DE19820725A1 - Verfahren und Material zur Herstellung von Modellkörpern - Google Patents

Verfahren und Material zur Herstellung von Modellkörpern

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DE19820725A1
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Modelkörpern beschrieben, bei dem unter Verwendung von Kunststoffen, insbesondere von ausgewählten Perlpolymerisaten, eine beliebige dreidimensionale Struktur mit Hilfe der selektiven Sinterung unter Verwendung von Laserlicht aufgebaut werden kann. Es wird außerdem ein spezielles Material beschrieben, das zur Lasersinterung besonders geeignet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Modellkörpern, bei dem unter Verwendung von Kunststoffen, in Form von ausgewählten Perlpolymerisaten, eine beliebige dreidimensionale Struktur mit Hilfe der selektiven Sinterung unter Verwendung von Laserlicht aufgebaut werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein spezielles Material, das zur Lasersinterung besonders geeignet ist.
Die Erfindung betrifft speziell ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Modellen aus Kunststoff nach Maßgabe von gespeicherten, geometrischen Daten mit Hilfe einer mit Laserstrahlen arbeitenden, computergestützten Anlage zur Direkt­ herstellung von Prototypen und Modellen (Rapid-prototyping-Anlage).
Unter dem Begriff Rapid-prototyping werden die heute bekannten computerge­ steuerten additiven, automatischen Modellbauverfahren zusammengefaßt. Das Laser­ sintern bezeichnet ein Rapid-prototyping Verfahren, bei dem Schüttungen aus bestimmten pulverigen Werkstoffen unter Einwirkung von, vorzugsweise durch ein Programm gesteuerten Laserstrahlen an bestimmten Raumstellen aufgeheizt und ver­ sintert werden.
Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der Patentschrift DE 197 01 078 C 1 beschrieben. Dabei werden niedrig schmelzende Metalle in einem Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Werkzeugen, für die Formgebung von thermo­ plastifiziertem Kunststoff unter Verwendung einer Rapid-prototyping-Anlage gesintert. Es werden niedrig schmelzende Metalle und/oder Metallegierungen mit einem unter 200°C liegenden Schmelzpunkt in Form von Metallpulver oder Metall­ folien frei von Kunststoffbindern oder metallischen Bindern verwendet. Die Energie der verwendeten Laserstrahlung nach Maßgabe des Schmelzpunktes der verwendeten Metalle und/oder Metallegierungen eingerichtet. Mit diesem Verfahren können keine Modelle aus Kunststoffen erzeugt werden. Es ist ebenfalls nicht möglich Metall­ modelle aus hochschmelzenden Metallen zu erhalten.
Die Verwendung von Kunststoffpulvern zum Lasersintern ist ebenfalls bekannt (A. Gebhardt, Rapid Prototyping, Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1996, Seite 115-­ 116). Sowohl zur Herstellung von Kunststoffmodellen als auch zur Anfertigung von positiven Vorformen für Keramikgießformen wird das Verfahren genutzt. Bei letzterer Anwendung treten folgende grundsätzliche Probleme auf. Die Sinterung von gemahlenem Polymer z. B. von Polystyrol zur Vorform, ist zwar trotz gewisser Mängel hinsichtlich der Oberflächengüte der Vorform durchführbar. Die Polymer­ vorform wird anschließend mit Keramikmaterial umgeben, das bei hohen Tempera­ turen zur Verfestigung gebrannt werden soll. Die meisten Polymermaterialien lassen sich jedoch beim Brennen nicht vollständig veraschen.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Kunststoffpulver ist ihre schlechte Rieselfähig­ keit, die durch die Verwendung von Rieselhilfsmitteln nur teilweise reduziert werden kann. Wegen der schlechten Rieselfähigkeit ist der Transport und die Verteilung in der Lasersinteranlage erschwert.
