EP3535501A1 - Visko-elastischer dämpfungskörper auf basis viskoelastischer materialien - Google Patents

Visko-elastischer dämpfungskörper auf basis viskoelastischer materialien

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EP3535501A1
EP3535501A1 EP17797294.0A EP17797294A EP3535501A1 EP 3535501 A1 EP3535501 A1 EP 3535501A1 EP 17797294 A EP17797294 A EP 17797294A EP 3535501 A1 EP3535501 A1 EP 3535501A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
damping
viscoelastic
din
visco
elastic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17797294.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Achten
Thomas BÜSGEN
Dirk Dijkstra
Roland Wagner
Bettina METTMANN
Nicolas Degiorgio
Peter Reichert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Covestro Deutschland AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Covestro Deutschland AG filed Critical Covestro Deutschland AG
Publication of EP3535501A1 publication Critical patent/EP3535501A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47C—CHAIRS; SOFAS; BEDS
    • A47C27/00—Spring, stuffed or fluid mattresses or cushions specially adapted for chairs, beds or sofas
    • A47C27/14—Spring, stuffed or fluid mattresses or cushions specially adapted for chairs, beds or sofas with foamed material inlays
    • A47C27/15—Spring, stuffed or fluid mattresses or cushions specially adapted for chairs, beds or sofas with foamed material inlays consisting of two or more layers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
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    • A47C27/14—Spring, stuffed or fluid mattresses or cushions specially adapted for chairs, beds or sofas with foamed material inlays
    • A47C27/148—Spring, stuffed or fluid mattresses or cushions specially adapted for chairs, beds or sofas with foamed material inlays of different resilience
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2033/00—Use of polymers of unsaturated acids or derivatives thereof as moulding material
    • B29K2033/04—Polymers of esters
    • B29K2033/08—Polymers of acrylic acid esters, e.g. PMA, i.e. polymethylacrylate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2075/00—Use of PU, i.e. polyureas or polyurethanes or derivatives thereof, as moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • Visco-elastic damping body based on viscoelastic materials
  • the invention relates to a method for producing a visco-elastic damping body comprising at least one spring element containing at least one viscoelastic material.
  • the invention further relates to a visco-elastic damping body, manufactured or produced by such a method and a solid, comprising or consisting of a plurality of such damping bodies.
  • Damping bodies of the type mentioned can be used for example in mattresses, as described in EP 1 962 644 A2. Therein, a large number of damping bodies are combined as a composite in a mattress.
  • a combination mattress which is composed of a plurality of spring elements, which adjoin one another at their peripheral surfaces and are held together by means of a circulating belt. To secure the band, the spring elements have a groove.
  • the spring elements are made of latex.
  • spring mattresses are known in which introduced into fabric pockets metal springs are provided as spring elements.
  • the metal spring core thus formed is also referred to as Bonnell spring core or pocket spring core.
  • a foam padding is positioned, which is usually made of block foam and has a certain elasticity.
  • foam mattresses with incorporated in the foam core wire springs are known.
  • a padding element for furniture and mattresses is known in which a plurality of spring elements is assembled into a laminar composite.
  • the spring elements are made of sheep wool and filled in preferably made of cotton bags, the upper end faces of the pocket springs form the later load surface.
  • a plurality of spring elements is arranged side by side and connected in individual rows each with each other, preferably sewn together.
  • a pad member for supporting a lying human body known.
  • a mattress part made of elastic material, such as foam, has a plurality of juxtaposed channels, are inserted into the inserts of different elasticity, so that the mattress part on his lying surface locally different Has elasticity ranges.
  • the inserts may consist of an elastic material corresponding to that of the mattress part.
  • DE 10 2015 100 816 B3 describes a method for producing a body-supporting element, such as e.g. a mattress, based on print data using a 3D printer. On the basis of the print data areas of different elasticity can be generated by the formation of cavities of different sizes and / or different numbers by the 3D printer.
  • the object of the invention was therefore to provide a method for producing a visco-elastic damping body, which allows the production of damping bodies with individually adjustable visco-elastic behavior at the same time high spatial resolution.
  • the generated damping body should be suitable, for example, as a mechanical vibration damper or for use in a mattress.
  • the object is achieved with a visco-elastic damping body of the type mentioned above in that the viscoelastic damping body is produced via a 3D printing process using at least one viscoelastic material at the time of use.
  • the invention thus provides a method for producing a visco-elastic damping body comprising at least one viscoelastic spring element, wherein the method is characterized in that the viscoelastic spring element of at least one viscoelastic material with a tan ⁇ of at least 0.5, determined according to DIN 53535 : 1982-03, constructed and produced via a 3D printing process.
