DE102022122216A1 - Polymer molding and method for producing it - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein zweifach stimuli-responsives Polymer-Formteil umfassend mindestens 2 verschiedene Polymere, wobei das erste Polymer eine Orientierung der polymeren Ketten in mindestens einer Orientierungsrichtung und einen Kristallisationsgrad von weniger als 10 % seines maximalen Kristallisationsgrads und eine Glasübergangstemperatur TG1 aufweist und wobei das erste Polymer abhängig von der Abkühlrate eine Kristallisationstemperatur aufweisen kann und wobei die Kristallisation bei einer Abkühlrate von > X K/min unterbleibt und wobei eine Kaltkristallisation des ersten Polymers bei einer Abkühlrate zwischen 0 und X K/min ab einer Starttemperatur TKS1 stattfindet und wobei das erste Polymer oberhalb von TG1 die Orientierung der polymeren Ketten durch Relaxation verliert und wobei TKS1 mindestens 40 K größer ist als TG1 und wobei beim ersten Polymer die Relaxation der Orientierung ein schneller ablaufender Prozess ist als die Kaltkristallisation und wobei Kaltkristallisation und Relaxation der Orientierung in Orientierungsrichtung bei dem ersten Polymer mit einer Verkleinerung des Volumens einhergehen und wobei die Wärmeformbeständigkeitstemperatur THDT2 des zweiten Polymers maximal 10 K unterhalb der Starttemperatur der Kaltkristallisation TKS1 des ersten Polymers liegt und wobei das zweite Polymer entweder keine Starttemperatur der Kaltkristallisation aufweist oder die Starttemperatur der Kaltkristallisation TKS2 des zweiten Polymers mindestens 20 K oberhalb von TKS1 liegt und wobei das zweite Polymer bei vorangegangener Abkühlung keine Verkleinerung des Volumens während der folgenden Aufheizung erfährt und wobei X Werte zwischen 500 und 4 annimmt.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines ein zweifach stimuli-responsiven Polymer-Formteils und eine Verwendung.The invention relates to a dual stimuli-responsive polymer molding comprising at least 2 different polymers, wherein the first polymer has an orientation of the polymeric chains in at least one orientation direction and a degree of crystallization of less than 10% of its maximum degree of crystallization and a glass transition temperature TG1 and wherein the first Polymer can have a crystallization temperature depending on the cooling rate and wherein crystallization does not occur at a cooling rate of >X K/min and wherein cold crystallization of the first polymer takes place at a cooling rate between 0 and TG1 loses the orientation of the polymeric chains through relaxation and where TKS1 is at least 40 K larger than TG1 and where in the first polymer the relaxation of the orientation is a faster process than cold crystallization and where cold crystallization and relaxation of the orientation in the orientation direction in the first polymer a reduction in the volume and wherein the heat resistance temperature THDT2 of the second polymer is a maximum of 10 K below the start temperature of the cold crystallization TKS1 of the first polymer and wherein the second polymer either has no start temperature of the cold crystallization or the start temperature of the cold crystallization TKS2 of the second polymer is at least 20 K above of TKS1 and where the second polymer does not experience a reduction in volume during the subsequent heating and where .
Description
Bei der Erfindung handelt es sich um ein mindestens zwei verschiedene Polymere umfassendes Formteil, ein Verfahren zur additiven Fertigung des Formteils sowie die Verwendung des Formteils als anpassungsfähigen zusammenbaufreien Mechanismus.The invention involves a molded part comprising at least two different polymers, a method for additive manufacturing of the molded part and the use of the molded part as an adaptable, assembly-free mechanism.
Die US 2015/158 244 A1 beansprucht ein im 3D-Druck gefertigtes Formteil, dass durch einen nachgelagerten externen Stimulus seine Form ändern kann und somit anpassbar ist. Der Effekt beruht auf dem unterschiedlichen Quellverhalten der verwendeten Polymere, insbesondere für den Fall, dass ein Polymer während der Quellung einen Wechsel des Zustandes von glasartig hin zu plastisch verformbar erfährt.US 2015/158 244 A1 claims a 3D-printed molded part that can change its shape using a downstream external stimulus and is therefore adaptable. The effect is based on the different swelling behavior of the polymers used, especially in the event that a polymer undergoes a change in state from glass-like to plastically deformable during swelling.
Die
Im Tagungsbeitrag „Additive Fertigung präziser Non-Assembly-Mechanismen“, IFToMM-D-A-CH Konferenz veröffentlicht am 22. Feb. 2022, DOI:10.17185/duepuplico/75421 werden 3D gedruckte zusammenbaufreie Mechanismen aus zwei verschiedenen Polymeren beschrieben. Die zusammenbaufreien Mechanismen lassen sich durch eine einmalige Wärmebehandlung zwecks Behebung des Lagerspiels anpassen. Bei weiterer Benutzung tritt das Lagerspiel erneut auf und kann nicht weiter behoben werden.In the conference paper “Additive manufacturing of precise non-assembly mechanisms”, IFToMM-D-A-CH conference published on February 22, 2022, DOI:10.17185/duepuplico/75421, 3D printed assembly-free mechanisms made of two different polymers are described. The assembly-free mechanisms can be adjusted through a one-time heat treatment to eliminate bearing play. With further use, the bearing play occurs again and cannot be remedied.
