DE112018001072T5

DE112018001072T5 - Stabilisierte additive herstellungsartikel

Info

Publication number: DE112018001072T5
Application number: DE112018001072.4T
Authority: DE
Inventors: Emily Ann Ryan; Mark Edward Nichols; Ellen Cheng-chi Lee; Christopher Michael Seubert; Deborah Frances Mielewski; Nicholas Ryan Gunther; Matthew Linden Bedell
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2019-11-21
Also published as: US20210087357A1; US11542384B2; WO2018182821A1; CN110520232A

Abstract

Ein Verfahren zur Stabilisierung eines additiven Artikels beinhaltet vor der Polymerisation Zugeben einer strahlungsaktivierten stabilisierenden Zusammensetzung zu einem flüssigen Harz, schichtweises Bilden des Artikels aus dem flüssigen Harz unter Verwendung von Strahlung, sodass die stabilisierende Zusammensetzung nicht das flüssige Harz, sondern den gebildeten Artikel stabilisiert, und Neutralisieren freier Radikale, die während eines Abbauprozesses erzeugt werden, der durch Aussetzen des Artikels gegenüber zusätzlicher Strahlung nach dem Härten ausgelöst wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anwendung beansprucht den Nutzen der vorläufigen Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/477.799, eingereicht am 28. März 2017, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in diese Schrift aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung betrifft das Bilden von stabilisierten Artikeln, die durch additive Herstellungsverfahren, wie etwa UV-gehärtete additive Herstellungsverfahren, gebildet werden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die additive Fertigung wird immer kostengünstiger und kann immer mehr Artikel produzieren, einschließlich Komponenten, die möglicherweise in der Kraftfahrzeugindustrie eingesetzt werden könnten. Die additiven Herstellungsverfahren erfordern jedoch Verbesserungen in Bezug auf mechanische Eigenschaften, Witterungseinflüsse und/oder Haltbarkeit der gebildeten Artikel.
KURZDARSTELLUNG
Ein Verfahren beinhaltet Mischen einer stabilisierenden Zusammensetzung mit einem Monomerbad, um ein Gemisch zu bilden, wobei die Zusammensetzung einen oder mehrere Lichtstabilisatoren mit gehindertem Amin beinhaltet, und Bilden eines 3D-Artikels aus der Mischung durch einen additiven Herstellungsprozess, sodass das eine oder die mehreren Lichtschutzmittel mit gehindertem Amin bis nach der Bildung des 3D-Artikels inaktiv bleiben.
In mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Stabilisieren eines additiv hergestellten Artikels offenbart. Das Verfahren beinhaltet vor der Polymerisation Zugeben einer strahlungsaktivierten stabilisierenden Zusammensetzung zu einem flüssigen Harz. Das Verfahren umfasst ferner das schichtweise Bilden des Artikels aus dem flüssigen Harz unter Verwendung von Strahlung, sodass die stabilisierende Zusammensetzung nicht das flüssige Harz, sondern den gebildeten Artikel stabilisiert. Das Verfahren umfasst zudem Neutralisieren freier Radikale, die während eines Abbauprozesses erzeugt werden, der durch Aussetzen des Artikels gegenüber zusätzlicher Strahlung nach dem Härten ausgelöst wird. Bei der zusätzlichen Strahlung handelt es sich um eine größere Strahlungsmenge als eine für die anfängliche Polymerisation und die Härtung des Artikels benötigte Strahlungsmenge. Die stabilisierende Zusammensetzung kann eine oder mehrere langsam wirkende Verbindungen beinhalten, welche die Aktivität freier Radikale vor oder während der Polymerisation und der Härtung nicht aktiv hemmen. Die eine oder die mehreren langsam wirkenden Verbindungen bleiben nach der Bildung des Artikels mindestens einige Wochen in ihrem nicht umgesetzten Zustand. Die eine oder die mehreren langsam wirkenden Verbindungen absorbieren UV-Licht nicht direkt bei einer Wellenlänge der Polymerisation, der Härtung oder beiden. Die stabilisierende Zusammensetzung kann Lichtstabilisatoren mit gehindertem Amin (hindered amine light stabilizers - HALS) beinhalten. Die HALS können eine oder mehrere Verbindungen aus einer Klasse von Tetramethylpiperidinderivaten beinhalten. Das Bilden kann UV-Härten, thermisches Härten oder beides beinhalten.
In einer alternativen Ausführungsform wird ein flüssiges Harz zum additiven Herstellen eines Artikels offenbart. Das flüssige Harz beinhaltet (A) (einen) Lichtstabilisator(en) basierend auf einem oder mehreren Lichtstabilisatoren mit gehindertem Amin (HALS), (B) (einen) Reaktivverdünner und/oder (C) (ein) Lösungsmittel, (D) (einen) Photoinitiator(en) und optionale (E) Antioxidans-/Antioxidantien-, (F) UV-Lichtschutzmittelkomponenten, wobei das flüssige Harz durch Strahlung polymerisiert werden soll und (A) während der Polymerisation und der Härtung des Artikels in einem nicht umgesetzten Zustand verbleibt. Die Komponente (A) kann einen oder mehrere HALS aus einer Klasse von Tetramethylpiperidinderivaten beinhalten. Die Komponente (A) kann 2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidinol beinhalten. Die Zusammensetzung kann 0,1 bis 5 Gew.-% der Komponente (A) beinhalten, basierend auf dem Gesamtgewicht des flüssigen Harzes. Die Strahlung kann UV-Licht sein.
In einer alternativen Ausführungsform wird ein Kraftfahrzeugartikel offenbart. Der Artikel beinhaltet geschichtete Schichten, welche die Kraftfahrzeugkomponente definieren, die langsam wirkende Verbindungen umfasst, welche dazu konfiguriert sind, freie Radikale zu neutralisieren, die während eines Abbauprozesses erzeugt werden, der durch das Aussetzen des Artikels gegenüber Strahlung nach der Herstellung ausgelöst wird, sodass die langsam wirkenden Verbindungen in die geschichteten Schichten im gesamten Artikel eingearbeitet sind. Der Artikel kann in einen Innenraum einer Fahrzeugkabine eingebaut werden. Die Strahlung kann UV-Strahlung, Wärmestrahlung oder beides sein. „Nach der Herstellung“ kann einen Zeitraum nach der Polymerisation eines zur Bildung des Artikels verwendeten flüssigen Harzes, dem Härten des Artikels oder nach beiden beinhalten. Die langsam wirkenden Verbindungen können in einen Kern des Artikels eingearbeitet werden. Der Artikel kann ein stabilisierter Artikel sein, der einem Außenbewitterungstestverfahren ASTM D7869, Beständigkeit gegen Innenbewitterung ISO 105 A-02, SAE J2412, Verschmutzung und Reinigungsfähigkeit ISO 105-A03, Beschlag SAE J1756, Entflammbarkeit ISO 3795 oder einer Kombination daraus entspricht. Bei dem Artikel kann es sich um eine Konsole in einem Kraftfahrzeuginnenraum handeln.