Aufgabe der Erfindung war es ein für den Sinterungsprozeß mittels Lasern geeignetes Material zu finden, das eine glatte bis feinkörnige Oberfläche nach dem Sintern bildet und das sich ggf. bei üblichen Brennertemperaturen zum Brennen von Keramik, insbesondere bei einer Temperatur von mehr als 1100°C nahezu vollständig veraschen läßt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung von speziellen Kunststoffpulvern, in Form von Perlpolymerisaten aus Homo- oder Copolymerisat von monoethylenisch ungesättigten Verbindungen, bevorzugt Copolymerisate mit Methylmetacrylat- oder Styroleinheiten, mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2 bis 200 µm, als Sintermaterial beim Sintern mittels Lasern.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Modellen aus Kunststoff nach Maßgabe von gespeicherten, geometrischen Daten mit Hilfe von nach diesen Daten gesteuerten Laserstrahlen einer Wellenlänge von 200 bis 20 000 nm, bevorzugt von 500 bis 15 000 nm, wobei Laserstrahlen entsprechend der geometrischen Daten auf bestimmte Raumzonen einer Schüttung eines feinkörnigen Kunststoffpulvers gelenkt werden und das Material verschmilzt bzw. versintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoffpulver ein Perlpolymerisat aus Homo- oder Copolymerisat von monoethylenisch ungesättigten Verbindungen, bevorzugt ein Copolymerisat aus Methylmetacrylat oder Styrol, mit einem mittleren Teilchendurch­ messer von 2 bis 200 µm verwendet wird.
Bei der Bestimmung der Teilchendurchmesser (Teilchengröße) wird hier das Ge­ wichtsmittel angegeben.
Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet sind Perlpolymerisate mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 bis 100 µm geeignet.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Perlpolymerisate haben viel günstigere Fließ­ eigenschaften als gemahlene andere Kunststoffe und benötigen daher keine Rieselhilfs­ mittel zur Verbesserung ihrer Fließeigenschaften.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Perlpolymerisate besteht darin, daß diese beim Veraschen, z. B. als Kern einer Keramikhohlform, keine störenden Rückstände hinterlassen. Im Falle von mit Rieselhilfsmitteln versetzten gemahlenen Kunststoff­ teilchen wurde nämlich beobachtet, daß diese nicht rückstandsfrei veraschen.
Dieses ist von besonderer Bedeutung, wenn die primär mittels Lasersintern erstellten Modelle aus Kunststoff in Folgeprozessen für den Feinguß weiterverarbeitet werden. Hierzu wird z. B. nach dem Bestreichen des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Modells mit Wachs zur weiteren Verbesserung der Modelloberfläche das Modell in eine aufgeschlämmte Keramikmasse getaucht und das mit Keramikmaterial beschichtete Modell im Ofen gebrannt. Das Modell soll beim Brennen vollständig verbrennen und die freie Hohlform aus Keramik zurücklassen. Da konventionelle gemahlene Kunststoffe aufgrund der Rieselhilfsmittel nicht vollständig verbrennen weisen die in der Keramikform anschließend gegossenen metallischen Modelle oftmals Oberflächenungenauigkeiten auf.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Perlpolymerisaten ergibt sich hinsichtlich der Oberflächengenauigkeit und Oberflächenrauhigkeit der nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren hergestellten Modelle. Aufgrund ihrer runden Form und ihrer guten Fließeigenschaften werden die mit den bevorzugten Perlpolymerisaten herge­ stellten Modelle glatter und damit auch genauer.