Nachteilig an den bisher bekannten, durch einen nachträglichen Stimulus anpassbaren Formteilen ist, dass eine Anpassung nur zwischen zwei Zuständen und damit nur einmal in die gewünschte Richtung zur Erlangung der programmierten Form vorgenommen werden kann.The disadvantage of the previously known molded parts that can be adjusted by a subsequent stimulus is that an adjustment can only be made between two states and therefore only once in the desired direction to achieve the programmed shape.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein Polymer-Formteil zur Verfügung zu stellen, das durch einen erneuten abweichenden externen Stimulus ein weiteres Mal eine Anpassung seiner Dimension zur Erlangung der programmierten Form erfahren kann.It is therefore the object of the invention to provide a polymer molded part which can undergo a further adjustment of its dimension in order to achieve the programmed shape due to a new different external stimulus.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein zweifach stimuli-responsives Polymer-Formteil umfassend mindestens 2 verschiedene Polymere, wobei das erste Polymer eine Orientierung der polymeren Ketten in mindestens einer Orientierungsrichtung und einen Kristallisationsgrad von weniger als 10 % seines maximalen Kristallisationsgrads
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Polymer Polylactid (PLA) oder ein Compound dieses Polymers und das zweite Polymer ausgewählt aus der Gruppe Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA), Acrilnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Methylmethacrylat-Acrilnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (MABS) Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN), Polystyrol (PS), Polyethylen hoher Dichte (PE-HD), Polypropylen (PP), Polyamide (PA), Polyethylenterephtalat (PET), Polybuthylenterephtalat (PBT), Polycarbonat (PC), Polyoxymethylen (POM) und/oder Mischungen oder Compounds dieser Polymere.In a preferred embodiment of the invention, the first polymer is polylactide (PLA) or a compound of this polymer and the second polymer is selected from the group of acrylonitrile-styrene-acrylate (ASA), acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), methyl methacrylate-acrylonitrile -Butadiene-styrene copolymer (MABS) Styrene-acrylonitrile copolymer (SAN), polystyrene (PS), high density polyethylene (PE-HD), polypropylene (PP), polyamides (PA), polyethylene terephthalate (PET), polybutethylene terephthalate (PBT ), polycarbonate (PC), polyoxymethylene (POM) and/or mixtures or compounds of these polymers.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das erste Polymer Polyethylenterephtalat (PET) oder ein Compound dieses Polymers und das zweite Polymer ausgewählt aus der Gruppe Polyamide (PA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephtalat (PBT), Polyoxymethylen (POM), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polyamidimid (PAI), Polyethersulfon (PESU) und/oder Mischungen oder Compounds dieser Polymere.In an alternative embodiment of the invention, the first polymer is polyethylene terephthalate (PET) or a compound of this polymer and the second polymer is selected from the group polyamides (PA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PBT), polyoxymethylene (POM), polyphenylene sulfide (PPS ), polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI), polyamidimide (PAI), polyethersulfone (PESU) and / or mixtures or compounds of these polymers.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das erste Polymer Polycyclohexylendimethylenterephthalat (PCT) und/oder ein Copolyester und/oder Compounds dieses Polymers und das zweite Polymer ausgewählt aus der Gruppe Polyamide (PA), Polyoxymethylen (POM), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polyamidimid (PAI), Polyethersulfon (PESU) und/oder Mischungen oder Compounds dieser Polymere.In an alternative embodiment of the invention, the first polymer is polycyclohexylenedimethylene terephthalate (PCT) and/or a copolyester and/or compounds of this polymer and the second polymer is selected from the group of polyamides (PA), polyoxymethylene (POM), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone ( PSU), polyetherimide (PEI), polyamidimide (PAI), polyethersulfone (PESU) and/or mixtures or compounds of these polymers.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Polymer ein Copolyester aus Hexylendimethylenterephthalat und Hexylendimethylenisophathalat (PCTA) mit der folgenden Formel:
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das erste Polymer ausgewählt aus der Gruppe der Polyaryletherketone (PAEK), Polyetherketon (PEK), Polyetheretherketon (PEEK) Poly(etherketonketon) (PEKK), Poly(etheretherketonketon) (PEEKK), und/oder Poly(etherketon-etherketonketon) (PEKEKK) sowie Mischungen oder Compounds dieser Polymere und das zweite Polymer ausgewählt aus der Gruppe Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PESU), Polyamidimid (PAI) und/oder Mischungen oder Compounds dieser Polymere.In a further alternative embodiment of the invention, the first polymer is selected from the group of polyaryletherketone (PAEK), polyetherketone (PEK), polyetheretherketone (PEEK), poly(etherketoneketone) (PEKK), poly(etheretherketoneketone) (PEEKK), and/or poly (etherketone-etherketoneketone) (PEKEKK) and mixtures or compounds of these polymers and the second polymer selected from the group polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI), polyethersulfone (PESU), polyamideimide (PAI) and / or mixtures or compounds of these polymers.
Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über die Ausführungsformen der Erfindung und typische Kennwerte für die Polymere. Tabelle 1: Ausführungsformen der Erfindung
Ebenfalls erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Polymer-Formteils umfassend die folgenden Schritte:
- i. Auswahl zweier Polymere anhand des Vorhandenseins folgender Kriterien:
- a. Vorliegen je eines Temperaturbereiches, in dem ein zersetzungsfreies Schmelzen oder Plastifizieren des ersten Polymers und ein Schmelzen oder Plastifizieren des zweiten Polymers möglich ist;
- b. Vorhandensein eines Glasübergangs beim ersten Polymer und beim zweiten Polymer mit den Glasübergangstemperaturen TG1 und TG2;
- c. Teilkristallisierbarkeit des ersten Polymers oberhalb von TG1;
- d. Unterdrückung der Kristallisation beim ersten Polymer bei einer Abkühlrate von ≥ X K/min ;
- e. Beginn der Kaltkristallisation des ersten Polymers bei einer Kaltkristallisationsstarttemperatur TKS1;
- f. Orientierbarkeit der polymeren Ketten des ersten Polymers in mindestens einer Richtung während der additiven Fertigung;
- g. Relaxation der Orientierung in Orientierungsrichtung beim ersten Polymer oberhalb von TG1;
- h. Relaxation der Orientierung in Orientierungsrichtung schneller als Kristallisation beim ersten Polymer;
- i. Relaxation der Orientierung in Orientierungsrichtung beim ersten Polymer wird durch die Abkühlung mit einer Abkühlrate von ≥X K/min zumindest teilweise unterbunden;
- j. Kaltkristallisationsstarttemperatur TKS1 des ersten Polymers ist um mindestens 40 K höher als die Glasübergangstemperatur TG1;
- k. Kristallisation und Relaxation der Orientierung in Orientierungsrichtung bei dem ersten Polymer gehen mit einer Kontraktion in mindestens einer Richtung einher;
- l. Wärmeformbeständigkeitstemperatur des zweiten Polymers THDT2 liegt maximal 10 K unterhalb von TKS1;
- m. Beim zweiten Polymer ist entweder keine Kaltkristallisation möglich oder die Starttemperatur der Kaltkristallisation des zweiten Polymers TKS2 nach vorheriger Abkühlung mit einer Abkühlrate von ≥X K/min liegt mindestens 20 K oberhalb von TKS1;
- ii. Fördern der im Schritt i. ausgewählten Polymere zu einer beheizten Düse;
- iii. Passieren der Düse bei der Temperatur TExt dabei Plastifizieren und Orientieren der im Schritt i. ausgewählten Polymere durch die Temperatur TExt und Scherung während der Förderung;
- iv. Schichtweises Ablegen und weiteres Orientieren senkrecht zur Richtung der Orientierung der in Schritt iii plastifizierten und orientierten Polymere auf ein Substrat mit einer Abkühlrate ≥ X K/min,
- i. Selection of two polymers based on the presence of the following criteria:
- a. Presence of a temperature range in which decomposition-free melting or plasticization of the first polymer and melting or plasticization of the second polymer are possible;
- b. Presence of a glass transition in the first polymer and in the second polymer with the glass transition temperatures T G1 and T G2 ;
- c. Partial crystallizability of the first polymer above T G1 ;
- d. Suppression of crystallization for the first polymer at a cooling rate of ≥ XK/min;
- e. Start of cold crystallization of the first polymer at a cold crystallization start temperature T KS1 ;
- f. Orientability of the polymeric chains of the first polymer in at least one direction during additive manufacturing;
- G. Relaxation of the orientation in the orientation direction for the first polymer above T G1 ;
- H. Relaxation of the orientation in the orientation direction faster than crystallization for the first polymer;
- i. Relaxation of the orientation in the orientation direction of the first polymer is at least partially prevented by cooling at a cooling rate of ≥XK/min;
- j. Cold crystallization start temperature T KS1 of the first polymer is at least 40 K higher than the glass transition temperature T G1 ;
- k. Crystallization and relaxation of the orientation in the orientation direction in the first polymer are accompanied by a contraction in at least one direction;
- l. Heat resistance temperature of the second polymer T HDT2 is a maximum of 10 K below T KS1 ;
- m. With the second polymer, either cold crystallization is not possible or the starting temperature of the cold crystallization of the second polymer T KS2 after previous cooling with a cooling rate of ≥XK/min is at least 20 K above T KS1 ;
- ii. Promote the in step i. selected polymers to a heated nozzle;
- iii. Passing through the nozzle at the temperature T Ext while plasticizing and orienting the in step i. selected polymers by the temperature T Ext and shear during conveying;
- iv. Deposition in layers and further orientation perpendicular to the direction of orientation of the polymers plasticized and oriented in step iii onto a substrate with a cooling rate ≥ XK / min,
