DE112014002879T5

DE112014002879T5 - Behandlung von polymerischen Oberflächen von Objekten

Info

Publication number: DE112014002879T5
Application number: DE112014002879.7T
Authority: DE
Inventors: Zeev Shpiro; Natalia Bolchtianski
Original assignee: POLYMERTAL Ltd
Current assignee: POLYMERTAL Ltd
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2016-04-14
Also published as: US20190054666A1; WO2014203254A1

Abstract

Es werden Verfahren zum Umformen einer polymerischen Oberfläche eines Artikels, der zum Beispiel durch einen additiven Formungsprozess hergestellt wurde, sowie in Übereinstimmung mit diesem Verfahren erzeugte Artikel angegeben. Das Umformen der Oberfläche resultiert in einer reduzierten Oberflächenrauheit, sodass der Artikel eine ähnliche Oberflächenglattheit aufweist wie ein durch Spritzgießen hergestellter Artikel.

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beruht auf und beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/836,425 vom 18. Juni 2013 und dem Titel „Surface Treatment of Plastic Objects”, die hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die Oberflächenbehandlung von Artikeln mit polymerischen Oberflächen einschließlich von Kunststoffoberflächen.
HINTERGRUND
Polymerische Artikel und Artikel mit polymerischen Oberflächen, die durch Techniken wie etwa eine Modellierung mit einem additiven Prozess, was auch als schnelle Prototypenerzeugung oder schnelle Herstellung bezeichnet wird, ausgebildet werden, haben Artikel mit rauen und manchmal auch porösen Oberflächen zur Folge, wobei, wenn es sich um polymerische Flächen handelt, diese Flächen rau und manchmal porös sind. Die Oberflächen dieser Artikel weisen nicht die Oberflächenglattheit von durch Spritzgießen ausgebildeten Kunststoffartikeln auf.
Zum Beispiel zeigen 1A und 1B einen Artikel 10 mit einer Oberfläche 12, der durch eine Modellierung mit einem additiven Prozess erzeugt wird. Die Oberfläche 12 ist porös und rau, wobei die Rauheit zum Beispiel größer als 40 μ von Spitze zu Spitze sein kann, wenn die Oberflächenvertiefungen 14 Spitzen von mehr als 40 Mikrometer (μm) aufweisen. Das Objekt kann zum Beispiel eine Höhe von annähernd 20 cm aufweisen.
1C zeigt eine beispielhafte Oberfläche 20, die eine Basislinie 21 enthält, von der Werte für die Rauheit (R_z) und die durchschnittliche Rauheit (R_a) basierend auf Spitze-zu-Spitze(PP)-Messungen der Spitzen 22a–22n auf der Oberfläche 20 genommen werden. Die einzelnen Rauheiten werden durch R_z-Werte wiedergegeben, wobei die durchschnittliche Rauheit R_a ein durchschnittlicher Wert für die Spitze-zu-Spitze(PP)-Rauheit ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier Verfahren zum Umformen einer polymerischen Oberfläche eines Artikels, der zum Beispiel durch ein Formen mit einem additiven Prozess ausgebildet wird, sowie gemäß diesem Prozess ausgebildete Artikel angegeben. Das Umformen der Oberfläche resultiert in einer reduzierten Oberflächenrauheit, sodass der Artikel eine ähnliche Oberflächenglattheit wie ein durch Spritzgießen ausgebildeter Artikel aufweist.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird ein Verfahren zum Reduzieren der Rauheit einer polymerischen Oberfläche eines durch eine additive Herstellung erzeugten Artikels vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Auftragen eines flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen der polymerischen Oberfläche des Artikels in dem flüssigen Lösungsmittel für das Erzeugen einer Gelschicht; und das Aushärten der Gelschicht, um wenigstens einen Teil der polymerischen Oberfläche durch das Vermindern der Rauheit des wenigstens einen Teils der polymerischen Oberfläche umzuformen.
Optional umfasst das Verfahren zusätzlich das Entfernen des Lösungsmittels von dem Artikel.
Optional umfasst das Aushärten das Erhitzen der Gelschicht zu wenigstens der Glasübergangstemperatur des Polymers der polymerischen Fläche.
Optional umfasst das Auftragen des flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen das Eintauchen des Artikels in einem Bad, um die Gelschicht zu erzeugen.
Optional umfasst das Auftragen des flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen das Eintauchen des Artikels in einem Fluss des flüssigen Lösungsmittels, um die Gelschicht zu erzeugen.
Optional weist die Gelschicht eine Dicke in der gleichen Größenordnung wie die Rauheit der polymerischen Oberfläche auf.
Optional ist die Dicke der Gelschicht ungefähr 0,3 bis 3 mal so groß wie die durchschnittliche Rauheit (Ra) der polymerischen Oberfläche.
Optional umfasst das Entfernen des Lösungsmittels das Entfernen des im Wesentlichen gesamten Lösungsmittels von dem Artikel, bevor das Aushärten der Gelschicht abgeschlossen wird.