Die Perlpolymerisate im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Polymerpartikel die weitgehend kugelförmig sind. Es sind unterschiedliche Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Partikel bekannt, z. B. Polymerisationsverfahren wie Suspensions- bzw. Perlpolymerisation, Dispersionspolymerisation, Saat-Zulaufpolymerisation, des weite­ ren Verdüsungstechniken und Fällungsverfahren. So können Perlpolymerisate mit einer Teilchengröße von ca. 10 bis 200 µm durch Suspensionspolymerisation bzw. Perlpolymerisation erhalten werden. Unter dem Begriff Suspensionspolymerisation wird ein Verfahren verstanden, bei dem ein Monomer oder ein monomerhaltiges Gemisch, das einen im Monomer(en) löslichen Initiator enthält, in einer mit dem Monomer(en) im wesentlichen nicht mischbaren Phase, die ein Dispergiermittel enthält, in Form von Tröpfchen, gegebenenfalls im. Gemisch mit kleinen, festen Partikeln, zerteilt wird und durch Temperaturerhöhung unter Rühren ausgehärtet wird. Weitere Einzelheiten der Suspensionspolymerisation werden beispielsweise in der Publikation "Polymer Processes", herausgegeben von C. E. Schildknecht, publiziert 1956 durch Interscience Publishers, Inc. New York, im Kapitel "Polymerization in Suspension" auf den Seiten 69 bis 109 beschrieben.
Perlpolymerisate mit Teilchengrößen von 2 bis 10 µm lassen sich durch die sog. Dispersionspolymerisation erzeugen. Ein geeignetes Verfahren wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift EP-A-610 522 beschrieben. Bei der Dispersionspolymerisa­ tion wird ein Lösungsmittel, in dem die verwendeten Monomere löslich, das gebildete Polymerisat aber unlöslich ist, eingesetzt. Die Dispersionspolymerisation liefert in der Regel Perlpolymerisate mit enger Teilchengrößenverteilung.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Perlpolymerisate bestehen bevorzugt aus Homo- bzw. Copolymerisaten von monoethylenisch ungesättigten Verbindungen (Monomeren). Unter Copolymerisaten im Sinne der Erfindung werden Polymerisate, die aus zwei oder mehr verschiedenen Monomeren aufgebaut sind, verstanden. Geeignete Monomere sind z. B. Styrol, alpha-Methylstyrol, Chlorstyrol, Acrylsäureester, wie Etylacrylat, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat, Dodecylacrylat, Methacrylsäureester, wie Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Isopropylmethacrylat, n-Butylmethacrylat, iso-Butylmethacrylat, Hexylmethacrylat, 2- Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecylmethacrylat, Stearylmethacrylat, des weiteren Acrylnitril, Methacrylnitril, Methacrylamid und Vinylacetat.
Insbesondere bevorzugt sind Homo- und Copolymerisate von Methacrylsäureestern und/oder Acrylsäureestern. Besonders bevorzugt sind Polymethylmethacrylat und Copolymerisate mit einem Anteil von mehr als 60 Gew.-% Methylmethacrylat­ einheiten. Gut geeignete Copolymerisate sind beispielsweise solche, die 60 bis 98 Gew.-% Methylmethacrylateinheiten und 2 bis 40 Gew.-% Einheiten von Acryl­ säureestern und/oder Methacrylsäureestern mit 4 bis 18 C-Atomen im Alkoholteil aufweisen, insbesondere Copolymerisate von Methylmethacrylat mit einem oder mehreren Monomeren aus der Gruppe: n-Butylacrylat, iso-Butylacrylat, 2-Ethyl­ hexylacrylat, Decylacrylat, Dodecylacrylat, n-Butylmethacrylat, iso-Butylmethacrylat, Hexylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecylmethacrylat, Stearylmethacrylat.
Es hat sich gezeigt, daß das Molekulargewicht der Perlpolymerisate für die Eignung für das erfindungsgemäße Verfahren von Wichtigkeit sein kann. Das Molekular­ gewicht (Gewichtsmittel, Mw) soll insbesondere von 10 000 bis 1 000 000, vorzugs­ weise von 10 000 bis 500 000, besonders bevorzugt von 20 000 bis 250 000 g/Mol betragen. Zur Einstellung des gewünschten Molekulargewichtes können Molekularge­ wichtsregler bei der Herstellung der Perlpolymerisate eingesetzt werden. Geeignete Molekulargewichtsregler sind insbesondere Schwefelverbindungen, z. B. n-Butyl­ mercaptan, Dodecylmercaptan, Thioglycolsäureethylester und Diisopropylxanthogen­ disulfid. Auch die in der DE 30 10 373 genannten schwefelfreien Regler sind sehr gut zur Einstellung des Molekulargewichtes geeignet, beispielsweise der Enolether nach Formel I
Geeignete Lasertypen sind alle, die das Perlpolymerisat zum Versintern, Ver­ schmelzen oder Vernetzen bringen, insbesondere CO2 Laser (10,64 µm) ND-YAG Laser (1060 nm) He-Ne-Laser (633 nm) oder Farbstofflaser (350-1000 nm). Bevorzugt wird ein CO2 Laser verwendet.