Figurenliste

1 und 2 sind Fotografien von vier Sätzen von Polyurethan(PU)-Proben, von denen einige einem beschleunigten Außenwitterungszyklus des Kraftfahrzeugs ausgesetzt waren, der 1 Jahr Exposition in Florida entsprach;
3 bildet ein nicht einschränkendes schematisches Beispiel für ein additives Herstellungssystem für Stereolithographie (SLA) ab;
4 bildet ein nicht einschränkendes schematisches Beispiel für ein additives Herstellungssystem für digitale Lichtverarbeitung (digital light processing - DLP) ab;
5 zeigt ein nicht einschränkendes Beispiel für einen Kraftfahrzeuginnenraum mit mindestens einigen der Teile, die gemäß den offenbarten Verfahren und Materialien gebildet sein können.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden in dieser Schrift beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können stark vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sollen in dieser Schrift offenbarte konkrete strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern lediglich als repräsentative Grundlage der Lehre für den Fachmann, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise einzusetzen. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen zu produzieren, welche nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Abmessungen oder Materialeigenschaften angeben, bei der Beschreibung des breitesten Umfangs der vorliegenden Offenbarung als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen.
Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen dieser Abkürzung in dieser Schrift und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, die vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde.
Es wird detailliert auf Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren dieser Erfindung, die den Erfindern bekannt sind, Bezug genommen. Allerdings versteht sich, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die vorliegende Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Daher sollen in dieser Schrift offenbarte offenbarte konkrete Details nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern vielmehr lediglich als repräsentative Grundlagen der Lehre für den Fachmann, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise einzusetzen.
Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet impliziert, dass Gemische aus beliebigen zwei oder mehreren der Elemente der Gruppe oder Klasse geeignet sind. Die Beschreibung von Bestandteilen mit chemischen Fachbegriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu einer beliebigen in der Beschreibung konkretisierten Kombination und schließt nicht zwingend chemische Interaktionen zwischen Bestandteilen des Gemisches nach deren Vermischung aus. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen dieser Abkürzung in dieser Schrift und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, die vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde.
Additive Herstellungsprozesse betreffen Technologien, die 3D-Objekte durch Hinzufügen von Materialschichten aufbauen. Bei dem Material kann es sich um Kunststoff, Metall, Beton oder dergleichen handeln. Die additive Herstellung beinhaltet eine Reihe von Technologien, wie etwa 3D-Druck, Rapid Prototyping, Direkthestellung, Schichtherstellung, additive Fertigung, Büttenphotopolymerisation einschließlich Stereolithographie (SLA) und digitaler Lichtverarbeitung (DLP), Materialaufspritzung, Bindemittelaufspritzung, Materialextrusion. Pulverbettschmelzen, Folienlaminierung, gerichtete Energieabscheidung und dergleichen. Alle additiven Herstellungstechnologien arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip. Die additive Herstellung nutzt einen Computer, eine 3D-Modellierungssoftware (Computer Aided Design oder CAD), eine Maschine, die in der Lage ist, Material aufzutragen, um einen Schichtartikel zu erzeugen, und das Schichtmaterial. Ein virtueller Entwurf des Objekts wird in einer CAD-Datei unter Verwendung eines 3D-Modellierungsprogramms oder unter Verwendung eines 3D-Scanners erstellt, der eine digitale 3D-Kopie des gewünschten Objekts erstellt. Die digitale Datei kann in Scheiben geschnitten werden, wobei jede Scheibe Daten enthält, sodass das Objekt Schicht für Schicht gebildet werden kann. Die Maschine, die das Schichtmaterial aufbringt, liest jede Schicht, fügt aufeinanderfolgende Schichten des Schichtmaterials in flüssigem, pulverförmigem oder blattförmigem Format hinzu und bildet das Objekt, während jede Schicht mit der nächsten Schicht derart verbunden wird, dass kaum sichtbare Anzeichen von diskret aufgebrachten Schichten erkennbar sind. Die Schichten bilden das dreidimensionale feste Objekt. Das additiv hergestellte Objekt muss möglicherweise einem oder mehreren Nachbearbeitungsschritten unterzogen werden, um das endgültige 3D-Objekt zu erhalten.
Frühe additive Herstellung konzentrierte sich auf Visualisierungsmodelle vor der Produktion, die Fertigung von Prototypen und dergleichen. Die Qualität der gefertigten Artikel bestimmt deren Verwendung und umgekehrt. Die durch additive Herstellung gebildeten frühen Artikel waren im Allgemeinen nicht dafür ausgelegt, einer langfristigen Verwendung standzuhalten. Die Ausrüstung für die additive Herstellung war zudem teuer, und die Geschwindigkeit war ein Hindernis für eine weit verbreitete Verwendung der additiven Herstellung für Massenanwendungen. In letzter Zeit sind additive Herstellungsprozesse jedoch schneller und kostengünstiger geworden. Während sich die additiven Herstellungstechnologien hinsichtlich der Qualität der erzeugten Artikel verbessert haben, steht die Technologie in diesem Bereich immer noch vor Hindernissen. Somit bietet die additive Herstellung eine bedeutende Chance für die Herstellung kostengünstiger Prototypen oder anderer Teile, die hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften nicht streng reguliert sind. Kraftfahrzeugkomponenten unterliegen jedoch strengen Anforderungen, welche die mit aktuellen additiven Herstellungsverfahren und Materialien gebildeten Artikel möglicherweise nicht erfüllen.
Zum Beispiel nutzt eine Gruppe von durch additive Herstellung gebildeten Artikeln die Chemie freier Radikale, um das flüssige Harz in ein festes Polymer in Form des Artikels umzuwandeln. Flüssiges Harz und Monomerbad werden in der Offenbarung austauschbar verwendet. Bei der radikalischen Polymerisation handelt es sich um ein Polymerisationsverfahren, bei dem sich ein Polymer durch sukzessive Addition von Monomereinheiten aus dem Monomerbad an eine Radikalkette bildet. Freie Radikale können über eine Reihe unterschiedlicher Mechanismen gebildet werden, an denen normalerweise separate Initiatormoleküle beteiligt sind. Nach seiner Erzeugung addiert das initiierende freie Radikal nichtradikale Monomereinheiten, wodurch die Polymerkette wächst. Die radikalische Polymerisation ist ein wichtiger Syntheseweg, um eine große Vielfalt an verschiedenen Polymeren und Materialverbunden zu erlangen. Zur Initiierung der Polymerisation werden Radikale gebildet. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem der Initiator erhitzt wird, bis eine Bindung homolytisch gespalten ist. Alternativ dazu kann UV-Strahlung verwendet werden, um eine Bindung zu spalten, wodurch freie Radikale produziert werden.
Dennoch können die Polymerisationsreaktionen und chemischen Änderungen des Polymers nach der Produktion anhalten, da der Artikel weiterhin reaktive Komponenten enthalten kann, die zur Vernetzung in der Lage sind, oder das Polymer selbst ist möglicherweise gegenüber Umgebungsbedingungen nicht stabil. Die reaktiven Komponenten können beispielsweise reaktive Verdünnungsmittel, Photoinitiatoren oder dergleichen beinhalten. Zusätzlich können die Komponenten, die den Artikel bilden, weiterhin entweder sich vernetzen oder sich zersetzen, wenn sie Strahlung, wie etwa UV-Licht, LED-Licht, Tageslicht, erhöhten Temperaturen, Feuchtigkeit oder einer Kombination daraus ausgesetzt werden. Infolge dieses photochemischen Abbaus, dieser photochemischen Oxidation, dieser thermochemischen Oxidation oder einer Kombination daraus kann der Artikel sich zersetzen, verspröden, schrumpfen, sich verziehen, sich verfärben, beschleunigt verwittern oder eine Kombination daraus. Infolgedessen bestehen derartige Artikel möglicherweise nicht die für langlebige Artikel erforderlichen Standardprüfungen auf Hitze/Feuchtigkeit oder UV-Bestrahlung und/oder andere Standards, da die Chemie der freien Radikale und andere Abbauprozesse innerhalb des Artikels vor, während und/oder nach den Tests weiterhin stattfinden.