Optional wird das Entfernen des Lösungsmittels durch einen Prozess bewerkstelligt, der ein Erhitzen und/oder ein Vakuumziehen umfasst.
Optional wird die polymerische Oberfläche aus wenigstens einem der folgenden Polymere ausgewählt: Polyetherimid (PEI), ULTEM^®, Acrylnitrilbutadienstyren (ABS), Polycarbonat (PC), PC-ABS, Polyamid (PA), Nylon, Polyethylen und Polymethylmethacrylat (PMMA).
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird ein Artikel vorgesehen, der wenigstens einen Teil mit einer durch einen Prozess ausgebildeten polymerischen Oberfläche enthält. Der Prozess umfasst: Erhalten eines Artikels mit einer polymerischen Oberfläche, die wenigstens einen Teil der Oberfläche des Artikels definiert; Auftragen eines flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen der polymerischen Oberfläche des Artikels in dem flüssigen Lösungsmittel für das Erzeugen einer Gelschicht; und Aushärten der Gelschicht, um wenigstens einen Teil der polymerischen Oberfläche durch das Vermindern der Rauheit des wenigstens einen Teils der polymerischen Oberfläche umzuformen.
Optional umfasst der Prozess zusätzlich das Entfernen des Lösungsmittels von dem Artikel.
Optional umfasst das Aushärten das Erhitzen der Gelschicht zu wenigstens der Glasübergangstemperatur des Polymers der polymerischen Oberfläche.
Optional umfasst das Auftragen des flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen das Eintauchen des Artikels in einem Bad, um die Gelschicht zu erzeugen.
Optional umfasst das Auftragen des flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen das Eintauchen des Artikels in einem Fluss des flüssigen Lösungsmittels, um die Gelschicht zu erzeugen.
Optional weist die Gelschicht eine Dicke in der gleichen Größenordnung wie die Rauheit der polymerischen Oberfläche auf.
Optional ist die Dicke der Gelschicht 0,3 bis 3 mal so groß wie die durchschnittliche Rauheit (Ra) der polymerischen Oberfläche.
Optional umfasst das Entfernen des Lösungsmittels das Entfernen des im Wesentlichen gesamten Lösungsmittels von dem Artikel, bevor das Aushärten der Gelschicht abgeschlossen wird.
Optional wird das Entfernen des Lösungsmittels durch einen Prozess bewerkstelligt, der ein Erhitzen und/oder ein Vakuumziehen umfasst.
Optional wird die polymerische Oberfläche aus wenigstens einem der folgenden Polymere ausgewählt: Polyetherimid (PEI), ULTEM^®, Acrylnitrilbutadienstyren (ABS), Polycarbonat (PC), PC-ABS, Polyamid (PA), Nylon, Polyethylen und Polymethylmethacrylat (PMMA).
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird ein Artikel vorgesehen, der durch einen additiven Herstellungsprozess mit einer Oberfläche mit einer ersten Rauheit ausgebildet wird, wobei der Artikel eine Oberfläche mit einer zweiten Rauheit, die kleiner als die erste Rauheit ist, aufweist und wobei die Oberfläche mit der zweiten Rauheit von einer ausgehärteten Gelschicht umgeformt wurde, die einen anderen molekularen Aufbau aufweist als der durch den additiven Herstellungsprozess hergestellte Artikel.
Optional liegt die Dicke der umgeformten Oberflächenschicht in der gleichen Größenordnung wie die Rauheit der Oberfläche des durch den additiven Herstellungsprozess ausgebildeten Artikels vor dem Umformen der Oberfläche.
Optional besteht der Artikel aus einem Material, das wenigstens eines der folgenden Polymere enthält: Polyetherimid (PEI), ULTEM^®, Acrylnitrilbutadienstyren (ABS), Polycarbonat (PC), PC-ABS, Polyamid (PA), Nylon, Polyethylen und Polymethylmethacrylat (PMMA).
Soweit nicht anders definiert, weisen die hier verwendeten technischen und/oder wissenschaftlichen Begriffe allgemein die für den Fachmann bekannten Bedeutungen auf. Obwohl auch andere Verfahren und Materialien, die ähnlich oder äquivalent zu den hier beschriebenen sind, für das Realisieren oder Testen von Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, werden im Folgenden beispielhafte Verfahren und/oder Materialien beschrieben. Bei Widersprüchen ist die Patentspezifikation einschließlich der Definitionen ausschlaggebend. Außerdem sind die hier beschriebenen Materialien, Verfahren und Beispiele beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen durchgehend einander entsprechende Bezugszeichen verwendet werden, um ähnliche Elemente anzugeben.
1A zeigt einen Artikel, der durch eine Modellierung mit einem additiven Prozess mit einer rauen Oberfläche ausgebildet ist.
1B zeigt die Oberfläche des Artikels von 1A.
1C zeigt, wie die Oberflächenwerte der Rauheit (R_z) und der durchschnittlichen Rauheit (R_a) gemessen werden.
