopisches Werkstück ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens ein Bereich des Werkstückes stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Formteil verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Loch als ein Teil der Geometrie und/oder in das Formteil eingebracht wurde, dessen Durchmesser von 0,5x bis 2x des Durchmessers des Werkstückes ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Werkstück aus einem Werkstoff hergestellt ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Polymeren, gefüllten Polymeren, Keramiken, Metallen, Stahl, Legierungen, Gläsern, Mineralien, Gummis, Holz, elektrisch leitfähigen organischen und anorganischen Materialien, Materialien natürlichen Ursprungs, Graphit, Aktivkohle, Ruß, Fullerenen, Kohlenstoff-Nanotubes, Graphen oder Kombinationen hiervon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Werkstück eine makroskopische Ausgestaltung hat, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Fasern, Watte, Ketten, Fäden, Stoffen, Textilien, Netzen, Netzstoffen, Mesh-Geweben, Seilen, Schrauben, Federn, Schraubenfedern, Nadeln, Stecknadeln, Knäuel, Einfügungen (Inserts), Lamellen, Objekten mit texturierten (beispielsweise gefalteten, gewellten oder geriffelten) Oberflächen, 3D-gedruckten Objekten oder Kombinationen hiervon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Werkstück ein Befestigungsmittel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Werkstück gegenüber dem Lösungsmittel A inerter ist als das Formteil.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend den Schritt: d) Trocknen des Formteils bei Atmosphärendruck und einer Temperatur im Bereich von 10°C bis 180°C, ganz besonders bevorzugt bei 20°C bis 100°C, oder alternativ das Trocknen im Vakuum (0-900 mbar) bei Temperaturen zwischen 10°C und 180°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 20°C und 100°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Polymer K ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus thermoplastischen Elastomeren, thermoplastischen Elastomeren auf Urethan-Basis, thermoplastischen Polyamidelastomeren, thermoplastischen Copolyesterelastomeren, thermoplastischen Elastomeren auf Olefin-Basis, thermoplastischen Styrol-Blockcopolymeren, Polyoxymethylenen, Polyethylenterephthalaten, Polyethylenterephthalat-Glycolen, Polyetherblockamiden, Polyethylenfuranoaten, Polyurethanen, Acryl-Nitril-Butadien-Styrolen, thermoplastischen Polyamiden, Photopolymeren, Triblock-Polymeren aus Polystyrol und Poly(ethylenoxid)-Blöcken, Polyamiden, Polyestern, Polyolefinen, Polyacrylaten, Polyvinylaminen, Polyacrylamiden, Polymethylmethacrylaten, Polyethern, Polycarbonaten, Polylactiden, Polyethersulfonen, Polysulfonen, Polyphenylsulfonen, Polyimiden, Polyetherimiden, Polyketonen, Polyetherketonen, Styrolpolymeren, Styrolblockpolymeren, Acrylnitrilstyrolacrylaten oder Copolymeren, Blends oder Mischungen der genannten Polymerarten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Lösungsmittel A ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Benzylalkohol, Limonen, 1,8-Cineol, Ameisensäure, Dichlormethan, Dimethylsulfoxid, Isopropanol, Acetophenon, Formaldehyd-Dibutyl-Acetal, Dichloressigsäure, Schwefelsäure, Dimethylformamid, 1,1,1,3,3,3-Hexafluor-2-propanol, m-Cresol und 2-Methyl-Tetrahydrofuran.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei in dem Schritt c) die Temperatur gleich oder oberhalb des Siedepunktes des mindestens einen Lösungsmittels A ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Werkstück ein Faden ist.
Produkt, umfassend ein Formteil, welches mittels additiver Fertigung erstellt wurde und mindestens ein Polymer K umfasst, sowie mindestens ein Werkstück, wobei (i) mindestens ein Bereich des Werkstückes in das Formteil eingebracht ist und sich mindestens ein Bereich des Werkstückes aus einer Oberfläche des Formteils heraus erstreckt und/oder (ii) mindestens ein Bereich des Werkstückes in den Oberflächenbereich des Formteils eingebracht ist, wobei das Produkt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 erhalten wird.
Produkt nach Anspruch 17, wobei das Formteil ein erster Teil eines Schuhs, vorzugsweise eine Sohle, und das Werkstück ein Faden oder ein anderes textilhaltiges Teil des Schuhs ist.