DE10227224B4

DE10227224B4 - Verwendung eines Granulates zum Herstellen eines Gegenstandes mit einem 3D-Binderdruck-Verfahren

Info

Publication number: DE10227224B4
Application number: DE10227224A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Ing. Pfeifer; Jialin Dr.-Ing. Shen
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2022-06-19
Also published as: US7402330B2; WO2003106147A1; US20050276976A1; JP2006516048A; DE10227224A1; EP1513669A1

Abstract

Verwendung eines Granulates zum Herstellen eines Gegenstandes mit einem 3D-Binderdruck-Verfahren mit den Schritten:
– Ausbringen einer Schicht des Granulats auf eine Unterlage,
– Befeuchten vorgegebener Bereiche (3) der Schicht mit einer Binderflüssigkeit,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Granulat verwendet wird,
welches aus mit einer Oberflächenschicht (2) versehenen Partikeln besteht,
wobei die Oberflächenschicht (2) aus einem Polyvinylbutyral besteht und eine unpolare Außenfläche aufweist,
und
dass die Binderflüssigkeit unter Flüssigkeiten gewählt wird, in denen die Oberflächenschicht (2) der Partikel des Granulats löslich ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Granulates zum Herstellen eines Gegenstandes mit einem 3D-Binderdruck-Verfahren. Ähnliche Granulate und deren Verwendung sind bereits bekannt aus DE10054344A1 , DE10026955A1 , EP1099534A2 , WO99/52510A1, US6310027B1 und JP08276130 sowie aus [Blackmann et al.; J. Am. Ceram. Soc. 84 (11) 2501–2506 (2001)]; [Jean, Yeh; Mat. Chem. & Phys. 71 (2) 155–160 (2001)]; [Jean et al.; J. Mat. Res. 12 (4) 1062–1068 (1997)]; [Parker; Makromolecules 27 (25) 7363–7368 (1994)]; [Matsumura et al.; Kagaku Kogaku Ronbunshu 19 (4) 695–698 (1993)]; FR 2126681.
3D-Binderdruckverfahren sind Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen aus einem Granulat, bei denen eine Schicht des Granulats auf einer Unterlage ausgebracht und dann in vorgegebenen Bereichen, die jeweils einer Schicht eines zu erzeugenden Gegenstands entsprechen, mit einer Binderflüssigkeit befeuchtet wird. Bei einem ersten Typ dieser Verfahren werden die Granulatpartikel in den befeuchteten Bereichen von der Binderflüssigkeit oberflächlich angelöst, und das anschließende Verdampfen der Binderflüssigkeit führt unmittelbar zu einem Aneinanderhaften der Granulatpartikel in ihren Randbereichen, indem diese miteinander verschmelzen. Bei einem zweiten Typ dieser Verfahren wird eine Binderflüssigkeit eingesetzt, die beim Trocknen in den befeuchteten Bereichen zurückbleibende Hilfsstoffe enthält, die ein Verbinden der befeuchteten Granulatpartikel miteinander durch anschließendes Anschmelzen oder Sintern ermöglichen.
3D-Binderdruckverfahren insbesondere des ersten Typs sind aus den europäischen Patenten EP 0 644 809 B1 , EP 0 686 067 B1 sowie der europäischen Patentanmeldung EP 1 099 534 A2 bekannt.
Binderdruckverfahren, die eine Verbindung der Granulatpartikel durch Anlösen mit der Binderflüssigkeit bewirken, haben den Nachteil, dass der fertige Gegenstand eine deutliche Schrumpfung gegenüber dem ursprünglich mit der Binderflüssigkeit befeuchteten Bereich der Granulatschicht aufweist. Der Grund hierfür ist, dass einander berührende angelöste Partikel unter dem Einfluss ihrer Oberflächenspannung enger zusammenrücken, so dass nach dem Trocknen der Binderflüssigkeit eine dichtere Packung als zuvor vorliegt. Dieser Effekt ist nicht ohne weiteres zu unterdrücken, er ist auch in gewissem Umfang notwendig, um einen hinreichend festen Zusammenhalt der Partikel im fertigen Gegenstand zu erzielen. Eine schwerwiegende nachteilige Folge dieses Effekts ist jedoch, dass bei einem mit einem solchen Verfahren hergestellten Gegenstand, der eine bestimmte maximale Größe überschreitet, die Schrumpfung während des Trocknungsprozesses zur Rissbildung führt.