2 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3A zeigt den Artikel von 1A und 1B, nachdem der Prozess der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, um die Oberflächenrauheit zu reduzieren.
3B zeigt die Oberfläche des Artikels von 3A.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
2 ist ein Flussdiagramm und zeigt einen Prozess zum Reduzieren der Oberflächenrauheit zum Beispiel eines Artikels (auch als Objekt bezeichnet, wobei die Bezeichnungen „Artikel” und „Objekt” hier austauschbar verwendet werden), der eine polymerische Oberfläche aufweist oder bei dem ein Teil der Oberfläche ein polymerisches Material enthält. Der Artikel wird in dem START-Block 200 erhalten. Der Artikel kann zum Beispiel ein polymerischer Artikel sein, der wenigstens eine polymerische Oberfläche aufweist, die durch Techniken wie zum Beispiel eine additive Herstellung oder eine Modellierung mit einem additiven Prozess hergestellt wird, wozu Verfahren wie etwa ein dreidimensionales (3D) Drucken gehören. Der Artikel kann zum Beispiel der Artikel 10 von 1A und 1B sein.
Der Artikel wird einer Oberflächenbehandlung mit einem Lösungsmittel wie zum Beispiel einem flüssigen Lösungsmittel unterworfen. Dadurch wird ein Auflösungsprozess der rauen Oberfläche begonnen. Der Auflösungsprozess erfolgt nicht unmittelbar und wird gestoppt, wenn eine Gelschicht mit einer gewünschten Dicke an der Außenseite des Artikels erzeugt wurde. Dieser Auflösungsprozess wird durch mehrere Faktoren wie zum Beispiel das Oberflächenmaterial (z. B. Polymer), das Lösungsmittel und die Temperatur beeinflusst. Als ein Teil des Prozesses der Oberflächenbehandlung mit dem Lösungsmittel wird in Block 202 eine Oberflächengelschicht erzeugt. Der Auflösungsprozess ist derart beschaffen, dass er wenigstens die äußeren rauen und manchmal auch porösen Schichten des Artikels beeinflusst. Die Auflösung ist derart beschaffen, dass sie wenigstens eine Gelschicht auf der Oberfläche erzeugt. Zum Beispiel enthält die Gelschicht ein geschwollenes Polymermaterial in einem gummiartigen Zustand.
Eine oder mehrere Schichten der Oberfläche des Artikels (z. B. der polymerischen Oberfläche, auch als Oberflächenschichten bezeichnet) zusätzlich zu der Gelschicht (ebenfalls eine Oberflächenschicht) können durch die Diffusion des Lösungsmittels in den Artikel erzeugt werden. Diese zusätzlichen Oberflächenschichten sind oberhalb und unterhalb der Gelschicht angeordnet. Zum Beispiel kann unmittelbar über der Gelschicht eine flüssige Schicht vorhanden sein. Unter der Gelschicht kann eine solide, geschwollene Schicht vorhanden sein, wobei eine Infiltrierungsschicht unter der soliden, geschwollenen Schicht vorhanden sein kann. Die Infiltrierungsschicht liegt über einer reinen Polymerschicht der Oberfläche. Die Gelschicht und auch die oben genannten zusätzlichen Schichten, von denen eine oder mehrere zusätzlich zu der Gelschicht vorhanden sein können, werden durch die oben genannte Diffusion wie zum Beispiel in Miller-Chou et al. „A review of Polymer Dissolution” in Progress in Polymer Science, Vol. 28 (2003) auf den Seiten 1223–1270 beschrieben, wobei dieses Dokument hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen ist, erzeugt. Der Auflösungsprozess wird vor der Auflösung der Gelschicht gestoppt, wenn die Gelschicht eine gewünschte Dicke aufweist. Das Stoppen kann bewerkstelligt werden, indem die Interaktion zwischen dem Lösungsmittel und dem Artikel unterbunden wird (z. B. durch das Beenden des Eintauchens des Artikels in zum Beispiel einem Lösungsmittelbad) oder unter Verwendung eines anderen chemischen Prozesses (z. B. durch eine Interaktion mit einem anderen Lösungsmittel) oder durch das Waschen in Wasser.
Die gewöhnlich gewünschte Gelschicht weist Dimensionen wie zum Beispiel eine Dicke in der gleichen Größenordnung wie die Oberflächenrauheit auf, wobei es um die durchschnittliche Rauheit (Ra) der polymerischen Oberfläche des Artikels handeln kann. Die Dicke ist zum Beispiel gewöhnlich ungefähr 0,3 bis 3 mal so groß wie die durchschnittliche Rauheit (Ra). Die minimale Dicke sollte derart sein, dass sie die Oberflächenrauheit größtenteils abdeckt, wobei die minimale Dicke ungefähr 3–5 Mikrometer beträgt. Und die maximale Dicke sollte derart sein, dass eine funktionsfähige Gelschicht vorgesehen ist, die die Dimensionen des fertigen Objekts nicht wesentlich (zum Beispiel innerhalb von bis zu 40 Mikrometer) ändert, nachdem die Gelschicht ausgehärtet wurde und die glatte Oberfläche des Artikels ausgebildet wurde.
