EP1085972A1 - Method and material for producing model elements - Google Patents
Method and material for producing model elementsInfo
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- EP1085972A1 EP1085972A1 EP99950332A EP99950332A EP1085972A1 EP 1085972 A1 EP1085972 A1 EP 1085972A1 EP 99950332 A EP99950332 A EP 99950332A EP 99950332 A EP99950332 A EP 99950332A EP 1085972 A1 EP1085972 A1 EP 1085972A1
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- acrylate
- acid esters
- decyl
- butyl
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Classifications
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- B29K2033/00—Use of polymers of unsaturated acids or derivatives thereof as moulding material
- B29K2033/04—Polymers of esters
Definitions
- the invention relates to a process for the production of model bodies, in which, using plastics, in the form of selected bead polymers, any three-dimensional structure can be built up using selective sintering using laser light.
- the invention also relates to a special material that is particularly suitable for laser sintering.
- the invention particularly relates to a method for producing three-dimensional
- Rapid prototyping is the term used to summarize the computer-controlled, additive, automatic model building processes known today.
- Laser sintering is a rapid prototyping process in which fillings made of certain powdery materials are heated and fused or sintered at certain points in the room under the influence of laser beams, preferably controlled by a program.
- Low-melting metals are sintered in a process for the production of three-dimensional tools for the shaping of thermoplastic plastic using a rapid prototyping system.
- Low-melting metals and / or metal alloys with a melting point below 200 ° C. are used in the form of metal powder or metal foils free from plastic binders or metallic binders.
- the energy of the laser radiation used is set up in accordance with the melting point of the metals and / or metal alloys used. With this procedure none Models are created from plastics. It is also not possible to obtain metal models from high-melting metals.
- the process serves both for the production of plastic models and for the production of positive preforms for ceramic casting molds.
- a disadvantage of the known plastic powders is their poor flowability, which can only be partially reduced by the use of flow aids.
- Polystyrene for the preform is feasible, but the surface quality of the preform is not fully satisfactory.
- the polymer preform is then surrounded with ceramic material that is fired at high temperatures for solidification.
- the polymer material is volatilized during this process. Complete volatilization is desired.
- the object of the invention was to find a material suitable for the sintering process by means of lasers which has a smooth to fine-grained surface after
- the invention relates to a method for producing three-dimensional
- the weight average is given here.
- Bead polymers with an average particle diameter of 5 to 100 ⁇ m are particularly suitable for the process according to the invention.
- the bead polymers to be used according to the invention have much more favorable flow properties than ground other plastics and therefore do not require any flow aids to improve their flow properties.
- the bead polymer does not leave any troublesome residues when it is incinerated, for example as the core of a hollow ceramic mold.
- plastic models which are primarily created using laser sintering, are further processed in subsequent processes for investment casting.
- the model is immersed in a slurried ceramic mass and the model coated with ceramic material is fired in the furnace.
- the model should burn completely when fired and leave the free hollow shape made of ceramic. Since conventional ground plastics do not burn completely due to the flow aid, the metallic models subsequently cast in the ceramic mold often have surface inaccuracies.
- the bead polymers for the purposes of the present invention are polymer particles which are largely spherical.
- Different processes for the production of spherical particles are known, for example polymerization processes such as suspension or. Bead polymerization, dispersion polymerization, seed feed polymerization, further atomization techniques and precipitation processes. So bead polymers with a particle size of about 10 to 200 microns can be obtained by suspension polymerization or bead polymerization.
- suspension polymerization is understood to mean a process in which a monomer or a monomer-containing mixture which contains an initiator soluble in the monomer (s) in a phase which is essentially immiscible with the monomer (s) and which contains a dispersant, in the form of droplets, optionally in a mixture with small, solid particles, and is cured by increasing the temperature with stirring. Further details of the suspension polymerization are published, for example, in the publication "Polymer Processes" CE Schildknecht, published in 1956 by Interscience Publishers, Inc. New York, described in the chapter “Polymerization in Suspension” on pages 69 to 109.
- Bead polymers with a particle size of 2 to 10 ⁇ m can be produced by the so-called dispersion polymerization.
- a suitable method is described, for example, in EP-A-610 522.
- Dispersion polymerization uses a solvent in which the monomers used are soluble but the polymer formed is insoluble.
- Dispersion polymerization generally provides bead polymers with a narrow particle size distribution.
- the bead polymers to be used according to the invention preferably consist of homopolymers or copolymers of monoethylenically unsaturated compounds (monomers).
- copolymers are understood to be polymers which are composed of two or more different monomers. Suitable monomers are e.g. Styrene, alpha-methylstyrene, chlorostyrene,
- Acrylic acid esters such as ethyl acrylate, butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, dodecyl acrylate, methacrylic acid esters, such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, isopropyl methacrylate, n-butyl methacrylate, iso-butyl methacrylate, hexyl methacrylate, 2-ethyl decyl methyl acrylate, methacrylate methacrylate, Methacrylonitrile, methacrylamide and vinyl acetate.
- methacrylic acid esters such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, isopropyl methacrylate, n-butyl methacrylate, iso-butyl methacrylate, hexyl methacrylate, 2-ethyl decyl methyl acrylate, methacrylate methacryl
- homo- and copolymers of methacrylic acid esters and / or acrylic acid esters are particularly preferred.
- Polymethyl methacrylate and copolymers with a proportion of more than 60% by weight of methyl methacrylate units are particularly preferred.
- Well-suited copolymers are, for example, those which are 60 to 98
- % By weight of methyl methacrylate units and 2 to 40% by weight of units of acrylic acid esters and / or methacrylic acid esters having 4 to 18 carbon atoms in the alcohol part, in particular copolymers of methyl methacrylate with one or more monomers from the group: n-butyl acrylate, iso- Butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, dodecyl acrylate, n-butyl methacrylate, iso-butyl methacrylate acrylate, hexyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, stearyl methacrylate.
- the molecular weight of the bead polymers can be important for the suitability for the process according to the invention.
- the molecular weight should in particular be from 10,000 to 1,000,000, preferably from 10,000 to 500,000, particularly preferably from 20,000 to 250,000 g / mol.