Die Energiedichte in der Schüttung beträgt bei der Bestrahlung vorzugsweise von 0,1 bis 10 J/mm3.
Der Wirkdurchmesser des Laserstrahles beträgt vorzugweise je nach Anwendung von 0,01 bis 0,5 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,5 mm.
Bevorzugt werden gepulste Laser verwendet, wobei sich eine hohe Pulsfrequenz, insbesondere von 1 bis 100 kHz, als besonderes geeignet erwiesen hat.
Die bevorzugte Verfahrensführung läßt sich wie folgt beschreiben:
Der Laserstrahl trifft auf die oberste Schicht der Schüttung aus dem erfindungsgemäß einzusetzendem Material und versintert dabei das Material in einer bestimmten Schichtdicke. Diese Schichtdicke kann von 0,01 mm bis 1 mm, vorzugsweise von 0,05 bis 0,5 mm betragen. Auf diese Weise wird die erste Schicht des gewünschten Bauteiles erzeugt. Anschließend wird der Arbeitsraum um einen Betrag abgesenkt, der niedriger ist als die Dicke der zusammengesinterten Schicht. Der Arbeitsraum wird bis zur ursprünglichen Höhe mit zusätzlichem Polymer-Material aufgefüllt. Durch erneute Bestrahlung mit dem Laser wird die zweite Schicht des Bauteils gesintert und mit der vorhergegangenen Schicht verbunden. Durch Wiederholung des Vorgangs werden die weiteren Schichten bis zur Fertigstellung des Bauteils erzeugt.
Die Belichtungsgeschwindigkeit bei der Abtastung des Lasers beträgt vorzugsweise 1 bis 1000 mm/s. Typischerweise wird eine Geschwindigkeit von etwa 100 mm/s angewendet.
Gegenstand der Erfindung sind auch die Modelle erhältlich nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der Modelle, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, zur Herstellung von Vorformen, insbesondere aus Keramik, für den Feinguß von Metallen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Fig. 1 beispielhaft näher erläutert, ohne daß dadurch die Erfindung im Einzelnen eingeschränkt wird.
Fig. 1 zeigt die vereinfachte schematische Darstellung einer Rapid-prototyping- Anlage.
Beispiele
Die nachfolgenden Beispiele 1 bis 6 zeigen die Herstellung von geeignetem fein­ teiligen Kunststoffmaterial für das Lasersintern.
Die zur Herstellung der Modelle verwendete Rapid-prototyping-Anlage hat folgenden grundsätzlichen Aufbau.
Der Strahl eines IR-Lasers 1 wird über einen Umlenkspiegel 2 nach Vorgabe einer nicht gezeichneten Scannereinheit auf die Oberfläche der Schüttung 4 eines Perl­ polymerisates gerichtet, das in einer Rund-Form 5 mit beweglichem Unterstempel 6 gehalten wird.
Durch die Belichtung werden Lagen 3a, 3b von gesintertem Kunststoffmaterial gebildet. Jeweils nach Belichtung und Erzeugung einer Lage (z. B. 3b) wird der Stempel 6 um eine Lagendicke abgesenkt und die Schüttung 4 mit neuem Kunststoff­ material ergänzt, das im nächsten Schritt belichtet wird, wodurch die nächste Lage 3a des Modellkörpers erzeugt wird.
