DE102022126382A1 - Layered composite material with shape memory polymers and process for its manufacture - Google Patents
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Abstract
Es wird ein lagenförmiges Verbundmaterial sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung vorgeschlagen, welches eine erste flächige und zwischen einer ersten und zweiten Form verformbare Lage sowie eine auf diese aufgebrachte zweite flächige zumindest zwischen einer ersten und zweiten Form verformbare Lage aus thermoplastischen Polymeren aufweist. Die zweite Lage wird mittels Schmelzschichten auf der ersten Lage abgeschieden, wobei die Erfindung vorsieht, dass zumindest eine der Lagen mittels Schmelzschichten eines thermoplastischen Polymers mit thermo- oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften, welches einerseits Hartsegmente mit einem Schmelzübergangstemperaturbereich, andererseits Weichsegmente mit einem unterhalb des Schmelzübergangstemperaturbereiches der Hartsegmente gelegenen Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich aufweist, erzeugt wird. Das thermoplastische Formgedächtnispolymer der jeweiligen Lage wird dabei während des Schmelzschichtens zu der Lage in einer ersten Form abgeschieden und derart in eine zweite Form programmiert, dass die Lage bei Erwärmen auf den Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich der Weichsegmente des Formgedächtnispolymers oder bei Kontakt mit Wasser in die zweite Form geschaltet wird.A layered composite material and a method for its production are proposed, which has a first flat layer that can be deformed between a first and second shape and a second flat layer made of thermoplastic polymers that is applied to it and can be deformed at least between a first and second shape. The second layer is deposited on the first layer using melt layers, wherein the invention provides that at least one of the layers is produced using melt layers of a thermoplastic polymer with thermo- or water-responsive shape memory properties, which on the one hand has hard segments with a melting transition temperature range and on the other hand has soft segments with a glass transition or melting temperature range that is below the melting transition temperature range of the hard segments. The thermoplastic shape memory polymer of the respective layer is deposited during melt layering to form the layer in a first shape and programmed into a second shape in such a way that the layer is switched into the second shape when heated to the glass transition or melting temperature range of the soft segments of the shape memory polymer or when it comes into contact with water.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines lagenförmigen Verbundmaterials, umfassend
- (a) wenigstens eine erste, im Wesentlichen flächige und zumindest zwischen einer ersten Form und einer zweiten Form verformbare Lage, und
- (b) wenigstens eine, zumindest bereichsweise auf die erste Lage aufgebrachte zweite, im Wesentlichen flächige und zumindest zwischen einer ersten Form und einer zweiten Form verformbare Lage aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer,
- (a) wenigstens eine erste, im Wesentlichen flächige und zumindest zwischen einer ersten Form und einer zweiten Form verformbare Lage, und
- (b) wenigstens eine, zumindest bereichsweise auf die erste Lage aufgebrachte zweite, im Wesentlichen flächige und zumindest zwischen einer ersten Form und einer zweiten Form verformbare Lage aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer,
- (a) at least one first, substantially planar layer deformable at least between a first shape and a second shape, and
- (b) at least one second, substantially planar layer made of at least one thermoplastic polymer, applied at least partially to the first layer and deformable at least between a first mold and a second mold,
- (a) at least one first, substantially planar layer deformable at least between a first shape and a second shape, and
- (b) at least one second, substantially planar layer made of at least one thermoplastic polymer, applied at least partially to the first layer and deformable at least between a first mold and a second mold,
Derartige lagenförmige Verbundmaterialien sind insbesondere in Form von sogenannten 4D-Textilien bekannt, welche eine erste flächige Lage aus einem unter Spannung stehenden Textilmaterial aufweisen, welches elastisch verformbar ist. Auf die erste Lage aus dem Textilmaterial ist eine zweite Lage aus thermoplastischen Polymeren aufgebracht, was üblicherweise mittels Schmelzschichten der zweiten Lage unter Verwendung von 3D-Druckern auf die erste Lage aus dem Textilmaterial geschieht, welches während des Schmelzschichtens mittels geeigneter Vorspanneinrichtungen unter Spannung gesetzt wird. Die zweite Lage kann dabei mit bereichsweise verschiedener Dicke und/oder insbesondere auch nur bereichsweise auf die erste Lage aus dem Textilmaterial aufgebracht sein. Aufgrund dessen, dass die erste Lage aus dem Textilmaterial während des Aufbringens der zweiten Lage auf die erste Lage unter Spannung gesetzt worden ist, vermag ein solches Verbundmaterial bei einer anschließenden Relaxation des Textilmaterials, welche je nach Dicke und/oder lokalem Vorhandensein der zweiten Lage gehemmt wird, eine Formveränderung zu vollziehen, wobei es aus seiner vormals im Wesentlichen ebenen Form mehr oder minder selbsttätig in ein dreidimensionales Flächengebilde verformt wird, wie beispielsweise nach einer gewissen Standzeit und/oder infolge äußerer Einflüsse, wie Feuchtigkeit, Licht, Wärme oder dergleichen. Anwendungsgebiete solcher 3D-Textilien bestehen dabei beispielsweise in der Modeindustrie, aber auch in der Medizintechnik oder anderen technischen Gebieten, wie z.B. in der Luft- und Raumfahrt (vgl. z.B. unter
Die Beherrschung der gewünschten Formrückstellung anlässlich der Relaxation solcher 4D-Textilien ist gegenwärtig noch Gegenstand der Forschung und erweist sich als außerordentlich komplex. So kann das Vorspannen der ersten Lage aus dem Textilmaterial insbesondere zum Auftreten von inhomogenen Spannungsfeldern führen, weshalb sich diese Technologie gegenwärtig noch als nur bedingt beherrschbar erweist und den Einsatz von komplexen Vorspanneinrichtungen erfordert. Darüber hinaus ist die Kontrolle der Formveränderung durch den Grad der in das Textilmaterial eingebrachten Dehnung sowie durch die Dicke und/oder die Form der, insbesondere nur bereichsweise, aufgedruckten zweiten Lage aus thermoplastischen Polymermaterialien begrenzt.Controlling the desired shape recovery during the relaxation of such 4D textiles is currently still the subject of research and is proving to be extremely complex. For example, pre-tensioning the first layer of textile material can lead to the occurrence of inhomogeneous stress fields, which is why this technology is currently only partially controllable and requires the use of complex pre-tensioning devices. In addition, control of the change in shape is limited by the degree of stretch introduced into the textile material and by the thickness and/or shape of the second layer of thermoplastic polymer materials, which is printed on in particular only in certain areas.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein lagenförmiges Verbundmaterial der eingangs genannten Art auf einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden, dass unter zumindest weitgehender Vermeidung der vorgenannten Nachteile ein exaktes Formveränderungsverhalten des Verbundmaterials eingestellt werden kann. Die ist ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen lagenförmigen Verbundmaterials gerichtet.The invention is based on the object of developing a layered composite material of the type mentioned at the outset in a simple and cost-effective manner such that an exact shape change behavior of the composite material can be set while at least largely avoiding the aforementioned disadvantages. The invention is also directed to a method for producing such a layered composite material.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung eines lagenförmigen Verbundmaterials der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zumindest eine der Lagen mittels Schmelzschichten wenigstens eines thermoplastischen Polymers mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften, welches einerseits
- - Hartsegmente mit wenigstens einem Schmelzübergangstemperaturbereich, andererseits
- - Weichsegmente und/oder Mischphasen aus Weichsegmenten und und Hartsegmenten mit einem unterhalb des Schmelzübergangstemperaturbereiches der Hartsegmente gelegenen Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich
- - Hard segments with at least one melting transition temperature range, on the other hand
- - Soft segments and/or mixed phases of soft segments and hard segments with a melting transition temperature range below the hard segments Glass transition or melting temperature range
In erzeugnistechnischer Hinsicht sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe ferner bei einem mittels eines solchen Verfahrens herstellbaren lagenförmigen Verbundmaterial der eingangs genannten Art vor, dass zumindest eine der Lagen wenigstens ein thermoplastisches Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften aufweist, welches einerseits
- - Hartsegmente mit wenigstens einem Schmelzübergangstemperaturbereich, andererseits
- - Weichsegmente und/oder Mischphasen aus Weichsegmenten und Hartsegmenten mit einem unterhalb des Schmelzübergangstemperaturbereiches der Hartsegmente gelegenen Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich
- - Hard segments with at least one melting transition temperature range, on the other hand
- - Soft segments and/or mixed phases of soft segments and hard segments with a glass transition or melting temperature range below the melting transition temperature range of the hard segments
Bei Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften, sogenannten Formgedächtnispolymeren, handelt es sich um Polymere, welche häufig aus zwei oder mehreren Phasen oder Segmenten bestehen. Dabei handelt es sich einerseits um Hartsegmente, welche auch als Netzpunkte zwischen benachbarten Polymermolekülen fungieren und einen Schmelzübergangstemperaturbereich aufweisen, oberhalb desselben das Polymer gänzlich aufgeschmolzen und mittels praktisch beliebiger bekannter thermoplastischen Verarbeitungsverfahren verarbeitet werden kann. Andererseits handelt es sich um Weichsegmente und/oder um Mischphasen aus Weichsegmenten und Hartsegmenten, welche die Netzpunkte miteinander verbinden und auch als „Schaltsegmente“ bezeichnet werden. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass es sich bei den Netzpunkten gattungsgemäßer thermoplastischer Polymere mit Formgedächtniseigenschaften nicht um chemisch vernetzte Bereiche handelt, sondern sind die Netzpunkte primär physikalischer Natur. Die Weichsegmente bzw. die Mischphasen aus Weichsegmenten und Hartsegmenten sind bei erhöhten Temperaturen oberhalb ihres Glasübergangs- bzw. Schmelztemperaturbereiches vornehmlich elastisch (sie liegen in diesem Fall vornehmlich in amorpher Form vor) oder sie sind oberhalb ihres Schmelztemperaturbereiches zumindest teilweise plastifiziert, während sie bei niedrigeren Temperaturen unterhalb ihres Glasübergangstemperaturbereiches starr sind (sie liegen in diesem Fall vornehmlich in verglaster oder teilkristalliner Form vor).Polymers with shape memory properties, so-called shape memory polymers, are polymers that often consist of two or more phases or segments. On the one hand, these are hard segments, which also act as network points between neighboring polymer molecules and have a melting transition temperature range above which the polymer is completely melted and can be processed using practically any known thermoplastic processing method. On the other hand, they are soft segments and/or mixed phases of soft segments and hard segments, which connect the network points to one another and are also referred to as "switching segments". It should be noted, however, that the network points of generic thermoplastic polymers with shape memory properties are not chemically cross-linked areas, but are primarily physical in nature. The soft segments or the mixed phases of soft segments and hard segments are primarily elastic at elevated temperatures above their glass transition or melting temperature range (in this case they are primarily in amorphous form) or they are at least partially plasticized above their melting temperature range, while they are rigid at lower temperatures below their glass transition temperature range (in this case they are primarily in vitrified or partially crystalline form).
