DE102022212903A1 - Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstands und ein dreidimensionaler Gegenstand - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstands und ein dreidimensionaler Gegenstand Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstands durch additive Fertigung, aufweisend in zeitlicher Reihenfolge die nachfolgenden Schritte:a) Bereitstellen eines aliphatischen Polyketons oder Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, in Form eines Granulats,b) Plastifizieren des in Form eines Granulats bereitgestellten aliphatischen Polyketons oder des in Form eines Granulats bereitgestellten Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, mittels einer Plastifiziereinheit undc) Austragen des plastifizierten aliphatischen Polyketons oder plastifizierten Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, aus einer Austrittsöffnung mittels einer Austragseinheit.Weiter betrifft die Erfindung einen dreidimensionalen Gegenstand, der nach diesem Verfahren hergestellt oder herstellbar ist.

Description

  • ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstands durch additive Fertigung sowie einen dreidimensionalen Gegenstand.
  • Polyketon stellt ein chemisch hochbeständiges Material mit hohen Festigkeiten sowie hohen Schlagzähigkeiten dar. Die mechanischen Eigenschaften des Polyketons werden durch eine Vernetzung seiner Polymerketten begünstigt. Diese Vernetzung findet bei hohen Temperaturen statt und basiert auf einer Aldolkondensation. Die Vernetzung von Polyketon führt zur Erniedrigung von dessen Fließfähigkeit sowie Verarbeitbarkeit. Ein gewisser Temperatureintrag ist bei der Verarbeitung von Polyketon indes erforderlich, um dieses in eine Schmelze zu überführen. Bereits bei solchen Temperaturen tritt jedoch eine Vernetzung von Polyketon ein. Zu hohe Prozesstemperaturen und/oder zu lange Verweilzeiten können die Vernetzung von Polyketon derart beschleunigen, dass das Material nicht mehr verarbeitbar ist.
  • Aliphatisches Polyketon wird beispielsweise standardmäßig mittels Spritzgusses oder Extrusion zu Produkten verarbeitet. Um die Vernetzung von aliphatischem Polyketon möglichst gering zu halten, wird die Verarbeitungszeit des Polyketons so gering wie möglich gehalten. Im Falle von Spritzguss bzw. Extrusion hat sich eine Verarbeitungszeit von maximal acht Minuten als vorteilhaft erwiesen. Durch eine derart schnelle Verarbeitung beim Spritzguss oder der Extrusion kann der Vernetzungsgrad von aliphatischem Polyketon niedrig gehalten werden, so dass das Material verarbeitungsfähig bleibt.
  • Nachteilig ist, dass sich bestimmte Strukturen, beispielsweise Gitterstrukturen, mithilfe von Spritzguss oder der Extrusion nicht herstellen lassen. Weiter ist nachteilig, dass - im Falle von Spritzguss oder der Extrusion - für jedes Produkt zusätzlich ein Spritzguss- oder Extrusionswerkzeug erforderlich ist. Weiter sind schnelle Änderungen an einem Produkt mit den vorgenannten Verfahren nicht möglich, da eine Anpassung der Werkzeuge erforderlich ist.
  • AUFGABE UND LÖSUNG
  • Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstands bereitzustellen, welches die eingangs im Zusammenhang von konventionellen Verfahren zur Verarbeitung von Polyketon genannten Nachteile teilweise oder vollständig vermeidet. Weiter stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen dreidimensionalen Gegenstand bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch einen dreidimensionalen Gegenstand gemäß Anspruch 15. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der Beschreibung definiert. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstands durch additive oder generative Fertigung, insbesondere Kunststoff-Freiformen, vorzugsweise Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF). Das Verfahren weist, insbesondere in zeitlicher Reihenfolge, die nachfolgenden Schritte auf:
    1. a) Bereitstellen eines aliphatischen Polyketons in Form eines Granulats oder eines Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, in Form eines Granulats,
    2. b) Plastifizieren, insbesondere Verflüssigen oder Schmelzen, des in Form eines Granulats bereitgestellten aliphatischen Polyketons oder des in Form eines Granulats bereitgestellten Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, mittels einer Plastifiziereinheit und
    3. c) Austragen des plastifizierten, insbesondere verflüssigten oder geschmolzenen, aliphatischen Polyketons oder des plastifizierten, insbesondere verflüssigten oder geschmolzenen, Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, aus einer Austrittsöffnung, vorzugsweise taktbaren Austrittsöffnung, mittels einer Austragseinheit.