Das Lösungsmittel ist zum Beispiel polar oder nicht-polar. Polare Lösungsmittel sind zum Beispiel organische Lösungsmittel wie etwa Dichlormethan, Dimethylsulfoxid (DMSO), Acetonitril, Tetrahydrofuran, Dimethylformamid (DMF) (d. h. n,n-Dimethylformamid, n,n-Dimethylacetamid und n,n-Dimethylbutanamid), N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP), Ethylacetat, Methylacetat, Acrylnitril, Essigsäure, Aceton, Kresol, Dichlorethan, Ethylalkohol, Trichlorethan (z. B. Trichlorethan 1,1,1), n,n-Dimethylethanamin, Methylethylketon, Chloroform, Butylalkohol, Carbondisulphid, Diethanolamin, Ethylenglycol, Essigsäure und Methansäure. Polare anorganische Lösungsmittel sind Säuren wie etwa Schwefelsäure, Salpetersäure und eine Natriumhypochloritlösung. Nicht-polare Lösungsmittel sind zum Beispiel Carbontetrachlorid, Cyclohexanon, Hexan und Xylene.
Die oben genannten Lösungsmittel können separat oder in Kombinationen oder Mischungen verwendet werden. Das tatsächlich verwendete Lösungsmittel oder die tatsächlich verwendete Lösungsmittelmischung kann in Abhängigkeit von dem Material der behandelten polymerischen Oberfläche gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen ausgewählt werden. Zum Beispiel ist das ausgewählte flüssige Lösungsmittel gewöhnlich thermodynamisch kompatibel mit dem Polymer der polymerischen Oberfläche.
Das Lösungsmittel wird zum Beispiel durch das Eintauchen des Artikels in einem Bad des flüssigen Lösungsmittels oder durch eine andere Eintauchtechnik wie etwa in einen Strom des flüssigen Lösungsmittels, wobei die gesamte behandelte Oberfläche in Kontakt mit dem flüssigen Lösungsmittel gebracht wird, aufgetragen. Das Eintauchen erfolgt zum Beispiel über eine Zeitperiode, die ausreicht, um die Gelschicht mit der minimalen Dicke wie oben erläutert zu erzeugen. Diese Zeitperiode für das Auftragen des Lösungsmittels mittels eines Bads kann zum Beispiel von ungefähr zwei Minuten bis ungefähr 20 Minuten betragen.
Das Lösungsmittel kann eine Temperatur aufweisen, die für das polymerische Material der polymerischen Oberfläche geeignet ist. Zum Beispiel reicht die Temperatur des Lösungsmittels gewöhnlich von ungefähr Raumtemperatur (RT) bis zu einer Temperatur, die niedriger als der Glasübergang (T_g) des Polymers der Oberfläche ist. Zum Beispiel ist die Temperatur bis zu ungefähr 80 Grad Celsius hoch. Mit einem Lösungsmittel bei diesen Temperaturen erzeugt die oben genannte Diffusion die Gelschicht mit der gewünschten Dicke.
Der Prozess schreitet dann zu Block 204 fort. In Block 204 wird die Gelschicht der Oberfläche ausgehärtet und wird das Lösungsmittel von dem Artikel entfernt, bevor das Aushärten abgeschlossen wird. Das Aushärten entfernt auch das Lösungsmittel von der Gelschicht (und von anderen Oberflächenschichten über der Gelschicht) und alles zusätzliche Lösungsmittel in dem Artikel oder in anderen Schichten des Artikels unter der Gelschicht. Unabhängig davon, wann das Lösungsmittel aus den Oberflächenschichten des Artikels entfernt wird, muss beinahe alles (mit Ausnahme von Spurengrößen) des Lösungsmittels (und möglichst das gesamte Lösungsmittel) von dem Artikel entfernt werden, bevor das Aushärten abgeschlossen ist, sodass die Lösungsmittelpartikel nicht in dem fertigen Artikel mit der umgeformten Oberfläche zurückbleiben. Wenn das Lösungsmittel nicht entfernt wird, hat dies eine Blasenbildung auf der Oberfläche beim Erhitzen des Artikels zur Folge.
Wenn zum Beispiel ein Erhitzen als Prozess für das Aushärten und das Entfernen des Lösungsmittels verwendet wird, kann der Ofen bei einer bestimmten Temperatur gehalten werden oder bei einer Temperatur beginnen und allmählich über verschieden ausgewählte Zeitintervalle zu einer anderen Temperatur erhöht werden. Die Zeit zum Aushärten und Entfernen des Lösungsmittels in dem Ofen kann zum Beispiel ungefähr 1,5 Stunden bis ungefähr 14 Stunden betragen, wobei der Ofen zu Temperaturen von ungefähr 20 Grad C bis ungefähr 180 Grad C erhitzt wird und wobei der Ofen zum Beispiel zu annähernd der Glasübergangstemperatur (T_g) des Polymers der behandelten polymerischen Oberfläche erhitzt werden sollte, um das Aushärten abzuschließen.