Um dieses Problem zu bekämpfen, sind Binderdruckverfahren entwickelt worden, bei denen die Binderflüssigkeit Zusätze enthält, die in den befeuchteten Bereichen der Schicht nach Trocknen der Flüssigkeit zurückbleiben und die es ermöglichen, die Partikel in den befeuchteten Bereichen zu verbinden, indem die gesamte bearbeitete Pulvermasse einschließlich der nicht befeuchteten Bereiche so erhitzt wird, dass die Partikel in den befeuchteten Bereichen unter dem Einfluss des Sinterhilfsmittels sintern, die unbefeuchtet gebliebenen Partikel jedoch nicht.
Ein Problem dieser Technik ist, dass die verwendeten Sinterhilfsmittel im Allgemeinen mineralischer Natur sind und in der Binderflüssigkeit allenfalls dispergierbar, aber nicht löslich sind und daher einen erheblichen Verschleiß der zum Befeuchten des Granulats eingesetzten Spritzdüsen verursachen.
Ein weiteres Problem der bekannten Binderdruckverfahren ist, dass infolge von Agglomeration der verwendeten Granulate mit ihnen hergestellte Gegenstände dazu neigen, einen ungleichmäßigen, rauhen Oberflächenverlauf aufzuweisen, der dem Verlauf der befeuchteten Bereiche nicht exakt entspricht.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Verwendung eines Granulates zum Herstellen eines Gegenstandes mit einem 3D-Binderdruck-Verfahren anzugeben, welche einen oder mehrere der oben aufgeführten Nachteile vermeidet.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines Granulates mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die außen unpolare Oberflächenschicht dieses Granulats verhindert oder reduziert zumindest den Aufbau von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Granulatpartikeln sowohl unmittelbar als auch über an der Oberfläche der Partikel adsorbierte Wassermoleküle und reduziert so deutlich die Agglomeration. So können aus dem erfindungsgemäßen Granulat Gegenstände mit glatterer Oberfläche als mit einem herkömmlichen Granulat hergestellt werden, oder bei gleicher Partikelgröße wie bei einem herkömmlichen Granulat können Gegenstände mit feineren, detailreicheren Strukturen hergestellt werden.
Die Oberflächenschicht besteht aus einem Polymermaterial, nämlich Polyvinylbutyral. Die vorteilhaften Wirkungen einer solchen Oberflächenschicht können von zweierlei Art sein. Wenn ein solches Polymermaterial, das aus Monomeren mit polaren und unpolaren Gruppen aufgebaut ist, auf einem polaren Granulatsubstrat aufgebracht wird, neigen dessen polare Gruppen dazu, sich der Oberfläche der Granulatteilchen zuzuwenden, während die unpolaren Gruppen nach außen gekehrt sind.
Wenn die Dicke der Polymerschicht eine Monolage der Monomeren nicht überschreitet, so dass die nach außen gekehrten unpolaren Gruppen die Außenfläche der Oberflächenschicht bilden, wird ein Granulat mit sehr geringer Neigung zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbildung bzw. zur Anlagerung von Wasser erhalten.
Wenn die Oberflächenschicht dicker ist, kann je nach Art des verwendeten Polymermaterials immer noch eine hochgradig unpolare, wasserabweisende Oberfläche erhalten werden, doch kommt hier noch eine zweite, von der Polarität der Oberflächenschicht unabhängige Nutzwirkung hinzu. Aufgrund unterschiedlicher chemisch-physikalischer Eigenschaften der Oberflächenschicht und des darunter liegenden Materials ist es nämlich möglich, die zum Herstellen eines festen Gegenstandes aus dem Granulat erforderliche teilweise Verschmelzung der Partikel auf die Oberflächenschicht zu beschränken und so in Abhängigkeit vom Verhältnis der Dicke der Oberflächenschicht zum darunterliegenden Material die Schrumpfung des Granulats zu begrenzen.