Derartige Formgedächtnispolymere lassen sich hinsichtlich ihrer Formgebung programmieren, indem sie auf eine sogenannte Schalttemperatur erwärmt werden, welche wenigstens dem Glasübergangs- oder Schmelz- bzw. Kristallisationstemperaturbereich der Weichsegmente bzw. der Mischphasen aus Weichsegmenten und Hartsegmenten entspricht, aber mehr oder minder deutlich unterhalb des Schmelzübergangstemperaturbereiches der Hartsegmente liegt, und bei welcher der Phasenübergang (Glasübergang bzw. Schmelzübergang) der Weich- bzw. Schaltsegmente stattfindet. Bei einer solchen Temperatur kann das Formgedächtnispolymer dann unter Einwirkung äußerer Verformungskräfte verformt, wonach es unter Aufrechterhaltung der Verformung auf seine sogenannte Formfixierungstemperatur abgekühlt wird, welche wiederum im Glasübergangs- bzw. Kristallisationstemperaturbereich der Weich- bzw. Schaltsegmente liegen kann, aber demgegenüber üblicherweise zumindest etwas geringer ist. Die Weich- bzw. Schaltsegmente liegen dann wieder in verglaster bzw. teilkristalliner Form vor, so dass die Formgebung erhalten bleibt. Diese Formgebung ist indes insoweit nur temporär, als wenn ein solchermaßen „programmiert“ mechanisch verformtes Formgedächtnispolymer auf eine bestimmte Temperatur, nämlich auf seine Schalttemperatur, erwärmt wird, die Weichsegmente bzw. die Mischphasen aus Weichsegmenten und Hartsegmenten (Schaltsegmente) wieder in ihre vornehmlich amorphe Form überführt werden, so dass sie der durch die Hartsegmente (Netzpunkte) induzierten Rückstellkraft nicht mehr entgegenwirken können und das Formgedächtnispolymer wieder seine ursprüngliche, auch als „permanent“ bezeichnete Form einnimmt, die mechanische Verformung anlässlich der Programmierung also „rückgängig“ gemacht wird. Ferner besteht oft auch die Möglichkeit einer Programmierung durch Kaltverformung, indem die Formgedächtnispolymere bei einer Temperatur unterhalb ihrer Schalttemperatur, z.B. bei Umgebungstemperatur, verformt werden und gegebenenfalls, sofern die Formfixierungstemperatur demgegenüber geringer ist, auf ihre Formfixierungstemperatur abgekühlt werden. Auch in diesem Fall findet insoweit eine nur temporäre Verformung statt, als bei einer abermaligen Erwärmung zumindest auf die Schalttemperatur, um die Weichsegmente bzw. die Mischphasen aus Weichsegmenten und Hartsegmenten (Schaltsegmente) in die vornehmlich amorphe Phase zu überführen und dabei die anlässlich der Kaltverformung induzierten mechanischen Spannungen zu relaxieren, eine Rückverformung stattfindet.Such shape memory polymers can be programmed in terms of their shape by heating them to a so-called switching temperature, which corresponds at least to the glass transition or melting or crystallization temperature range of the soft segments or the mixed phases of soft segments and hard segments, but is more or less significantly below the melting transition temperature range of the hard segments, and at which the phase transition (glass transition or melting transition) of the soft or switching segments takes place. At such a temperature, the shape memory polymer can then be deformed under the influence of external deformation forces, after which it is cooled to its so-called shape fixing temperature while maintaining the deformation, which in turn can be in the glass transition or crystallization temperature range of the soft or switching segments, but is usually at least somewhat lower. The soft or switching segments are then again in vitrified or partially crystalline form, so that the shape is retained. However, this shaping is only temporary insofar as when a shape memory polymer that has been mechanically deformed in such a "programmed" manner is heated to a certain temperature, namely to its switching temperature, the soft segments or the mixed phases of soft segments and hard segments (switching segments) are converted back into their predominantly amorphous form, so that they can no longer counteract the restoring force induced by the hard segments (network points) and the shape memory polymer returns to its original, also referred to as "permanent" shape. the mechanical deformation is therefore "reversed" during programming. Furthermore, it is often possible to program by cold forming, in which the shape memory polymers are deformed at a temperature below their switching temperature, e.g. at ambient temperature, and if necessary, if the shape fixing temperature is lower, cooled to their shape fixing temperature. In this case too, only temporary deformation takes place, as re-deformation takes place when the polymer is heated again, at least to the switching temperature, in order to convert the soft segments or the mixed phases of soft segments and hard segments (switching segments) into the predominantly amorphous phase and to relax the mechanical stresses induced by the cold forming.
Neben einem solchen Formgedächtnis weisen thermoresponsive Formgedächtnispolymere auch ein Temperaturgedächtnis auf. Hierunter wird verstanden, dass bei einem Auslösen des Formgedächtniseffektes die Formrückstellung etwa bei derjenigen Temperatur - in der Regel im Glasübergangs- bzw. Schmelztemperaturbereich der Weich- bzw. Schaltsegmente - einsetzt, bei welcher zuvor die mechanische Verformung in das Material eingebracht worden ist. Ein derartiges Materialverhalten weisen beispielsweise Polymere mit semikristallinen Netzwerkstrukturen auf, wie thermoplastische Polyurethan-Elastomere (
Darüber hinaus sind neben Formgedächtnispolymeren, welche nur einmalig von ihrer programmierten (temporären) Form in ihre ursprüngliche (permanente) Form geschaltet werden können und auch als „Einweg-Formgedächtnispolymere“ bezeichnet werden, Polymere mit Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften bekannt. Letztere können mehrfach thermoreversibel zwischen zumindest zwei Formen hin und her geschaltet werden, indem die Weich- bzw. Schaltsegmente solcher Zweiwege-Formgedächtnispolymere beim Übergang zwischen ihrem vornehmlich teilkristallinen Zustand und ihrem vornehmlich amorphem Zustand eine Formänderung derart erfahren, dass sie einerseits mittels Abkühlen des Polymers unter die Kristallisationstemperatur, andererseits mittels Erwärmen des Polymers in den Schmelztemperaturbereich, reversibel zwischen zwei bistabilen Formzuständen hin und her geschaltet werden können, d.h. das entsprechend programmierte Polymer verformt sich bei entsprechender Temperaturführung selbsttätig hin und her. Derartige Zweiwege-Formgedächtnispolymere sind z.B. aus
Während thermoplastische Polymere mit Formgedächtniseigenschaften, wie bereits erwähnt, weitestgehend mittels üblicher thermoplastischer Verarbeitungsverfahren, wie Extrudieren, Spritzgießen, Heißpressen etc., verarbeitet werden können, wobei sie beispielsweise in einer Plastifiziereinheit nach Art eines Extruders plastifiziert und mittels einer Austrittsdüse oder eines Düsenaggregates aus der Plastifiziereinheit ausgebracht werden können, lassen sich einige solcher thermoplastischen Polymere mit Formgedächtniseigenschaften auch mittels des Schmelzschichtverfahrens verarbeiten, wie es insbesondere in 3D-Druckern zur Anwendung gelangt. Dieses auch als „fused deposition modeling“ (FDM) oder „fused filament fabrication“ (FFF) bezeichnete Schmelzschichtverfahren stellt ein Fertigungsverfahren dar, bei welchem ein oder mehrere Filament(e) oder Granulate aus dem thermoplastischen Polymer oder aus einem Polymer-Blend aus thermoplastischen Polymeren mit Formgedächtniseigenschaften in einer Plastifiziereinheit des 3D-Druckers plastifiziert und mittels einer üblicherweise im Druckkopf des 3D-Druckers vorgesehenen Austrittsdüse schichtweise abgeschieden wird, um die letztlich aus einer Vielzahl an solchen Schichten oder „Tropfen“ gebildete Lage zu erzeugen. Bei dem Schmelzschichtverfahren mittels auch als „additive manufacturing“ bezeichneten 3D-Druckens wird üblicherweise ein dreidimensionales Modell der zu erzeugenden Lage digital erstellt, was insbesondere mittels der bekannten Methoden des Computer Aided Designs (CAD) geschehen kann. Darüber hinaus wird mittels einer geeigneten Software, wie beispielsweise eines sogenannten Slicer-Programms (z.B. Cura™ oder dergleichen), das dreidimensionale Modell der zu erzeugenden Lage in eine Mehrzahl an dünnen Schichten zerlegt, woraufhin das plastifizierte Polymer mittels der Austrittsdüse des entsprechend bewegten Druckkopfes schichtweise abgeschieden wird, um die Lage Schicht für Schicht aufzubauen. Unmittelbar nach dem Ausbringen des mehr oder minder strang- oder tropfenförmig aus der Austrittsdüse des Druckkopfes ausgetragenen Polymerplastifikates beginnt der Aushärtungsprozess - oder genauer: der Erstarrungsprozess -, wobei das abgeschiedene Plastifikat beispielsweise bei Umgebungstemperatur oder auch unter aktiver Abkühlung erstarrt. Ein Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen Polymer-Formteilen mit Formgedächtniseigenschaften im Schmelzschichtverfahren mittels 3D-Druckern ist insbesondere aus der