  • the present invention is based on the finding that an individualized adaptation of the damping properties is possible by means of a 3D printing method.
  • Individualized means Here, that not only individual pieces can be produced economically useful, but also that the damping properties of a damping body at different points of the body can be set as desired and with a high spatial resolution.
  • a mattress can be customized to a customer according to the anatomical requirements or needs. For example, in order to achieve an optimal pressure distribution while lying on the mattress, a pressure profile of the body can first be recorded on a sensor surface and the data thus obtained used for the individualization of the mattress. The data is then fed to the 3D printing process in a manner known per se.
  • the 3D printing process may be selected, for example, from Fused Filament Fabrication (FFF), Ink Jet Printing, Photopolymer Jetting, Stereo Lithography, Selective Laser Sintering, Digital Light Processing based Additive Manufacturing System, Continuous Liquid Interface Production, Selective Laser Melting, Binder Jetting-based additive manufacturing, Multijet Fusion-based additive manufacturing, High Speed Sintering Process and Laminated Object Modeling.
  • FFF Fused Filament Fabrication
  • Ink Jet Printing Photopolymer Jetting
  • Stereo Lithography Stereo Lithography
  • Selective Laser Sintering Digital Light Processing based Additive Manufacturing System
  • Continuous Liquid Interface Production Selective Laser Melting
  • Binder Jetting-based additive manufacturing Multijet Fusion-based additive manufacturing
  • High Speed Sintering Process High Speed Sintering Process and Laminated Object Modeling.
  • FFF fused filament fabrication
  • the plastic can be used with or without further additives such as fibers FFF machines belong to the machine class of 3D printers
  • This process is based on the liquefaction of a wire-shaped plastic or wax material by heating, during which the material solidifies Material is applied by extrusion with a freely movable heating nozzle in relation to a production level, either the production level can be fixed and the nozzle is freely movable or a nozzle is fixed and a substrate table (with a production level) can be moved or both elements, nozzle and Production levels are v
  • the speed with which the substrate and nozzle can be moved relative to one another is preferably in a range from 1 to 200 mm / s.
  • the layer thickness is depending on the application in a range of 0.025 and 1.25 mm, the exit diameter of the material jet (
  • the individual layers combine to form a complex part.
  • the structure of a body is carried out by repeating regularly, one line at a time working plane (formation of a layer) and then the working plane "stacking" is shifted upward (forming at least one further layer on the first layer), so that a shape is formed in layers
  • Exit temperature of the substance mixtures from the nozzle can For example, be 80 ° C to 420 ° C. It is also possible to heat the substrate table, for example at 20 ° C to 250 ° C. As a result, too rapid cooling of the applied layer can be prevented, so that a further, applied thereto layer sufficiently connects to the first layer.
  • the visco-elastic damping body according to the invention can have its damping properties in any desired spatial direction.
  • the type of deformation is secondary.
  • the visco-elastic damping body can be subjected to, inter alia, compression, tension, torsion or bending deformation and dampen it.
  • a visco-elastic damping body in the sense of the present invention may, for example, consist of different space-oriented and directionally dependent spring elements in their spring and damping effects, which in turn are based on energy-elastic materials with tan ⁇ ⁇ 0.5 and at least one viscoelastic material ⁇ > 0, 5 at operating temperature, for example 25 ° C, are constructed.
  • the spring force acting in the volume of space is governed by the material moduli and geometry factors, such as e.g. the wall thickness and spatial orientation of the spring elements determined.
  • the damping is controlled by the damping component of the viscoelastic spring element as well as the length and design as well as the proportion of the total modulus of the viscoelastic spring elements.
  • the arrangement of different geometric damping body and other by definition of energy elastic spring elements and possibly additional deformation-limiting elements in the space enclosed by the damping body (closed or open) allows the targeted construction of symmetrical but also asymmetrically acting visco-elastic 3D damping bodies.
  • the individual spring elements can be mechanically coupled or mechanically coupled and stationary.
  • all these spring elements are produced by means of additive 3D printing production methods.
  • Various additive manufacturing technologies can be used in parallel or in series.
  • the modulus or the "spring force" of the damping body according to the invention is given by its compressive strength according to DIN EN ISO 3386-1 for soft elastic foams with low density and DIN EN ISO 3386-2 for soft elastic foams with high density as compression resistance in kPa.
  • the compression hardness of the damping body according to the invention is for example in the range of 0.01 to 1000 kPa.