Das Aushärten veranlasst, dass die Moleküle in der Gelschicht der Oberfläche umgeformt werden, zum Beispiel durch eine molekulare Umorganisation. Das Aushärten tritt zum Beispiel auf, wenn die Gelschicht zu wenigstens ungefähr der Glasübergangstemperatur (T_g) des Poylmers der polymerischen Oberfläche und zum Beispiel in einem Ofen oder ähnlichem erhitzt wird. Das Aushärten erfolgt gewöhnlich über eine Zeitperiode von ungefähr 1,5 Stunden bis ungefähr 14 Stunden, was von der Temperatur, zu welcher der Ofen erhitzt ist, abhängt. Das Aushärten ist abgeschlossen, wenn die Gelschicht wenigstens zu ungefähr der anfänglichen Härte des ursprünglichen Artikels vor der hier beschriebenen Oberflächenbehandlung ausgehärtet ist.
Das Lösungsmittel kann auch durch ein Vakuumziehen entfernt werden, wofür der Artikel zum Beispiel in einer Vakuumkammer eines Vakuumofens platziert wird, sodass das Vakuum eine Verdampfung in Verbindung mit dem oben genannten Erhitzen in dem Ofen veranlasst. Das Vakuum kann zum Beispiel ungefähr 100–250 Torr betragen. Zum Beispiel wird das Lösungsmittel gewöhnlich vor dem Abschluss des Aushärtens der Gelschicht entfernt. Der Vakuumofen kann in Stufen betrieben werden, wobei zum Beispiel eine Temperaturerhöhungsoperation und/oder eine Erhitzungsoperation vor dem Durchführen eines Vakuumprozesses durchgeführt wird. Ein Erhitzen ohne ein Vakuum wird gewöhnlich durchgeführt, weil der Artikel oder das Objekt an seiner Oberfläche nach der Verdampfung oder dem Vakuumziehen gewöhnlich nass oder feucht ist.
Die Diffusion und die Auflösungsrate des Lösungsmittels während der Entfernung des Lösungsmittels werden wesentlich durch das molare Volumen des Lösungsmittels beeinflusst. Der Grund hierfür ist, dass die Diffusion des Lösungsmittels in das Polymer und die Auflösungsrate auch von dem molekularen Aufbau des Polymers und den physiochemischen Eigenschaften des Lösungsmittels abhängen.
Wenn das Aushärten und/oder Verdampfen abgeschlossen sind, geht der Prozess zu Block 206, wo er beendet wird. Der Artikel wird dann aus dem Ofen, dem Vakuumofen oder einer anderen Behandlungsvorrichtung entnommen.
Wenn zum Beispiel die behandelte Oberfläche ein Nylon 12 oder Acrylnitrilbutadienstyren (ABS) ist, werden der Aushärtungsprozess und der Lösungsmittelentfernungsprozess in einem Ofen wie etwa einem gelüfteten Ofen durchgeführt. Wenn die behandelte Oberfläche zum Beispiel Ultem^® ist, werden der Aushärtungsprozess und der Lösungsmittelentfernungsprozess gewöhnlich in einem Vakuumofen durchgeführt.
Das Aushärten der Gelschicht und das Entfernen des Lösungsmittels resultieren in einem Artikel 30 mit einer umgeformten Oberfläche 32 wie in 3 gezeigt. Die umgeformte Oberfläche 32 weist eine reduzierte Oberflächenrauheit und einen anderen molekularen Aufbau auf als die Oberfläche 12 (und deren molekularer Aufbau) des Artikels 10 vor der beschriebenen Oberflächenbehandlung. Die nun umgeformte Oberfläche 32 ist glatt und weist eine Rauheit auf, die geringer als die Oberflächenrauheit des ursprünglichen Artikels 10 vor dem beschriebenen Oberflächenbehandlungsprozess ist. Der Artikel 30 weist die gleichen Dimensionen auf wie der Artikel 10 vor der beschriebenen Oberflächenbehandlung, weil nur eine Spurengröße des Oberflächenmaterials während des Polymer-Auflösungsprozesses während der anfänglichen Schritte entfernt wurde, bis der Prozess gestoppt wird. Wenn alternativ dazu mehr polymerisches Material aufgelöst wird und die Dimensionen der Artikel verändert werden, können aufgrund der Wiederholbarkeit des Prozesses diese Informationen berücksichtigt werden, wenn der Artikel entworfen und hergestellt wird, sodass die endgültigen Dimensionen nach der Oberflächenbehandlung den ursprünglichen Dimensionen des Artikels entsprechen. Der fertiggestellte Artikel kann anschließend lackiert oder beschichtet werden.