- molecular weight regulators can be used in the preparation of the bead polymers. Suitable molecular weight regulators are especially sulfur compounds, e.g. n-butyl mercaptan, dodecyl mercaptan, ethyl thioglycolate and diisopropyl xanthogen disulfide.
- the sulfur-free regulators mentioned in DE 3 010 373 are also very suitable for adjusting the molecular weight, for example the enol ethers of the formula I.
- Suitable laser types are all that bring the bead polymer to sintering, fusing or crosslinking, in particular CO2 laser (10 ⁇ m) ND-YAG laser (1,060 nm) He-Ne laser (633 nm) or dye laser (350-1,000 nm). A CO 2 laser is used before.
- the energy density in the bed is preferably from 0.1 to 10 J / mm 3 during irradiation.
- the effective diameter of the laser beam is preferably from 0.01 to 0.5 nm, preferably 0.1 to 0.5 nm, depending on the application.
- Pulsed lasers are preferably used, a high pulse frequency, in particular from 1 to 100 kHz, having proven particularly suitable.
- the preferred procedure can be described as follows:
- the laser beam strikes the uppermost layer of the bed of the material to be used according to the invention and sinters the material in a certain layer thickness.
- This layer thickness can be from 0.01 mm to 1 mm, preferably from 0.05 to 0.5 mm.
- the working space is then lowered by an amount which is less than the thickness of the sintered layer.
- the work space is filled up to the original height with additional polymer material.
- the second layer of the component is sintered and connected to the previous layer. By repeating the process, the additional layers are created until the component is finished.
- the exposure speed when scanning the laser is preferably 1 to 1,000 mm / s. Typically a speed of about 100 mm / s is used.
- the invention also relates to the models obtainable by the process according to the invention.
- Another object of the invention is the use of the models which are produced by the method according to the invention for the production of preforms, in particular of ceramic, for the investment casting of metals.
- Figure 1 shows the simplified schematic representation of a rapid prototyping
- Examples 1 to 6 below show the production of suitable fine-particle plastic material for laser sintering.
- the rapid prototyping system used to manufacture the models has the following basic structure (FIG. 1).
- the beam from an IR laser 1 is directed via a deflecting mirror 2 according to the specification of a scanner unit (not shown) onto the surface of the bed 4 of a bead polymer, which is held in a round shape 5 with a movable lower punch 6.
- Layers 3a, 3b of sintered plastic material are formed by the exposure. After each exposure and generation of a layer (e.g. 3b), the
- Stamp 6 lowered by a layer thickness and the bed 4 supplemented with new plastic material, which is exposed in the next step, whereby the next layer 3 a of the model body is generated.
- Bead polymer was isolated by centrifugation, washed with methanol and dried at 50 ° C. 780 g of a bead polymer with an average particle size of 5.3 ⁇ m were obtained.
- the average molecular weight M w was 110,000 g / mol.
- Enol ethers according to formula I were mixed to form a homogeneous solution.
- the solution was transferred to a stirred reactor which had previously been treated with 1.5 liters of a 1% strength by weight aqueous alkaline solution of a copolymer of 50% by weight methacrylic acid and 50% by weight adjusted to pH 8 with sodium hydroxide solution .-% methyl methacrylate had been filled.
- the stirring speed was set at 420 revolutions per minute.
- the temperature was held at 78 ° C for 8 hours and then at 85 ° C for 1 hour.
- the mixture was then cooled to room temperature, the bead polymer obtained was isolated by decanting, washed several times with water and dried at 60.degree. 465 g of a bead polymer with an average particle size of 45 ⁇ m were obtained.
- the temperature was held at 55 ° C for one hour, then at 75 ° C for 12 hours and then at 90 ° C for 4 hours.
- the mixture was then cooled to room temperature, the bead polymer obtained was isolated by filtration through a 32 ⁇ m filter cloth, washed several times with water and dried at 35 ° C. under 20 mbar vacuum. After sieving through a 125 ⁇ m sieve, a bead polymer with a Staudinger index, [ ⁇ ], (Ubbelohde capillary viscometer in chloroform at 25 ° C.) of 1.01 dl / g was obtained, which had a molecular weight M w of 250,000 g / Mol corresponds.
- the flowability of some polymers was quantified by means of determination of the angle of repose and determination of the flow angle.
- the angle of repose is here
- the cone is created by discharging the bulk material from a funnel with a narrow outlet onto a flat surface.
- the flow angle is the angle that an inclined surface makes in relation to the horizontal, and at which bulk material spread over the surface begins to flow under the influence of gravity.
- the plastic powder is sintered in a model system.
- the plastic powder is exposed in layers at a speed of 1 mm s under an infrared laser with a wavelength of 10,000 nm (CO 2 laser) at a maximum temperature of 500 ° C.
- the plastic powders tested from Examples 7 and 8 were sintered.
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Abstract
The invention relates to a method for producing model elements, according to which any desired three-dimensional structure can be obtained using plastic materials, especially selected bead polymers, by means of selective sintering with laser light. The invention also relates to a special material which is especially well suited for laser sintering. A bead polymer consisting of a homo- or copolymer of monoethylenically unsaturated compounds with an average particle diameter of 2 to 200 °m is used as a plastic powder.
Description
Verfahren und Material zur Herstellung von ModellkörpernProcess and material for the production of model bodies
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.The invention relates to a process for the production of model bodies, in which, using plastics, in the form of selected bead polymers, any three-dimensional structure can be built up using selective sintering using laser light. The invention also relates to a special material that is particularly suitable for laser sintering.
Die Erfindung betrifft speziell ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalenThe invention particularly relates to a method for producing three-dimensional
Modellen aus Kunststoff nach Maßgabe von gespeicherten, geometrischen Daten mit Hilfe einer mit Laserstrahlen arbeitenden, computergestützten Anlage zur Direktherstellung von Prototypen und Modellen (Rapid-prototyping- Anlage).Plastic models according to stored, geometric data with the help of a computer-aided laser-based system for the direct production of prototypes and models (rapid prototyping system).
Unter dem Begriff Rapid-prototyping werden die heute bekannten computergesteuerten, additiven, automatischen Modellbauverfahren zusammengefaßt. Das • Lasersintern 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 verschmelzt oder versintert werden.Rapid prototyping is the term used to summarize the computer-controlled, additive, automatic model building processes known today. Laser sintering is a rapid prototyping process in which fillings made of certain powdery materials are heated and fused or sintered at certain points in the room under the influence of laser beams, preferably controlled by a program.
Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der Patentschrift DE 19 701 078 Cl 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 Metallfolien 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 Metallmodelle aus hochschmelzenden Metallen zu erhalten.Such a method is described for example in the patent DE 19 701 078 Cl. Low-melting metals are sintered in a process for the production of three-dimensional tools for the shaping of thermoplastic plastic using a rapid prototyping system. Low-melting metals and / or metal alloys with a melting point below 200 ° C. are used in the form of metal powder or metal foils free from plastic binders or metallic binders. The energy of the laser radiation used is set up in accordance with the melting point of the metals and / or metal alloys used. With this procedure none Models are created from plastics. It is also not possible to obtain metal models from high-melting metals.
Die Verwendung von Kunststoffpulvern zum Lasersintern ist auch bekannt (A. Gebhardt: „Rapid Prototyping", Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1996, S. 115-The use of plastic powders for laser sintering is also known (A. Gebhardt: "Rapid Prototyping", Carl Hanser Verlag, Munich, Vienna, 1996, p. 115-
116). Das Verfahren dient sowohl zur Herstellung von Kunststoffmodellen als auch zur Anfertigung von positiven Vorformen für Keramikgießformen.116). The process serves both for the production of plastic models and for the production of positive preforms for ceramic casting molds.
Ein Nachteil der bekannten Kunststoffpulvern ist ihre schlechte Rieselfähigkeit, die durch die Verwendung von Rieselhilfsmitteln nur teilweise reduziert werden kann.A disadvantage of the known plastic powders is their poor flowability, which can only be partially reduced by the use of flow aids.
Wegen der schlechten Rieselfähigkeit ist der Transport in der Lasersinteranlage erschwert.Because of the poor free-flowing properties, transportation in the laser sintering system is difficult.
Bei der Herstellung von positiven Vorformen für Keramik treten folgende zusätzliche Probleme auf. Die Sinterung von gemahlenem Polymer, z.B. vonThe following additional problems arise in the manufacture of positive preforms for ceramics. The sintering of ground polymer, e.g. of
Polystyrol, zur Vorform ist zwar durchführbar, aber die Oberflächengüte der Vorform ist nicht voll befriedigend. Die Polymervorform wird anschließend mit Keramikmaterial umgeben, das bei hohen Temperaturen zur Verfestigung gebrannt wird. Das Polymermaterial wird bei diesem Vorgang verflüchtigt. Gewünscht wird eine vollständige Verflüchtigung. Die meisten Polymerpulver lassen sich jedoch beim Brennen wegen der Verwendung von Rieselhilfsmitteln nicht rückstandslos entfernen.Polystyrene for the preform is feasible, but the surface quality of the preform is not fully satisfactory. The polymer preform is then surrounded with ceramic material that is fired at high temperatures for solidification. The polymer material is volatilized during this process. Complete volatilization is desired. Most polymer powders, however, cannot be removed without residue when burning due to the use of flow aids.
Aufgabe der Erfindung war es, ein für den Sinterungsprozeß mittels Lasern geeignetes Material zu finden, das eine glatte bis feinkörnige Oberfläche nach demThe object of the invention was to find a material suitable for the sintering process by means of lasers which has a smooth to fine-grained surface after
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.Sintering forms and which can be almost completely incinerated, if necessary, at conventional burner temperatures for firing ceramic, in particular at a temperature of more than 1100 ° C.
Die Aufgabe wird durch die Verwendung von speziellen Kunststoffpulvern gelöst, inThe task is solved by using special plastic powders, in
Form von Perlpolymerisaten aus Homo- oder Copolymerisat von monoethylenisch
ungesättigten Verbindungen, bevorzugt Copolymerisat mit Methylmetacrylat- oder Styroleinheiten, mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2 bis 200 μm, als Sintermaterial beim Sintern mittels Lasern.Form of polymer beads from homo- or copolymer of monoethylenic unsaturated compounds, preferably copolymers with methyl methacrylate or styrene units, with an average particle diameter of 2 to 200 μm, as sintered material during sintering by means of lasers.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalenThe invention relates to a method for producing three-dimensional
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 10.000 nm, wobei Laserstrahlen entsprechend der geometrischen Daten auf bestimmte Raumzonen einer Schüttung eines feinkörnigen Kunststoffpulvers gelenkt werden und das Material verschmelzt oder 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 Teilchendurchmesser von 2 bis 200 μm verwendet wird.Models made of plastic in accordance with stored, geometric data with the aid of laser beams of a wavelength of 200 to 20,000 nm, preferably 500 to 10,000 nm, controlled according to this data, laser beams being directed to certain spatial zones of a bed of a fine-grained plastic powder in accordance with the geometric data, and the material is fused or sintered, characterized in that a bead polymer made from homo- or copolymer of monoethylenically unsaturated compounds, preferably a copolymer made from methyl methacrylate or styrene, with an average particle diameter of 2 to 200 μm is used as the plastic powder.
Bei der Bestimmung der Teilchendurchmesser (Teilchengröße) wird hier das Gewichtsmittel angegeben.When determining the particle diameter (particle size), the weight average is given here.
Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet sind Perlpolymerisate mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 bis 100 μm.Bead polymers with an average particle diameter of 5 to 100 μm are particularly suitable for the process according to the invention.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Perlpolymerisate haben viel günstigere Fließeigenschaften als gemahlene andere Kunststoffe und benötigen daher keine Rieselhilfsmittel zur Verbesserung ihrer Fließeigenschaften.The bead polymers to be used according to the invention have much more favorable flow properties than ground other plastics and therefore do not require any flow aids to improve their flow properties.