Die Erfindung sieht nun vor, dass zumindest eine der Lagen - sei es die wenigstens eine erste Lage und/oder sei es die wenigstens eine zweite Lage - des lagenförmigen Verbundmaterials mittels Schmelzschichten wenigstens eines thermoplastischen Polymers mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften erzeugt wird, wobei wenigstens ein Polymer mit Formgedächtniseigenschaften bzw. ein wenigstens ein solches enthaltender Polymer-Blend zum Einsatz gelangt, welches einerseits Hartsegmente mit wenigstens einem Schmelzübergangstemperaturbereich, andererseits Weichsegmente und/oder Mischphasen aus Weichsegmenten und Hartsegmenten mit einem unterhalb des Schmelzübergangstemperaturbereiches der Hartsegmente gelegenen Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich aufweist. Das wenigstens eine thermoplastische Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften der wenigstens einen Lage wird dabei erfindungsgemäß während des Schmelzschichtens zu der wenigstens einen Lage in einer ersten (im Falle eines Einweg-Formgedächtnispolymers temporäre) Form abgeschieden und derart in wenigstens eine zweite (im Falle eines Einweg-Formgedächtnispolymers permanente) Form programmiert, dass die wenigstens eine Lage bei Erwärmen auf den Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich der Weichsegmente des wenigstens einen thermoplastischen Polymers mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften und/oder bei Kontakt mit Wasser in die wenigstens eine zweite Form geschaltet wird.The invention now provides that at least one of the layers - be it the at least one first layer and/or the at least one second layer - of the layered composite material is produced by means of melt layers of at least one thermoplastic polymer with thermoresponsive and/or water-responsive shape memory properties, wherein at least one polymer with shape memory properties or a polymer blend containing at least one such polymer is used, which on the one hand has hard segments with at least one melting transition temperature range, and on the other hand has soft segments and/or mixed phases of soft segments and hard segments with a glass transition or melting temperature range below the melting transition temperature range of the hard segments. According to the invention, the at least one thermoplastic polymer with thermoresponsive and/or water-responsive shape memory properties of the at least one layer is deposited in a first (in the case of a disposable shape memory polymer, temporary) shape during melt layering to form the at least one layer and is programmed into at least one second (in the case of a disposable shape memory polymer, permanent) shape such that the at least one layer is switched into the at least one second shape when heated to the glass transition or melting temperature range of the soft segments of the at least one thermoplastic polymer with thermoresponsive and/or water-responsive shape memory properties and/or when in contact with water.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung macht dabei nicht nur ein Verspannen der ersten Lage, wie es bei der Erzeugung von 4D-Textilien erforderlich ist, um für eine spätere Formveränderung des lagenförmigen Verbundmaterials zu sorgen, entbehrlich, sondern bietet, wie weiter unten noch näher erläutert, die Möglichkeit einer Vielzahl an Materialkombinationen für die erste und die zweite Lage, wobei die gewünschte Formveränderung nur einer (die jeweils andere Lage wird dann bei der Formrückstellung zumindest teilweise mit verformt) oder beider Lagen (beide Lagen werden bei der Formrückstellung in ähnlicher Weise oder andersartig verformt) mittels des thermoplastischen Formgedächtnispolymers in vielfältiger Weise programmiert werden kann, um insbesondere auch sehr komplexe Flächengebilde zu erzeugen, wenn der Formgedächtniseffekt zumindest einer der Lagen ausgelöst wird. Hierbei ist es erfindungsgemäß insbesondere auch möglich, sowohl die wenigstens eine erste Lage als auch die wenigstens eine zweite Lage des lagenförmigen Verbundmaterials aus thermoplastischen Polymeren auszubilden, von welchen wenigstens eines Formgedächtniseigenschaften besitzt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Lagen zustande kommt und etwaige Delaminierungen zuverlässig zu verhindern. Wie oben erwähnt, kann die Auslösung des Formgedächtniseffektes dabei entweder thermisch geschehen, wenn das wenigstens eine thermoplastische Polymer mit thermoresponsiven Eigenschaften der wenigstens einen Lage in den Bereich der Glasübergangs- bzw. Schmelztemperatur seiner Weichsegmente erwärmt wird, und/oder infolge Kontakt mit Wasser oder wässrigen Lösungen, wenn das wenigstens eine thermoplastische Polymer mit wasserresponsiven Eigenschaften der wenigstens einen Lage einem solchen Medium exponiert wird, so dass dem erfindungsgemäße Verbundmaterial mono- oder dual stimuli-reponsive Eigenschaften verliehen werden können.The design according to the invention not only makes it unnecessary to tension the first layer, as is necessary when producing 4D textiles in order to ensure a subsequent change in shape of the layered composite material, but also offers, as explained in more detail below, the possibility of a large number of material combinations for the first and second layers, whereby the desired change in shape of only one (the other layer is then at least partially deformed during the shape recovery) or both layers (both layers are deformed in a similar or different way during the shape recovery) can be programmed in a variety of ways by means of the thermoplastic shape memory polymer, in order in particular to produce very complex surface structures when the shape memory effect of at least one of the layers is triggered. In this case, it is also possible according to the invention to form both the at least one first layer and the at least one second layer of the layered composite material from thermoplastic polymers, at least one of which has shape memory properties, so that a material bond is created between the layers and any delamination is reliably prevented. As mentioned above, the shape memory effect can be triggered either thermally, when the at least one thermoplastic polymer with thermoresponsive properties of the at least one layer is heated to the range of the glass transition or melting temperature of its soft segments, and/or as a result of contact with water or aqueous solutions, when the at least one thermoplastic polymer with water-responsive properties of the at least one layer is exposed to such a medium, so that the composite material according to the invention can be given mono- or dual stimuli-responsive properties.
Erfindungsgemäß kann wenigstens ein thermoplastisches Polymer mit Formgedächtniseigenschaften zumindest einer der Lagen aus der Gruppe der Einweg- oder der Zweiwege-Formgedächtnispolymere gewählt werden, wie sie weiter oben beschrieben sind. Bei dem wenigstens einen thermoplastischen Polymer mit Formgedächtniseigenschaften der wenigstens einen Lage eines erfindungsgemäßen lagenförmigen Verbundmaterials kann es sich somit um ein Einweg- oder um ein Zweiwege-Formgedächtnispolymer handeln.According to the invention, at least one thermoplastic polymer with shape memory properties of at least one of the layers can be selected from the group of one-way or two-way shape memory polymers, as described above. The at least one thermoplastic polymer with shape memory properties of the at least one layer of a layered composite material according to the invention can thus be a one-way or a two-way shape memory polymer.
Beispiele für als geeignet befundene thermoplastische Polymere mit thermo- und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften umfassen lineare Blockcopolymere, vorzugsweise Polyurethane und Polyurethane mit ionischen oder mesogenen Komponenten, Blockcopolymere aus Polyethylenterephthalat und Polyethylenoxid, Blockcopolymere aus Polystyrol und Poly(1,4-butadien), ABA Triblock-Copolymere aus Poly-(2-methyl-2- oxazolin) (A-Block) und Polytetrahydrofuran (B-Block), Multiblockcopolymere aus Polyurethanen mit Poly(ε-caprolacton)-Schaltsegmenten, Blockcopolymere aus Polyethylenterephthalat und Polyethylenoxid und Blockcopolymere aus Polystyrol und Poly(1,4-butadien). Weiterhin haben sich thermoplastische Polyurethanelastomere als geeignet erwiesen, deren das Hartsegment bildende Phase aus einem Diisocyanat, wie z.B. Methylendiphenyldiisocyanat (MDI), Isophorondiisocyanat (IPDI), 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HMDI), Toluol-2,4-diisocyanat (TDI) oder 1,5-Pentandiisocyanat (PDI), Isophorondiisocyanat (IPDI), Naphthylendiisocyanat (NDI) und polymeres Diphenylmethandiisocyanat (PMDI) einschließlich Mischungen hiervon, und einem Diol, wie z.B. Ethylenglycol, 1,3-Propandiol, 1,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, 3-Methyl-1,5-pentandiol, 1,6-Hexandiol, 1,7-Heptandiol, 1,8-Octandiol, 2-Methyl-1,8-octandiol, 1,9-Nonandiol oder 1,10-Decandiol, aufgebaut ist. Sowohl die genannten Diisocyanate als auch die Polyole können einzeln oder auch in beliebiger Mischung untereinander eingesetzt werden.Examples of suitable thermoplastic polymers with thermo- and/or water-responsive shape memory properties include linear block copolymers, preferably polyurethanes and polyurethanes with ionic or mesogenic components, block copolymers of polyethylene lenterephthalate and polyethylene oxide, block copolymers of polystyrene and poly(1,4-butadiene), ABA triblock copolymers of poly-(2-methyl-2-oxazoline) (A block) and polytetrahydrofuran (B block), multiblock copolymers of polyurethanes with poly(ε-caprolactone) switching segments, block copolymers of polyethylene terephthalate and polyethylene oxide and block copolymers of polystyrene and poly(1,4-butadiene). Furthermore, thermoplastic polyurethane elastomers have proven to be suitable, the phase forming the hard segment of which is composed of a diisocyanate, such as methylene diphenyl diisocyanate (MDI), isophorone diisocyanate (IPDI), 1,6-hexamethylene diisocyanate (HMDI), toluene-2,4-diisocyanate (TDI) or 1,5-pentane diisocyanate (PDI), isophorone diisocyanate (IPDI), naphthylene diisocyanate (NDI) and polymeric diphenylmethane diisocyanate (PMDI) including mixtures thereof, and a diol, such as ethylene glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 1,5-pentanediol, 3-methyl-1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, 1,7-heptanediol, 1,8-octanediol, 2-methyl-1,8-octanediol, 1,9-nonanediol or 1,10-decanediol. Both the diisocyanates mentioned and the polyols can be used individually or in any mixture with each other.