Hierfür haben sich Dicken der Oberflächenschicht im Bereich von 1 bis 10 % des mittleren Partikelradius als geeignet erwiesen.
Bevorzugt weisen die Partikel einen Kern aus Metall, Keramik oder Polymermaterial auf. Ein Polymermaterial für den Kern sollte zweckmäßigerweise so gewählt sein, dass ein Lösungsmittel existiert, welches die Oberflächenschicht löst, nicht aber den Kern. Ein solches Lösungsmittel kann in einem anschließenden 3D-Binderdruckverfahren als Binderflüssigkeit verwendet werden. Diese Binderflüssigkeit löst zwar die den Kern umgebenden Schichten an und ermöglicht so ein Verschmelzen der Schichten benachbarter Partikel, da sie aber den Kern selbst nicht angreift, ist die durch die Verschmelzung verursachte Schrumpfung auf ein Maß reduziert, das proportional zum Verhältnis des Radius des Kerns zur Dicke der Oberflächenschicht ist.
Die Oberflächenschicht mit unpolarer Außenfläche wird vorzugsweise hergestellt, indem die Partikel des Granulats mit einer Lösung in Kontakt gebracht werden, die das Material der Oberflächenschicht in einem ersten Lösungsmittel gelöster Form enthält, und die Partikel durch Verdampfen des Lösungsmittels getrocknet werden.
Ein 3D-Binderdruckverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Binderflüssigkeit unter Flüssigkeiten gewählt wird, in denen eine Oberflächenschicht der Partikel des verwendeten Granulats löslich ist, ein Kern der Partikel jedoch nicht. Da eine im Wesentlichen feststofffreie Binderflüssigkeit verwendet werden kann, wird die Lebensdauer der zum Aufbringen der Binderflüssigkeit auf das Granulat verwendeten Düsen erhöht.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch einen Granulatpartikel
2 einen schematischen Schnitt durch eine Schicht eines mit dem Granulat aus 1 hergestellten Gegenstands;
1 zeigt ein Granulatpartikel gemäß der Erfindung in einem schematischen Schnitt. Der Partikel ist als Kugel dargestellt, es versteht sich jedoch, dass er auch von der Kugelform abweichende Gestalt, etwa ellipsoidisch oder unregelmäßig, haben kann. Der Partikel hat einen Kern 1, z.B. aus Metall, Keramik oder einem alkoholbeständigen Polymermaterial wie etwa Polymethylmethacrylat (PMMA), der von einer Oberflächenschicht 2 umgeben ist. Als Material für die Oberflächen schicht ist ein Polyvinylbutyral gegeben, da dieses Material eine stark wasserabweisende, unpolare Außenfläche ausbildet. Geeignete Polyvinylbutyrale werden unter der Bezeichnung Pioloform von der Fa. Wacker Polymer Systems vertrieben; bevorzugt ist Pioloform BN18.
Die Oberflächenschicht wird erzeugt durch Lösen des Pioloform in einem Alkohol wie Ethanol, Isopropanol, n-Butanol usw. oder einem Alkoholgemisch, Aufbringen der Lösung auf die Partikel des Granulats und Trocknen der Partikel. Zu diesem Zweck wird Granulat in einem Wirbelbett durch einen Heißluftstrom fluidisiert und gleichzeitig mit der Lösung besprüht. Tropfen der Lösung, die auf Granulatpartikel stoßen, verdunsten in diesem Heißluftstrom, wodurch sich das gelöste Pioloform an ihnen niederschlägt und die Oberflächenschicht bildet. Die resultierende Schichtdicke ist anhand der Konzentration der verwendeten Lösung und Dauer der Behandlung steuerbar.