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Information darüber, ob die Kriterien entsprechend i. a., b., c., d., e., i., j., m. erfüllt sind mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (differential scannig calorimetry DSC) erlangt.In a preferred embodiment of the method, the information about whether the criteria correspond to i. a., b., c., d., e., i., j., m. are achieved using differential scanning calorimetry (DSC).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Information darüber, ob die Kriterien i. f., g., h., k. erfüllt sind mittels isothermen Dilatationsmessungen ermittelt.In a further preferred embodiment of the method, the information about whether the criteria i. f., g., h., k. fulfilled are determined using isothermal dilation measurements.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Information darüber, ob das Kriterium i. l. erfüllt ist, durch Wärmeformbeständigkeitsmessungen nach DIN EN ISO 75 bei einer Probenspannung von 0,45 MPa oder nach ASTM D648 bei einer Probenspannung von 66 psi ermittelt. Alternativ kann dieser Wert dem Datenblatt des Polymers entnommen werden.In a further embodiment of the method, the information about whether criterion i. l. is met, determined by heat resistance measurements according to DIN EN ISO 75 with a sample tension of 0.45 MPa or according to ASTM D648 with a sample tension of 66 psi. Alternatively, this value can be found on the polymer data sheet.
Die Information entsprechend Schritt i a., b., c., d., e., j., m. kann vom Fachmann beispielsweise anhand von Messungen mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (differential scannig calorimetry DSC) erlangt werden.
i.a.ia
Das Vorliegen eines Temperaturbereiches, in dem ein zersetzungsfreies Schmelzen oder Plastifizieren des ersten Polymers und Schmelzen oder Plastifizieren des zweiten Polymers möglich ist, zeigt sich in den DSC Kurven daran, dass bei den entsprechenden Temperaturen eine Basisline zu erkennen ist. Bei Vorliegen einer endothermen oder exothermen Zersetzung kommt es zu einem Abweichen der Kurve von der Basislinie. The existence of a temperature range in which decomposition-free melting or plasticization of the first polymer and melting or plasticization of the second polymer is possible is shown in the DSC curves by the fact that a baseline can be seen at the corresponding temperatures. If endothermic or exothermic decomposition is present, the curve will deviate from the baseline.
i.b.i.b.
Der Glasübergang kann als Stufe in der Basislinie der Messkurven beobachtet werden. Der Mittelwert der extrapolierten Geraden entspricht der Glasübergangstemperatur.The glass transition can be observed as a step in the baseline of the measurement curves. The mean value of the extrapolated line corresponds to the glass transition temperature.
i.c.i.c.
Die Teilkristallisierbarkeit des ersten Polymers oberhalb von TG1 wird durch einen endothermen Schmelzbereich angezeigt.The partial crystallizability of the first polymer above T G1 is indicated by an endothermic melting range.
i.d.i.d.
Die Unterdrückung der Kristallisation des Polymers bei einer Abkühlrate von ≥ X K/min zeigt sich nach vorangegangener Abkühlung des Polymers mit der entsprechenden Abkühlrate von ≥ X K/min am Vorhandensein eines exothermen KaltkristallisationsbereichsThe suppression of the crystallization of the polymer at a cooling rate of ≥
i.e.i.e.
Der Beginn der Kaltkristallisation des ersten Polymers bei einer Kaltkristallisationsstarttemperatur TKS1 kann nach Auswertung des Onsets des Kaltkristallisationsbereichs nach vorgegangener Abkühlung mit X K/min ermittelt werden.
Zwischen Glasübergangstemperatur TG1 und Beginn der Kaltkristallisation bei TKS1 des ersten Polymers muss ein ausreichend großes Temperaturfenster von mindestens 40 K liegen, um Orientierungsrelaxation und Kaltkristallisation voneinander zu trennen. Dies sollte bei möglichst geringen Heizraten (gleichgewichtsnah) gemessen werden, da der Beginn der Kaltkristallisation bei steigender Heizrate stärker zu höheren Temperaturen verschoben wird als der Glasübergang. Die Heizrate muss jedoch so groß bleiben, dass sich der Glasübergang noch ermitteln lässt.There must be a sufficiently large temperature window of at least 40 K between the glass transition temperature T G1 and the start of cold crystallization at T KS1 of the first polymer in order to separate orientation relaxation and cold crystallization from one another. This should be measured at the lowest possible heating rates (close to equilibrium), since the start of cold crystallization is shifted to higher temperatures more strongly as the heating rate increases than the glass transition. However, the heating rate must remain so high that the glass transition can still be determined.
i.j.i.j.