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 Kunststoffteilchen 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.Another important advantage of the bead polymer is that it does not leave any troublesome residues when it is incinerated, for example as the core of a hollow ceramic mold. In the case of ground plastic particles mixed with free-flowing auxiliaries, it was observed that they do not incinerate without residues. This is of particular importance if the plastic models, which are primarily created using laser sintering, are further processed in subsequent processes for investment casting. For this purpose, for example after brushing the model produced with the method according to the invention with wax to further improve the model surface, the model is immersed in a slurried ceramic mass and the model coated with ceramic material is fired in the furnace. The model should burn completely when fired and leave the free hollow shape made of ceramic. Since conventional ground plastics do not burn completely due to the flow aid, the metallic models subsequently cast in the ceramic mold often have surface inaccuracies.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Perlpolymerisaten ergibt sich hinsichtlich der Oberflächengenauigkeit und Oberflächenrauhigkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Modelle. Aufgrund ihrer runden Form und ihrer guten Fließeigenschaften werden die mit den bevorzugten Perlpolymerisaten hergestellten Modelle glatter und damit auch genauer.Another advantage of the use of bead polymers results in the surface accuracy and surface roughness of the models produced by the process according to the invention. Due to their round shape and their good flow properties, the models made with the preferred bead polymers are smoother and therefore more precise.
Die Perlpolymerisate im Sinne der vorliegendenen Erfindung sind Polymerpartikel, die weitgehend kugelförmig sind. Es sind unterschiedliche Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Partikel bekannt, z.B. Polymerisationsverfahren wie Suspensionsbzw. Perlpolymerisation, Dispersionspolymerisation, Saat-Zulaufpolymerisation, des weiteren Verdüsungstechniken und Fällungsverfahren. So können Perlpolymerisate mit einer Teilchengröße von ca. 10 bis 200 μm durch Suspensionspolymerisation bzw. Perlpolymerisation erhalten werden. Unter dem Begriff Suspensions- polymerisation 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.The bead polymers for the purposes of the present invention are polymer particles which are largely spherical. Different processes for the production of spherical particles are known, for example polymerization processes such as suspension or. Bead polymerization, dispersion polymerization, seed feed polymerization, further atomization techniques and precipitation processes. So bead polymers with a particle size of about 10 to 200 microns can be obtained by suspension polymerization or bead polymerization. The term suspension polymerization is understood to mean a process in which a monomer or a monomer-containing mixture which contains an initiator soluble in the monomer (s) in a phase which is essentially immiscible with the monomer (s) and which contains a dispersant, in the form of droplets, optionally in a mixture with small, solid particles, and is cured by increasing the temperature with stirring. Further details of the suspension polymerization are published, for example, in the publication "Polymer Processes" CE Schildknecht, published in 1956 by Interscience Publishers, Inc. New York, described in the chapter "Polymerization in Suspension" on pages 69 to 109.
Perlpolymerisate mit einer Teilchengröße 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 Dispersionspolymerisation 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.Bead polymers with a particle size of 2 to 10 μm can be produced by the so-called dispersion polymerization. A suitable method is described, for example, in EP-A-610 522. Dispersion polymerization uses a solvent in which the monomers used are soluble but the polymer formed is insoluble. Dispersion polymerization generally provides bead polymers with a narrow particle size distribution.
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,The bead polymers to be used according to the invention preferably consist of homopolymers or copolymers of monoethylenically unsaturated compounds (monomers). For the purposes of the invention, copolymers are understood to be polymers which are composed of two or more different monomers. Suitable monomers are e.g. Styrene, alpha-methylstyrene, chlorostyrene,
Acrylsäurester, wie Etylacrylat, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat, Dodecylacrylat, Methacrylsäureester, wie Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Isopropylmethacrylat, n-Butylmethacrylat, iso-Butylmethacrylat, Hexylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecylmethacrylat, Stearylmeth- acrylat, des weiteren Acrylnitril, Methacrylnitil, Methacrylamid und Vinylacetat.Acrylic acid esters, such as ethyl acrylate, butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, dodecyl acrylate, methacrylic acid esters, such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, isopropyl methacrylate, n-butyl methacrylate, iso-butyl methacrylate, hexyl methacrylate, 2-ethyl decyl methyl acrylate, methacrylate methacrylate, Methacrylonitrile, methacrylamide and vinyl acetate.
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 98Homo- and copolymers of methacrylic acid esters and / or acrylic acid esters are particularly preferred. Polymethyl methacrylate and copolymers with a proportion of more than 60% by weight of methyl methacrylate units are particularly preferred. Well-suited copolymers are, for example, those which are 60 to 98
Gew.-% Methylmethacrylateinheiten und 2 bis 40 Gew.-% Einheiten von Acrylsäureestern 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-Butylmeth-
acrylat, Hexylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecyl- methacrylat, Stearylmethacrylat.% By weight of methyl methacrylate units and 2 to 40% by weight of units of acrylic acid esters and / or methacrylic acid esters having 4 to 18 carbon atoms in the alcohol part, in particular copolymers of methyl methacrylate with one or more monomers from the group: n-butyl acrylate, iso- Butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, dodecyl acrylate, n-butyl methacrylate, iso-butyl methacrylate acrylate, hexyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, stearyl methacrylate.
Es hat sich gezeigt, daß das Molekulargewicht der Perlpolymerisate für die Eignung für das erfindungsgemäße Verfahren von Wichtigkeit sein kann. Das Molekulargewicht (Gewichtsmittel, Mw) soll insbesondere von 10.000 bis 1.000.000, vorzugsweise von 10.000 bis 500.000, besonders bevorzugt von 20.000 bis 250.000 g/Mol betragen. Zur Einstellung des gewünschten Molekulargewichtes können Molekulargewichtsregler bei der Herstellung der Perlpolymerisate eingesetzt werden. Geeignete Molekulargewichtsregler sind insbesondere Schwefelverbindungen, z.B. n-Butylmercaptan, Dodecylmercaptan, Thioglycolsäureethylester und Diisopropyl- xanthogendisulfid. Auch die in der DE 3 010 373 genannten schwefelfreien Regler sind sehr gut zur Einstellung des Molekulargewichtes geeignet, beispielsweise der Enolether nach Formel IIt has been shown that the molecular weight of the bead polymers can be important for the suitability for the process according to the invention. The molecular weight (weight average, Mw) should in particular be from 10,000 to 1,000,000, preferably from 10,000 to 500,000, particularly preferably from 20,000 to 250,000 g / mol. To set the desired molecular weight, molecular weight regulators can be used in the preparation of the bead polymers. Suitable molecular weight regulators are especially sulfur compounds, e.g. n-butyl mercaptan, dodecyl mercaptan, ethyl thioglycolate and diisopropyl xanthogen disulfide. The sulfur-free regulators mentioned in DE 3 010 373 are also very suitable for adjusting the molecular weight, for example the enol ethers of the formula I.