  • Unter dem Ausdruck „additive Fertigung“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Fertigungsverfahren verstanden werden, bei dem ein Material, insbesondere in Form von Tropfen, schichtweise, d.h. Schicht für Schicht, ausgetragen wird, um einen dreidimensionalen Gegenstand aufzubauen. Der schichtweise Aufbau erfolgt vorzugsweise computergesteuert aus einem oder mehreren plastifizierten oder festen Materialien nach vorgegebenen Maßen und Formen, insbesondere auf Basis von CAD-Daten (Computer-Aided Design-Daten) oder CAM-Daten (Computer-Aided Manufacturing-Daten). Bei dem dreidimensionalen Gegenstand kann es sich beispielsweise um ein Modell, ein Muster, ein Prototyp, ein Werkzeug, ein Werkstück, ein Halbzeug (vorgefertigtes Rohmaterial), ein Halbfabrikat (nicht vollständig fertiggestellte Produkt) oder ein Endprodukt (Fertigerzeugnis) handeln.
  • Unter dem Ausdruck „Plastifizieren“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung der Übergang eines Materials von einem festen in einen verformbaren oder fließfähigen, insbesondere verflüssigten oder geschmolzenen, Zustand verstanden werden, insbesondere um die Verarbeitung des Materials zu erleichtern oder ermöglichen.
  • Unter dem Ausdruck „Plastifiziereinheit“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Einheit verstanden werden, die dazu eingerichtet ist, das aliphatische Polyketon oder Material, das aliphatisches Polyketon enthält, zu plastifizieren, insbesondere zu verflüssigen oder zu schmelzen. Bevorzugt ist die Plastifiziereinheit weiter dazu eingerichtet, das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, zu homogenisieren. Weiter kann die Plastifiziereinheit insbesondere eine Einzugszone, Kompressionszone sowie Homogenisier- und Ausstoßzone aufweisen. In der Einzugszone wird das aliphatische Polyketon oder Material, das aliphatisches Polyketon enthält, vorzugsweise aus einem Trichter, in die Plastifiziereinheit eingezogen. Die Kompressionszone ist vorzugsweise in einem mittleren Bereich eines Förderelements, insbesondere einer Förderschnecke, angeordnet. Bevorzugt verengt sich der Gang des Förderelements, insbesondere der Förderschnecke, im mittleren Bereich des Förderelements, um einen erhöhten Druck aufzubauen. Dadurch wird das aliphatische Polyketon oder Material, das aliphatisches Polyketon enthält, verdichtet und eingeschlossene Luft herausgedrückt. Durch die hierbei entstehende Reibungswärme und/oder durch eine Heizungseinrichtung, insbesondere durch einen beheizbaren Zylinder, der Plastifiziereinheit wird das aliphatische Polyketon oder Material, das aliphatisches Polyketon enthält, plastifiziert, insbesondere verflüssigt oder geschmolzen. Die Homogenisier- und Ausstoßzone, die auch als Metering-Zone bezeichnet werden kann, bewirkt eine Durchmischung des plastifizierten aliphatischen Polyketons oder plastifizierten Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, sowie insbesondere eine gleichmäßige Verteilung der Temperatur und insbesondere von optionalen Additiven.
  • Unter dem Ausdruck „Austragseinheit“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Einheit verstanden werden, die dazu eingerichtet ist, das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, auszutragen, insbesondere in Tropfenform.
  • Unter dem Ausdruck „Arburg Kunststoff-Freiformen“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Kunststoff-Freiformen verstanden werden, das auf einem Plastifizieren, insbesondere Verflüssigen oder Schmelzen, eines oder mehrerer Kunststoffgranulate sowie tropfenförmigen Austragen des bzw. der plastifizierten, insbesondere verflüssigten oder geschmolzenen, Kunststoffgranulate aus einer taktbaren, vorzugsweise piezotaktbaren, d.h. einer piezotechnisch gesteuerten, Austragsöffnung mittels einer Austragseinheit beruht.
  • Unter dem Ausdruck „aliphatisches Polyketon“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Polyketon verstanden werden, dass frei von aromatischen Resten ist. Bevorzugt soll unter dem Ausdruck „aliphatisches Polyketon“ ein linear aufgebautes Polymer verstanden werden, das aus Kohlenmonoxid und einem oder mehreren Alpha-Olefinen hergestellt wird.