Anhand der DSC-Kurve lässt sich ebenfalls ermitteln, ob die Kaltkristallisationsstarttemperatur TKS1 des ersten Polymers um mindestens 40 K höher als die Glasübergangstemperatur TG1 ist.The DSC curve can also be used to determine whether the cold crystallization start temperature T KS1 of the first polymer is at least 40 K higher than the glass transition temperature T G1 .
i.m.in the.
Durch Vergleich der DSC-Kurven des ersten Polymers mit denen des zweiten Polymers lässt sich ermitteln, ob Starttemperatur der Kaltkristallisation des zweiten Polymers TKS2 mindestens 20 K oberhalb von TKS1 liegt.By comparing the DSC curves of the first polymer with those of the second polymer, it can be determined whether the starting temperature of the cold crystallization of the second polymer T KS2 is at least 20 K above T KS1 .
Die Prüfung auf die Kriterien i. f., g., h., k. lässt sich mittels isothermen Dilatationsmessungen folgendermaßen durchführen. Als relevante Vergleichsgröße kann hier der isotherme Prozessfortschritt in Abhängigkeit der Zeit genutzt werden.
i.f. und i.g.i.f. and i.g.
Die Orientierbarkeit der polymeren Ketten des ersten Polymers in mindestens einer Richtung während der additiven Fertigung und die Relaxation der Orientierung in Orientierungsrichtung beim ersten Polymer oberhalb von TG1 kann durch Auswertung der Kontraktion einer nach Schritten ii. bis iv. hergestellten Probe in Orientierungsrichtung (hier X- & Y-Richtung) bei gleichzeitiger Expansion orthogonal zur Orientierungsrichtung (hier Z-Richtung) bei der gewünschten Temperatur oberhalb von TG ermittelt werden. Dieser Zusammenhang ist ebenfalls
i.h.i.e.
Die Bestimmung, ob die Relaxation der Orientierung in Orientierungsrichtung schneller als die Kristallisation beim ersten Polymer abläuft, erfolgt folgendermaßen:
- Es wird die Dauer der Kontraktion einer orientierungsfreien mit X K/min abgekühlten Probe bei gewünschter Temperatur (siehe
- The duration of the contraction of an orientation-free sample cooled with XK/min at the desired temperature (see
Alternativ kann eine zweistufige isotherme Dilatationsmessung einer entsprechend den Schritten ii. bis iv. hergestellten Probe senkrecht zur Orientierungsrichtung (hier Z-Richtung) durchgeführt werden. Dieser Zusammenhang ist in
i. k.i. k.
Durch Auswertung des richtungsabhängigen Dilatationsverhaltens kann bestimmt werden, ob die Kristallisation und Relaxation der Orientierung in Orientierungsrichtung bei dem ersten Polymer mit einer Kontraktion in mindestens einer Richtung einhergehen.By evaluating the direction-dependent dilation behavior, it can be determined whether the crystallization and relaxation of the orientation in the orientation direction in the first polymer are accompanied by a contraction in at least one direction.
i.i.i.i.
Die Information darüber, ob Relaxation der Orientierung in Orientierungsrichtung beim ersten Polymer durch die Abkühlung mit einer Abkühlrate von ≥X K/min zumindest teilweise unterbunden wird und damit das Kriterium i.i. erfüllt ist, erlangt der Fachmann dabei folgendermaßen:
- In einer gescherten Schmelze finden sowohl makro-brownsche Bewegungen als auch Orientierungsprozesse gleichzeitig statt. Die Brownschen Bewegungen führen mit der Zeit zu einer Relaxation der eingebrachten Orientierungen. Ist der Orientierungsprozess schneller als der Relaxationsprozess, orientieren sich die Moleküle in der Polymerschmelze. Sobald die Scherung gestoppt wird, finden keine Orientierungsprozesse mehr statt, aber die Brownschen Bewegungen bleiben bestehen, solange die Temperatur über der Glasübergangstemperatur liegt. Daher werden die Orientierungen im Polymer mit der Zeit sukzessive abgebaut. Die für diesen Prozess erforderliche Zeit wird als Relaxationszeit bezeichnet, die empfindlich von der Temperatur abhängt.
- In a sheared melt, both macro-Brownian motions and orientation processes occur simultaneously. Over time, the Brownian movements lead to a relaxation of the introduced orientations. If the orientation process is faster than the relaxation process, the molecules in the polymer melt orient themselves. As soon as the shearing is stopped, none are found Orientation processes take place more, but the Brownian motions persist as long as the temperature is above the glass transition temperature. Therefore, the orientations in the polymer are gradually broken down over time. The time required for this process is called the relaxation time, which depends sensitively on the temperature.