Beispiel 1 Herstellung eines Perlpolymerisates mit 5,3 µm Teilchengröße durch Dispersionspoly­ merisation
In einem Reaktionsreaktor mit Rückflußkühler, Rührer und Thermometer wurden 560 g Polyvinylpyrrolidon, 80 g Methyltricaprylammoniumchlorid, 6,4 g Azodiiso­ butyronitril und 0,64 g Dodecylmercaptan in einem Lösungsmittelgemisch aus 14 l Methanol und 2 l Ethanol gelöst. Zu der Lösung wurden 950 g Methylmethacrylat und 50 g n-Butylacrylat gegeben. Das erhaltene Gemisch wurde unter Rühren 5 Stunden am Rückfluß erhitzt und anschließend auf 25°C abgekühlt. Das gebildete Perlpolymerisat wurde durch Zentrifugieren isoliert, mit Methanol gewaschen und bei 50°C getrocknet. Man erhielt 780 g eines Perlpolymerisates mit einer mittleren Teilchengröße von 5,3 µm. Das mittlere Molekulargewicht MW betrug 110 000 g/Mol.
Beispiel 2 Herstellung eines Perlpolymerisates mit 45 µm Teilchengröße durch Perlpoly­ merisation
450 g Methylmethacrylat, 50 g Ethylhexylacrylat, 5 g Dibenzoylperoxid und 1 g Enolether nach Formel I wurden zu einer homogenen Lösung gemischt. Man überführte die Lösung in einen Rührreaktor, der zuvor mit 1,5 Litern einer 1 gew.-%igen, wäßrig-alkalischen, mit Natronlauge auf einen pH-Wert von 8 einge­ stellten Lösung eines Copolymerisates aus 50 Gew.-% Methacrylsäure und 50 Gew.-% Methylmethacrylat gefüllt worden war. Die Rührgeschwindigkeit wurde auf 420 Umdrehungen pro Minute eingestellt. Die Temperatur wurde 8 Stunden auf 78°C und dann 1 Stunde auf 85°C gehalten. Anschließend wurde das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt, das erhaltene Perlpolymerisat durch dekantieren isoliert, mehrfach mit Wasser gewaschen und bei 60°C getrocknet. Man erhielt 465 g eines Perlpolymerisates mit einer mittleren Teilchengröße von 45 µm. Das mittlere Molekulargewicht MW betrug 125 000 g/Mol.
Beispiel 3 Herstellung eines Perlpolymerisates mit 50 µm Teilchengröße durch Perl­ polymerisation
600 g Methylmethacrylat, 9 g Dibenzoylperoxid (75%-ig in Wasser) und 12 g Enol­ ether nach Formel I wurden zu einer homogenen Lösung gemischt. Man überführte die Lösung in einen Rührreaktor, der zuvor mit einer Lösung bestehend aus 2,0 Litern Wasser und 8 g Polyvinylpyrrolidon K90 gefüllt worden war. Die Geschwindigkeit der Blattrührer wurde auf 600 Umdrehungen pro Minute eingestellt. Die Temperatur wurde eine Stunde auf 55°C, darin 12 Stunden auf 75°C und dann 4 Stunden auf 90°C gehalten. Anschließend wurde das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt, das erhaltene Perlpolymerisat durch Filtrieren über ein 32 µm Filtertuch isoliert, mehrfach mit Wasser gewaschen und bei 35°C unter 20 mbar Vakuum getrocknet. Nach der Siebung über ein 125 µm Sieb erhielt man ein Perlpolymerisat mit einem Staudinger- Index, [η], (Ubbelohde-Kapillarviskometer in Chloroform bei 25°C) von 0,50 dl/g, was einem Molekulargewicht Mw von 110 000 g/Mol entspricht.