  • Die Erfindung beruht auf dem überraschenden Befund, dass sich aliphatisches Polyketon in Granulatform additiv oder generativ zu einem dreidimensionalen Gegenstand verarbeiten lässt. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise auch komplizierte Formen und Designs für einen entsprechenden Gegenstand realisieren. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, das Granulat vor seiner Verarbeitung mit einem Additiv zu versehen (unter Ausbildung eines sogenannten Master-Batches). Dies erweitert die Möglichkeiten für eine anwender- oder kundenorientierte Herstellung dreidimensionaler Gegenstände. Weiter ist von Vorteil, dass eine Verarbeitung des Polyketons in Granulatform gegenüber einer Verarbeitung in Filamentform eine kontinuierlichere Verfahrensführung erlaubt. Vorteilhaft ist außerdem, dass - anders als beim Spritzguss oder bei der Extrusion - kein Werkzeug zum Herstellen des dreidimensionalen Gegenstandes erforderlich ist. Dies führt insgesamt zu einer signifikanten Vereinfachung und insbesondere Flexibilisierung des Herstellungsprozesses.
  • Als aliphatisches Polyketon kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein aliphatisches Polyketon-Copolymer, insbesondere aliphatisches Polyketon-Bipolymer, und/oder ein aliphatisches Polyketon-Terpolymer verwendet werden.
  • Unter dem Ausdruck „aliphatisches Polyketon-Copolymer“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein aliphatisches Polyketon verstanden werden, das aus Kohlenmonoxid und wenigstens einem (Typ von) Alpha-Olefin, insbesondere nur aus Kohlenmonoxid und einem (einzigen Typ von) Alpha-Olefin, insbesondere Ethylen, oder aus Kohlenmonoxid und mehreren (d.h. verschiedenen Typen von) Alpha-Olefinen, insbesondere Ethylen und Propylen, hergestellt wird.
  • Unter dem Ausdruck „aliphatisches Polyketon-Bipolymer“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein aliphatisches Polyketon verstanden werden, das nur aus Kohlenmonoxid und einem (einzigen Typ von) Alpha-Olefin, insbesondere Ethylen, hergestellt wird.
  • Unter dem Ausdruck „aliphatisches Polyketon-Terpolymer“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein aliphatisches Polyketon verstanden werden, das aus Kohlenmonoxid und wenigstens zwei (verschiedenen Typen von) Alpha-Olefinen, insbesondere Ethylen und Propylen, hergestellt wird.
  • Bevorzugt weist das aliphatische Polyketon einen Schmelzpunkt, gemessen nach der Methode DIN EN 11357-1, von 210 °C bis 270 °C, insbesondere 210 °C bis 250 °C, bevorzugt 220 °C bis 250 °C, weiter bevorzugt 220 °C bis 240 °C, besonders bevorzugt 220 °C auf.
  • Weiter kann das aliphatische Polyketon eine Glasübergangstemperatur von 20 °C bis 100 °C, insbesondere 40 °C bis 80 °C, bevorzugt 50 °C bis 70 °C, aufweisen.
  • Weiter kann das aliphatische Polyketon eine Dichte, gemessen nach der Methode ISO 1183, von 0,9 g/cm3 bis 1,5 g/cm3, insbesondere 1,0 g/cm3 bis 1,4 g/cm3, bevorzugt 1,1 g/cm3 bis 1,3 g/cm3, aufweisen.
  • Weiter kann das aliphatische Polyketon eine Feuchtigkeitsaufnahme, insbesondere gemessen nach der Methode ISO 1110, von 0,1 % bis 2,0 %, insbesondere 0,1 % bis 1,0 %, bevorzugt 0,2 % bis 0,6 %, bei 23 °C und 50 relative Luftfeuchte (rF) aufweisen.
  • Weiter kann das aliphatische Polyketon eine Schmelze-Volumenfließrate (MVR), insbesondere gemessen nach der Methode ISO 1133, von 1 cm3/10 min bis 200 cm3/10 min, insbesondere 5 cm3/10 min bis 100 cm3/10 min, bevorzugt 10 cm3/10 min bis 70 cm3/10 min, bei 240 °C und 5 kg Prüfgewicht aufweisen.
  • Weiter kann es sich bei dem aliphatischen Polyketon um ein Terpolymer, vorzugsweise hergestellt aus Kohlenmonoxid, Ethylen und einem Alken mit drei bis fünf Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Propylen und/oder Butylen, insbesondere Propylen, handeln. Die Anordnung von auf das Kohlenmonoxid und Alken zurückgehenden Einheiten in der polymeren Kette erfolgt vorzugsweise alternierend, insbesondere streng, d.h. ausschließlich, alternierend.