  • the compression hardness according to DIN EN ISO 3386-1: 2010-09 des Damping body of the invention at a compression to 40% of its original height in the range of 0.1 to 500 kPa, more preferably in the range of 0.5 to 100 kPa.
  • Viscoelasticity refers to a partially elastic, partially viscous material behavior. Visco-elastic substances thus combine features of liquids and solids in themselves. The effect is time, temperature and frequency dependent and occurs in polymeric melts and solids such. As plastics but also other materials.
  • the elastic portion basically causes a spontaneous, limited, reversible deformation, while the viscous portion basically causes a time-dependent, unlimited, irreversible deformation.
  • the viscous and elastic component is different in different visco-elastic materials, and the nature of the interaction differs.
  • elastic behavior is represented by a spring, the hook element, and viscous behavior by a damping cylinder, the Newton element. Visco-elastic behavior can be modeled by combining two or more of these elements.
  • Kelvin body in which the spring and damping cylinders are connected in parallel. Under load, z. B. by stretching, the deformation is decelerated by the damping cylinder and limited by the spring in their extent. After a discharge, the body returns due to the hook element back to its original position.
  • the Kelvin body thus deforms as a function of time, like a liquid, but limited and reversible like a solid.
  • the storage modulus is very small compared to the loss modulus
  • the loss modulus is very small compared to the storage modulus.
  • Visco-elastic materials have both a measurable storage modulus and a measurable loss modulus. If the storage modulus is greater than the loss modulus, it is called solids, otherwise liquids.
  • the loss factor is therefore a measure of the damping of a visco-elastic body.
  • the damping tan ⁇ of the damping body according to the invention is at a compression or tensile deformation in the direction of action preferably at 0, 5 to 2, in particular at 0.5 to 0.9, preferably 0.5 to 0.8, measured according to DIN 53535: 1982 -03: testing of rubber and elastomers; Basics for dynamic test methods.
  • the compression hardness according to DIN EN ISO 3386-1 is preferably in the range 0.5-100 kPa and the damping in the range 0.1-1.
  • the permanent deformation is determined according to DIN ISO 815-1: 2010-09: Elastomers or Thermoplastic Elastomers - Determination of Compression Set.
  • the standard determines the compression set (DVR) at constant strain.
  • DVR compression set
  • a DVR of 0% means that the body has fully recovered to its original thickness, a DVR of 100% says the body was completely deformed during the trial and shows no reset.
  • the indefinite term “a” generally stands for “at least one” in the sense of “one or more.” The person skilled in the art understands, depending on the situation, that not the indefinite article but the specific article “a” in the sense of “1” is meant must or the indefinite article “a” in one embodiment, the specific article “a” (1) includes.
  • the damping body has a compression set after a 10% compression of ⁇ 5%, measured according to DIN ISO 815-1, in particular of ⁇ 3%, preferably of ⁇ 2%. This is advantageous since such a damping body has the same resiliency for each new load. In the case of a mattress, visible pressure marks are avoided as far as possible.
  • the damping body can have a damping tan ⁇ of 0.05 to 2 in a compression or tensile deformation in the direction of action, in particular from 0.1 to 1, measured according to DIN 53535: 1982-03.
  • the damping of the damping body may be different than that of the individual damping element.
  • This can be realized by combining damping elements with different damping behavior and spring elements with the damping bodies according to the invention in such a way that the aforementioned values for the damping body in its entirety correspond to the abovementioned values.
  • the damping body is configured partially or completely as an open-cell hollow body and provided with at least one passage opening and preferably exhibits an attenuation tan ⁇ of 0.1-1 measured according to DIN 53535 in the event of a compression or tension deformation in the direction of action.
  • the volume of the damping body may be, for example, 1000L to 100mL, especially 700L to 1L, most especially 500L to 2L.
  • Open damping body can be produced during manufacture or else only after the production of the hollow body.
  • the latter can be realized, for example, by chemical dissolution or melting of a sacrificial material from the construction volume of the damping body.
  • sacrificial material is meant a material that is not part of the finished damping body, but is used only during the manufacture of the damping body, for example, to support structures during the layered construction with the damping body forming building material / materials by a 3D printing process or the To allow overhang production.
  • sacrificial materials for example, waxes having a lower melting point than the building material (s) or materials that are soluble in a different solvent than the building material (s) are used.
  • water-insoluble polyvinyl alcohol PVA
  • HIPS high impact polystyrene
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene
  • a damping body according to the invention may preferably have a compressive strength according to DIN EN ISO 3386-1 with a compression to 40% of its original height of 0.01 to 1000 kPa and / or a damping tan ⁇ according to DIN 53535 of 0.1 to 1 and / or a Compression set to DIN ISO 815-1 after 10% compression 5%. Preferably after ⁇ 20% compression ⁇ 8% and most preferably after 40% compression ⁇ 15%.