Beispiele für Bewitterungseffekte durch UV-Bestrahlung werden an Beispielen für Polyurethan (PU) gezeigt, die in den 1 und 2 abgebildet sind. 1 zeigt zwei Sätze von Proben, die durch additive Herstellung aus starrem PU gefertigt wurden, mit Proben 1-7 in Reihe A und Proben 1-7 in Reihe B. Die Proben in Reihe A wurden nach der Produktion keiner beschleunigten Bewitterungsumgebung ausgesetzt. Die Proben in Reihe B wurden 750 Stunden lang einem beschleunigten Außenbewitterungszyklus für Kraftfahrzeuge ausgesetzt, der einer Exposition von 1,0 Jahren in Florida nach der Produktion entsprach. In ähnlicher Weise zeigt 2 zwei Sätze von Proben, die durch additive Herstellung aus flexiblem PU gefertigt wurden, mit Proben 1-7 in Reihe C und Proben 1-7 in Reihe D. Die Proben in Reihe C wurden nach der Produktion keiner beschleunigten Bewitterungsumgebung ausgesetzt. Die Proben in Reihe D wurden nach der Produktion 750 Stunden lang einem beschleunigten Außenbewitterungszyklus für Kraftfahrzeuge ausgesetzt. Alle Proben in den Reihen B und D, die einer beschleunigten Bewitterungsumgebung ausgesetzt waren, zeigten im Vergleich zu Proben in den Reihen A und C, die keinem UV-Licht ausgesetzt waren, eine starke Abnahme der mechanischen Eigenschaften, Verfärbung und Verformung (Probe 4, Reihe B). Der Test wurde gemäß einem Bewitterungstestverfahren ASTM D7869 durchgeführt. Die nachstehende Tabelle 1 veranschaulicht die Abnahme der mechanischen Eigenschaften der PU-Proben nach der Exposition gegenüber UV-Licht. Tabelle 1

Probe	Material	Expositions niveau [Std.]	Youngs cher Modul [MPa]	Last beim Nachge ben [MPa]	Dehnung beim Nachgeben [%]	Dehnung beim Bruch [%]	Bruchl ast [MPa]	Farbe/ Lichtdurchlässigkeit
Proben 1-7, Reihe A	Starres PU	0	1670	40-43	4-5	50	30	Schwarz, nicht lichtdurchlässig
Proben 1-7, Reihe A	Starres PU	750	1670	19-21	1-2	1-2	20	Schwarz, nicht lichtdurchlässig
Proben 1-7, Reihe A	Flexibles PU	0	-	15-20	8-10	200	20	Hellblau, gute Lichtdurchlässigkeit
Proben 1-7, Reihe A	Flexibles PU	750	-	16-18	4	6-10	18	Gelbgrün, beeinträchtigte Lichtdurchlässigkeit

Es wäre jedoch attraktiv, die jetzt erschwingliche additive Herstellung zu nutzen, um Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere kundenspezifische Teile, und Teile mit hochkomplexen Geometrien zu produzieren, deren Herstellung mit alternativen Techniken schwierig oder kostspielig sein kann. Es wäre daher wünschenswert, Artikel bereitzustellen, die durch additive Herstellungsverfahren hergestellt werden, welche die strengen Standards der Kraftfahrzeugindustrie in Bezug auf die Qualität, Haltbarkeit, Umweltsicherheit, Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Druck und/oder andere physikalische Anforderungen betreffs chemischer, mechanischer und/oder optischer Eigenschaften der Komponenten erfüllen würden.
Eine Reihe von Lösungen für das vorstehend angeführte Problem wurde für Polymerartikel vorgeschlagen, die durch herkömmliche Verfahren produziert wurden, die keine additive Herstellung beinhalten. Die meisten vorgeschlagenen Verfahren eignen sich nicht für die additive Herstellung. Zum Beispiel werden 3D-gedruckte Artikel typischerweise grundiert und mit UV-stabilen Zusammensetzungen, wie etwa Farben, beschichtet. Eine derartige Lösung ist jedoch kostspielig, zeitaufwändig und kann schwierig bei Artikeln mit komplexen Formen bereitzustellen sein, die durch additive Herstellungsverfahren, insbesondere SLA- und DLP-Techniken, produziert werden können. Darüber hinaus kann die Verwendung der Beschichtungen ein Umweltproblem darstellen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Stabilisieren der Eigenschaften eines durch additive Herstellung gebildeten Artikels offenbart. Das Verfahren kann auf einen beliebigen Artikel anwendbar sein, der durch ein beliebiges Verfahren der additiven Herstellung unter Nutzung der Chemie freier Radikale zur Initiierung der Polymerisation, der kationischen Polymerisation, die durch UV-Strahlung initiiert werden kann, der Kondensationspolymerisation, die durch photolatente Basen oder Säuren initiiert wird, und dergleichen gebildet wird. Anders ausgedrückt betrifft das in dieser Schrift beschriebene Verfahren einen Artikel, der durch ein beliebiges Verfahren zur additiven Herstellung unter Nutzung von Strahlung, Photoinitiierung, thermischer Initiierung, Photohärtung, thermischer Härtung oder einer Kombination daraus gebildet wird. Somit wird jedes additive Verfahren unter Nutzung von Strahlung in Betracht gezogen. Die Strahlung kann UV-Strahlung, sichtbare Lichtstrahlung oder Infrarotstrahlung sein.
Eine beispielhafte additive Herstellungstechnologie unter Nutzung von Strahlung ist laserbasiertes SLA oder DLP. Nicht einschränkende Beispiele für SLA- und DLP-Systeme sind jeweils in den 3 und 4 schematisch dargestellt. Sowohl SLA als auch DLP verwenden Licht, um ein flüssiges Harz schichtweise in einen festen Artikel zu verwandeln. UV-Licht nutzte es, um die Polymerisation zu bewirken. SLA verwendet zwei Motoren, die als Galvanometer oder Galvos bekannt sind (einer auf der X-Achse und einer auf der Y-Achse), um einen Laserstrahl rasch über den Druckbereich zu richten, wobei das Harz während des Fortschreitens verfestigt wird. Dieser Prozess zerlegt das Design Schicht für Schicht in eine Reihe von Punkten und Linien, die den Galvos als Satz von Koordinaten zugewiesen werden.
Wie 3 zeigt, stellt eine UV-Laserquelle 10 einen Laserstrahl 12 bereit, der an einem Spiegel 14 in Richtung der Plattform 16 reflektiert wird, auf welcher der feste Artikel 18 Schicht für Schicht aus dem flüssigen Harz 20 gebildet wird. Der Pfeil zeigt die Richtung, in die der Artikel 18 aufgebaut wird. Bei der Form des abgebildeten Artikels sowohl in 3 als auch in 4 handelt es sich nur um ein nicht einschränkendes Beispiel.