  • Ein geeignetes aliphatisches Polyketon im Sinne der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise unter dem Handelsnamen RIAMAXX® HR XE4355 KTW-E (Firma RIA Polymers GmbH) oder RIAMAXX® HR XE4355 KTW-M (Firma RIA Polymers GmbH) kommerziell erhältlich.
  • Das Material, das aliphatisches Polyketon enthält, kann zusätzlich, d.h. neben dem aliphatischen Polyketon, wenigstens ein Additiv aufweisen. Das wenigstens eine Additiv kann einen Anteil von > 0 Gew.-% bis 40 Gew.-%, aufweisen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials, das aliphatisches Polyketon enthält. Das wenigstens eine Additiv kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus tribologische Additive, Alterungsschutzmittel, Füllstoffe, Flammschutzmittel, Farbstoffe, Pigmente, Schmierstoffe, Stabilisatoren und Mischungen von wenigstens zwei der vorgenannten Additive.
  • In Ausgestaltung der Erfindung weisen Körner oder Partikel des Granulats einen Durchmesser, insbesondere bestimmt mittels Messschieber, von 1 mm bis 5 mm, insbesondere 2 mm bis 5 mm, insbesondere 2 mm bis 3 mm oder 3 mm bis 4,5 mm, auf. Die Körner oder Partikel können einen eckenlosen, insbesondere kreisförmigen, ovalen oder elliptischen, oder polygonalen, insbesondere dreieckförmigen, viereckförmigen wie rechteckförmigen oder quadratischen, fünfeckförmigen, sechseckförmigen, siebeneckförmigen, achteckförmigen, neuneckförmigen, zehneckförmigen oder sternenförmigen, Querschnitt, aufweisen. Beispielsweise können die Körner oder Partikel des Granulats in Form von Zylindern gestaltet sein. Die Zylinder können insbesondere eine Höhe von 3,4 mm bis 5,2 mm und/oder einen Durchmesser von 2 mm bis 3 mm aufweisen.
  • Weiter kann das in Form eines Granulats bereitgestellte aliphatische Polyketon oder Material, das aliphatisches Polyketon enthält, zum Durchführen von Schritt b) bei einer Temperatur von 18 °C bis 45 °C, insbesondere 20 °C bis 45 °C, vorzugsweise 25 °C bis 45 °C, in die Plastifiziereinheit eingezogen werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das in Form eines Granulats bereitgestellte aliphatische Polyketon oder das in Form eines Granulats bereitgestellte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, beim Durchführen von Schritt b) zunächst durch eine erste Temperaturzone und anschließend, insbesondere unmittelbar oder nicht unmittelbar, durch eine zweite Temperaturzone der Plastifiziereinheit gefördert, wobei die zweite Temperaturzone eine höhere Temperatur aufweist als die erste Temperaturzone. Überraschenderweise hat sich weiter gezeigt, dass hierdurch eine Vernetzung des aliphatischen Polyketons signifikant reduziert und mithin dessen Verarbeitungsfähigkeit erhalten werden kann.
  • Unter dem Ausdruck „Temperaturzone“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein innerer Abschnitt oder Bereich, insbesondere eines Kanals, der Plastifiziereinheit verstanden werden, der auf eine bestimmte, d.h. definierte oder vorgegebene, Temperatur erwärmt wird.
  • Vorzugsweise sind die erste Temperaturzone und die zweite Temperaturzone hintereinander, insbesondere unmittelbar oder nicht unmittelbar hintereinander, innerhalb der Plastifiziereinheit ausgebildet.