Geeignete Lasertypen sind alle, die das Perlpolymerisat zum Versintern, Verschmelzen oder Vernetzen bringen, insbesondere CO2 Laser (10 μm) ND-YAG Laser (1.060 nm) He-Ne-Laser (633 nm) oder Farbstofflaser (350-1.000 nm). Bevor zugt wird ein CO2 Laser verwendet.Suitable laser types are all that bring the bead polymer to sintering, fusing or crosslinking, in particular CO2 laser (10 μm) ND-YAG laser (1,060 nm) He-Ne laser (633 nm) or dye laser (350-1,000 nm). A CO 2 laser is used before.
Die Energiedichte in der Schüttung beträgt bei der Bestrahlung vorzugsweise von 0, 1 bis 10 J/mm3.The energy density in the bed is preferably from 0.1 to 10 J / mm 3 during irradiation.
Der Wirkdurchmesser des Laserstrahles beträgt vorzugweise je nach Anwendung von 0,01 bis 0,5 nm, bevorzugt 0,1 bis 0,5 nm.
Bevorzugt werden gepulste Laser verwendet, wobei sich eine hohe Pulsfrequenz, insbesondere von 1 bis 100 kHz, als besonderes geeignet erwiesen hat.The effective diameter of the laser beam is preferably from 0.01 to 0.5 nm, preferably 0.1 to 0.5 nm, depending on the application. Pulsed lasers are preferably used, a high pulse frequency, in particular from 1 to 100 kHz, having proven particularly suitable.
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.The preferred procedure can be described as follows: The laser beam strikes the uppermost layer of the bed of the material to be used according to the invention and sinters the material in a certain layer thickness. This layer thickness can be from 0.01 mm to 1 mm, preferably from 0.05 to 0.5 mm. In this way, the first layer of the desired component is created. The working space is then lowered by an amount which is less than the thickness of the sintered layer. The work space is filled up to the original height with additional polymer material. By re-irradiation with the laser, the second layer of the component is sintered and connected to the previous layer. By repeating the process, the additional layers are created until the component is finished.
Die Belichtungsgeschwindigkeit bei der Abtastung des Lasers beträgt vorzugsweise 1 bis 1.000 mm/s. Typischerweise wird eine Geschwindigkeit von etwa 100 mm/s angewendet.The exposure speed when scanning the laser is preferably 1 to 1,000 mm / s. Typically a speed of about 100 mm / s is used.
Gegenstand der Erfindung sind auch die Modelle erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.The invention also relates to the models obtainable by the process according to the invention.
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.Another object of the invention is the use of the models which are produced by the method according to the invention for the production of preforms, in particular of ceramic, for the investment casting of metals.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Figur 1 beispielhaft näher erläutert, ohne daß dadurch die Erfindung im Einzelnen eingeschränkt wird.The invention is explained in more detail below by way of example with reference to FIG. 1, without the invention being restricted thereby in detail.
Figur 1 zeigt die vereinfachte schematische Darstellung einer Rapid-prototyping-Figure 1 shows the simplified schematic representation of a rapid prototyping
Anlage.
BeispieleInvestment. Examples
Die nachfolgenden Beispiele 1 bis 6 zeigen die Herstellung von geeignetem fein- teiligen Kunststoffmaterial für das Lasersintern.Examples 1 to 6 below show the production of suitable fine-particle plastic material for laser sintering.
Die zur Herstellung der Modelle verwendete Rapid-prototyping-Anlage hat folgenden grundsätzlichen Aufbau (Fig. 1).The rapid prototyping system used to manufacture the models has the following basic structure (FIG. 1).
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.The beam from an IR laser 1 is directed via a deflecting mirror 2 according to the specification of a scanner unit (not shown) onto the surface of the bed 4 of a bead polymer, which is held in a round shape 5 with a movable lower punch 6.
Durch die Belichtung werden Lagen 3 a, 3 b von gesintertem Kunststoffmaterial gebildet. Jeweils nach Belichtung und Erzeugung einer Lage (z.B. 3b) wird derLayers 3a, 3b of sintered plastic material are formed by the exposure. After each exposure and generation of a layer (e.g. 3b), the
Stempel 6 um eine Lagendicke abgesenkt und die Schüttung 4 mit neuem Kunststoffmaterial ergänzt, das im nächsten Schritt belichtet wird, wodurch die nächste Lage 3 a des Modellkörpers erzeugt wird.Stamp 6 lowered by a layer thickness and the bed 4 supplemented with new plastic material, which is exposed in the next step, whereby the next layer 3 a of the model body is generated.
Beispiel 1example 1
Herstellung eines Perlpolymerisates mit 5,3 μm Teilchengröße durch DispersionspolymerisationProduction of a bead polymer with a particle size of 5.3 μm by dispersion polymerization
In einem Reaktionsreaktor mit Rückflußkühler, Rührer und Thermometer wurdenIn a reaction reactor with reflux condenser, stirrer and thermometer
560 g Polyvinylpyrrolidon, 80 g Methyltricaprylammoniumchlorid, 6,4 g Azodiiso- butyronitril und 0,64 g Dodecylmercaptan in einem Lösungsmittelgemisch aus 14 1 Methanol und 2 1 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 gebildete560 g of polyvinylpyrrolidone, 80 g of methyltricaprylammonium chloride, 6.4 g of azodiisobutyronitrile and 0.64 g of dodecyl mercaptan dissolved in a solvent mixture of 14 l of methanol and 2 l of ethanol. 950 g of methyl methacrylate and 50 g of n-butyl acrylate were added to the solution. The resulting mixture was refluxed with stirring for 5 hours and then cooled to 25 ° C. The educated
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.Bead polymer was isolated by centrifugation, washed with methanol and dried at 50 ° C. 780 g of a bead polymer with an average particle size of 5.3 μm were obtained. The average molecular weight M w was 110,000 g / mol.
Beispiel 2Example 2
Herstellung eines Perlpolymerisates mit 45 μm Teilchengröße durch Perlpolymerisation.Production of a bead polymer with a particle size of 45 μm by bead polymerization.