Im Gegensatz dazu verwendet DLP eine digitale Projektionsleinwand, um ein einzelnes Bild jeder Schicht gleichzeitig auf die gesamte Plattform zu projizieren. Da der Projektor eine digitale Leinwand ist, besteht das Bild jeder Schicht aus quadratischen Pixeln, was zu einer Schicht führt, die aus kleinen rechteckigen Steinen, sogenannten Voxeln, gebildet wird. Im Vergleich zu SLA kann DLP für einige Teile schnellere Druckzeiten erzielen, da jede ganze Schicht auf einmal belichtet wird, anstatt mit einem Laser herausgezogen zu werden. Da die DLP-Auflösung vom Projektor abhängt und das Bauvolumen eines SLA-Druckers in gewissem Maße von der Auflösung des Drucks unabhängig ist, hängt die Auswahl einer bestimmten additiven Herstellungstechnologie von der Komplexität, der Größe und der Anzahl der herzustellenden Komponenten ab.
4 zeigt schematisch ein DLP-System, bei dem die UV-Lichtquelle 22 ein einzelnes Bild jeder Schicht als das projizierte Bild 24 über die Bauplattform 16 projiziert, auf welcher der feste Artikel 18 Schicht für Schicht aus dem flüssigen Harz 20 gebildet wird. Der Pfeil zeigt die Richtung, in die der Artikel 18 aufgebaut wird.
Während SLA und DLP erwähnt werden, sind die beiden genannten Technologien nur beispielhafte Technologien und die in dieser Schrift beschriebenen Verfahren können ebenfalls bei anderen additiven Herstellungstechniken anwendbar sein. Nach der Polymerisation kann der gebildete Artikel einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, um die Vernetzung fortzusetzen oder zu beschleunigen. Während SLA und DLP erwähnt werden, werden andere additive Herstellungsverfahren in Betracht gezogen.
Das Stabilisieren betrifft das Einstellen, Modifizieren, Verbessern, Verändern, Sichern, Beibehalten, Erhalten, Ausgleichen oder Ändern einer oder mehrerer Eigenschaften des durch additive Herstellung gebildeten Artikels, sodass der gebildete Artikel nach der Herstellung vorgegebenen Standards entspricht. Der stabilisierte Artikel entspricht den Prüfverfahren für Kraftfahrzeuge, wie etwa ASTM D7869 für ein Außenbewitterungstestverfahren, Beständigkeit gegenüber Innenbewitterung ISO 105 A-02, SAE J2412, Verschmutzung und Reinigungsfähigkeit ISO 105-A03, Beschlag SAE J1756, Entflammbarkeit ISO 3795, und/oder anderen Tests, wie etwa Schlagfestigkeit bei Raumtemperatur, Kratzfestigkeit, Geruchsprüfung, Spannungsrissbildung.
Der stabilisierte Artikel kann nach der Herstellung mehrere Stunden, Tage, Wochen, Monate, Jahre oder Jahrzehnte lang den Standards entsprechen. Die verschlechterte Eigenschaft kann physikalische, chemische, optische und/oder mechanische Eigenschaften betreffen. Die Eigenschaften können Dimensionsstabilität, Funktionalität, Haltbarkeit, Verschleißfestigkeit, Verblassungsbeständigkeit, chemische Beständigkeit, Wasserbeständigkeit, UV-Beständigkeit, Wärmebeständigkeit, Gedächtniserhaltung, gewünschter Glanz, Farbe, mechanische Eigenschaften, wie etwa Zähigkeit, Festigkeit, Flexibilität, Ausdehnung oder dergleichen, oder eine Kombination daraus beinhalten.
Der Artikel kann ein beliebiger Artikel sein, der in der Kraftfahrzeugindustrie genutzt wird und durch additive Herstellung produziert werden kann. Der Artikel kann eine beliebige geeignete Komponente in einem beliebigen Fahrzeug sein. Nicht einschränkende beispielhafte Fahrzeugarten beinhalten Landfahrzeuge, wie etwa Kraftfahrzeuge, Busse, Fahrzeuge für den Warentransport, Motorräder, Geländewagen, Kettenfahrzeuge, Züge, Amphibienfahrzeuge, Flugzeuge, Raumfahrzeuge, Wasserfahrzeuge oder dergleichen. Bei der geeigneten Komponente kann es sich um eine Innenverkleidung, (einen) Griff(e), einen Knopf/Knöpfe, (eine) Halterung(en), (eine) Konsolenkomponente(n), (einen) Getränkehalter, (eine) Dichtung(en), (einen) elektrische(n) Verbinder und dergleichen handeln. Die geeignete Komponente kann auch ein unlackierter Außenartikel, wie etwa eine Außenverkleidung, oder eine dekorative oder personalisierte Designkomponente sein. Ein nicht einschränkendes Beispiel eines Kraftfahrzeuginnenraums mit mindestens einigen der durch die offenbarten Verfahren produzierten Komponenten 30 ist in 5 abgebildet. Zum Beispiel zeigt 5 eine Konsole 32, einen Getränkehalter 34 und andere feinere Komponenten 36, die durch die in dieser Schrift beschriebenen Verfahren und Materialien produziert werden können.
Der Artikel kann aus einem beliebigen Material gefertigt sein, das durch additive Herstellung zu einem 3D-Artkiel gebildet werden kann, bei dem die Polymerisation durch Strahlung, wie etwa Wärme-, UV- oder LED-Strahlung, ausgelöst wird. Das Material kann ein Kunststoffmaterial, wie etwa ein Duroplast oder ein Thermoplast, beinhalten. Das Material kann Polyurethan, Polyacrylat, Polyacetat, Polystyrol, Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyester, Silikon, Kautschuk, Polymere auf biologischer Basis, die mindestens eine Komponente auf biologischer Basis enthält, wie etwa epoxidiertes pflanzliches Öl, Samenöl oder tierisches Fettöl usw., beinhalten. Der Artikel kann aus einer Art von Material oder einem Materialgemisch gefertigt sein.
Das Verfahren beinhaltet Stabilisieren des zu bildenden Artikels durch Einstellen der chemischen Zusammensetzung des zur Herstellung des Artikels verwendeten Monomerbades oder Harzes. Das Harz kann Monomere, Oligomere, Polymere oder eine Kombination daraus enthalten. Das Stabilisieren kann Einstellen der Chemie des Monomerbades oder -harzes durch Zugabe einer stabilisierenden Zusammensetzung oder von (einem) Stabilisatoradditiv(en) zu dem Monomerbad oder -harz vor der Polymerisation beinhalten. Die stabilisierende Zusammensetzung stabilisiert nicht das Monomerbad oder das flüssige Harz, sondern den aus dem flüssigen Harz gebildeten Artikel. Die stabilisierende Zusammensetzung und/oder ihre Derivate neutralisieren freie Radikale, die während eines Abbauprozesses erzeugt werden, der durch Exposition des Artikels gegenüber Strahlung nach der Herstellung ausgelöst wird. Während die stabilisierende Zusammensetzung dem Monomerbad vor der Bildung des Artikels zugegeben wird, beginnt die Zusammensetzung somit erst dann, ihre neutralisierende Funktion zu erfüllen, wenn der Artikel über einen längeren Zeitraum hinweg übermäßiger Strahlung ausgesetzt wird, d. h., bis der Abbauprozess nach dem Härten einsetzt. Bei der übermäßigen Strahlung handelt es sich um eine größere Strahlungsmenge als die für die Polymerisation und die Härtung des Artikels benötigte Strahlungsmenge. Die Strahlung kann Sonnenstrahlung sein. Ein längerer Zeitraum betrifft eine oder mehrere Stunden, Tage, Wochen, Monate oder länger. Die Auswahl der einzelnen Komponenten der stabilisierenden Zusammensetzung richtet sich somit auf langsam wirkende Verbindungen, welche die Aktivität freier Radikale vor oder während der Polymerisation und der Härtung nicht aktiv hemmen. Eine langsam wirkende Verbindung kann einige Minuten, Stunden, Tage, Wochen oder Monate lang in ihrem nicht umgesetzten oder inaktiven Zustand verbleiben, nachdem sie der Zusammensetzung und/oder dem Monomerbad zugegeben wurde, und/oder nachdem der Artikel gebildet wurde.