  • a further preferred embodiment is directed to the production of a 3D damping body wherein the 3D damper element has a permanent deformation after 40% compression of ⁇ 10% of the original component height.
  • the visco-elastic damping body is characterized by an elastic modulus according to DIN EN ISO 604: 2003-12 of the structural materials used of ⁇ 2 GPa, in particular from 1 to 1000 MPa, preferably 2-500 MPa
  • Such a damping body can be produced for example by a method according to the invention which comprises at least one of the following steps:
  • a further preferred embodiment of the method according to the invention comprises, in addition to one of the above steps I) to IV), one of the further steps:
  • more than one cushioning body is interconnected via bridging materials to form a product having viscoelastic properties such as, for example, a mattress, a seat, a helmet, a shoe.
  • the damping body contains at least one elastic material with a modulus of elasticity in preferred direction of compression of ⁇ 2 GPa and a material-specific damping tan ⁇ at operating temperature, in particular at 25 ° C, of ⁇ 0.2 wherein the damping body in its entirety Modulus in preferred direction of deformation and at operating temperature of ⁇ lGPa and a tan ⁇ > 0.2.
  • the spring element is designed such that the damping body has a compression hardness of 0.1 to 500 kPa, measured according to DIN EN ISO 3386-1, in particular 0 0.5 to 100 kPa.
  • a single or a plurality of spring elements which are part of the damping body at the application temperature which is preferably in the range of 10-40 ° C has a modulus of elasticity in the preferred direction of deformation, for example 10 Pa to 2GPa.
  • the spring element may be formed, for example, as a compression spring, tension spring, leg spring, torsion spring, coil spring, diaphragm spring, leaf spring, disc spring, air spring, gas spring, ring spring, Evolutfeder or coil spring.
  • a part of the spring elements may consist of metallic materials in a particular embodiment. In this case, several of the aforementioned types can be used in a damping body, for example, to establish a different suspension behavior at different points of the damping body.
  • a multiplicity of elastic and viscoelastic spring elements are connected in parallel and / or sequentially to one another and at least partially coupled to one another. These are understood to mean elastic and viscoelastic spring elements which can not be deformed independently of each other.
  • the coupling with each other for example, by known joining techniques such as gluing or welding or already in the manufacturing process in such a way that the individual elements are in advance of each other.
  • the tensile modulus of the materials of the damping element used may be ⁇ 250 GPa, measured according to DIN EN ISO 6892-1: 2009-12, in particular from 0.05 to 150 GPa.
  • the material can be reinforced in the pulling direction by carbon, aramid or glass fibers in order to achieve excellent tensile stabilities in addition to the damping in the main deformation direction.
  • the damping body can be constructed either from one or else from two or more different materials, for example from 2 to 10 different materials, in particular from more than 3 different materials, for example from 3 to 8 different materials.
  • Various spring elements may be constructed of the same or different materials.
  • the curing of the materials used can be carried out by cooling of metals or thermoplastics, by cold or hot polymerization, polyaddition, polycondensation, addition or condensation or by electron or electro-magnetic radiation initiated polymerization.
  • the material of the spring elements can be selected independently from metals, plastics and composites, in particular from thermoplastically processable plastic formulations based on polyamides, polyurethanes, polyesters, polyimides, Polyetherkethonen, polycarbonates, polyacrylates, polyolefins, polyvinyl chloride, polyoxymethylene and / or crosslinked materials based of polyepoxides, polyurethanes, polysilicones, polyacrylates, polyesters, rubber materials and mixtures and copolymers of at least two of these.
  • the material of the spring element and the damping element is particularly preferably selected from thermoplastic elastomer (TPE), thermoplastic polyurethane (TPU), polycarbonate (PC), polyamide (PA), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), cycloolefinic copolyesters (COC), Polyetheretherketone (PEEK), polyetheramide ketone (PEAK), polyetherimide (PEI) (eg Ultem), polyimide (PI), polypropylene (PP) or polyethylene (PE), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polylactate (PLA), polymethyl methacrylate ( PMMA), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), polyoxymethylene (POM), polyacrylonitrile (PAN), polyacrylate, celluloid or a mixture of at least two thereof.
  • the material is selected from a group consisting of TPE, TPU, PA, thermo
  • Also used may be materials selected from reactive cure systems.
  • the material of the spring element and / or the damping element may contain at least one additive, such as.
  • additives such as.