  • Die erste Temperaturzone und die zweite Temperaturzone können jeweils mit Hilfe einer Heizeinrichtung, insbesondere einer von außen, insbesondere manschettenförmig, an die Plastifiziereinheit anliegenden Heizeinrichtung, ausgebildet werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Temperaturzone eine Temperatur von 200 °C bis 280 °C, insbesondere 210 °C bis 250 °C, vorzugsweise 220 °C bis 240 °C, und/oder die zweite Temperaturzone eine Temperatur von 210 °C bis 290 °C, insbesondere 220 °C bis 260°C, vorzugsweise 230 °C bis 250 °C, auf. Die in diesem Absatz beschriebenen Temperaturen haben sich als besonders wirksam bei der Reduzierung des Vernetzungsgrads des aliphatischen Polyketons herausgestellt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Temperaturzone beim Durchführen von Schritt b) eine Temperatur auf, die 1 °C bis 25 °C, insbesondere 3 °C bis 20 °C, vorzugsweise 5 °C bis 15 °C, besonders bevorzugt 10 °C, höher ist als die Temperatur der ersten Temperaturzone.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Austragseinheit beim Durchführen von Schritt c) bei einer Temperatur betrieben, die höher ist als die Temperatur der zweiten Temperaturzone der Plastifiziereinheit beim Durchführen von Schritt b). Dadurch kann vorteilhafterweise das Risiko einer Verstopfung der Austrittsöffnung infolge von verfestigtem aliphatischen Polyketon oder verfestigtem Material, das aliphatisches Polyketon enthält, vermindert oder sogar vollständig verhindert werden.
  • Alternativ kann die Austragseinheit beim Durchführen von Schritt c) bei einer niedrigeren Temperatur betrieben werden als die erste oder zweite Temperaturzone der Plastifiziereinheit beim Durchführen von Schritt b).
  • Alternativ können die Austragseinheit und die Plastifiziereinheit jeweils bei der gleichen Temperatur betrieben werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Austragseinheit beim Durchführen von Schritt c) bei einer Temperatur von ≥ 220 °C, insbesondere 230 °C bis 300 °C, bevorzugt 230 °C bis 280 °C, weiter bevorzugt 235 °C bis 270 °C, besonders bevorzugt 240 °C bis 260 °C, betrieben. Durch die vorgenannten Temperaturen kann vorteilhafterweise einer Verblockung der Austrittsöffnung durch verfestigtes aliphatisches Polyketon oder verfestigtes Material, das aliphatisches Polyketon enthält, entgegengewirkt werden.
  • Insbesondere kann die Austragseinheit beim Durchführen von Schritt c) bei einer Temperatur betrieben werden, die 1 °C bis 25 °C, insbesondere 3 °C bis 20 °C, vorzugsweise 5 °C bis 15 °C, besonders bevorzugt 10 °C, höher ist als die Temperatur der zweiten Temperaturzone.
  • Übergeordnet besteht ein weiterer überraschender Befund der Erfindung darin, dass durch geeignete Wahl der Temperaturen zum Durchführen der Schritte b) und c) der Vernetzungsgrad des aliphatischen Polyketons niedrig gehalten und eine Verblockung der Austrittsöffnung durch verfestigtes aliphatisches Polyketon oder verfestigtes Material, das aliphatisches Polyketon enthält, reduziert oder verhindert werden kann.
  • Weiter bevorzugt werden die Schritte b) und c) während einer Zeit von 8 Minuten bis 14 Minuten durchgeführt. Durch die vorgenannten (geringen) Verarbeitungszeiten lässt sich das Ausmaß der Vernetzung von aliphatischem Polyketon (zusätzlich) reduzieren und damit dessen Verarbeitbarkeit (zusätzlich) verbessern.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 2 m/min bis 16 m/min, insbesondere 4 m/min bis 12 m/min, vorzugsweise 6 m/min bis 10 m/min, von der Plastifiziereinheit in Richtung der Austrittsöffnung oder Austragseinheit gefördert. Unter dem Ausdruck „Umfangsgeschwindigkeit“ soll im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden werden. Die Umfangsgeschwindigkeit kann sich insbesondere aus Formfaktor (d.h. Quotient aus Breite der Form, insbesondere des Tropfens, des ausgetragenen Polyketons oder Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, und der Schichtdicke), Tropfenfrequenz, Schichtstärke und Austrag ergeben. Die vorgenannten Umfangsgeschwindigkeiten ermöglichen vorteilhafterweise kürzere Verarbeitungszeiten, was sich wiederum günstig auf einen niedrigen Vernetzungsgrad und eine ausreichende Verarbeitungsfähigkeit des aliphatischen Polyketons auswirkt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das plastifizierte aliphatische Polyketon oder das plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, spätestens nach 1 min bis 90 min, insbesondere 4 min bis 20 min, bevorzugt 6 min bis 16 min, gerechnet vom Beginn des Durchführens von Schritt b), aus der Austrittsöffnung ausgetragen. Die vorgenannten (kurzen) Verarbeitungszeiten bewirken vorteilhafterweise eine (weitere) Verringerung des Vernetzungsgrads des aliphatischen Polyketons, wodurch dessen Verarbeitungsfähigkeit (zusätzlich) optimiert werden kann.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren zwischen dem Schritt b) und dem Schritt c) ferner einen Schritt bc) Erzeugen eines Drucks auf das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält. Durch diese Verfahrensmaßnahme kann vorteilhafterweise der Austrag des plastifizierten aliphatischen Polyketons oder plastifizierten Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, (zusätzlich) verbessert und insbesondere dessen Verarbeitungszeit (zusätzlich) reduziert werden.