Die Polymere der polymerischen Oberflächen sind zum Beispiel Polyetherimid (PEI) ULETM^®, Acrylnitrilbutadienstyren (ABS), Polycarbonat (PC), PC-ABS, Polyamid(PA)-Nylon (einschließlich von zum Beispiel Nylon 12), Polyethylen, Polymethylmethacrylat (PMMA) und Kombinationen aus diesen. Die der Oberflächenbehandlung unterworfenen Artikel werden durch Prozesse wie etwa eine additive Prozessmodellierung, die auch als eine schnelle Prototypenerzeugung bezeichnet wird, einschließlich eines dreidimensionalen (3D) Druckens hergestellt.
BEISPIELE
BEISPIEL 1
ULTEM-Oberflächenbehandlung:
Prozessschritte:

1. Nehmen eines Artikels, der aus Ultem^® 9085 durch den additiven Herstellungsprozess FDM (Fused Deposition Molding) unter Verwendung einer Stratasys Fortus-Maschine mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit von 15 Mikrometer hergestellt wurde.
2. Reinigen der Oberfläche mit einer alkalischen Reinigungslösung.
3. Polymerauflösung/Gelschichterzeugung: Eintauchen der Artikeloberfläche in einem Lösungsmittel: 100% Lösungsmittel aus NMP in einem Bad bei 60–80°C für 3–10 Minuten oder 100% Lösungsmittel aus n,n-Dimethylethanamin in einem Bad bei 70–80°C für 3–10 Minuten
4. Aushärten und Entfernen des Lösungsmittels in einem Vakuumofen, der von 40°C zu der maximalen Betriebstemperatur (kleiner als 155°C) in ungefähr 12 Stunden wie folgt hochgefahren wird: 1. Setzen des Artikels in einen vorgeheizten Ofen bei 40–45°C. 2. Halten des Artikels in dem Ofen für wenigstens 30 Minuten. 3. Herstellen eines Vakuums von ungefähr 100–250 Torr für 30 Minuten, und Abführen des Vakuums. 4. Erhöhen der Ofentemperatur um 30–40°C mit einer Rate von 0,5°C/Minute. Wiederholen der Schritte 2–4, bis die maximale Betriebstemperatur erreicht wird. Fortfahren für 3–4 Stunden bei der maximalen Betriebstemperatur.
5. Ergebnisse: Die durchschnittliche Oberflächenrauheit des ULTEM-Artikels wurde von 15 Mikrometer zu 0,76 Mikrometer reduziert.

BEISPIEL 2
Nylon 12-Oberflächenbehandlung
Prozessschritte:

1. Nehmen eines Artikels, der aus Nylon 12 durch einen additiven EOS-Herstellungsprozess unter Verwendung einer Ausstattung (z. B. eine EOS P 395 oder EOSINT-vorrichtung) mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit von 19,7 Mikrometer hergestellt wurde.
2. Reinigen der Oberfläche mit einer alkalischen Reinigungslösung.
3. Polymerauflösung/Gelschichterzeugung: Eintauchen der Artikeloberfläche in Lösungsmitteln: Mischung aus 50% Lösungsmittel aus Essigsäure und 50% Lösungsmittel aus Ameisensäure (gemäß Volumen) in einem Bad mit 70–80°C für 3–10 Minuten
4. Aushärten und Entfernen des Lösungsmittels in einem Ofen mit einer Lüftung, der von 30°C zu 120°C–130°C mit 1°C/Minute hochgefahren wird und dann 3–4 Stunden bei 120°C–130°C betrieben wird.
5. Ergebnisse: Die durchschnittliche Oberflächenrauheit des Nylon 12-Artikels wurde von 19,7 Mikrometer zu 2,05 Mikrometer reduziert.

BEISPIEL 3
ABS-Oberflächenbehandlung
Prozessschritte:

1. Nehmen eines Artikels, der aus ABS durch einen additiven FDM-Herstellungsprozess unter Verwendung einer Stratasys-Ausstattung mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit von 15,9 Mikrometer hergestellt wurde.
2. Reinigen der Oberfläche mit einer alkalischen Reinigungslösung.
3. Polymerauflösung/Gelschichterzeugung: Eintauchen der Artikeloberfläche in 40–90% NMP, 5–30% Trichlorethan 1,1,1, und 5–20% Ethylalkohol in einem Bad mit Raumtemperatur (RT) für 1–10 Minuten oder 100% Lösungsmittel NMP in einem Bad bei RT für 1–10 Minuten.
4. Aushärten und Entfernen des Lösungsmittels in einem Ofen mit einer Lüftung, der von 30°C zu 80°C mit 0,5°C/Minute hochgefahren wird und dann 3–4 Stunden bei 80°C betrieben wird.
5. Ergebnisse: Die durchschnittliche Oberflächenrauheit des ABS-Artikels wurde von 15,9 Mikrometer zu 0,15 Mikrometer reduziert.

Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen der Verdeutlichung, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Der Fachmann kann viele Modifikationen und Variationen an den hier beschriebenen Ausführungsformen vornehmen, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Die hier verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, deren praktische Anwendung oder technischen Verbesserungen gegenüber den Techniken aus dem Stand der Technik für den Fachmann zu verdeutlichen.