Beispiel 4 Herstellung eines Perlpolymerisates mit 40 µm Teilchengröße durch Perlpoly­ merisation
510 g Methylmethacrylat, 90 g n-Butylmethacrylat, 9 g Dibenzoylperoxid (75%-ig in Wasser) und 12 g Enolether nach Formel I wurden zu einer homogenen Lösung gemischt. Man überführte die Lösung in einen Rührreaktor, der zuvor mit einer Lösung bestehend aus 2,0 Litern Wasser und 8 g Polyvinylpyrrolidon K90 gefüllt worden war. Die Geschwindigkeit der Blattrührer wurde auf 600 Umdrehungen pro Minute eingestellt. Die Temperatur wurde eine Stunde auf 55°C, dann 12 Stunden auf 75°C und dann 4 Stunden auf 90°C gehalten. Anschließend wurde das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt, das erhaltene Perlpolymerisat durch filtrieren über ein 32 µm Filtertuch isoliert, mehrfach mit Wasser gewaschen und bei 35°C unter 20 mbar Vakuum getrocknet. Nach der Siebung über ein 125 µm Sieb erhielt man ein Perlpolymerisat mit einem Staudinger-Index, [η], (Ubbelohde-Kapillarviskometer in Chloroform bei 25°C) von 0,48 dl/g, was einem Molekulargewicht MW von 100 000 g/Mol entspricht.
Beispiel 5 Herstellung eines Perlpolymerisates mit 40 µm Teilchengröße durch Perlpoly­ merisation
600 g Methylmethacrylat, 6 g Dibenzoylperoxid (75%-ig in Wasser) und 3 g Enol­ ether nach Formel I wurden zu einer homogenen Lösung gemischt. Man überführte die Lösung in einen Rührreaktor, der zuvor mit einer Lösung bestehend aus 2,0 Litern Wasser und 20 g Polyvinylpyrrolidon K90 gefüllt worden war. Die Geschwindigkeit der Blattrührer wurde auf 600 Umdrehungen pro Minute eingestellt. Die Temperatur wurde eine Stunde auf 55°C, dann 12 Stunden auf 75°C und dann 4 Stunden auf 90°C gehalten. Anschließend wurde das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt, das erhaltene Perlpolymerisat durch Filtrieren über ein 32 µm Filtertuch isoliert, mehrfach mit Wasser gewaschen und bei 35°C unter 20 mbar Vakuum getrocknet. Nach der Siebung über ein 125 µm Sieb erhielt man ein Perlpolymerisat mit einem Staudinger- Index, [η], (Ubbelohde-Kapillarviskometer in Chloroform bei 25°C) von 1,01 dl/g, was einem Molekulargewicht Mw von 250 000 g/Mol entspricht.
Beispiel 6 Herstellung eines Perlpolymerisates mit 40 µm Teilchengröße durch Perlpoly­ merisation
510 g Methylmethacrylat, 90 g n-Butylmethacrylat, 6 g Dibenzoylperoxid (75%-ig in Wasser) und 3 g Enolether nach Formel I wurden zu einer homogenen Lösung ge­ mischt. Man überführte die Lösung in einen Rührreaktor, der zuvor mit einer Lösung bestehend aus 2,0 Litern Wasser und 20 g Polyvinylpyrrolidon K90 gefüllt worden war. Die Geschwindigkeit der Blattrührer wurde auf 600 Umdrehungen pro Minute eingestellt. Die Temperatur wurde eine Stunde auf 55°C, dann 12 Stunden auf 75°C und dann 4 Stunden auf 90°C gehalten. Anschließend wurde das Gemisch auf Raum­ temperatur abgekühlt, das erhaltene Perlpolymerisat durch Filtrieren über ein 32 µm Filtertuch isoliert, mehrfach mit Wasser gewaschen und bei 35°C unter 20 mbar Vakuum getrocknet. Nach der Siebung über ein 125 µm Sieb erhielt man ein Perlpoly­ merisat mit einem Staudinger-Index, [η], (Ubbelohde-Kapillarviskometer in Chloro­ form bei 25°C) von 0,96 dl/g, was einem Molekulargewicht MW von 230 000 g/Mol entspricht.