Das Weichsegment kann in solchen thermoplastischen Polyurethanelastomeren beispielsweise ein Oligoether, insbesondere Polyethylenoxid, Polypropylenoxid, Polytetramethylenetherglycol (PTMEG) oder eine Kombination aus 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan und Propylenoxid, sein. Ebenso kann das Weichsegment z.B. ein Oligoester, insbesondere Polyethylenadipat, Polypropylenadipat, Polybutylenadipat, Polypentylenadipat oder Polyhexalenadipat, sein, wobei sich auch weitere Oligoester als nützlich erwiesen haben. Die Oligoester können z.B. durch Umsetzung von Ethylenglycol, 1,3-Propandiol, 1,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, 3-Methyl-1,5-pentandiol, 1,6-Hexandiol, 1,7-Heptandiol, 1,8-Octandiol, 2-Methyl-1,8-octandiol, 1,9-Nonandiol oder 1,10-Decandiol mit aliphatischen Dicarbonsäuren, wie z.B. Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Korksäure, Azelainsäure und Sebacinsäure, oder mit aromatischen Dicarbonsäuren, wie z.B. Phthalsäure, Isophthalsäure und Terephthalsäure, hergestellt werden. Die Dicarbonsäuren können einzeln oder als Gemische, z.B. in Form einer Bernstein-, Glutar- und Adipinsäuremischung, verwendet werden. Zur Herstellung der Polyesterpolyole kann es gegebenenfalls von Vorteil sein, anstelle von Dicarbonsäuren die entsprechenden Dicarbonsäurederivate, wie z.B. Carbonsäurediester mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkoholrest, Carbonsäureanhydride oder Carbonsäurechloride, zu verwenden. Beispiele für mehrwertige Alkohole umfassen Glycole mit 2 bis 10, vorzugsweise mit 2 bis 6, Kohlenstoffatomen, Ethylenglycol, Diethylenglycol, 1,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, 1,6-Hexandiol, 1,10-Decandiol, 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol, 1,3-Propandiol und Dipropylenglycol. Die mehrwertigen Alkohole können allein oder gegebenenfalls in Mischung untereinander verwendet werden. Die Polyesterpolyole weisen ferner vorteilhafterweise Molekulargewichte zwischen etwa 400 und etwa 10.000 g/mol, bevorzugt zwischen etwa 600 und etwa 5.000 g/mol auf. Sofern das thermoplastische Formgedächtnispolymer der wenigstens einen Lage wasserresponsive Eigenschaften besitzen soll, haben sich ferner insbesondere Formgedächtnispolymere bewährt, deren Weichsegmente Polyethereinheiten in Form von Polyalkylenglycolen, wie z.B. Polyethylenglycol (PEG), Polypropylenglycol (PPG), Polytetramethylenetherglycol (PTMEG) und dergleichen, enthalten oder gänzlich hieraus gebildet sind, wobei die Hartsegmente wiederum von Polyurethaneinheiten gebildet sein können, welche durch Polyaddition der Isocyanatgruppen wenigstens eines Diisocyanates der oben genannten Art mit den Hydroxygruppen wenigstens eines als Kettenverlängerer dienenden Diols der oben genannten Art unter Bildung von Urethangruppen erhalten worden sind, wie sie beispielsweise in der zum Prioritätsdatum der vorliegenden Patentanmeldung noch nicht veröffentlichten
Darüber hinaus kommen beispielsweise Polycarbonat-basierte Polyurethanelastomere als thermoplastische Polymere mit Formgedächtniseigenschaften in Betracht. Hierbei ist das für die Weichsegmente bzw. Schaltsegmente eingesetzte Diol in einem thermoplastischen Polyurethanelastomer vorzugsweise im Wesentlichen vollständig oder in Teilen durch ein Hydroxyl-Endgruppen aufweisendes Polycarbonat, also durch ein Polycarbonatdiol, substituiert, welches aus der Umsetzung von einem Diol, insbesondere aus der Gruppe Ethylenglycol, 1,3-Propandiol, 1,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, 3-Methyl-1,5-pentandiol, 1,6-Hexandiol, 1,7-Heptandiol, 1,8-Octandiol, 2-Methyl-1,8-octandiol, 1,9-Nonandiol und 1,10-Decandiol, mit Diarylcarbonaten, wie z.B. Diphenyl-, Ditolyl-, Dixylyl-, Dinaphthylcarbonat, Dialkylcarbonaten, wie z.B. Diethyl-, Dipropyl-, Dibutyl-, Diamyl-, Dicyclohexylcarbonat, Dioxolanonen, wie z.B. Ethylen- und Propylencarbonat, Hexandiol-1,6-bischlorkohlensäureester, Phosgen oder Harnstoff erhalten werden kann. Weiterhin bevorzugt können für die Weich- bzw. Schaltsegmente in derartigen Polycarbonat-basierten Polyurethanelastomeren beispielsweise Polycaprolactone, Polyglycolide und/oder Polyhydroxyalkanoate, vorzugsweise mit einer Molmasse zwischen etwa 400 g/Mol und etwa 4000 g/Mol, eingesetzt werden.In addition, polycarbonate-based polyurethane elastomers, for example, can be considered as thermoplastic polymers with shape memory properties. In this case, the diol used for the soft segments or switching segments in a thermoplastic polyurethane elastomer is preferably substantially completely or partially substituted by a polycarbonate having hydroxyl end groups, i.e. by a polycarbonatediol, which is obtained from the reaction of a diol, in particular from the group ethylene glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 1,5-pentanediol, 3-methyl-1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, 1,7-heptanediol, 1,8-octanediol, 2-methyl-1,8-octanediol, 1,9-nonanediol and 1,10-decanediol, with diaryl carbonates, such as diphenyl, ditolyl, dixylyl, dinaphthyl carbonate, dialkyl carbonates, such as diethyl, dipropyl, dibutyl, diamyl, dicyclohexyl carbonate, Dioxolanones, such as ethylene and propylene carbonate, hexanediol-1,6-bischlorocarbonic acid ester, phosgene or urea. Furthermore, for the soft or switching segments in such polycarbonate-based polyurethane elastomers, for example polycaprolactones, polyglycolides and/or polyhydroxyalkanoates, preferably with a molecular weight between about 400 g/mol and about 4000 g/mol, can be used.
Darüber hinaus kann insbesondere in thermoplastischen Polyurethanelastomeren mit Formgedächtniseigenschaften z.B. der Kettenverlängerer Diol in Teilen durch ein Diamin substituiert werden. Ausführungsbeispiele hierfür umfassen Isophorondiamin, Ethylendiamin, 1,2-Propylen-diamin, 1,3-Propylen-diamin, N-Methyl-1,3-propylendiamin, N,N'-Dimethyl-ethylen-diamin und aromatische Diamine, wie z.B. 2,4- Toluylen-diamin und 2,6-Toluylen-diamin, 3,5-Diethyl-2,4- Toluylen-diamin und/oder 2,6-Toluylen-diamin sowie primäre ortho-di-, tri- und/oder tetraalkylsubstituierte 4,4'-Diaminodiphenylmethane. Die genannten Diamine können ebenfalls sowohl einzeln als auch in beliebiger Mischung untereinander eingesetzt werden. Diamine als alleinige Kettenverlängerer sind im Allgemeinen nicht geeignet, da die resultierenden Polyharnstoffe dann nicht thermoplastisch zu verarbeiten sind bzw. unzureichende Formgedächtniseigenschaften ausweisen.In addition, particularly in thermoplastic polyurethane elastomers with shape memory properties, the chain extender diol can be partially substituted by a diamine. Examples of these include isophoronediamine, ethylenediamine, 1,2-propylenediamine, 1,3-propylenediamine, N-methyl-1,3-propylenediamine, N,N'-dimethylethylenediamine and aromatic diamines such as 2,4-toluenediamine and 2,6-toluenediamine, 3,5-diethyl-2,4-toluenediamine and/or 2,6-toluenediamine and primary ortho-di-, tri- and/or tetraalkyl-substituted 4,4'-diaminodiphenylmethanes. The diamines mentioned can also be used individually or in any mixture with one another. Diamines are generally not suitable as sole chain extenders because the resulting polyureas cannot be processed thermoplastically or have insufficient shape memory properties.
Wie bereits angedeutet, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass zumindest die wenigstens eine zweite Lage mittels Schmelzschichten unter Verwendung wenigstens eines 3D-Druckers auf der wenigstens einen zweiten Lage abgeschieden wird, wobei selbstverständlich auch - wie weiter unten noch näher erläutert - insbesondere dann, wenn nur oder auch die erste Lage wenigstens ein thermoplastisches Formgedächtnispolymer enthält, die erste Lage ihrerseits mittels 3D-Druckens erzeugt werden kann.As already indicated, an advantageous embodiment of the method according to the invention provides that at least the at least one second layer is deposited on the at least one second layer by means of melt layers using at least one 3D printer, whereby of course - as explained in more detail below - the first layer itself can also be produced by means of 3D printing, especially if only or also the first layer contains at least one thermoplastic shape memory polymer.
Während das wenigstens eine Formgedächtnispolymer der wenigstens einen Lage grundsätzlich auch erst dann programmiert werden kann, nachdem das lagenförmige Verbundmaterial erzeugt worden ist, kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das wenigstens eine thermoplastische Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften der wenigstens einen Lage während des Schmelzschichtens dadurch auf seine zweite Form programmiert wird, indem es während des Schmelzschichtens
- - auf eine maximale Temperatur unterhalb der oberen Grenztemperatur des Schmelzübergangstemperaturbereiches seiner Hartsegmente erwärmt wird, so dass die Hartsegmente nicht vollständig aufgeschmolzen werden, und/oder
- - mittels eines geeigneten Bewegungsprofils des Druckkopfes eines 3D-Druckers abgeschieden wird, wonach die wenigstens eine Lage auf eine Temperatur unterhalb dem Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich der Weichsegmente des wenigstens einen thermoplastischen Polymers mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften abgekühlt wird.
- - is heated to a maximum temperature below the upper limit temperature of the melting transition temperature range of its hard segments, so that the hard segments are not completely melted, and/or
- - is deposited by means of a suitable movement profile of the print head of a 3D printer, after which the at least one layer is cooled to a temperature below the glass transition or melting temperature range of the soft segments of the at least one thermoplastic polymer with thermoresponsive and/or water-responsive shape memory properties.