In der Beschreibung sind Singular- und Pluralformen austauschbar zu verstehen, außer wenn dies durch den Kontext eingeschränkt wird. Zum Beispiel kann „eine Verbindung” oder „wenigstens eine Verbindung” auch eine Vielzahl von Verbindungen einschließlich von Mischungen derselben umfassen.
Das Wort „beispielhaft” wird hier in der Bedeutung „als ein Beispiel, eine Instanz oder eine Verdeutlichung dienend” verwendet. Eine als „beispielhaft” bezeichnete Ausführungsform ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen zu betrachten und schließt auch nicht die Integration von Merkmalen aus anderen Ausführungsformen aus.
Das Wort „optional” ist hier in der Bedeutung „in einigen Ausführungsformen vorgesehen, und in anderen Ausführungsformen nicht vorgesehen” zu verstehen. Eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung kann eine Vielzahl von „optionalen” Merkmalen enthalten, wenn derartige Merkmale nicht im Widerspruch zueinander stehen.
In der gesamten vorliegenden Anmeldung können für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung bestimmte Bereiche angegeben sein. Es ist zu beachten, dass die Angabe von Bereichen der Einfachheit halber dient und nicht als eine unflexible Einschränkung des Erfindungsumfangs zu deuten ist. Dementsprechend ist die Angabe eines Bereichs derart aufzufassen, dass alle möglichen Teilbereiche aber auch einzelne Werte innerhalb des Bereichs verwendet werden können. Zum Beispiel ist die Angabe eines Bereichs wie etwa von 1 bis 6 derart zu verstehen, dass Teilbereiche wie etwa von 1 bis 3, von 1 bis 4, von 1 bis 5, von 2 bis 4, von 2 bis 6, von 3 bis 6 usw. sowie einzelne Zahlen in diesem Bereich wie etwa 1, 2, 3, 4, 5 und 6 verwendet werden können. Dies gilt für die gesamte Breite des Bereichs.
Wenn ein Zahlenbereich angegeben wird, ist dies derart zu verstehen, dass ein beliebiger Wert (gebrochen oder ganz) innerhalb des angegebenen Bereichs verwendet werden kann. Die Formulierungen „zwischen” einer ersten angegebenen Zahl und einer zweiten angegebenen Zahl und „von/bis” einer ersten angegebenen Zahl und einer zweiten angegebenen Zahl sind austauschbar zu verstehen und umfassen jeweils die ersten und zweiten angegebenen Zahlen sowie alle gebrochenen und ganzen Zahlen zwischen den angegebenen Zahlen.
Es ist weiterhin zu beachten, dass bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Deutlichkeit halber im Kontext von verschiedenen Ausführungsformen beschrieben werden, auch in einer einzelnen Ausführungsform kombiniert verwendet werden können. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die der Einfachheit halber im Kontext einer einzelnen Ausführungsform beschrieben werden, auch separat oder in einer beliebigen Teilkombination in einer anderen beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Bestimmte im Kontext von verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale sind nicht als wesentliche Merkmale dieser Ausführungsformen zu verstehen, außer wenn die Ausführungsform ohne diese Elemente nicht funktionsfähig sein sollte.
Die Erfindung wurde anhand von spezifischen Ausführungsformen beschrieben, wobei deutlich sein sollte, dass der Fachmann viele Alternativen, Modifikationen und Variationen an diesen vornehmen kann, ohne dass deshalb der durch die beigefügten Ansprüche definierte Erfindungsumfang verlassen wird.
Alle in dieser Beschreibung genannten Veröffentlichungen, Patente und Patentanmeldungen sind als vollständig durch Bezugnahme eingeschlossen zu betrachten, ganz so, als ob diese Veröffentlichungen, Patente und Patentanmeldungen hier aufgenommen wären. Die Zitierung oder Nennung einer Referenz in dieser Anmeldung ist nicht als eine Anerkennung dieser Referenz als Stand der Technik für die vorliegende Erfindung zu verstehen. Die in der Beschreibung verwendeten Überschriften sind nicht einschränkend zu verstehen.