Um nun die Orientierungen einzufrieren muss gelten:
tRelax: Relaxationszeit
TExt: Extrusionstemperatur
TG: Glasübergangstemperatur
vK: AbkühlgeschwindigkeitIn order to freeze the orientations, the following applies:
t Relax : relaxation time
T Ext : extrusion temperature
T G : glass transition temperature
v K : cooling rate
Eine Ermittlung, ob dies möglich ist, kann auf mehreren Wegen passieren:
- 1. Es wird ein Prüfkörper (Beispielsweise Würfel) mit entsprechenden Parametern ii bis iv gedruckt anschließend die Dilatation in Abhängigkeit der Zeit und Temperatur gemessen. Ist eine irreversible Expansion senkrecht zur Orientierungsrichtung (Schichtungsebene) vorhanden, waren vor der Messung Orientierungen im Bauteil vorhanden, welche während der Messung relaxiert sind. (vgl.
- 2. In einem Rotationsrheometer-kann die Polymerschmelze auf TExt erhitzt und dann entsprechend den Scherraten im Druckprozess konstant geschert werden. Anschließend wird die Scherung des Polymers gestoppt und im selben Zug mit vK unter TG abgekühlt. Der Abbau des Drehmoments entspricht dabei der Relaxation.
- 1. A test specimen (e.g. cube) with corresponding parameters ii to iv is printed and then the dilatation is measured as a function of time and temperature. If there is an irreversible expansion perpendicular to the orientation direction (layering plane), there were orientations in the component before the measurement that relaxed during the measurement. (see.
- 2. In a rotational rheometer - the polymer melt can be heated to T Ext and then constantly sheared according to the shear rates in the printing process. The shearing of the polymer is then stopped and at the same time it is cooled with v K below T G. The reduction in torque corresponds to relaxation.
Sollte bei Erreichen von TG noch Restdrehmoment vorhanden sein, sind noch Orientierungen im Bauteil eingefroren. Der Zusammenhang zwischen Temperatur, Relaxation und Einfrieren von Orientierungen ist dabei in
Die Information entsprechend Schritt i l. kann mittels Wärmeformbeständigkeitsmessungen nach DIN EN ISO 75 bei einer Probenspannung von 0,45 MPa oder nach ASTM D648 bei einer Probenspannung von 66 psi ermittelt werden. Alternativ kann dieser Wert dem Datenblatt des Polymers entnommen werden.The information according to step i l. can be determined using heat resistance measurements according to DIN EN ISO 75 with a sample tension of 0.45 MPa or according to ASTM D648 with a sample tension of 66 psi. Alternatively, this value can be found on the polymer data sheet.
Im Material müssen die Effekte der Orientierungsrelaxation und Kaltkristallisation bei einer Wärmebehandlung unterschiedlich schnell ablaufen. Das bedeutet, es gibt eine Wärmebehandlungstemperatur bei der Orientierungsrelaxation bereits stattfindet, Kaltkristallisation jedoch noch unterbunden wird. Der Zusammenhang ist in
Durch eine nachgelagerte erste Wärmebehandlung (erster externer Stimulus) bei einer Temperatur TW1 oberhalb von TG1 und 25 K unterhalb von TKS1 lässt sich das Spiel des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gefertigten Polymer-Formteils auf einen präzisen Lagerspalt einstellen.Through a subsequent first heat treatment (first external stimulus) at a temperature T W1 above T G1 and 25 K below T KS1 , the play of the polymer molded part manufactured using the method according to the invention can be adjusted to a precise bearing gap.
Vergrößert sich der Lagerspalt in Folge des Gebrauchs des Polymer-Formteils wieder, so kann der Lagerspalt überraschenderweise ein weiteres Mal durch eine erneute Wärmebehandlung (zweiter externer Stimulus) bei einer Temperatur TW2 im Bereich zwischen TKS1 - 25 K (untere Grenze) und THDT2 (obere Grenze)eingestellt werden.If the bearing gap increases again as a result of the use of the polymer molding, the bearing gap can surprisingly be increased again by a renewed heat treatment (second external stimulus) at a temperature T W2 in the range between T KS1 - 25 K (lower limit) and T HDT2 (upper limit) can be set.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird das erfindungsgemäße Polymer-Formteil als kinematisches Paar in einem Mehrkörpersystem verwendet.Also according to the invention, the polymer molding according to the invention is used as a kinematic pair in a multi-body system.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Polymer-Formteil als kinematisches Paar in einem Mehrkörpersystem verwendet, wobei das Mehrkörpersystem ein zusammenbaufreier Mechanismus ist.The polymer molding according to the invention is preferably used as a kinematic pair in a multi-body system, the multi-body system being an assembly-free mechanism.
Bei den zusammenbaufreien Mechanismen (Non-Assembly-Mechanismen) handelt es sich um bewegliche Mechanismen, welche montagefrei in einem einzigen Fertigungsschritt hergestellt werden können. Mit konventionellen Fertigungstechnologien wie beispielsweise dem Spritzguss sind bis dato nur zusammenbaufreie Mechanismen in der Ausführung als Festkörpergelenke möglich. Additive Fertigungsverfahren ermöglichen es, zusammenbaufreie Mechanismen mit Gelenken aus kinematischen Paaren herzustellen.Non-assembly mechanisms are movable mechanisms that can be manufactured without assembly in a single production step nen. With conventional manufacturing technologies such as injection molding, only assembly-free mechanisms in the form of solid-state joints are currently possible. Additive manufacturing processes make it possible to produce assembly-free mechanisms with joints made of kinematic pairs.