Zum Erzeugen eines Gegenstandes aus Partikeln des in 1 gezeigten Typs wird eine Schicht aus derartigen Partikeln auf einer Unterlage ausgebracht und von oben mit einer Binderflüssigkeit gemäß einem vorgegebenen Muster besprüht. Zum Besprühen kann ein Gerät ähnlich einem allgemein bekannten Tintenstrahldrucker eingesetzt werden; derartige Geräte sind in den eingangs genannten europäischen Patentschriften beschrieben und werden hier nicht näher erläutert.
Als Binderflüssigkeit sind die gleichen Alkohole geeignet, die auch zum Abscheiden der Oberflächenschicht eingesetzt wurden. Zum Einstellen einer gewünschten Viskosität der Binderflüssigkeit kann z.B. Glykol zugesetzt werden.
Durch Besprühen von Teilen der Granulatschicht mit der Binderflüssigkeit wird die Oberflächenschicht 2 angelöst, nicht aber der davon eingeschlossene Kern 1. Das Ergebnis ist in 2 gezeigt, die schematisch einen Schnitt durch eine Gra nulatschicht nach Aufbringen und Trocknen der Binderflüssigkeit zeigt. In einem Bereich 3 der Schicht, in welchem die Kerne 1' der Granulatpartikel durch Schraffur hervorgehoben sind, sind die Oberflächenschichten 2' der Partikel untereinander verschmolzen, so dass die Partikel einen zusammenhängenden Körper bilden. In der nicht von der Binderflüssigkeit getroffenen Umgebung des Bereichs 3 sind die Partikel unverändert.
Durch wiederholtes Aufbringen einer Schicht frischen Granulats auf die in 2 gezeigte Schicht und Befeuchten von Bereichen der neuen Schichten mit Binderflüssigkeit nach einem vorgegebenen Muster, das von Schicht zu Schicht unterschiedlich sein kann, wird schließlich ein zusammenhängender Körper aus verschmolzenen Granulatpartikeln erhalten, der nur noch von den umgebenden, unverschmolzen gebliebenen Partikeln befreit werden muss.
Da der als Binderflüssigkeit verwendete Alkohol die Kerne der Partikel nicht löst, bleibt deren ursprüngliche Gestalt im fertigen Gegenstand unverändert erhalten, so dass die Schrumpfung des fertigen Gegenstandes nicht stärker sein kann als das Verhältnis der Dicke der Oberflächenschicht 2 zu einem mittleren Radius der Kerne der Partikel. Diese Dicke kann z.B. 0,5 μm bei einem mittleren Radius von ca. 10 μm betragen.
Die unpolare Natur der Außenflächen der Partikel verhindert eine Agglomeration der Partikel vor dem Anlösen ihrer Oberflächenschicht und gewährleistet so gleichmäßige Zwischenräume zwischen den unverbundenen Partikeln und entsprechend auch eine gleichmäßige Ausbreitung von aufgespritzter Binderflüssigkeit. Die Oberflächen des erhaltenen Gegenstandes sind daher gleichmäßig glatt und folgen genau dem vorgegebenen Muster der Verteilung der Binderflüssigkeit.

Claims

Verwendung eines Granulates zum Herstellen eines Gegenstandes mit einem 3D-Binderdruck-Verfahren mit den Schritten: – Ausbringen einer Schicht des Granulats auf eine Unterlage, – Befeuchten vorgegebener Bereiche (3) der Schicht mit einer Binderflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass ein Granulat verwendet wird, welches aus mit einer Oberflächenschicht (2) versehenen Partikeln besteht, wobei die Oberflächenschicht (2) aus einem Polyvinylbutyral besteht und eine unpolare Außenfläche aufweist, und dass die Binderflüssigkeit unter Flüssigkeiten gewählt wird, in denen die Oberflächenschicht (2) der Partikel des Granulats löslich ist.
Verwendung eines Granulats gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Oberflächenschicht etwa einer Monolage der Monomere entspricht.
Verwendung eines Granulats gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Oberflächenschicht etwa 1 bis 10 % des mittleren Radius der Partikel beträgt.
Verwendung eines Granulats gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Binderflüssigkeit in Ihrer Viskosität, insbesondere durch Zugabe von höherwertigen Alkoholen, einstellbar gewählt wird.