Auf diese Weise ist es möglich, das wenigstens eine thermoplastische Polymer mit Formgedächtniseigenschaften gemeinsam mit der Erzeugung der jeweiligen Lage des lagenförmigen Verbundmaterials - oder genauer: während des 3D-Druckvorgangs - in die zweite (im Falle eines Einweg-Formgedächtnispolymers z.B. temporäre) Form zu programmieren, d.h. es wird während seiner Formgebung in seine zweite Form gebracht, aus welcher es dann später, wenn das wenigstens eine thermoplastische Polymer mit Formgedächtniseigenschaften zumindest auf oder zweckmäßigerweise bis oberhalb der Schalttemperatur bzw. der Glasübergangs- oder Schmelztemperatur seiner Weichsegmente, aber unterhalb dem Schmelzübergangstemperaturbereich seiner Hartsegmente erwärmt wird, in seine erste (im Falle eines Einweg-Formgedächtnispolymers z.B. permanente) Form geschaltet werden kann. Dies ist dadurch möglich, dass aufgrund des nicht vollständigen Aufschmelzens zumindest der Hartsegmente auch die physikalischen Netzpunkte des thermoplastischen Polymers mit Formgedächtniseigenschaften nicht vollständig aufgeschmolzen werden, während durch die thermoplastische Verarbeitung zu der jeweiligen Lage zugleich Scher- und Schubkräfte in das plastifizierte Polymermaterial eingetragen werden. Nach Austritt aus der Austrittsdüse der Plastifiziereinheit und nach Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb dem Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich der Weichsegmente bzw. der Mischphasen aus Weich- und Hartsegmenten werden die infolge dieser mechanischen Kräfte in das Polymermaterial eingetragenen Verformungen, wie beispielsweise in Form von Dehnungen, durch die Verglasung oder Kristallisation der Weichsegmente bzw. der Mischphasen aus Weich- und Hartsegmente (Schaltsegmente) fixiert und auf diese Weise ein, insbesondere thermoresponsiver, Formgedächtniseffekt aufgeprägt. Die abgekühlte Lage verbleibt dann so lange in ihrer ersten Form, welche ihr während ihrer Herstellung mittels 3D-Druckens verliehen worden ist, bis sie auf den bzw. auf eine Temperatur oberhalb dem Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich der Weichsegmente bzw. über die Schalttemperatur erwärmt wird, woraufhin die jeweilige Lage ohne Aufbringen von mechanischen Kräften in ihre zweite Form überführt wird. Die jeweilige Lage weist somit eine Funktionsintegration im Sinne einer Thermoresponsivität auf, wobei die insbesondere dreidimensionale Verformung des lagenförmigen Verbundmaterials durch entsprechend programmierte Formrückstellung der ersten und/oder der zweiten Lage voreingestellt werden kann. Sofern das wenigstens eine thermoplastische Formgedächtnispolymer der jeweiligen Lage wasserresponsive Eigenschaften aufweist, gilt entsprechendes im Falle einer Exposition des lagenförmigen Verbundmaterials mit Wasser oder wässrigen Lösungen.In this way, it is possible to program the at least one thermoplastic polymer with shape memory properties into the second (in the case of a disposable shape memory polymer, for example, temporary) shape together with the production of the respective layer of the layered composite material - or more precisely: during the 3D printing process - i.e. it is brought into its second shape during its shaping, from which it can then later be switched into its first (in the case of a disposable shape memory polymer, for example, permanent) shape when the at least one thermoplastic polymer with shape memory properties is heated at least to or expediently above the switching temperature or the glass transition or melting temperature of its soft segments, but below the melting transition temperature range of its hard segments. This is possible because, due to the incomplete melting of at least the hard segments, the physical network points of the thermoplastic polymer with shape memory properties are not completely melted either, while the thermoplastic processing to form the respective layer simultaneously introduces shear and thrust forces into the plasticized polymer material. After exiting the outlet nozzle of the plasticizing unit and after cooling to a temperature below the glass transition or melting temperature range of the soft segments or the mixed phases of soft and hard segments, the deformations introduced into the polymer material as a result of these mechanical forces, such as in the form of expansion, are fixed by the vitrification or crystallization of the soft segments or the mixed phases of soft and hard segments (switching segments) and in this way a shape memory effect, in particular a thermoresponsive one, is imprinted. The cooled layer then remains in its first shape, which was given to it during its production by means of 3D printing, until it is heated to or to a temperature above the glass transition or melting temperature range of the soft segments or above the switching temperature, whereupon the respective layer is converted into its second form without the application of mechanical forces. The respective layer thus has a functional integration in the sense of thermoresponsiveness, whereby the particularly three-dimensional sional deformation of the layered composite material can be preset by appropriately programmed shape recovery of the first and/or second layer. If the at least one thermoplastic shape memory polymer of the respective layer has water-responsive properties, the same applies in the event of exposure of the layered composite material to water or aqueous solutions.
Darüber hinaus lässt sich die Ausprägung des Formrückstellverhaltens der jeweiligen Lage zwischen der ersten Form und der zweiten Form des erfindungsgemäßen lagenförmigen Verbundmaterials durch die in der Plastifiziereinheit und/oder in der Austrittsdüse des 3D-Druckers eingestellte Temperatur und/oder durch den hierin eingestellten Druck sowie auch durch die Geometrie der Austrittsdüse steuern, wobei ersteres für das unvollständige Aufschmelzen der Hartsegmente sorgt, während mit letzterem mechanische Kräfte unterschiedlichen Betrags und/oder Richtung in das nicht gänzlich aufgeschmolzene Polymermaterial eingetragen werden können. Eine weitere Möglichkeit einer gemeinsam mit der Erzeugung der jeweiligen Lage bewirkten Programmierung des wenigstens einen thermoplastischen Formgedächtnispolymers besteht in einer Steuerung der Richtung und/oder des Betrags der Relativgeschwindigkeit des Druckkopfes in Bezug auf einen die Lage(n) tragenden Drucktisch des 3D-Druckers, wobei insbesondere Scherkräfte in das Polymerplastifikat eingetragen werden können, welche durch anschließendes Abkühlen zumindest auf die Formfixierungstemperatur unterhalb der Glasübergangsübergangs- oder Kristallisationstemperatur der Weichsegmente „eingefroren“ werden. In bevorzugter Ausgestaltung kann demnach vorgesehen sein, dass das programmierte Formrückstellvermögen des wenigstens einen thermoplastischen Polymers mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften der wenigstens einen Lage dadurch eingestellt wird, indem
- - die in einer Plastifiziereinheit und/oder in einer Austrittsdüse des 3D-Druckers eingestellte Temperatur, und/oder
- - der in einer Plastifiziereinheit und/oder in einer Austrittsdüse des 3D-Druckers eingestellte Druck, und/oder
- - die Plastifikatstränge des wenigstens einen thermoplastischen Polymers mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften während und/oder nach ihrem Ausbringen aus dem wenigstens einen Druckkopf des 3D-Druckers auf einer Temperatur im oder oberhalb dem Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich der Weichsegmente gehalten und verformt werden, indem die Richtung und/oder der Betrag der Relativgeschwindigkeit des Druckkopfes in Bezug auf einen Drucktisch des 3D-Druckers gesteuert wird bzw. werden.
- - the temperature set in a plasticizing unit and/or in an exit nozzle of the 3D printer, and/or
- - the pressure set in a plasticizing unit and/or in an exit nozzle of the 3D printer, and/or
- - the plastic strands of the at least one thermoplastic polymer with thermoresponsive and/or water-responsive shape memory properties are held at a temperature in or above the glass transition or melting temperature range of the soft segments during and/or after their discharge from the at least one print head of the 3D printer and are deformed by controlling the direction and/or the amount of the relative speed of the print head with respect to a print table of the 3D printer.
Ferner sei an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise auch die Möglichkeit eröffnet, zwei oder mehr thermoplastische Polymere mit Formgedächtniseigenschaften, welche unterschiedliche Glasübergangs- oder Schmelztemperaturen ihrer Weichsegmente und/oder ihrer Mischphasen aus Weich- und Hartsegmenten bzw. unterschiedliche Schalttemperaturen besitzen können, gemeinsam zu verarbeiten. Auf diese Weise ist es einerseits möglich, die Schalttemperaturen für die Phasenübergänge einer solchermaßen hergestellten Lage des lagenförmigen Verbundmaterials gezielt einzustellen, andererseits kann alternativ oder zusätzlich durch eine Beeinflussung des Wärmetransportes in verschiedenen Bereichen der jeweiligen Lage ein zeitabhängiges Schalten, d.h. eine zeitabhängige bereichsweise Verformung der jeweiligen Lage aus der herstellungstechnisch bewirkten ersten Form in die zweite Form, ausgelöst werden, wodurch in Verbindung mit den wenigstens zwei einander anliegenden Lagen höchst komplexe dreidimensionale Flächengebilde erzeugt werden können. Zu diesen Zwecken können z.B. Polymer-Blends bzw. Polymer-Mischungen aus thermoplastischen Formgedächtnispolymeren eingesetzt werden, oder es können bei der Erzeugung der jeweiligen Lage mittels des Schmelzschichtverfahrens unter Verwendung von 3D-Druckern beispielsweise mehrere Druckfilamente oder -granulate aus unterschiedlichen Polymeren zum Einsatz gelangen (sogenannter „Multimaterialdruck“), wobei es sich zumindest bei einem oder allen dieser Polymere um thermoplastische Formgedächtnispolymere handelt.Furthermore, it should be explicitly pointed out at this point that the method according to the invention also opens up the possibility, for example, of jointly processing two or more thermoplastic polymers with shape memory properties, which can have different glass transition or melting temperatures of their soft segments and/or their mixed phases of soft and hard segments or different switching temperatures. In this way, on the one hand, it is possible to specifically set the switching temperatures for the phase transitions of a layer of the layered composite material produced in this way; on the other hand, alternatively or additionally, by influencing the heat transport in different areas of the respective layer, a time-dependent switching, i.e. a time-dependent region-by-region deformation of the respective layer from the first shape caused by the manufacturing process into the second shape, can be triggered, whereby in conjunction with the at least two layers lying against one another, highly complex three-dimensional surface structures can be produced. For these purposes, for example, polymer blends or polymer mixtures made of thermoplastic shape memory polymers can be used, or when producing the respective layer by means of the melt layer process using 3D printers, for example, several printing filaments or granules made of different polymers can be used (so-called “multi-material printing”), whereby at least one or all of these polymers are thermoplastic shape memory polymers.