Die Menge der dem Monomerbad zuzugebenden stabilisierenden Zusammensetzung hängt von den Abmessungen des zu bildenden Artikels, seinem Verwendungszweck, den Umgebungsbedingungen, denen der Artikel ausgesetzt sein soll, dem geografischen Ort, an dem der Artikel verwendet werden kann, der Wirksamkeit der stabilisierenden Zusammensetzung und ihrer Komponenten, den Löslichkeitsgrenzen oder einer Kombination daraus ab. Wenn der Artikel zum Beispiel häufig Strahlung ausgesetzt werden soll, kann die Menge der stabilisierenden Zusammensetzung höher sein, als wenn der Gegenstand in einen Teil eines Fahrzeugs eingebaut werden soll, der nicht häufig Strahlung ausgesetzt sein wird.
Die stabilisierende Zusammensetzung kann eine oder mehrere Komponenten beinhalten. Die Komponenten können in Form eines Pulvers, einer Flüssigkeit oder beidem fest sein. Die Komponenten können dem Monomerbad oder dem flüssigen Harz in Form eines Pulvers oder einer Flüssigkeit zugegeben werden. Alternativ dazu können eine oder mehrere Komponenten der stabilisierenden Zusammensetzung gelöst und dem Bad oder dem flüssigen Harz in flüssiger Form zugegeben werden. Die Komponenten sollten mit dem Monomerbad oder dem flüssigen Harz mischbar sein, sodass die Komponenten der stabilisierenden Zusammensetzung dem Monomerbad oder dem flüssigen Harz wirksam zugegeben werden können, mit dem Monomerbad oder dem flüssigen Harz homogenisiert werden können oder beides.
Die Komponenten sind vor der Polymerisation, während der Polymerisation und während der Aussetzung gegenüber den thermischen Härtungstemperaturen stabil, sodass die Komponenten die Härtung nicht negativ beeinflussen. Die Komponenten dürfen das Härten in keiner Weise beeinträchtigen. Zum Beispiel sollten die Komponenten so gewählt werden, dass die Komponenten die bei der Polymerisation und/oder der Härtung genutzte UV-Strahlung nicht abschirmen. Wenn die Komponenten mindestens einen Teil des UV-Lichts abschirmten, könnte sich die Länge des additiven Herstellungsprozesses aufgrund einer langsameren Härtung, eines längeren Druckvorgangs oder anderer Druckbarkeitsprobleme verlängern. Eine korrekte Auswahl der Komponenten, wie etwa HALS und/oder UVA-Schutzmittel, wie nachstehend beschrieben, beinhaltet daher die Wahl der Komponenten, die UV-Licht nicht direkt bei der Wellenlänge der Polymerisation und/oder der Härtung absorbieren. Eine derartige Wahl führt zu einem Schutz vor anderen (nichthärtenden) UV-Wellenlängen während des Testens und der Verwendung des Artikels, während der additive Herstellungsprozess ungehindert bleibt. Alternativ oder zusätzlich dazu können die ausgewählten Verbindungen UV-Licht bei der Wellenlänge der Polymerisation und/oder der Härtung absorbieren, aber die Verbindungen beeinflussen die Polymerisation und/oder die Härtung nicht, da die Verbindungen in einem viel längeren Zeitmaßstab wirken und somit während der Polymerisation und/oder der Härtung inaktiv bleiben. Die gewählten Verbindungen können somit UV-Licht in den Wellenlängen von etwa 10 bis 400 nm, 100 bis 400 nm oder 295 bis 400 nm absorbieren.
Darüber hinaus sollten die Komponenten so gewählt werden, dass die Komponenten untereinander und mit dem Monomerbad keine oder nur eine minimale Kreuzreaktivität aufweisen. Konkrete Komponenten werden zudem basierend auf der Löslichkeit im Monomerbad, den Absorptionsspektren und anderen Bedingungen gewählt. Die Zusammensetzung sollte die Eigenschaften des Monomerbades und des gebildeten Artikels, wie etwa Farbstabilität, Flexibilität, geringe oder keine Toxizität, Umweltfreundlichkeit oder dergleichen oder eine Kombination daraus, nicht negativ beeinflussen.
Die Zusammensetzung kann eine oder mehrere Komponenten beinhalten. Während eine einzelne Komponente die stabilisierende Zusammensetzung bilden kann, kann eine Kombination aus zwei oder mehr Komponenten eine verbesserte Stabilität des Artikels nach der Produktion bereitstellen. Beispielhafte Komponenten beinhalten die Komponente (A), eine Lichtstabilisatorkomponente auf Basis eines oder mehrerer Lichtstabilisatoren mit gehindertem Amin (HALS), die Komponente (B), eine Reaktivverdünnerkomponente, die Komponente (C), eine Lösungsmittelkomponente, die Komponente (D), eine UV-Lichtschutzmittelkomponente, die Komponente (E), eine Antioxidanskomponente oder dergleichen, oder eine Kombination daraus. Zusätzliche Komponenten werden in Betracht gezogen.
Die Zusammensetzung kann die Komponente (A), eine Lichtstabilisatorkomponente auf der Basis von einem oder mehreren HALS beinhalten. Die Komponente (A) ist in der Lage, während des Abbauprozesses erzeugte freie Radikale zu neutralisieren. Die Komponente (A) kann einen oder mehrere HALS aus der Klasse von Tetramethylpiperidinderivaten beinhalten. HALS sind chemische Verbindungen, die eine funktionelle Amingruppe beinhalten, die von einer überfüllten sterischen Umgebung umgeben ist. Der Vorteil der Verwendung von HALS liegt in ihrer hohen Effizienz hinsichtlich der Stabilisierung des Artikels gegen lichtinduzierten Abbau. Zusätzlich dazu werden HALS in der Neutralisationsreaktion nicht verbraucht. Vielmehr werden HALS während des Stabilisierungsprozesses regeneriert. Somit ermöglicht das Einbeziehen der Komponente (A) eine Langzeitstabilisierung des Artikels.
Eine Vielfalt an HALS kann verwendet werden. Die Chemie und insbesondere die Art der Endgruppen der HAL bestimmt die Kinetik der Stabilisierungsreaktion. Ein wünschenswerter HAL kann ein langsam wirkender HAL sein, sodass die Komponente (A) inaktiv bleibt oder eine geringe Reaktivität aufweist, bis ihre neutralisierende Funktion relevant wird, wenn der gebildete Artikel Strahlung ausgesetzt wird. HALS schützen den gebildeten Artikel gegen Langzeitexposition bei einer Vielzahl von UV-Wellenlängen, welche die Wellenlänge der Härtung beinhalten können. Der chemische Prozess zum Löschen freier Radikale, den HALS durchlaufen, dauert viel länger als die Polymerisation. Während die Polymerisation mehrere Sekunden dauern kann, können HALS beispielsweise eine oder mehrere Stunden, Tage, Wochen oder Monate nach der Polymerisation, der Bildung des Artikels und/oder der Härtung mit dem Löschen freier Radikale beginnen. Wie vorstehend angegeben, können HALS Radikale neben anderen Wellenlängen bei der Wellenlänge der Polymerisation und/oder der Härtung löschen, aber aufgrund ihrer langsamen Wirkung endet die Polymerisation und/oder die Härtung, bevor die HALS aktiv werden. HALS beeinflussen somit nicht den Mechanismus der Polymerisation und/oder der Härtung.