450 g Methylmethacrylat, 50 g Ethylhexylacrylat, 5 g Dibenzoylperoxid und 1 g450 g methyl methacrylate, 50 g ethyl hexyl acrylate, 5 g dibenzoyl peroxide and 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 eingestellten 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 mittlereEnol ethers according to formula I were mixed to form a homogeneous solution. The solution was transferred to a stirred reactor which had previously been treated with 1.5 liters of a 1% strength by weight aqueous alkaline solution of a copolymer of 50% by weight methacrylic acid and 50% by weight adjusted to pH 8 with sodium hydroxide solution .-% methyl methacrylate had been filled. The stirring speed was set at 420 revolutions per minute. The temperature was held at 78 ° C for 8 hours and then at 85 ° C for 1 hour. The mixture was then cooled to room temperature, the bead polymer obtained was isolated by decanting, washed several times with water and dried at 60.degree. 465 g of a bead polymer with an average particle size of 45 μm were obtained. The middle one
Molekulargewicht Mw betrug 125 000 g/Mol.Molecular weight M w was 125,000 g / mol.
Beispiel 3Example 3
Herstellung eines Perlpolymerisates mit 50 μm Teilchengröße durch Perlpolymerisation.Production of a bead polymer with a particle size of 50 μm by bead polymerization.
600 g Methylmethacrylat, 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 aus600 g of methyl methacrylate, 9 g of dibenzoyl peroxide (75% in water) and 12 g of enol ether according to formula I were mixed to form a homogeneous solution. The solution was transferred to a stirred reactor which previously consisted of a solution
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 0,50 dl/g, was einem Molekulargewicht Mw von 110 000 g/Mol entspricht.2.0 liters of water and 8 g of polyvinyl pyrrolidone K90 had been filled. The The speed of the blade stirrer was set at 600 revolutions per minute. The temperature was held at 55 ° C for one hour, then at 75 ° C for 12 hours and then at 90 ° C for 4 hours. The mixture was then cooled to room temperature, the bead polymer obtained was isolated by filtration through a 32 μm filter cloth, washed several times with water and dried at 35 ° C. under 20 mbar vacuum. After sieving through a 125 μm sieve, a bead polymer with a Staudinger index, [η], (Ubbelohde capillary viscometer in chloroform at 25 ° C.) of 0.50 dl / g was obtained, which has a molecular weight M w of 110,000 g / Mol corresponds.
Beispiel 4Example 4
Herstellung eines Perlpolymerisates mit 40 μm Teilchengröße durch Perlpolymerisation.Production of a bead polymer with a particle size of 40 μm by bead polymerization.
510 g Methylmethacrylat, 90 g n-Butylmethacrylat, 9 g Dibenzoylperoxid (75%-ig in510 g methyl methacrylate, 90 g n-butyl methacrylate, 9 g dibenzoyl peroxide (75% 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 inWater) and 12 g of enol ether according to formula I were mixed to a homogeneous solution. The solution was transferred to a stirred reactor which had previously been filled with a solution consisting of 2.0 liters of water and 8 g of polyvinylpyrrolidone K90. The speed of the blade stirrer was set to 600 revolutions per minute. The temperature was held at 55 ° C for one hour, then at 75 ° C for 12 hours and then at 90 ° C for 4 hours. The mixture was then cooled to room temperature, the bead polymer obtained was isolated by filtration through a 32 μm filter cloth, washed several times with water and dried at 35 ° C. under 20 mbar vacuum. After sieving through a 125 μm sieve, a bead polymer with a Staudinger index, [η], (Ubbelohde capillary viscometer in
Chloroform bei 25°C) von 0,48 dl/g, was einem Molekulargewicht Mw von 100 000 g/Mol entspricht.
Beispiel 5Chloroform at 25 ° C) of 0.48 dl / g, which corresponds to a molecular weight M w of 100,000 g / mol. Example 5
Herstellung eines Perlpolymerisates mit 40 μm Teilchengröße durch Perlpolymerisation.Production of a bead polymer with a particle size of 40 μm by bead polymerization.
600 g Methylmethacrylat, 6 g Dibenzoylperoxid (75%-ig in Wasser) und 3 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 20 g Polyvinylpyrrolidon K90, gefüllt worden war. Die Geschwindigkeit der Blattrührer wurde auf 600 Umdrehungen pro Minute eingestellt.600 g of methyl methacrylate, 6 g of dibenzoyl peroxide (75% in water) and 3 g of enol ether according to formula I were mixed to form a homogeneous solution. The solution was transferred to a stirred reactor which had previously been filled with a solution consisting of 2.0 liters of water and 20 g of K90 polyvinylpyrrolidone. The speed of the blade stirrer was set to 600 revolutions per minute.
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.The temperature was held at 55 ° C for one hour, then at 75 ° C for 12 hours and then at 90 ° C for 4 hours. The mixture was then cooled to room temperature, the bead polymer obtained was isolated by filtration through a 32 μm filter cloth, washed several times with water and dried at 35 ° C. under 20 mbar vacuum. After sieving through a 125 μm sieve, a bead polymer with a Staudinger index, [η], (Ubbelohde capillary viscometer in chloroform at 25 ° C.) of 1.01 dl / g was obtained, which had a molecular weight M w of 250,000 g / Mol corresponds.
Beispiel 6Example 6
Herstellung eines Perlpolymerisates mit 40 μm Teilchengröße durch Perlpolymerisation.Production of a bead polymer with a particle size of 40 μm by bead polymerization.
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 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 0,96 dl/g, was einem Molekulargewicht Mw von 230 000 g/Mol entspricht.510 g of methyl methacrylate, 90 g of n-butyl methacrylate, 6 g of dibenzoyl peroxide (75% in water) and 3 g of enol ether according to formula I were mixed to form a homogeneous solution. The solution was transferred to a stirred reactor which had previously been filled with a solution consisting of 2.0 liters of water and 20 g of K90 polyvinylpyrrolidone. The speed of the blade stirrer was set to 600 revolutions per minute. The temperature was held at 55 ° C for one hour, then at 75 ° C for 12 hours and then at 90 ° C for 4 hours. The mixture was then cooled to room temperature, the bead polymer obtained by filtering through a 32 μm Filter cloth isolated, washed several times with water and dried at 35 ° C under 20 mbar vacuum. After sieving through a 125 μm sieve, a bead polymer with a Staudinger index, [η], (Ubbelohde capillary viscometer in chloroform at 25 ° C.) of 0.96 dl / g was obtained, which has a molecular weight M w of 230,000 g / Mol corresponds.