Wie bereits angedeutet, kann die mittels Schmelzschichten erzeugte wenigstens eine zweite Lage nur bereichsweise auf der wenigstens einen ersten Lage abgeschieden werden, wie insbesondere in Form von geometrischen Strukturen, z.B. im Wesentlichen nach Art von band-, ring-, mehreckförmigen oder andersartigen Strukturen, um für eine nur lokale Verformung zu sorgen (sofern zumindest die zweite Lage aus Formgedächtnispolymeren erzeugt wird) und/oder einer Formrückstellung der ersten Lage (sofern zumindest die erste Lage aus Formgedächtnispolymeren erzeugt wird) lokale Widerstände entgegenzusetzen. Stattdessen ist es auch möglich, die mittels Schmelzschichten erzeugte wenigstens eine zweite Lage im Wesentlichen vollflächig auf der wenigstens einen ersten Lage abzuscheiden, wobei die Dicke der wenigstens einen zweiten Lage (sowie auch der wenigstens einen ersten Lage) in beiden Fällen im Wesentlichen konstant gehalten oder auch variiert werden kann.As already indicated, the at least one second layer produced by means of melt layers can only be deposited in regions on the at least one first layer, such as in particular in the form of geometric structures, e.g. essentially in the form of band-shaped, ring-shaped, polygonal or other types of structures, in order to ensure only local deformation (if at least the second layer is produced from shape memory polymers) and/or to provide local resistance to shape recovery of the first layer (if at least the first layer is produced from shape memory polymers). Instead, it is also possible to deposit the at least one second layer produced by means of melt layers essentially over the entire surface on the at least one first layer, wherein the thickness of the at least one second layer (as well as the at least one first layer) can be kept essentially constant in both cases or can also be varied.
Bei einem erfindungsgemäßen lagenförmigen Verbundmaterial kann demnach vorgesehen sein, dass die wenigstens eine zweite Lage nur bereichsweise, insbesondere in Form von geometrischen Strukturen, wie beispielsweise solcher der vorgenannten Art, oder im Wesentlichen vollflächig auf die wenigstens eine erste Lage aufgebracht ist, wobei die Dicke der Lage(n) im Wesentlichen konstant sein kann oder eine jeweilige Lage verschiedene Dicken besitzen kann, um z.B. an lokalen Bereichen für eine schwächere oder stärkere Formveränderung zu sorgen.In a layered composite material according to the invention, it can therefore be provided that the at least one second layer is applied to the at least one first layer only in some areas, in particular in the form of geometric structures, such as those of the aforementioned type, or essentially over the entire surface, wherein the thickness of the layer(s) can be essentially constant or a respective layer can have different thicknesses in order to ensure, for example, a weaker or stronger change in shape in local areas.
Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet eine Vielzahl an möglichen Verfahrensvarianten dahingehend, nur die wenigstens eine erste Lage, nur die wenigstens eine zweite Lage oder auch beide Lagen aus programmierten Formgedächtnispolymeren auszugestalten, wobei insbesondere auch die Form und/oder Dicke der Lage(n) variiert werden kann, so dass eine Vielzahl an möglichen dreidimensionalen Flächengebilden erzeugt werden kann, wenn der Formgedächtniseffekt des jeweiligen Formgedächtnispolymers ausgelöst wird.The method according to the invention opens up a multitude of possible method variants in that only the at least one first layer, only the at least one second layer or even both layers can be designed from programmed shape memory polymers, wherein in particular the shape and/or thickness of the layer(s) can also be varied, so that a multitude of possible three-dimensional surface structures can be produced when the shape memory effect of the respective shape memory polymer is triggered.
So kann gemäß einer ersten Verfahrensvariante vorgesehen sein, dass nur die wenigstens eine zweite Lage aus wenigstens einem programmierten thermoplastischen Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften erzeugt wird, indem sie mittels Schmelzschichten in einer ersten, z.B. im Wesentlichen planaren, Form auf der wenigstens einen ersten Lage abgeschieden und in wenigstens eine zweite Form programmiert wird. Auf diese Weise wird nur der zweiten Lage - sei sie nur bereichsweise oder im Wesentlichen vollflächig auf die erste Lage aufgebracht und/oder sei sie mit im Wesentlichen konstanter oder veränderlicher Dicke ausgestaltet - ein Formrückstellungsvermögen verliehen, welchem die erste Lage je nach Material und Dicke in unterschiedlichem Maße entgegenwirken kann, um vornehmlich bereichsweise oder praktisch gänzliche Formveränderungen des lagenförmigen Verbundmaterials unterschiedlichen Ausmaßes zu gewährleisten.Thus, according to a first method variant, it can be provided that only the at least one second layer is produced from at least one programmed thermoplastic polymer with thermoresponsive and/or water-responsive shape memory properties by depositing it in a first, e.g. essentially planar, shape on the at least one first layer using melt layers and programming it into at least one second shape. In this way, only the second layer - whether it is applied to the first layer only in regions or essentially over the entire surface and/or whether it is designed with an essentially constant or variable thickness - is given a shape recovery capacity, which the first layer can counteract to varying degrees depending on the material and thickness in order to ensure shape changes of the layered composite material of varying extents, primarily in regions or practically completely.
Als wenigstens eine erste Lage kann in diesem Fall beispielsweise
- - eine Lage aus wenigstens einem, insbesondere thermoplastischen, Polymer ohne Formgedächtniseigenschaften, vorzugsweise aus der Gruppe der Elastomere, oder
- - eine Lage aus wenigstens einem Textilmaterial
- - a layer of at least one, in particular thermoplastic, polymer without shape memory properties, preferably from the group of elastomers, or
- - a layer of at least one textile material
Stattdessen kann als wenigstens eine Lage in diesem Fall beispielsweise eine Lage aus wenigstens einem, insbesondere thermoplastischen, Polymer mit Formgedächtniseigenschaften, welches nicht programmiert wird, aber insbesondere anlässlich der Formrückstellung der zweiten Lage seinerseits in eine weitere Form programmierbar ist. Die zur Programmierung des Formgedächtnispolymers der ersten Lage erforderlichen Verformungskräfte werden hierbei durch die Formrückstellung der zweiten Lage aufgebracht, wenn der Formgedächtniseffekt deren wenigstens eines Formgedächtnispolymers ausgelöst wird (z.B. bei Erwärmung desselben in den Bereich seiner Glasübergangs- oder Schmelztemperatur). Die Schalttemperatur bzw. die Glasübergangs- oder Schmelztemperatur des wenigstens einen - ursprünglich nicht programmierten - Formgedächtnispolymers der ersten Lage sollte in diesem Fall vorzugsweise höchstens jener des wenigstens einen programmierten Formgedächtnispolymers der zweiten Lage entsprechen, so dass dieses zu seiner Programmierung gleichfalls auf seinen Glasübergangs- oder Schmelztemperaturbereich erwärmt wird, wenn das wenigstens eine Formgedächtnispolymer der zweiten Lage zur Auslösung seines Formgedächtniseffektes zumindest in den Bereich dessen Glasübergangs- oder Schmelztemperatur erwärmt wird.Instead, in this case, at least one layer can be, for example, a layer made of at least one, in particular thermoplastic, polymer with shape memory properties, which is not programmed, but can itself be programmed into a further shape, in particular when the second layer returns to its shape. The deformation forces required to program the shape memory polymer of the first layer are applied by the shape recovery of the second layer when the shape memory effect of at least one shape memory polymer is triggered (e.g. when it is heated to the range of its glass transition or melting temperature). In this case, the switching temperature or the glass transition or melting temperature of the at least one - originally unprogrammed - shape memory polymer of the first layer should preferably correspond at most to that of the at least one programmed shape memory polymer of the second layer, so that the latter is also heated to its glass transition or melting temperature range for its programming when the at least one shape memory polymer of the second layer is heated at least to the range of its glass transition or melting temperature for triggering its shape memory effect.
Bei einem lagenförmigen Verbundmaterial kann gemäß einer ersten Ausführungsvariante demnach vorgesehen sein, dass nur die wenigstens eine zweite Lage wenigstens ein programmiertes thermoplastisches Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften aufweist, wobei die wenigstens eine erste Lage insbesondere
- - eine Lage aus wenigstens einem, insbesondere thermoplastischen, Polymer ohne Formgedächtniseigenschaften, vorzugsweise aus der Gruppe der Elastomere,
- - eine Lage aus wenigstens einem, insbesondere thermoplastischen, Polymer mit Formgedächtniseigenschaften, welches nicht programmiert ist, aber beispielsweise seinerseits durch Auslösen des Formgedächtniseffektes des wenigstens einen Formgedächtnispolymers der zweiten Lage seinerseits programmierbar sein kann, oder
- - eine Lage aus wenigstens einem Textilmaterial
- - a layer of at least one, in particular thermoplastic, polymer without shape memory properties, preferably from the group of elastomers,
- - a layer made of at least one, in particular thermoplastic, polymer with shape memory properties, which is not programmed, but can be programmable, for example, by triggering the shape memory effect of the at least one shape memory polymer of the second layer, or
- - a layer of at least one textile material
Stattdessen kann gemäß einer zweiten Verfahrensvariante vorgesehen sein, dass nur die wenigstens eine erste Lage aus wenigstens einem programmierten thermoplastischen Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften erzeugt wird, indem sie insbesondere mittels Schmelzschichten, vorzugsweise unter Verwendung wenigstens eines 3D-Druckers, in einer ersten, z.B. im Wesentlichen planaren, Form abgeschieden und in wenigstens eine zweite Form programmiert wird. Auf diese Weise wird nur der ersten Lage - sei sie mit im Wesentlichen konstanter oder unterschiedlicher Dicke ausgestaltet - ein Formrückstellungsvermögen verliehen, welchem die zweite Lage je nach Material, Dicke sowie vollständigem oder nur bereichsweisem Vorhandensein in unterschiedlichem Maße entgegenwirken kann, um wiederum vornehmlich bereichsweise oder praktisch gänzliche Formveränderungen des lagenförmigen Verbundmaterials unterschiedlichen Ausmaßes zu gewährleisten.Instead, according to a second method variant, it can be provided that only the at least one first layer consists of at least one programmed thermoplastic polymer with thermoresponsive and/or water-responsive shape memory properties is produced by depositing it in a first, e.g. essentially planar, shape, in particular by means of melt layers, preferably using at least one 3D printer, and programming it into at least one second shape. In this way, only the first layer - whether it is designed with an essentially constant or varying thickness - is given a shape recovery capacity, which the second layer can counteract to varying degrees depending on the material, thickness and complete or only partial presence, in order in turn to ensure primarily partial or practically complete shape changes of the layered composite material of varying extent.