Beispiel 7
Es wurde die Rieselfähigkeit einiger Polymerer mit der in Abbildung 2 beschriebenen Weise mittels Schüttwinkelbestimmungen quantifiziert.
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht zeigt sich, daß ein Perlpolymerisat gemäß Beispiel 4 Vorteile gegenüber amorphen gemahlenen Werkstoffen wie Polycarbonat und Poly­ styrol hat.
Auf die Zugabe von Rieselhilfen, wie es bei den gemahlenen Werkstoren der Fall ist, kann aufgrund der runden Form verzichtet werden. Schüttwinkelbestimmungen be­ stätigen die gute Verarbeitungsfähigkeit in den Sinteranlagen. So hat sich gezeigt, daß Perlpolymerisate aufgrund ihrer Form rieselfähiger sind als gemahlene Polymer­ granulate mit zugesetzten Rieselhilfen.
Tabelle 1
Rieselfähigkeitsbestimmung von Sinterwerkstoffen
Je kleiner Fließwinkel und Schüttwinkel sind, desto fließfähiger ist das Material. Mit steigendem Durchmesser des Schüttkegels nimmt die Fließfähigkeit zu.
Beispiel 8
Es wurde noch das Veraschung einiger Polymerer untersucht (Ergebnisse siehe Tabelle 2).
Die Veraschung der Werkstoffe hat ergeben, daß keine Reststoffe bei Verwendung des Perlpolymerisates aus Beispiel 4 zurückbleibt. Wie bei den mit Zusätzen versehe­ nen gemahlenen Polymerwerkstoffen gezeigt werden konnte, veraschen die mit Rieselhilfsmitteln versehenen Kunststoffe nicht völlig rückstandsfrei.
Tabelle 2
Veraschung von Modellbauwerkstoffen
Beispiel 9
Herstellung von Modellkörpern. Zur Herstellung der Modellkörper mit den Abmessungen von 50 × 10 × 4 mm3 wird das Kunststoffpulver in einer Modellanlage versintert. Dazu wird das Kunststoffpulver schichtweise mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/s unter einem Infrarotlaser der Wellenlänge 10 640 nm (CO2-Laser) bei einer maximalen Temperatur von 500°C belichtet. Die aus den Beispielen 7 und 8 geprüften Kunststoffpulver wurden versintert.
Beispiel 10
Es wurde noch die Qualität der Modellkörper aus Beispiel 9 geprüft.
Zwar liefern auch die grundsätzlich geeigneten Materialien Polycarbonat und Polystyrol zufriedenstellende Ergebnisse (siehe Tabelle 3).
Es ergibt sich jedoch für die Oberflächengenauigkeit und -rauhigkeit ein besonderer Vorteil beim Einsatz von Perlpolymerisaten. Aufgrund der runden Form werden die Oberflächen der Modelle glatter wie die folgenden Ergebnisse mittels Perthemeter zeigen. Das hat nicht nur den Vorteil, daß exaktere Kunststoffmodelle (Vorform) gebaut werden können, sondern auch das die auf Basis der Vorform abgegossenen Feingußmodelle genauer werden.