Claims

Verfahren zum Reduzieren der Rauheit einer polymerischen Oberfläche eines Artikels, der durch eine additive Herstellung erzeugt wird, umfassend: Auftragen eines flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen der polymerischen Oberfläche des Artikels in dem flüssigen Lösungsmittel für das Erzeugen einer Gelschicht, und Aushärten der Gelschicht, um wenigstens einen Teil der polymerischen Oberfläche durch das Vermindern der Rauheit des wenigstens einen Teils der polymerischen Oberfläche umzuformen.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: Entfernen des Lösungsmittels von dem Artikel.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aushärten das Erhitzen der Gelschicht zu wenigstens der Glasübergangstemperatur des Polymers der polymerischen Oberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auftragen des flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen das Eintauchen des Artikels in einem Bad für das Erzeugen der Gelschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auftragen des flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen das Eintauchen des Artikels in einem Fluss des flüssigen Lösungsmittels für das Erzeugen der Gelschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, 4 oder 5, wobei die Gelschicht eine Dicke in der gleichen Größenordnung wie die Rauheit der polymerischen Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Dicke der Gelschicht ungefähr 0,3 bis 3 mal so groß wie die durchschnittliche Rauheit (Ra) der polymerischen Oberfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Entfernen des Lösungsmittels das Entfernen des im Wesentlichen ganzen Lösungsmittels von dem Artikel vor dem Abschluss des Aushärtens der Gelschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Entfernen des Lösungsmittels durch einen Prozess bewerkstelligt wird, der ein Erhitzen und/oder ein Vakuumziehen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die polymerische Oberfläche aus der Gruppe von Polymeren ausgewählt ist, die Polyetherimid (PEI), ULTEM^®, Acrylnitrilbutadienstyren (ABS), Polycarbonat (PC), PC-ABS, Polyamid (PA), Nylon, Polyethylen und Polymethylmethacrylat (PMMA) umfasst.
Artikel, der wenigstens einen Teil mit einer polymerischen Oberfläche enthält, die durch einen Prozess ausgebildet wird, der umfasst: Erhalten eines Artikels mit einer polymerischen Oberfläche, die wenigstens einen Teil der Oberfläche des Artikels definiert, Auftragen eines flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen der polymerischen Oberfläche des Artikels in den flüssigen Lösungsmittel für das Erzeugen einer Gelschicht, und Aushärten der Gelschicht, um wenigstens einen Teil der polymerischen Oberfläche durch das Vermindern der Rauheit des wenigstens einen Teils der polymerischen Oberfläche umzuformen.
Artikel nach Anspruch 11, wobei der Prozess außerdem umfasst: Entfernen des Lösungsmittels von dem Artikel.
Artikel nach Anspruch 11, wobei das Aushärten das Erhitzen der Gelschicht zu wenigstens der Glasübergangstemperatur des Polymers der polymerischen Oberfläche umfasst.
Artikel nach Anspruch 11, wobei das Auftragen des flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen das Eintauchen des Artikels in einem Bad für das Erzeugen der Gelschicht umfasst.
Artikel nach Anspruch 1, wobei das Auftragen des flüssigen Lösungsmittels durch Eintauchen das Eintauchen des Artikels in einem Fluss des flüssigen Lösungsmittels für das Erzeugen der Gelschicht umfasst.
Artikel nach einem der Ansprüche 11, 14 oder 15, wobei die Gelschicht eine Dicke in der gleichen Größenordnung wie die Rauheit der polymerischen Oberfläche aufweist.
Artikel nach Anspruch 16, wobei die Dicke der Gelschicht ungefähr 0,3 bis 3 mal so groß wie die durchschnittliche Rauheit (Ra) der polymerischen Oberfläche ist.
Artikel nach Anspruch 12, wobei das Entfernen des Lösungsmittels das Entfernen des im Wesentlichen ganzen Lösungsmittels von dem Artikel vor dem Abschluss des Aushärtens der Gelschicht umfasst.
Artikel nach Anspruch 18, wobei das Entfernen des Lösungsmittels durch einen Prozess bewerkstelligt wird, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die umfasst: ein Erhitzen und ein Vakuumziehen.
Artikel nach Anspruch 11, wobei die polymerische Oberfläche aus der Gruppe von Polymeren ausgewählt ist, die Polyetherimid (PEI), ULTEM^®, Acrylnitrilbutadienstyren (ABS), Polycarbonat (PC), PC-ABS, Polyamid (PA), Nylon, Polyethylen und Polymethylmethacrylat (PMMA) umfasst.
Artikel, der durch einen additiven Herstellungsprozess mit einer Oberfläche mit einer ersten Rauheit hergestellt wird, wobei der Artikel eine Oberfläche mit einer zweiten Rauheit, die kleiner als die erste Rauheit ist, aufweist und wobei die Oberfläche mit der zweiten Rauheit aus einer ausgehärteten Gelschicht umgeformt wurde, die einen anderen molekularen Aufbau aufweist als der Aufbau des durch den additiven Herstellungsprozess hergestellten Artikels.
Artikel nach Anspruch 21, wobei die Dicke der umgeformten Oberflächenschicht in der gleichen Größenordnung wie die Rauheit der Oberfläche des durch den additiven Herstellungsprozess hergestellten Artikels vor dem Umformen der Oberfläche liegt.
Artikel nach Anspruch 22, wobei der Artikel aus einem Material besteht, das aus der Gruppe von Polymeren ausgewählt ist, die Polyetherimid (PEI), ULTEM^®, Acrylnitrilbutadienstyren (ABS), Polycarbonat (PC), PC-ABS, Polyamid (PA), Nylon, Polyethylen und Polymethylmethacrylat (PMMA) umfasst.