Als wenigstens eine zweite Lage kann in diesem Fall beispielsweise
- - eine Lage aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer ohne Formgedächtniseigenschaften, insbesondere aus der Gruppe der thermoplastischen Elastomere, oder
- - eine Lage aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer mit Formgedächtniseigenschaften, welches nicht programmiert wird, aber gegebenenfalls anlässlich der Formrückstellung der ersten Lage seinerseits in eine weitere Form programmiert werden kann, sofern seine Schalttemperatur höchstens jener des programmierten Formgedächtnispolymers der ersten Lage entspricht,
- - a layer of at least one thermoplastic polymer without shape memory properties, in particular from the group of thermoplastic elastomers, or
- - a layer made of at least one thermoplastic polymer with shape memory properties, which is not programmed but can optionally be programmed into a further shape when the first layer returns to its shape, provided that its switching temperature corresponds at most to that of the programmed shape memory polymer of the first layer,
Bei einem lagenförmigen Verbundmaterial kann gemäß einer zweiten Ausführungsvariante demnach vorgesehen sein, dass nur die wenigstens eine erste Lage wenigstens ein programmiertes thermoplastisches Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften aufweist, wobei die wenigstens eine zweite Lage insbesondere
- - eine Lage aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer ohne Formgedächtniseigenschaften, insbesondere aus der Gruppe der thermoplastischen Elastomere, oder
- - eine Lage aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer mit Formgedächtniseigenschaften, welches nicht programmiert ist, aber beispielsweise seinerseits durch Auslösen des Formgedächtniseffektes des wenigstens einen Formgedächtnispolymers der ersten Lage seinerseits programmierbar sein kann,
- - a layer of at least one thermoplastic polymer without shape memory properties, in particular from the group of thermoplastic elastomers, or
- - a layer of at least one thermoplastic polymer with shape memory properties, which is not programmed, but can be programmable, for example, by triggering the shape memory effect of the at least one shape memory polymer of the first layer,
Darüber hinaus kann gemäß einer dritten Verfahrensvariante vorgesehen sein, dass
- - die wenigstens eine erste Lage aus wenigstens einem programmierten thermoplastischen Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften erzeugt wird, indem sie insbesondere mittels Schmelzschichten in einer ersten, z.B. im Wesentlichen planaren, Form abgeschieden und in wenigstens eine zweite Form programmiert wird, wonach
- - die wenigstens eine zweite Lage aus wenigstens einem programmierten thermoplastischen Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften erzeugt wird, indem sie mittels Schmelzschichten in einer, z.B. wiederum im Wesentlichen planaren, ersten Form auf der wenigstens einen ersten Lage abgeschieden und in wenigstens eine zweite Form programmiert wird,
- - the at least one first layer is produced from at least one programmed thermoplastic polymer with thermoresponsive and/or water-responsive shape memory properties by depositing it in a first, e.g. substantially planar, shape in particular by means of melt layers and programming it into at least one second shape, after which
- - the at least one second layer is produced from at least one programmed thermoplastic polymer with thermoresponsive and/or water-responsive shape memory properties by depositing it on the at least one first layer by means of melt layers in a, e.g. again substantially planar, first shape and programming it into at least one second shape,
Bei einem lagenförmigen Verbundmaterial kann gemäß einer dritten Ausführungsvariante demnach vorgesehen sein, dass sowohl die wenigstens eine erste Lage als auch die wenigstens eine zweite Lage jeweils wenigstens ein programmiertes thermoplastisches Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften aufweist.In the case of a layered composite material, according to a third embodiment, it can be provided that both the at least a first layer and the at least one second layer each comprise at least one programmed thermoplastic polymer with thermoresponsive and/or water-responsive shape memory properties.
Darüber hinaus ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren grundsätzlich denkbar, dass die wenigstens eine erste Lage je nach Material und Nachgiebigkeit während des Abscheidens der wenigstens einen zweiten Lage mittels Schmelzschichten gespannt wird, wie es als solches bei der eingangs geschilderten Herstellung sogenannter 4D-Textilien bekannt ist, um für einen zusätzlichen Formrückstelleffekt des lagenförmigen Verbundmaterials zu sorgen. Darüber hinaus kann die wenigstens eine erste Lage beispielsweise auch nach Art des als solchem gleichfalls bekannten „Rolle-zu-Rolle-Verfahrens“ in Form einer Endloslage von einer Rolle abgewickelt werden, wobei sie nach dem Abscheiden der wenigstens einen zweiten Lage insbesondere auf einer weiteren Rolle aufgewickelt wird, um beispielsweise sehr großflächige lagenförmige Verbundmaterialien mit Formrückstelleigenschaften zu erzeugen.Furthermore, in the method according to the invention it is fundamentally conceivable that the at least one first layer is tensioned by means of melt layers during the deposition of the at least one second layer, depending on the material and flexibility, as is known as such in the production of so-called 4D textiles described at the beginning, in order to ensure an additional shape recovery effect of the layered composite material. Furthermore, the at least one first layer can also be unwound from a roll in the form of an endless layer, for example in the manner of the "roll-to-roll process" which is also known as such, and after the deposition of the at least one second layer it is wound up in particular on another roll, for example to produce very large-area layered composite materials with shape recovery properties.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann ferner vorgesehen sein, dass dem wenigstens einen thermoplastischen Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften zumindest einer der Lagen zumindest in lokalen Bereichen der Lage wenigstens ein Additiv, insbesondere aus der Gruppe
- - der elektromagnetische Strahlung absorbierenden Füllstoffe,
- - der induktiv erwärmbaren Füllstoffe,
- - der Farbstoffe und Pigmente, und
- - der Verstärkungsfasern,
So kann beispielsweise durch die Verwendung von wärmeleitenden Füllstoffen, wie z.B. Graphit, Graphen, Ruß, Carbonfasern oder -pulvern und dergleichen, eine Verkürzung der Schaltzeiten erzielt werden, wenn die (jeweilige) Lage(n) des lagenförmigen Verbundmaterials aus einer herstellungstechnisch verliehenen ersten Form in die zweite Form überführt werden soll(en). Durch den Einsatz entsprechender Füllstoffe einschließlich draht- bzw. leiterbahnförmiger Elemente kann die hiermit versetzte Polymermatrix der (jeweiligen) Lage(n) des lagenförmigen Verbundmaterials ferner dahingehend funktionalisiert werden, dass sie unter Einfluss von äußeren Einwirkungen, wie elektrischem Strom, Magnetfeldern oder elektromagnetischer Strahlung, z.B. im Infrarot-, Ultraviolett- oder Mikrowellenspektrum, Wärme zu erzeugen vermag, sofern die z.B. metallischen oder Kohlenstoff-basierten Füllstoffe induktive bzw. strahlungsabsorbierende Eigenschaften besitzen. Vorteilhafte Füllstoffe können folglich beispielsweise eine Graphenstruktur aufweisen, wie sie z.B. im Graphit, in Kohlenstoffnanoröhrchen (carbon nano tubes, CNT), Graphen-Flocken oder expandiertem Graphit vorliegt. Ebenso können andere (Fein)partikel oder auch draht- bzw. leiterbahnförmige Elemente als Hilfsmaterialien bzw. Füllstoffe verwendet werden. Beispielsweise kommen hierfür magnetische bzw. ferromagnetische Partikel oder Drähte, z.B. aus Nickel-/Zinklegierungen, Eisenoxid und/oder Magnetit, in Betracht. Ebenfalls können sogenannte Nanoclays als Füllstoffe verwendet werden. Die Nanoclays können beispielsweise auf Basis von Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumoxid, Zirkonoxid und/oder Aluminiumoxid gebildet sein. Andere mögliche Füllstoffe umfassen oligomere Silsesquioxane, Graphit-Partikel, Graphene, Kohlenstoffnanoröhrchen, aber auch Metall-Feinpartikel oder -drähte. Selbstverständlich können auch Kombinationen solcher Füllmaterialien verwendet werden. Die Füllstoffe können ferner geeignet sein, um die mechanischen, elektrischen, magnetischen und/oder optischen Eigenschaften des Polymers einzustellen und an den jeweiligen Anwendungszweck anzupassen, wobei sie insbesondere im Wesentlichen gleichmäßig in einer (jeweiligen) Lage verteilt oder auch nur lokal akkumuliert sein können, um bei Exposition von elektromagnetischer Strahlung, Magnetfeldern oder dergleichen nur in diskreten Bereichen des lagenförmigen Verbundmaterials Wärme zu erzeugen und das wenigstens eine Formgedächtnispolymere hierbei gezielt nur in lokalen Bereichen des lagenförmigen Verbundmaterials auf die Schalttemperatur zu erwärmen, um nur lokale Formrückstellungen bewirken zu können. Darüber hinaus können selbstverständlich auch in der Polymertechnik übliche Additive zum Einsatz gelangen, wie z.B. Gleitmittel, Weichmacher, Antioxidantien, UV-Stabilisatoren, Mattierungsmittel, Verstärkungsstoffe, Flammschutzmittel, Antistatika, Hydrolysestabilisatoren, Schlagzähmodifikatoren und dergleichen.According to an advantageous development, it can further be provided that at least one additive, in particular from the group
- - the electromagnetic radiation absorbing fillers,
- - the inductively heatable fillers,
- - dyes and pigments, and
- - the reinforcing fibres,
For example, the use of thermally conductive fillers such as graphite, graphene, carbon black, carbon fibers or powders and the like can be used to shorten the switching times when the (respective) layer(s) of the layered composite material is to be converted from a first form given by manufacturing technology into the second form. By using appropriate fillers, including wire or conductor track-shaped elements, the polymer matrix of the (respective) layer(s) of the layered composite material mixed with them can also be functionalized in such a way that it is able to generate heat under the influence of external influences such as electric current, magnetic fields or electromagnetic radiation, e.g. in the infrared, ultraviolet or microwave spectrum, provided that the e.g. metallic or carbon-based fillers have inductive or radiation-absorbing properties. Advantageous fillers can therefore, for example, have a graphene structure, such as that found in graphite, carbon nanotubes (CNT), graphene flakes or expanded graphite. Other (fine) particles or wire- or conductor-shaped elements can also be used as auxiliary materials or fillers. For example, magnetic or ferromagnetic particles or wires, e.g. made of nickel/zinc alloys, iron oxide and/or magnetite, can be considered for this purpose. So-called nanoclays can also be used as fillers. The nanoclays can, for example, be based on silicon nitride, silicon carbide, silicon oxide, zirconium oxide and/or aluminum oxide. Other possible fillers include oligomeric silsesquioxanes, graphite particles, graphene, carbon nanotubes, but also metal fine particles or wires. Combinations of such fillers can of course also be used. The fillers can also be suitable for adjusting the mechanical, electrical, magnetic and/or optical properties of the polymer and adapting them to the respective application, whereby they can in particular be distributed substantially evenly in a (respective) layer or can also be accumulated only locally in order to generate heat only in discrete areas of the layered composite material when exposed to electromagnetic radiation, magnetic fields or the like and to heat the at least one shape memory polymer to the switching temperature only in local areas of the layered composite material in order to be able to bring about only local shape recovery. In addition, additives customary in polymer technology can of course also be used, such as lubricants, plasticizers, antioxidants, UV stabilizers, matting agents, reinforcing agents, flame retardants, antistatic agents, hydrolysis stabilizers, impact modifiers and the like.