Die stabilisierende Zusammensetzung, die (einen) HAL(s) beinhaltet, kann etwa 0,1 bis 5, 0,25 bis 2,5 oder 0,5 bis 1 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des Monomerbades, ausmachen. Da diese Menge relativ gering ist, wird die Druckbarkeit des flüssigen Harzes nicht negativ beeinflusst.
Nicht einschränkende beispielhafte HALS können 2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidinol; Bis(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl)sebacat (Tinuvin 770); Bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidyl)sebacat und Methyl-1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidylsebacat (Tinuvin 292); Decandisäure, Bis(2,2,6,6-tetramethyl-1-(octyloxy)-4-piperidinyl)ester (Tinuvin 123); oder Bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)-[[3,5-bis(1,1-dimethylethyl)-4-hydroxyphenyl]methyl]butylmalonat (Tinuvin 144) beinhalten.
Da einige HALS in Pulverform produziert werden, kann der stabilisierenden Zusammensetzung eine Komponente (B) zugegeben werden, um die Pulver zu solubilisieren, bevor sie dem Monomerbad zugegeben werden. Die Komponente (B) kann ein oder mehrere Reaktivverdünner beinhalten. Die Komponente (B) kann zudem die Viskosität verringern und die Härtung während des additiven Herstellungsprozesses verbessern.
Nicht einschränkende Beispiele für Verdünnungsmittel beinhalten Methylmethacrylate, Acrylate, Alkylencarbonate, Methacrylate oder dergleichen oder eine Kombination daraus. Die Komponente (B) kann Methacrylat, wie etwa Diethylenglycolmethylacrylat, Isoborynylmethacrylat, Di(ethylenglycol)methylethermethacrylat, dergleichen oder eine Kombination daraus, beinhalten.
Alternativ oder zusätzlich zu den Reaktivverdünnern (B) kann eine Lösungsmittelkomponente (C) verwendet werden, um die HALS zu solubilisieren. Es kann ein beliebiges Lösungsmittel verwendet werden, doch umweltfreundliche Lösungsmittel stellen eine bessere Option dar. Nicht einschränkende Beispiele für die Komponente (C) beinhalten Alkohole, Dichlormethan, Chloroform, Ethylenchlorid, Ethylacetat, N-Hexan, Methanol, dergleichen oder eine Kombination daraus.
Die Zusammensetzung kann zusätzliche Komponenten beinhalten. Im Allgemeinen kann die Zusammensetzung eine beliebige Komponente enthalten, die in der Lage ist, eine gewünschte Eigenschaft des Bades und/oder des Artikels einzustellen, solange die Komponente die Eigenschaften des Monomerbades, des Artikels oder des Härtungsprozesses nicht negativ beeinflusst und bis zur Exposition gegenüber einem Element, das den Abbau des Artikels bewirkt, inaktiv bleibt.
Zum Beispiel können der Zusammensetzung die Komponente (D), ein oder mehrere UV-Lichtschutzmittel oder UV-Lichtabsorber zugegeben werden. UV-Schutzmittel absorbieren Radikale während der UV-Exposition nach der Produktion. UV-Schutzmittel müssen spektral an die Wellenlänge der Polymerisation und/oder der Härtung angepasst werden, um eine übermäßige Absorption zu verhindern. Daher muss die Komponente (D) aus Zusammensetzungen gewählt werden, die UV-Licht in den Wellenlängen der für den Polymerisations- und/oder Härtungsprozess verwendeten UV-Strahlung nicht abschirmen oder absorbieren. Die Komponente (D) kann derart gewählt werden, dass die Abschirmwellenlänge weniger als etwa 370 nm beträgt. Die Komponente (D) mit niedrigeren Absorptionsspektren darf die Härtung nicht stören (UV-B/UV-C). Längere Wellenlängensysteme (etwa Laser mit 405 nm) ermöglichen jedoch einen breiteren Stabilisierungsbereich. Die Effizienz der Abschirmung ist unterschiedlich und kann etwa 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 % der einfallenden UVA oder mehr betragen.
Nicht einschränkende Beispiele für die Komponente (D) beinhalten 2-(2-Hydroxyphenyl)benzotriazole, Hydroxyphenyl-s-triazine, 2-Hydroxybenzophenone, Oxanilid, dergleichen oder eine Kombination daraus. Nicht einschränkende Beispiele für die Komponente (D) beinhalten (2-[4-[(2-Hydroxy-3-dodecyloxypropyl)oxy]-2-hydroxyphenyl]-4,6-bis(2,4-dimethylphenyl)-1,3,5-Triazin; 2-[4-[(2-Hydroxy-3-tridecyloxypropyl)oxy]-2-hydroxyphenyl]-4,6-bis(2,4-dimethylphenyl)-1,3,5-triazin) (Tinuvin 400); 2-Hydroxyphenyl-s-triazin (Tinuvin 405); herstellerspezifisches Hydroxyphenyltriazin (Tinuvin 479); 95%-ige Benzolpropansäure, 3-(2H-Benzotriazol-2-yl)-5-(1,1-dimethylethyl)-4-hydroxy-, C7-9-verzweigte und lineare Alkylester, 5%iges 1-Methoxy-2-Propylacetat (Tinuvin 99-2); 95%-ige Benzolpropansäure, 3-(2H-Benzotriazol-2-yl)-5-(1,1-dimethylethyl)-4-hydroxy-, C7-9-verzweigte und lineare Alkylester, 5%-iges 1-Methoxy-2-Propylacetat (Tinuvin 384-2); 2-(2H-Benzotriazol-2-yl)-4,6-bis(1-methyl-1-phenylethyl)phenol (Tinuvin 900); 50%-igen β-[3-(2-H-Benzotriazol-2-yl)-4-hydorxy-5-tert.butylphenyl]propionsäurepoly(ethylenglykol)300-ester, b) 38%-igen Bis{β-[3-(2-H-Benzotriazol-2-yl)-4-hydroxy-5-tert-butylphenyl]propionsäure}-poly(ethylenglykol)300-ester und c) 12%-iges Polyethylenglykol (Tinuvin 1130); (2-[4-[(2-Hydroxy-3-dodecyloxypropyl)oxy]-2-hydroxyphenyl]-4,6-bis(2,4-dimethylphenyl)-1,3,5-triazin; 2-[4-[(2-Hydroxy-3-tridecyloxypropyl)oxy]-2-hydroxyphenyl]-4,6-bis(2,4-dimethylphenyl)-1,3,5-triazin) (Tinuvin 400); 2-Hydroxyphenyl-s-triazin (Tinuvin 405); herstellerspezifisches Hydroxyphenyltriazin (Tinuvin 479); dergleichen oder eine Kombination daraus.