  • Weiter bevorzugt wird das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, mittels eines Förderelements in Richtung der Austragseinheit gefördert. Vorzugsweise dreht sich das Förderelement nicht um eine Längsachse des Förderelements und vorzugsweise ist eine Rückstromsperre des Förderelements geschlossen, wenn sich das Förderelement vorwärtsbewegt, d.h. in Richtung der Austragseinheit. Dadurch kann vorteilhafterweise ein vor dem Förderelement befindliches Massepolster des plastifizierten aliphatischen Polyketons oder plastifizierten Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, für einen Austrag verdichtet werden. Dagegen dreht sich das Förderelement bevorzugt um die Längsachse des Förderelements, insbesondere im Uhrzeigersinn, und bevorzugt ist die Rückstromsperre des Förderelements geöffnet, wenn sich das Förderelement rückwärts bewegt, d.h. entgegengesetzt zur Richtung der Austragseinheit. Dadurch kann vorteilhaferweise ein neues Massepolster des plastifizierten aliphatischen Polyketons oder plastifizierten Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, für den Austrag aufgebaut werden. Das Förderelement kann insbesondere als Schnecke oder Kolben, insbesondere zylinderförmiger Kolben, gestaltet sein.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, beim Durchführen von Schritt c) auf einen Objektträger, insbesondere Bauteilträger, in einem Bauraum für den herzustellenden dreidimensionalen Gegenstand ausgetragen. Vorzugsweise sind der Objektträger und die Austrittsöffnung/Austragseinheit und/oder der Bauraum und die Austrittsöffnung/Austragseinheit relativ zueinander bewegbar. Weiter kann der Objektträger über drei oder fünf Achsen beweglich sein.
  • Der Objektträger kann beispielsweise ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyamid, Polyketon und Mischungen von wenigstens zwei der vorgenannten Materialien.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Bauraum auf eine Temperatur, d.h. Innentemperatur, von 60 °C bis 200 °C, insbesondere 100 °C bis 180 °C, vorzugsweise 110 °C bis 150 °C, erwärmt. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise eine ausreichende Haftung des ausgetragenen aliphatischen Polyketons oder Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, auf dem Objektträger erzielen.
  • Weiter kann der Bauraum bei einer Atmosphäre, d.h. Innenatmosphäre, betrieben werden, die ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff, oder ein Edelgas, wie beispielsweise Argon, aufweist oder aus einem solchen Gas besteht.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Objektträger vor dem Durchführen von Schritt c) mit einem Haftvermittler versehen. Dadurch ist vorteilhafterweise eine (weitere) Verbesserung der Haftung des ausgetragenen aliphatischen Polyketons oder Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, auf dem Objektträger erzielbar. Bei dem Haftvermittler kann es sich beispielsweise um einen Haftvermittler handeln, der unter der Bezeichnung „Nano Polymer Adhesive“ (Vision Miner, USA) kommerziell erhältlich ist.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, beim Durchführen von Schritt c) in Form von Tropfen, vorzugsweise diskontinuierlichen und/oder sequenziellen Tropfen, aus der Austrittsöffnung oder Austragseinheit ausgetragen. Bevorzugt wird der Objektträger so positioniert, dass jeder Tropfen auf die vorher berechnete Stelle fällt. Die Tropfen fügen sich aneinander, verschmelzen und bauen so schichtweise den dreidimensionalen Gegenstand auf.
  • Die Austrittsöffnung ist vorzugsweise über ein taktbares Verschlussmittel verschließbar. Bei dem taktbaren Verschlussmittel kann es sich beispielsweise um eine Nadel handeln. Bevorzugt wird das taktbare Verschlussmittel über einen Piezoaktor, insbesondere Piezokristall, gesteuert.
  • Weiter kann die Austrittsöffnung einen Durchmesser von 100 µm bis 300 µm, insbesondere 100 µm, 150 µm, 180 µm, 200 µm, 250 µm oder 300 µm, aufweisen.