Bei dem erfindungsgemäßem lagenförmigen Verbundmaterial kann folglich ferner vorgesehen sein, dass dem wenigstens einen thermoplastischen Polymer mit thermoresponsiven und/oder wasserresponsiven Formgedächtniseigenschaften zumindest einer der Lagen zumindest in lokalen Bereichen der Lage wenigstens ein Additiv, insbesondere aus der Gruppe
- - der elektromagnetische Strahlung absorbierenden Füllstoffe,
- - der induktiv erwärmbaren Füllstoffe,
- - der Farbstoffe und Pigmente, und
- - der Verstärkungsfasern,
- - the electromagnetic radiation absorbing fillers,
- - the inductively heatable fillers,
- - dyes and pigments, and
- - the reinforcing fibres,
Das erfindungsgemäße lagenförmige Verbundmaterial kann im Übrigen in einer Vielzahl an technischen Anwendungen zum Einsatz gelangen, um z.B. Objekten Aktor- und/oder Sensoreigenschaften zu verleihen. Als weitere technische Einsatzgebiete seien rein exemplarisch die folgenden genannt:
- - smarte technische Bauteile, wie z.B. formveränderliche Schalter, Sensoren oder Aktoren für praktisch beliebige technische Einsatzgebiete;
- - formveränderliche Membrane in fluidischen Systemen verschiedener Anwendungsgebiete einschließlich der Medizintechnik;
- - formangepasste Hilfsmittel für den direkten Patientenkontakt in der Medizin einschließlich Prothesen, Orthesen und dergleichen;
- - Getriebe- und Zahnrädern mit inhärentem Überhitzungsschutz oder andere technische Bauteile mit programmiertem Materialverhalten, wie sogenannte „Shape-Changing Surfaces“ zur Anwendung in der Robotik, in der Aerodynamik oder dergleichen;
- - Dichtungen und Verbindungselemente, welche z.B. bei Temperaturerhöhung auf die Schalttemperatur infolge Formveränderung zu einer erhöhten Abdichtung/Wärmedämmung führen;
- - selbstfaltende und/oder selbstaufrichtende Strukturen, z.B. zur Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, in der Schifffahrt, in der Biomedizin oder dergleichen;
- - selbstmontierende und/oder selbstreparierende Systeme, z.B. für das Bauwesen, für den Einsatz in unwirtlichen Umgebungen oder dergleichen,
- - selbstdemontierende Objekten, welche z.B. Verankerungselemente aufweisen, die sich zumindest teilweise zusammenziehen, sobald der Formgedächtniseffekt ausgelöst wird;
- - Mikrobauteile jedweder Art;
- - multifunktionale Objekte, z.B. zur Anwendung in der Biomedizin, in der Robotik oder dergleichen.
- - formändernde Schalter, Sensoren oder Aktuatoren für praktisch beliebige technische Einsatzgebiete; etc.
- - smart technical components, such as shape-changing switches, sensors or actuators for virtually any technical application;
- - shape-changing membranes in fluidic systems in various application areas including medical technology;
- - form-fitting aids for direct patient contact in medicine, including prostheses, orthoses and the like;
- - Gears and gear wheels with inherent overheating protection or other technical components with programmed material behavior, such as so-called “shape-changing surfaces” for use in robotics, aerodynamics or the like;
- - Seals and connecting elements which, for example, lead to increased sealing/thermal insulation due to a change in shape when the temperature rises to the switching temperature;
- - self-folding and/or self-erecting structures, e.g. for use in aerospace, marine, biomedical or similar applications;
- - self-assembling and/or self-repairing systems, e.g. for construction, for use in inhospitable environments or the like,
- - self-dismantling objects, which, for example, have anchoring elements that at least partially contract as soon as the shape memory effect is triggered;
- - Microcomponents of any kind;
- - multifunctional objects, e.g. for use in biomedicine, robotics or the like.
- - shape-changing switches, sensors or actuators for practically any technical application; etc.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1A eine fotografische Ansicht einer als erste Lage eines ersten Ausführungsbeispiels eines lagenförmigen Verbundmaterials verwendeten Folie aus einem thermoplastischen Polymer ohne Formgedächtniseigenschaften in Form eines thermoplastischen Polyurethanelastomers (TPU); -
1B eine fotografische Ansicht der ersten Ausführungsform des lagenförmigen Verbundmaterials, nachdem auf die erste Lage gemäß1A bereichsweise eine zweite Lage aus einem thermoplastischen Formgedächtnispolymer in Form eines Polyester-Polyurethans aufgebracht worden ist, wobei sich die zweite Lage in ihrer ersten Form befindet und in eine zweite Form programmiert worden ist; -
1C fotografische Ansichten des lagenförmigen Verbundmaterials gemäß1B , nachdem das Formgedächtnispolymer der zweiten Lage durch Auslösen des Formgedächtniseffektes in seine zweite Form geschaltet worden ist; -
2A eine fotografische Ansicht einer als erste Lage eines zweiten Ausführungsbeispiels eines lagenförmigen Verbundmaterials verwendeten Folie aus einem thermoplastischen Polymer ohne Formgedächtniseigenschaften in Form eines thermoplastischen Polyurethanelastomers (TPU); -
2B eine fotografische Ansicht der zweiten Ausführungsform des lagenförmigen Verbundmaterials, nachdem auf die erste Lage gemäß2A bereichsweise eine zweite Lage aus einem thermoplastischen Formgedächtnispolymer in Form eines Polyester-Polyurethans aufgebracht worden ist, wobei sich die zweite Lage in ihrer ersten Form befindet und in eine zweite Form programmiert worden ist; -
2C fotografische Ansichten des lagenförmigen Verbundmaterials gemäß2B , nachdem das Formgedächtnispolymer der zweiten Lage durch Auslösen des Formgedächtniseffektes in seine zweite Form geschaltet worden ist; -
3A fotografische Ansichten eines dritten Ausführungsbeispiels eines lagenförmigen Verbundmaterials mit einer ersten Lage aus einem thermoplastischen Formgedächtnispolymer in Form eines Polyester-Polyurethans und einer zweiten Lage aus einem thermoplastischen Formgedächtnispolymer in Form eines Polyester-Polyurethans, wobei die zweite Lage bereichsweise auf die erste Lage aufgebracht und sich die Formgedächtnispolymere beider Lagen in ihrer ersten Form befinden und in je eine zweite Form programmiert worden sind; und -
3B fotografische Ansichten des lagenförmigen Verbundmaterials gemäß3A , nachdem die Formgedächtnispolymere der ersten und zweiten Lage durch Auslösen des Formgedächtniseffektes in ihre zweite Form geschaltet worden sind.
-
1A a photographic view of a film made of a thermoplastic polymer without shape memory properties in the form of a thermoplastic polyurethane elastomer (TPU) used as the first layer of a first embodiment of a layered composite material; -
1B a photographic view of the first embodiment of the layered composite material after the first layer according to1A a second layer of a thermoplastic shape memory polymer in the form of a polyester-polyurethane has been applied in regions, the second layer being in its first shape and having been programmed into a second shape; -
1C Photographic views of the layered composite material according to1B after the shape memory polymer of the second layer has been switched into its second shape by triggering the shape memory effect; -
2A a photographic view of a film made of a thermoplastic polymer without shape memory properties in the form of a thermoplastic polyurethane elastomer (TPU) used as the first layer of a second embodiment of a layered composite material; -
2 B a photographic view of the second embodiment of the layered composite material after the first layer according to2A a second layer of a thermoplastic shape memory polymer in the form of a polyester-polyurethane has been applied in regions, the second layer being in its first shape and having been programmed into a second shape; -
2C Photographic views of the layered composite material according to2 B after the shape memory polymer of the second layer has been switched into its second shape by triggering the shape memory effect; -
3A photographic views of a third embodiment of a layered composite material with a first layer made of a thermoplastic shape memory polymer in the form of a polyester-polyurethane and a second layer made of a thermoplastic shape memory polymer in the form of a polyester-polyurethane, the second layer being applied to the first layer in some areas and the shape memory polymers of both layers being in their first shape and each having been programmed into a second shape; and -
3B Photographic views of the layered composite material according to3A after the shape memory polymers of the first and second layers have been released by releasing the mold memory effect have been switched into their second form.
Wie aus der
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß den
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- https://www.stylepark.com/de/news/techtextil-2019-4d-textilien, heruntergeladen am 06.10.2022 [0002]https://www.stylepark.com/de/news/techtextil-2019-4d-textilien, downloaded on 06.10.2022 [0002]
- N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952-5959; N. Mirtschin, T. Pretsch in RSC Advances 5, 2015, 46307-46315 [0009]N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952-5959; N. Mirtschin, T. Pretsch in RSC Advances 5, 2015, 46307-46315 [0009]
- T. Pretsch, M. Bothe: „Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer“, Journal of Materials Chemistry A, 20 (2013), 14.491-14.497 [0010]T. Pretsch, M. Bothe: “Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer”, Journal of Materials Chemistry A, 20 (2013), 14.491-14.497 [0010]
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