Tabelle 3
Oberflächenrauhigkeit von gesinterten Proben

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Modellen aus Kunststoff nach Maßgabe von gespeicherten, geometrischen Daten mit Hilfe von nach diesen Daten gesteuerten Laserstrahlen einer Wellenlänge von 200 bis 20000 nm, wobei ein oder mehrere Laserstrahlen entsprechend der geometrischen Daten auf bestimmte Raumzonen einer Schüttung eines feinkörnigen Kunststoffpulvers gelenkt werden und das Material verschmilzt bzw. versintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoffpulver ein Perlpolymerisat aus Homo- oder Copolymerisat von monoethylenisch ungesättigten Verbindungen, mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2 bis 200 µm verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff material Perlpolymerisat mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 bis 100 µm verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Perlpolymerisat Homo- bzw. Copolymerisat von monoethylenisch ungesättigten Verbindungen insbesondere Styrol, alpha-Methylstyrol, Chlorstyrol, Acrylsäurester, wie Etylacrylat, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat, Dodecylacrylat, Methacrylsäureester, wie Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Isopropyl­ methacrylat, n-Butylmethacrylat, iso-Butylmethacrylat, Hexylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecylmethacrylat, Stearyl­ methacrylat, des weiteren Acrylnitril, Methacrylnitril, Methacrylamid und Vinylacetat eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Perlpolymerisat ein Homo- oder Copolymerisat von Methacrylsäureestern und/oder Acryl­ säureestern, bevorzugt Polymethylmethacrylat oder Copolymerisate mit einem Anteil von mehr als 60 Gew.-% Methylmethacrylateinheiten ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Perlpolymerisat ein Copolymerisat ist, das 60 bis 98 Gew.-% Methylmethacrylateinheiten und 2 bis 40 Gew.-% Einheiten von Acrylsäureestern und/oder Methacrylsäure­ estern mit 4 bis 18 C-Atomen im Alkoholteil aufweist, insbesondere Copoly­ merisate von Methylmethacrylat mit einem oder mehreren Monomeren aus der Gruppe: n-Butylacrylat, iso-Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat, Dodecylacrylat, n-Butylmethacrylat, iso-Butylmethacrylat, Hexylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecylmethacrylat, Stearylmeth­ acrylat.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekulargewicht (Gewichtsmittel, Mw) des Perlpolymerisats von 10 000 bis 1 000 000, vorzugsweise von 10 000 bis 500 000, besonders bevorzugt von 20 000 bis 250 000 g/Mol beträgt.
7. Dreidimensionale Modelle erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem der Ansprüche von 1 bis 6.
8. Verwendung der Modelle nach Anspruch 7 zur Herstellung von Vorformen, insbesondere aus Keramik, für den Feinguß von Metallen.
9. Verwendung von Perlpolymerisaten mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2 bis 200 µm, vorzugsweise von 5 bis 100 µm, als Material zum Laser­ sintern.
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Perlpoly­ merisat Homo- bzw. Copolymerisat von monoethylenisch ungesättigten Ver­ bindungen insbesondere Styrol, alpha-Methylstyrol, Chlorstyrol, Acryl­ säureester, wie Etylacrylat, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat, Dodecylacrylat, Methacrylsäureester, wie Methylmethacrylat, Ethylmeth­ acrylat, Isopropylmethacrylat, n-Butylmethacrylat, iso-Butylmethacrylat, Hexylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecyl­ methacrylat, Stearylmethacrylat, des weiteren Acrylnitril, Methacrylnitil, Methacrylamid und Vinylacetat eingesetzt wird.
11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Perlpoly­ merisat ein Homo- oder Copolymerisat von Methacrylsäureestern und/oder Acrylsäureestern, bevorzugt Polymethylmethacrylat oder Copolymerisate mit einem Anteil von mehr als 60 Gew.-% Methylmethacrylateinheiten ist.
12. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Perlpoly­ merisat ein Copolymerisat ist, das 60 bis 98 Gew.-% Methylmethacrylatein­ heiten und 2 bis 40 Gew.-% Einheiten von Acrylsäureestern und/oder Meth­ acrylsäureestern mit 4 bis 18 C-Atomen im Alkoholteil aufweist, insbesondere Copolymerisate von Methylmethacrylat mit einem oder mehreren Monomeren aus der Gruppe: n-Butylacrylat, iso-Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decyl­ acrylat, Dodecylacrylat, n-Butylmethacrylat, iso-Butylmethacrylat, Hexyl­ methacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecylmethacrylat, Stearylmethacrylat.
13. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekulargewicht (Gewichtsmittel, Mw) des Perlpolymerisats von 10 000 bis 1 000 000, vorzugsweise von 10 000 bis 500 000, besonders bevorzugt von 20 000 bis 250 000 g/Mol beträgt.
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