  • Insbesondere kann das Verschlussmittel mit einer Frequenz von 35 Hz bis 330 Hz, insbesondere 50 Hz bis 300 Hz, vorzugsweise 50 Hz bis 290 Hz, betrieben werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren nach dem Schritt c) ferner einen Schritt d) thermisches Nachbehandeln des ausgetragenen aliphatischen Polyketons oder des ausgetragenen Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, auf. Durch ein thermisches Nachbehandeln kann die Haftung des ausgetragenen, aliphatischen Polyketons oder des ausgetragenen Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, insbesondere in z-Richtung, d.h. zwischen den während des Herstellvorgangs erzeugten Schichten, vorteilhafterweise erhöht werden. Insbesondere kann der Schritt d) bei einer Temperatur von 0 °C bis 200 °C, bevorzugt 60 °C bis 180 °C, besonders bevorzugt 100 °C bis 160 °C, durchgeführt werden.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen dreidimensionalen Gegenstand, der nach einem Verfahren gemäß erstem Erfindungsaspekt hergestellt oder herstellbar ist. Bei dem dreidimensionalen Gegenstand kann es sich um ein Endprodukt, d.h. Fertigerzeugnis, ein Halbfabrikat, d.h. ein Halbfertigprodukt oder unfertiges Erzeugnis, ein Bauteil, d.h. ein Einzelteil eines technischen Komplexes, oder ein sonstiges Einzelteil handeln.
  • Bevorzugt handelt es sich bei dem dreidimensionalen Gegenstand um ein medizintechnisches Produkt oder Medizinprodukt, insbesondere um ein Implantat oder medizinisches Instrument. Alternativ kann es sich bei dem dreidimensionalen Gegenstand um ein Einzelteil, Bauteil oder Halbfabrikat eines medizintechnischen Produkts oder Medizinprodukts, insbesondere Implantats oder medizinischen Instruments, handeln. Beispielsweise kann der dreidimensionale Gegenstand ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Instrumentengriffe und Instrumentenhalterungen.
  • Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile des dreidimensionalen Gegenstands wird zur Vermeidung von Wiederholungen vollständig auf die bisherige Beschreibung, d.h. auf die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren gemachten Ausführungen, Bezug genommen. Die dort beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten sinngemäß auch für den dreidimensionalen Gegenstand gemäß zweitem Erfindungsaspekt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Form von Beispielen und Figurenbeschreibungen. Dabei können einzelne Merkmale jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die nachfolgend beschriebenen Beispiele und Ausführungsformen dienen lediglich der weiteren Erläuterung der Erfindung, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken.
  • Aliphatisches Polyketon, das unter dem Handelsnamen RIAMAXX HR XE4355 KTW-E (Firma RIA Polymers GmbH) kommerziell erhältlich ist, wurde vor seiner Verarbeitung nach den Datenblattangaben getrocknet. Anschließend wurde das aliphatische Polyketon auf einem Arburg Freeformer 300-3X gemäß den nachfolgenden Druckparametern verarbeitet:
    • z-Achse Offset: 0,85 mm
  • Einstellparameter
    • Schichthöhe: 0,2 mm
    • Vorschubgeschwindigkeit kontinuierliche Extrusion: 140
    • Vorschubgeschwindigkeit diskrete Extrusion: 70
    • Formfaktor Tropfen: 1,34
  • Randkonturen
    • Anzahl Randkonturen: 1
    • Startpunktverschiebung: 10 mm
  • Flächenfüllung
    • Überlapp mit Randkontur: 40 %
    • Startwinkel: 45°
    • Inkrementwinkel: 90°
    • Fülldichte: 100 %
  • Maschinenparameter
    • Düsendurchmesser: 0,20 mm
  • Massedruck
    • Massegeschwindigkeit: 20 mm/s
    • Massepolster: 1,5 mm
  • Dosierung
    • Umfanggeschwindigkeit: 8 m/min
    • Staudruck: 80 bar
    • Überwachung maximale Dosierzeit: 90 s
  • Dekompression
    • Dekompressionsgeschwindigkeit: 2,0 mm/s
    • Dekompressionsweg: 6,00 mm
  • Austrag
    • Austrag: 700 %
    • Toleranzaustrag 25 %
    • Tropfenfrequenz: Signalkurve 2
  • Temperaturen
    • Temperatur Austragseinheit: 250 °C
    • Temperatur Zone 2: 240 °C
    • Temperatur Zone 1: 230 °C
    • Temperatur Materialeinzug: unbeheizt, maximal 45 °C
  • Bauraum
    • Bauraumtemperatur: 130 °C
    • Toleranz Bauraumtemperatur: 10 °C
    • Haftvermittler: Nano Polymer Adhesive, Vision Miner, USA