Da die beiden Prozesse der Orientierungsrelaxation und Kaltkristallisation bei dem ersten Polymer getrennt werden können, ist es möglich, dieses zweimal im Lebenszyklus von zusammenbaufreien Mechanismen zu nutzen, um das Spiel des Lagers zu kompensieren.Since the two processes of orientation relaxation and cold crystallization can be separated in the first polymer, it is possible to use it twice in the life cycle of assembly-free mechanisms to compensate for bearing play.
Das Spiel des zusammenbaufreien Mechanismus kann mit einem ersten externen Stimulus bei der Temperatur TW1 zunächst über Orientierungsrelaxation eingestellt werden.The play of the assembly-free mechanism can initially be adjusted via orientation relaxation with a first external stimulus at the temperature T W1 .
Nach einer gewissen Abnutzung des Mechanismus kann das verbleibende Kristallisationspotential genutzt werden, indem der Mechanismus eine erneute Wärmebehandlung bei der Temperatur TW2 (zweiter externer Stimulus) erhält. Die durch die Kaltkristallisation induzierte Schrumpfung wird dann genutzt, um das verschleißbedingte Spiel zu kompensieren.After some wear on the mechanism, the remaining crystallization potential can be exploited by giving the mechanism another heat treatment at the temperature T W2 (second external stimulus). The shrinkage induced by cold crystallization is then used to compensate for the wear-related play.
Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten, die Lebensdauer eines solchen -mit einer Art „induzierter Selbstheilung“ ausgestatteten- Mechanismus zu verlängern und damit diesen nachhaltiger zu gestalten.This opens up completely new possibilities for extending the lifespan of such a mechanism - equipped with a type of “induced self-healing” - and thus making it more sustainable.
Zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit eines zusammenbaufreien Mechanismus mit Gelenken aus kinematischen Paaren können diese zu einem Watt'schen Lenker zusammengesetzt werden. Ein Beispiel eines solchen Watt'schen Lenkers findet sich in
Die Allgemeinheit der Lehre nicht einschränkend soll im Folgenden die Herstellung und Verwendung eines erfindungsgemäßen Polymer-Formteils beschrieben werden.Without limiting the generality of the teaching, the production and use of a polymer molding according to the invention will be described below.
Es werden die folgenden Gerätetypen verwendet:
- Typ DSC: Polyma 214 Netsch Gerätebau GmbH
- Typ TMA: TMA 402 Netzsch Gerätebau GmbH
- Type DSC: Polyma 214 Netsch Gerätebau GmbH
- Type TMA: TMA 402 Netzsch Gerätebau GmbH
Erstes Polymer: Polylactid (PLA) von DAS FILAMENT
- 1. Das Polymer wird gleichgewichtsnah in der DSC bis in die Schmelze aufgeheizt und die Kaltkristallisationsenthalpie HKS (exothermer Prozess) und die Schmelzenthalpie HSchmelz (endothermer Prozess) evaluiert. Ist |HKS| < |HSchmelz| ist ein Teil des Polymers in der vorangegangenen Abkühlung kristallisiert. Somit erhalten wir Aufschluss über den Kristallisationsgrad nach der vorangegangenen Abkühlung
- 2. Anschließend wird die Polymerschmelze mit einer definierten Abkühlgeschwindigkeit heruntergekühlt
- 3.
Schritt 1 wird erneut wiederholt - 4.
Schritt 2 wird mit einer andern Abkühlgeschwindigkeit wiederholt.
- 1. The polymer is heated to near equilibrium in the DSC down to the melt and the cold crystallization enthalpy H KS (exothermic process) and the melting enthalpy H melt (endothermic process) are evaluated. Is |H KS | < |H enamel | part of the polymer has crystallized during the previous cooling. This gives us information about the degree of crystallization after the previous cooling
- 2. The polymer melt is then cooled down at a defined cooling rate
- 3.
Step 1 is repeated again - 4.
Step 2 is repeated with a different cooling rate.
Diese Routine wird solange systematisch wiederholt, bis die Abkühlgeschwindigkeit ermittelt wurde, bei der
Zwischen Glasübergangstemperatur und Beginn der Kaltkristallisation muss ein ausreichend großes Temperaturfenster von mindestens 40 K (Schritt i. j.) liegen, um Orientierungsrelaxation und Kaltkristallisation voneinander zu trennen. Dies sollte bei möglichst geringen Heizraten (gleichgewichtsnah) gemessen werden, da der Beginn der Kaltkristallisation bei steigender Heizrate stärker zu höheren Temperaturen verschoben wird als der Glasübergang. Die Heizrate muss jedoch so groß bleiben, dass sich der Glasübergang noch ermitteln lässt. In
In
In
Zweites Polymer: Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA) von Fillamentum Manufacturing Czech s.r.o.Second polymer: Acrylonitrile styrene acrylate (ASA) from Fillamentum Manufacturing Czech s.r.o.