Beispiel 7Example 7
Es wurde die Rieselfähigkeit einiger Polymerer mittels Schüttwinkelbestimmungen und Fließwinkelbestimmungen quantifiziert. Unter Schüttwinkel wird hier derThe flowability of some polymers was quantified by means of determination of the angle of repose and determination of the flow angle. The angle of repose is here
Winkel zwischen der Flanke eines Schüttkegels des pulverförmigen Polymeren und der Senkrechten auf der Unterlage des Schüttkegels verstanden. Der Schüttkegel wird dabei erzeugt, in dem das Schüttgut aus einem Trichter mit schmalen Auslauf auf eine ebene Fläche ausgelassen wird.Understand the angle between the flank of a pouring cone of the powdery polymer and the vertical on the base of the pouring cone. The cone is created by discharging the bulk material from a funnel with a narrow outlet onto a flat surface.
Als Fließwinkel wird der Winkel bezeichnet, den eine geneigte Fläche in Bezug zur Horizontalen einnimmt, und bei dem auf der Fläche ausgebreitetes Schüttgut unter dem Einfluß der Schwerkraft zu fließen beginnt.The flow angle is the angle that an inclined surface makes in relation to the horizontal, and at which bulk material spread over the surface begins to flow under the influence of gravity.
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht zeigt sich, daß ein Perlpolymerisat gemäß Beispiel 4As can be seen from Table 1, it can be seen that a bead polymer according to Example 4
Vorteile gegenüber amorphen gemahlenen Werkstoffen wie Polycarbonat und Polystyrol hat.Has advantages over amorphous ground materials such as polycarbonate and polystyrene.
Auf die Zugabe von Rieselhilfen, wie es bei den gemahlenen Werkstoffen der Fall ist, kann aufgrund der runden Form verzichtet werden. Schüttwinkelbestimmungen bestätigen die gute Verarbeitungsfähigkeit in den Sinteranlagen. So hat sich gezeigt, daß Perlpolymerisate aufgrund ihrer Form rieselfähiger sind als gemahlene Polymergranulate mit zugesetzten Rieselhilfen.
Tabelle 1 Rieselfähigkeitsbestimmung von SinterwerkstoffenThe addition of pouring aids, as is the case with the ground materials, can be dispensed with due to the round shape. Angle of repose determinations confirm the good processability in the sintering plants. It has been shown that, because of their shape, bead polymers are more flowable than ground polymer granules with added flow aids. Table 1 Free-flowing determination of sintered materials
*) Polycarbonat mit einer mittleren Teilchengröße von 40 μm **) Polystyrol mit einer mittleren Teilchengröße von 40 μm*) Polycarbonate with an average particle size of 40 μm **) Polystyrene with an average particle size of 40 μm
Je kleiner Fließwinkel und Schüttwinkel sind, desto fließfähiger ist das Material. Mit steigendem Durchmesser des Schüttkegels nimmt die Fließfähigkeit zu.The smaller the flow angle and angle of repose, the more flowable the material. The flowability increases with increasing diameter of the pouring cone.
Beispiel 8Example 8
Es wurde noch das Veraschung einiger Polymerer untersucht (Ergebnisse siehe Tabelle 2).The ashing of some polymers was also examined (for results see Table 2).
Die Veraschung der Werkstoffe hat ergeben, daß keine Reststoffe bei Verwendung des Perlpolymerisates aus Beispiel 4 zurückbleibt. Wie bei den mit Zusätzen versehenen gemahlenen Polymerwerkstoffen gezeigt werden konnte, veraschen die mit Rieselhilfsmitteln versehenen Kunststoffe nicht völlig rückstandsfrei.
Tabelle 2 Veraschung von ModellbauwerkstoffenThe ashing of the materials has shown that no residues remain when the bead polymer from Example 4 is used. As could be shown for the ground polymer materials with additives, the plastics with free-flowing aids do not ashes completely free of residues. Table 2 Ashing of model building materials
Beispiel 9Example 9
Herstellung von Modellkörpern. Zur Herstellung der Modellkörper mit den Abmessungen von 50x10x4mm3 wird das Kunststoffpulver in einer Modellanlage versintert. Dazu wird das Kunststoffpulver schichtweise mit einer Geschwindigkeit von 1 mm s unter einem Infrarotlaser der Wellenlänge 10 000 nm (Cθ2-Laser) bei einer maximalen Temperatur von 500°C belichtet. Die aus den Beispielen 7 und 8 geprüften Kunststoffpulver wurden versintert.Production of model bodies. To produce the model bodies with the dimensions of 50x10x4mm 3 , the plastic powder is sintered in a model system. For this purpose, the plastic powder is exposed in layers at a speed of 1 mm s under an infrared laser with a wavelength of 10,000 nm (CO 2 laser) at a maximum temperature of 500 ° C. The plastic powders tested from Examples 7 and 8 were sintered.
Beispiel 10Example 10
Es wurde noch die Qualität der Modellkörper aus Beispiel 9 geprüft.The quality of the model bodies from Example 9 was also checked.
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, daß die auf Basis der Vorform abgegossenen Feingußmodelle genauer werden.The fundamentally suitable materials polycarbonate and polystyrene also deliver satisfactory results (see Table 3). However, there is a particular advantage for the surface accuracy and roughness when using bead polymers. Due to the round shape, the surfaces of the models become smoother, as the following results show using a perthemeter. This not only has the advantage that more precise plastic models (preform) can be built, but also that the investment casting models cast on the basis of the preform become more precise.