Die Zusammensetzung kann zudem die Komponente (E), eine Antioxidanskomponente, beinhalten. Die Komponente (C) kann eine oder mehrere Verbindungen mit antioxidativen Eigenschaften beinhalten. Die Komponente (E) ist in der Lage, die Auswirkungen des thermischen Abbaus zu neutralisieren. Daher muss die Komponente (E) derart gewählt werden, dass die Komponente (E) den Auswirkungen der thermischen Härtung nicht entgegenwirkt. Die Komponente (E) kann p-Phenylendiamin-Derivate (N,N'-Diaryl, N,N'-Alkylaryl, N,N'-Dialkyl), sterisch gehinderte Phenolverbindungen (BHT), Octyl- und höhere Alkyphenole, Phosphite, dergleichen oder eine Kombination daraus beinhalten. Die Komponente (E) kann 4,4'-Butylidenbis(3-methyl-6-tert-butylphenol), butyliertes Hydrohytolunol (BHT), Trisonylphenolphosphit, Tris(2,4-di-tertbutylphenylphosphit, Triphenylphosphit, Bis(2,4-Dicumylpheynyl)pentaerythritol, 2,2'-Methylenbis(4-methyl-6-tert-butylphenol) oder eine Kombination daraus beinhalten.
Das Monomerbad, in das die stabilisierende Zusammensetzung gegeben wird, kann eingestellt werden, um die Einarbeitung der stabilisierenden Zusammensetzung zu ermöglichen. Zum Beispiel kann die Viskosität des Monomerbades durch Zugabe eines oder mehrerer der vorstehend genannten Reaktivverdünner eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann es erforderlich sein, die Härtungsrate durch Zugabe einer Komponente, (F) eines oder mehrerer Photoinitiatoren, welche absorbierte UV-Lichtenergie in Form von initiierenden Spezies, wie etwa freien Radikalen oder Kationen, in chemische Energie umwandeln, zu erhöhen. Photoinitiatoren initiieren und/oder katalysieren die Polymerisationsreaktion des Monomerbades bei Aussetzung des Bades gegenüber UV-Licht. Während das flüssige Harz bereits einen oder mehrere Photoinitiatoren enthalten kann, muss die Menge des Photoinitiators möglicherweise aufgrund des Vorhandenseins von HALS, UVAs und/oder anderen Verbindungen, die bei der Wellenlänge der Polymerisation und/oder der Härtung wirken, erhöht werden.
Die Art des verwendeten Initiators hängt vom Wellenlängenbereich ab, in dem sie aktiviert werden. Eine UV-Lichtquelle emittiert im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm. Somit kann ein Photoinitiator verwendet werden, der im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm absorbiert. Beispiele für geeignete Photoinitiatoren, die in diesem Bereich absorbieren, beinhalten solche mit Initiatorfunktion für freie Radikale, kationischer Initiatorfunktion oder beidem. Die Photoinitiatoren können somit durch Doppelbindungen, Epoxygruppen oder beides polymerisieren.
Der Photoinitiator kann Benzoylphosphinoxide, Arylketone, Benzophenone, hydroxylierte Ketone, 1-Hydroxyphenylketone, α-Aminoketon, α-Hydroxyketon, Ketale, Metallocene, BAPO, MAPO, Phosphinoxide oder eine Kombination daraus beinhalten. Der Photoinitiator kann Benzoylphosphinoxide beinhalten, wie beispielsweise 2,4,6-Trimethylbenzoyldiphenylphosphinoxid, 2,4,6-Trimethylbenzoylphenyl, Ethoxyphosphinoxid, Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phenylphosphinoxid, 2-Methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-morpholinopropanon-1,2-benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(4-morpholinyl)phenyl]-1-butanon, 2-Dimethylamino-2-(4-methylbenzyl)-1-(4-morpholin-4-ylphenyl)-butan-1-on, 4-Benzoyl-4'-methyldiphenylsulfid, 4,4'-Bis(diethylamino)benzophenon, 4,4'-Bis(N,N'-dimethylamino)benzophenon, Bis(eta-5-2,4-cyclopentadien-1-yl)-bis[2,6-difluor-3-(1H-pyrrol-1-yl)-phenyl]titan oder dergleichen oder eine Kombination daraus.
Der Photoinitiator kann Oniumsalze, Haloniumsalze, Iodosylsalze, Selensalze, Sulfoniumsalze, Sulfoxoniumsalze, Diazoniumsalze, Metallocensalze, Isochinoliniumsalze, Phosphoniumsalze, Arsoniumsalze, Tropyliumsalze, Dialkylphenacylsulfoniumsalze, Thiopyriliumsalze, Diaryliodoniumsalze, Triarylsulfoniumsalze, Sulfoniumantimonatsalze, Ferrocene, Di(cyclopentadienyliron)arensalzverbindungen, Pyridiniumsalze oder eine Kombination daraus beinhalten. Der Photoinitiator kann aromatische Diazoniumsalze, aromatische Sulfoniumsalze, aromatische Iodoniumsalze, Verbindungen auf Metallocenbasis, aromatische Phosphoniumsalze und Silanolaluminiumkomplexe beinhalten.
Anders als im vorstehend beschriebenen Stand der Technik sind die stabilisierende Zusammensetzung und ihre Produkte nicht nur auf den Außenflächen des Artikels vorhanden, sondern die stabilisierende Zusammensetzung und ihre Produkte sind in den geschichteten Schichten im gesamten Artikel vorhanden. Dies bedeutet, dass ein Kern oder der Artikel sowie andere Schichten die stabilisierende Zusammensetzung beinhalten können. Die stabilisierende Zusammensetzung kann gleichmäßig oder ungleichmäßig im gesamten stabilisierten Artikel verteilt sein.
Während im Allgemeinen die stabilisierende Zusammensetzung dazu gebildet wird, die Eigenschaften des Artikels und nicht des Monomerbades oder des flüssigen Harzes zu verbessern und/oder zu stabilisieren, kann in mindestens einer Ausführungsform die stabilisierende Zusammensetzung gleichzeitig dazu genutzt werden, das Monomerbad zu verbessern, einzustellen und/oder zu stabilisieren. Zum Beispiel können die vorstehend genannten Reaktivverdünner mehrere Funktionen erfüllen, nämlich Solubilisieren von HALS, Einstellen der Viskosität des Bades, Erhöhen des Molekulargewichts der Monomerbadkomponenten, Erhöhen der Empfindlichkeit des Monomerbades gegenüber der für die Polymerisation und/oder die Härtung verwendeten UV-Strahlung.
Ein Verfahren zur Verwendung der in dieser Schrift beschriebenen stabilisierenden Zusammensetzung wird ebenfalls offenbart. Das Verfahren kann Bilden der Zusammensetzung durch Kombinieren der vorstehend genannten einen oder mehreren Komponenten umfassen, um eine Gemisch zu bilden. Jede vorstehend genannte Komponente kann die gesamte stabilisierende Zusammensetzung bilden, etwa 99, 98, 97, 96, 95, 94, 93, 92, 91, 90, 88, 85, 82, 80, 78, 75, 72, 70, 68, 65, 62, 60, 58, 55, 52, 50, 48, 45, 42, 40, 38, 35, 32, 30, 28, 25, 22, 20, 18, 15, 12, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 oder 0 Gew.-% der Zusammensetzung, basierend auf dem Gesamtgewicht der stabilisierenden Zusammensetzung. Die Menge jeder Komponente hängt von den zu erzielenden Endergebnissen, der Phase, in der die Komponenten geliefert werden, und anderen Bedingungen ab. Zum Beispiel sollte die Menge des/der reaktiven Verdünnungsmittel(s) und/oder Lösungsmittel(s) so sein, dass eine Dispersion oder Auflösung von HALS, UVAs, Antioxidationsmitteln und/oder anderen Additiven ermöglicht wird, sodass eine flüssige Zusammensetzung gebildet wird.