In
Die Wärmeformbeständigkeit von ASA wurde dem Datenblatt des Herstellers entnommen. Sie beträgt 96 °C und ist somit nicht mehr als 10 K kleiner als TKS1 (Kriterium i.l.)The heat resistance of ASA was taken from the manufacturer's data sheet. It is 96 °C and is therefore not more than 10 K smaller than T KS1 (criterion il)
Die Herstellung der erfindungsgemäßen zusammenbaufreien Mechanismen mit einem Gelenk aus kinematischen Paaren erfolgt folgendermaßen:
- Die zuvor identifizierten Polymere, erstes Polymer (PLA) und zweites Polymer (ASA) liegen als Filamente für den additiven Fertigungsprozess vor.
- The previously identified polymers, first polymer (PLA) and second polymer (ASA), are available as filaments for the additive manufacturing process.
Als Geometrie für die zusammenbaufreien Mechanismen mit Gelenken aus kinematischen Paaren wurde ein Drehgelenk mit Hinterschnitt gemäß
Alle Teile werden mit einem Ultimaker S3 von Ultimaker BV ohne jegliche Einhausung gedruckt. Beide Extruder sind mit einer Standarddüse Typ AA mit 0,4 mm Durchmesser ausgestattet. Eine Standard-Glasbauplatte wird verwendet und vor jedem Druck mit DIMAFIX von Dima3D beschichtet.All parts are printed using an Ultimaker S3 from Ultimaker BV without any enclosure. Both extruders are equipped with a standard type AA nozzle with a diameter of 0.4 mm. A standard glass building board is used and coated with DIMAFIX from Dima3D before each print.
Die Erzeugung der Druckdateien wurde mit CURA 4.8.0 von Ultimaker BV durchgeführt. Für jedes Material werden die Druckparameter festgelegt und für alle gedruckten Exemplare konstant gehalten. Ein Auszug der wichtigsten Druckparameter findet sich in der folgenden Tabelle2 Tabelle 2 Druckparameter:
Für die Wärmebehandlung der Polymer-Formteile wird ein Universalofen UFE 400 der Firma Memmert GmbH&Co.KG verwendet. Die Polymer-Formteile wurden bei Raumtemperatur in den Ofen gelegt und anschließend bis zur entsprechenden Wärmebehandlungstemeratur TW1 bzw. TW2 aufgeheizt. Eine Aufheizrate von ca. 2 K/min wird gewählt. Die Temperaturen TW1 und TW2 wurden entsprechend der oben genannten Kriterien auf TW1 = 70 °C und TW2 = 80 °C festgelegt. Anschließend wird für 4 Stunden die gewünschte Temperatur gehalten. Danach werden die Proben langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Um eine konstante Abkühlungsrate über den gesamten Abkühlzyklus zu gewährleisten, wird eine Abkühlrate von 0,2 K/min gewählt.A
Nach der Herstellung des Polymer-Formteils hat dieses ein großes Spiel zwischen den kinematischen Paaren. Durch den ersten Stimulus (Wärmebehandlung) bei TW1 wird dieses hin zu einer gebrauchsfähigen Lagerpassung reduziert. Nach der ersten Wärmebehandlung wird das Polymer-Formteil in Gebrauch gestellt. Durch den Gebrauch treten Verschleißerscheinungen auf, welche zu einer Vergrößerung des Lagerspalts führen. Zu einem Zeitpunkt wird das tolerierte Maß für diese Vergrößerung des Lagerspalts überschritten. In diesem Zustand ist das Polymer-Formteil zunächst nicht mehr einsatzfähig. Nun wird das Polymer-Formteil ein zweites Mal wärmebehandelt (zweiter externer Stimulus) bei TW2. Dies hat eine erneute Reduzierung des Lagerspalts zur Folge und somit wird das Polymer-Formteil wieder in einen Gebrauchsfähigen Zustand versetzt.After the polymer molding is produced, it has a large amount of play between the kinematic pairs. The first stimulus (heat treatment) at T W1 reduces this to a usable bearing fit. After the first heat treatment, the polymer molding is put into use. During use, signs of wear occur, which lead to an increase in the bearing gap. At some point the tolerated level for this increase in the bearing gap is exceeded. In this condition, the polymer molded part is initially no longer usable. Now the polymer molding is heat treated a second time (second external stimulus) at T W2 . This results in a further reduction in the bearing gap and thus the polymer molded part is returned to a usable condition.
Verzeichnis der Abbildungen:List of illustrations:
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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CN 111793175 A sowie englische Maschinenübersetzung |
CN 113232294 A sowie englische Maschinenübersetzung |
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Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
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