  • Durch Anwendung der vorgenannten Druckparameter konnte das aliphatische Polyketon erfolgreich zu einem würfelförmigen Gegenstand additiv verarbeitet werden.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes durch additive Fertigung, aufweisend in zeitlicher Reihenfolge die nachfolgenden Schritte: a) Bereitstellen eines aliphatischen Polyketons oder eines Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, in Form eines Granulats, b) Plastifizieren des in Form eines Granulats bereitgestellten aliphatischen Polyketons oder des in Form eines Granulats bereitgestellten Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, mittels einer Plastifiziereinheit und c) Austragen des plastifizierten aliphatischen Polyketons oder plastifizierten Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, aus einer Austrittsöffnung mittels einer Austragseinheit.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Körner oder Partikel des Granulats einen Durchmesser von 1 mm bis 5 mm, insbesondere 2 mm bis 3 mm, aufweisen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in Form eines Granulats bereitgestellte aliphatische Polyketon oder das in Form eines Granulats bereitgestellte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, beim Durchführen von Schritt b) zunächst durch eine erste Temperaturzone und anschließend durch eine zweite Temperaturzone der Plastifiziereinheit gefördert wird, wobei die zweite Temperaturzone eine höhere Temperatur aufweist als die erste Temperaturzone.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperaturzone beim Durchführen von Schritt b) eine Temperatur aufweist, die 1 °C bis 25 °C, insbesondere 3 °C bis 20 °C, vorzugsweise 5 °C bis 15 °C, höher ist als die Temperatur der ersten Temperaturzone.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperaturzone eine Temperatur von 200 °C bis 280 °C, insbesondere 210 °C bis 250 °C, vorzugsweise 220 °C bis 240 °C, und/oder die zweite Temperaturzone eine Temperatur von 210 °C bis 290 °C, insbesondere 220 °C bis 260 °C, vorzugsweise 230 °C bis 250 °C, aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austragseinheit beim Durchführen von Schritt c) bei einer Temperatur betrieben wird, die höher ist als die Temperatur der zweiten Temperaturzone der Plastifiziereinheit.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austragseinheit beim Durchführen von Schritt c) bei einer Temperatur von ≥ 220 °C, insbesondere 230 °C bis 300 °C, bevorzugt 230 °C bis 280 °C, weiter bevorzugt 235 °C bis 270 °C, besonders bevorzugt 240 °C bis 260 °C, betrieben wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 2 m/min bis 16 m/min, insbesondere 4 m/min bis 12 m/min, vorzugsweise 6 m/min bis 10 m/min, von der Plastifiziereinheit in Richtung der Austrittsöffnung oder Austragseinheit gefördert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, spätestens nach 1 min bis 90 min, insbesondere 4 min bis 20 min, bevorzugt 6 min bis 16 min, gerechnet vom Beginn des Durchführens von Schritt b), aus der Austrittsöffnung ausgetragen wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, beim Durchführen von Schritt c) auf einen Objektträger in einem Bauraum für den herzustellenden dreidimensionalen Gegenstand ausgetragen wird, wobei vorzugsweise der Bauraum und die Austrittsöffnung/Austragseinheit relativ im Raum zueinander bewegbar sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauraum auf eine Temperatur von 60 °C bis 200 °C, insbesondere 100 °C bis 180 °C, vorzugsweise 110 °C bis 150 °C, erwärmt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektträger vor dem Durchführen von Schritt c) mit einem Haftvermittler versehen wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das plastifizierte aliphatische Polyketon oder plastifizierte Material, das aliphatisches Polyketon enthält, beim Durchführen von Schritt c) in Form von Tropfen aus der Austrittsöffnung ausgetragen wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach dem Schritt c) ferner einen Schritt d) thermisches Nachbehandeln des ausgetragenen, plastifizierten aliphatischen Polyketons oder plastifizierten Materials, das aliphatisches Polyketon enthält, aufweist, insbesondere bei einer Temperatur von 0 °C bis 200 °C, bevorzugt 60 °C bis 180 °C, besonders bevorzugt 100 °C bis 160 °C.
  15. Dreidimensionaler Gegenstand, insbesondere medizintechnisches Produkt, hergestellt oder herstellbar nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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