Das Verfahren kann ferner Auflösen einer oder mehrerer Pulverkomponenten, wie etwa HALS, in einer oder mehreren zusätzlichen Komponenten beinhalten, wie vorstehend beschrieben wurde. Das Verfahren kann Einstellen der Viskosität und anderer Eigenschaften der stabilisierenden Zusammensetzung beinhalten. Das Verfahren kann Herstellen eines Monomerbades, Einstellen des Monomerbades, wie vorstehend beschrieben wurde, oder beides beinhalten. Das Verfahren kann Zugeben der stabilisierenden Zusammensetzung zu dem Monomerbad zur Bildung eines Gemisches, Mischen der stabilisierenden Zusammensetzung mit dem Monomerbad oder beides beinhalten. Das Verfahren kann Bilden eines homogenisierten Gemisches aus dem Monomerbad und der stabilisierenden Zusammensetzung beinhalten.
Das Verfahren kann Bilden eines Artikels durch einen additiven Herstellungsprozess, wie etwa SLA oder DLP, aus dem Gemisch, das die stabilisierende Zusammensetzung, das flüssige Harz und/oder zusätzliche Komponenten enthält, beinhalten. Der Bildungsprozess kann Erstellen einer CAD-Datei, die Daten über einen zu bildenden Artikel beinhaltet, Liefern der CAD-Daten an eine Software in einem Computer, Initiieren des additiven Herstellungsprozesses, Aussetzen des Gemisches gegenüber Strahlung, Polymerisieren von mindestens einem oder mehreren Teilen des Gemisches gemäß den CAD-Daten, schichtweises Bilden des Artikels gemäß den CAD-Daten, Aussetzen des gebildeten Artikels gegenüber einer zusätzlichen UV-Nachhärtung oder thermischen Härtung oder einer Kombination daraus beinhalten.
Der Bildungsprozess kann eine oder mehrere Härtungsstufen beinhalten. Die Härtungsstufen können UV-Härtung und/oder thermische Härtung beinhalten. Die UV-Härtung kann der thermischen Härtung vorausgehen. Alternativ dazu können die UV-Härtung und die thermische Härtung für mindestens einen Teil des Prozesses nacheinander ablaufen.
Der daraus resultierende Artikel weist eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Hitze und/oder UV-Licht nach der Bearbeitung auf, wenn die einfallende Strahlung und die resultierenden freien Radikale, die durch Aktivierung und Abbau gebildet werden, entfernt werden. Daher weist der Artikel eine verbesserte Haltbarkeit in Bezug auf mechanische, physikalische, chemische, optische Eigenschaften oder deren Kombination im Vergleich zu Artikeln auf, die nicht durch das in dieser Schrift beschriebene Verfahren stabilisiert wurden.
Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Die in der Patentschrift verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener umsetzender Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 105 A-02 [0007, 0026]
ISO 105-A03 [0007, 0026]
ISO 3795 [0026]

Claims

Verfahren zum Stabilisieren eines additiv hergestellten Artikels, umfassend: vor der Polymerisation Zugeben einer strahlungsaktivierten stabilisierenden Zusammensetzung zu einem flüssigen Harz; schichtweises Bilden des Artikels aus dem flüssigen Harz unter Verwendung von Strahlung, sodass die stabilisierende Zusammensetzung nicht das flüssige Harz, sondern den gebildeten Artikel stabilisiert; und Neutralisieren freier Radikale, die während eines Abbauprozesses erzeugt werden, der durch Aussetzen des Artikels gegenüber zusätzlicher Strahlung nach dem Härten ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der zusätzlichen Strahlung um eine größere Strahlungsmenge als eine für die anfängliche Polymerisation und Härtung des Artikels benötigte Strahlungsmenge handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die stabilisierende Zusammensetzung eine oder mehrere langsam wirkende Verbindungen umfasst, welche die Aktivität freier Radikale vor oder während der Polymerisation und der Härtung nicht aktiv hemmen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die eine oder die mehreren langsam wirkenden Verbindungen nach der Bildung des Artikels mindestens einige Wochen in ihrem nicht umgesetzten Zustand verbleiben.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die eine oder die mehreren langsam wirkenden Verbindungen UV-Licht nicht direkt bei einer Wellenlänge der Polymerisation, der Härtung oder beiden absorbieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die stabilisierende Zusammensetzung Lichtstabilisatoren mit gehindertem Amin (HALS) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die HALS eine oder mehrere Verbindungen aus einer Klasse von Tetramethylpiperidinderivaten beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden UV-Härten, thermisches Härten oder beides beinhaltet.
Flüssiges Harz zum additiven Herstellen eines Artikels, wobei das flüssige Harz Folgendes umfasst: (A) (einen) Lichtstabilisator(en) auf der Basis von einem oder mehreren Lichtstabilisatoren mit gehindertem Amin (HALS); (B) (einen) Reaktivverdünner und/oder (C) (ein) Lösungsmittel, (D) (einen) Photoinitiator(en); und optionale Komponenten (E) (ein) Antioxidans/Antioxidantien; (F) (ein) UV-Lichtsschutzmittel; wobei das flüssige Harz durch Strahlung polymerisiert werden soll und (A) während der Polymerisation und der Härtung des Artikels in einem nicht umgesetzten Zustand verbleibt.
Zusammensetzung nach Anspruch 9, wobei die Komponente (A) einen oder mehrere HALS aus einer Klasse von Tetramethylpiperidinderivaten beinhaltet.
Komponente nach Anspruch 9, wobei die Komponente (A) 2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidinol beinhaltet.
Die Zusammensetzung nach Anspruch 9, wobei die Zusammensetzung 0,1 bis 5 Gew.-% der Komponente (A) umfasst, basierend auf dem Gesamtgewicht des flüssigen Harzes.
Zusammensetzung nach Anspruch 9, wobei die Strahlung UV-Licht ist.
Kraftfahrzeugartikel, umfassend: geschichtete Schichten, welche die Kraftfahrzeugkomponente definieren, die langsam wirkende Verbindungen umfasst, welche dazu konfiguriert sind, freie Radikale zu neutralisieren, die während eines Abbauprozesses erzeugt werden, der durch das Aussetzen des Artikels gegenüber Strahlung nach der Herstellung ausgelöst wird, sodass die langsam wirkenden Verbindungen in die geschichteten Schichten im gesamten Artikel eingearbeitet sind.
Artikel nach Anspruch 14, wobei der Artikel in einen Innenraum einer Fahrzeugkabine eingebaut ist.
Artikel nach Anspruch 14, wobei die Strahlung UV-Strahlung, Wärmestrahlung oder beides ist.
Artikel nach Anspruch 14, wobei „nach der Herstellung“ einen Zeitraum nach der Polymerisation eines zur Bildung des Artikels verwendeten flüssigen Harzes, dem Härten des Artikels oder nach beiden beinhaltet.
Artikel nach Anspruch 14, wobei die langsam wirkenden Verbindungen in einen Kern des Artikels eingearbeitet sind.
Der Artikel nach Anspruch 14, wobei der Artikel ein stabilisierter Artikel ist, der einem Außenbewitterungstestverfahren ASTM D7869, Beständigkeit gegen Innenbewitterung ISO 105 A-02, SAE J2412, Verschmutzung und Reinigungsfähigkeit ISO 105-A03, Beschlag SAE J1756, Entflammbarkeit ISO 3795 oder einer Kombination daraus entspricht.
Artikel nach Anspruch 14, wobei der Artikel eine Konsole in einem Kraftfahrzeuginnenraum ist.