Tabelle 3 Oberflächenrauhigkeit von gesinterten ProbenTable 3 Surface roughness of sintered samples
Claims
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 bis1. Process for the production of three-dimensional models from plastic in accordance with stored, geometric data with the aid of laser beams of a wavelength from 200 to controlled according to this data
10 000 nm, wobei ein oder mehrere Laserstrahlen entsprechend der geometrischen Daten auf bestimmte Raumzonen einer Schüttung eines feinkörnigen Kunststoffpulvers gelenkt werden und das Material verschmelzt oder 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.10,000 nm, wherein one or more laser beams are directed according to the geometric data to certain spatial zones of a bed of a fine-grained plastic powder and the material is fused or sintered, characterized in that as a plastic powder, a bead polymer made of homo- or copolymer of monoethylenically unsaturated compounds with a average particle diameter of 2 to 200 microns is used.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff- material Perlpolymerisat mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 bis2. The method according to claim 1, characterized in that as the plastic material bead polymer with an average particle diameter of 5 to
100 μm verwendet wird.100 μm is used.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Perlpolymerisat Homo- bzw. Copolymerisat von monoethylenisch ungesättigten Verbin- düngen, insbesondere Styrol, alpha-Methylstyrol, Chlorstyrol, Acrylsäurester, wie Etylacrylat, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat, Dodecylacrylat, Methacrylsäureester, wie Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Iso- propylmethacrylat, n-Butylmethacrylat, iso-Butylmethacrylat, Hexyl- methacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecylmeth- acrylat, Stearylmethacrylat, des weiteren Acrylnitril, Methacrylnitil, Meth- acrylamid und Vinylacetat eingesetzt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that homopolymer or copolymer of monoethylenically unsaturated compounds, in particular styrene, alpha-methylstyrene, chlorostyrene, acrylic acid esters, such as ethyl acrylate, butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, dodecyl acrylate, methacrylic acid acrylate, as the pearl polymer , such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, isopropyl methacrylate, n-butyl methacrylate, iso-butyl methacrylate, hexyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, stearyl methacrylate, furthermore acrylonitrile, methacrylonitrile, methacrylamide and vinyl acetate are used.
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.
4. The method according to claim 3, characterized in that the bead polymer is a homo- or copolymer of methacrylic acid esters and / or acrylic acid esters, preferably polymethyl methacrylate or copolymers with a proportion of more than 60 wt .-% methyl methacrylate units.
. 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 Copolymerisate von Methylmethacrylat mit einem oder mehreren Monomeren aus der Gruppe: n-Butylacrylat, iso-Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat, Dodecylacrylat, n-Butylmethacrylat, iso-Butylmethacrylat, Hexyl- methacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecylmeth- acrylat, Stearylmethacrylat.. A method according to claim 3, characterized in that the bead polymer is a copolymer containing 60 to 98 wt .-% methyl methacrylate units and 2 to 40 wt .-% units of acrylic acid esters and / or methacrylic acid esters with 4 to 18 carbon atoms in the alcohol part has, in particular copolymers of methyl methacrylate with one or more monomers from the group: n-butyl acrylate, isobutyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, dodecyl acrylate, n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, hexyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl - acrylate, stearyl methacrylate.
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.6. The method according to any one of claims 2 to 5, characterized in that the molecular weight (weight average, Mw) of the bead polymer from 10,000 to 1,000,000, preferably from 10,000 to 500,000, particularly preferably from 20,000 to 250,000 g / Mole.
7. Dreidimensionale Modelle erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem der Ansprüche von 1 bis 6.7. Three-dimensional models obtainable by the method according to the invention according to one of claims 1 to 6.
8. Verwendung der Modelle nach Anspruch 7 zur Herstellung von Vorformen, insbesondere aus Keramik, für den Feinguß von Metallen.8. Use of the models according to claim 7 for the production of preforms, in particular of ceramic, for the investment casting of metals.
9. Verwendung von Perlpolymerisaten mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2 bis 200 μm, vorzugsweise von 5 bis 100 μm, als Material zum Lasersintern.9. Use of bead polymers with an average particle diameter of 2 to 200 microns, preferably from 5 to 100 microns, as a material for laser sintering.
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Perlpolymerisat Homo- bzw. Copolymerisat von monoethylenisch ungesättigten Verbindungen insbesondere Styrol, alpha-Methylstyrol, Chlorstyrol, Acryl- säureester, wie Etylacrylat, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat,10. Use according to claim 9, characterized in that homopolymer or copolymer of monoethylenically unsaturated compounds, in particular styrene, alpha-methylstyrene, chlorostyrene, acrylic acid esters, such as ethyl acrylate, butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, as bead polymer.
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.Dodecyl acrylate, methacrylic acid esters, such as methyl methacrylate, ethyl meth acrylate, isopropyl methacrylate, n-butyl methacrylate, iso-butyl methacrylate, hexyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, stearyl methacrylate, furthermore acrylonitrile, methacrylonitrile, methacrylamide and vinyl acetate is used.
11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Perlpolymerisat ein Homo- oder Copolymerisat von Methacrylsäureestern und/oder Acrylsäureestem, bevorzugt Polymethylmethacrylat oder Copolymerisate mit einem Anteil von mehr als 60 Gew.% Methylmethacrylateinheiten ist.11. Use according to claim 10, characterized in that the bead polymer is a homo- or copolymer of methacrylic acid esters and / or acrylic acid esters, preferably polymethyl methacrylate or copolymers with a proportion of more than 60% by weight of methyl methacrylate units.
12. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Perlpolymerisat ein Copolymerisat ist, das 60 bis 98 Gew.-% Methylmethacrylateinheiten und 2 bis 40 Gew.-% Einheiten von Acrylsäureestem und/oder Methacrylsäureestern 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, Decylacrylat, Dodecylacrylat, n-Butylmethacrylat, iso- Butylmethacrylat, Hexylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Decylmethacrylat, Dodecylmethacrylat, Stearylmethacrylat.12. Use according to claim 10, characterized in that the bead polymer is a copolymer containing 60 to 98 wt .-% methyl methacrylate units and 2 to 40 wt .-% units of acrylic acid esters and / or methacrylic acid esters with 4 to 18 carbon atoms in the alcohol part has, in particular copolymers of methyl methacrylate with one or more monomers from the group: n-butyl acrylate, isobutyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, decyl acrylate, dodecyl acrylate, n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, hexyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methyl acrylate, decyl methacrylate, decyl methacrylate, .
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.
13. Use according to one of claims 9 to 12, characterized in that the molecular weight (weight average, Mw) of the bead polymer from 10,000 to 1,000,000, preferably from 10,000 to 500,000, particularly preferably from 20,000 to 250,000 g / Mole.
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