  • fibers UV curing agents, peroxides, diazo compounds, sulfur, stabilizers, inorganic fillers, plasticizers, flame retardants and anti-oxidants.
  • additives are Kevlar, glass, aramid or carbon fibers rayon, cellulose acetate, and / or common natural fibers (eg flax, hemp, coco, etc.).
  • the substance mixtures may also contain reinforcing particles, in particular selected from inorganic or ceramic nanopowders, metal powders or plastic powders, for example of S1O 2 or Al 2 O 3 , AlOH 3 , carbon black, TIO 2 or CaCCb.
  • mixtures of substances z.
  • peroxides diazo compounds and / or sulfur.
  • reaction resins mixtures of two or more reaction resins may be mixed in advance or may be mixed on the substrate.
  • the order can be made in the latter case, for example, from different nozzles.
  • the curable compositions may be of different nature, but under the conditions of the method according to the invention must be liquid or viscous extrudable or liquid vertikbare plastic compositions. These may be thermoplastics, silicones or even hardenable Reactive resins act, for. B.
  • the generation of the damping body according to the invention is generally carried out in layers. After application of a first layer and, if necessary, after application of additional layers to produce a surface section, the applied material can be used in reactive systems, for. B. by cold or hot polymerization or polyaddition or polycondensation, addition (eg., PU addition) or condensation or initiation by electron or electro-magnetic radiation, in particular UV radiation, are cured. Thermosetting plastic mixtures can be cured by a corresponding IR radiation source.
  • DE 199 37 770 A1 discloses a two-component system comprising an isocyanate component and an isocyanate-reactive component. From both components, droplet jets are generated, which are aligned so that they unite into a common droplet jet. In the common droplet jet, the reaction of the isocyanate component with the isocyanate-reactive component begins.
  • the common drop steel is directed onto a support material where it is used to form a three-dimensional body to form a polymeric polyurethane.
  • EP 2 930 009 A2 describes a process for printing a multicomponent system comprising at least one isocyanate component and at least one isocyanate-reactive component which, because of their reactivity and miscibility, are particularly suitable for inkjetting processes.
  • Another object of the present invention relates to a visco-elastic damping body, manufactured or prepared by the method according to the invention.
  • the invention also relates to a solid, comprising or consisting of a plurality of damping bodies according to the invention, wherein the volume body is in particular a mattress.
  • the solid according to the invention is preferably constructed of at least two damping bodies.
  • the invention also relates to a mechanical damper, such as a damped strut comprising at least one damping body according to the invention. Furthermore, the invention relates to a use of one or more according to the damping body according to the invention as a solid body preferably for supporting body parts.
  • the solid is preferably selected from the group consisting of a mattress, a cushion, a seat, a sofa, preferably a sofa part, a chair, preferably a chair part, a cushion, a helmet, a body protector, an orthopedic support element, preferably a part of a orthopedic support element, a shoe and parts thereof or a combination of at least two thereof.
  • the body is for use as a support of body parts selected from the group consisting of a mattress, a cushion, a seat, a cushion and parts thereof or a combination of at least two thereof.
  • the invention relates to a method for producing a visco-elastic damping body comprising at least one viscoelastic spring element, characterized in that the viscoelastic spring element of at least one viscoelastic material with a tan ⁇ of at least 0.5, determined according to DIN 53535: 1982 -03, is constructed and generated via a 3D printing process.
  • the invention relates to a method according to item 1, characterized in that the viscoelastic material has a tan ⁇ of 0.5 to 0.9, determined according to DIN 53535: 1982-03, in particular from 0.5 to 0 ,8th.
  • the invention relates to a method according to any one of the preceding articles, characterized in that the viscoelastic material is selected from thermoplastically processable plastic formulations based on polyamides, polyurethanes, polyesters, polyimides, Polyetherkethonen, polycarbonates, polyacrylates, polyolefins, polyvinyl chloride, polyoxymethylene and / or crosslinked materials based on polyepoxides, polyurethanes, polysilicones, polyacrylates, polyesters and mixtures and copolymers of at least two thereof.
  • thermoplastically processable plastic formulations based on polyamides, polyurethanes, polyesters, polyimides, Polyetherkethonen, polycarbonates, polyacrylates, polyolefins, polyvinyl chloride, polyoxymethylene and / or crosslinked materials based on polyepoxides, polyurethanes, polysilicones, polyacrylates, polyesters and mixtures and copolymers of at least two thereof.
  • the invention relates to a method according to item 3, characterized in that the viscoelastic material is selected from thermoplastically processable plastic formulations based on polyacrylates, polyurethanes and mixtures and copolymers of at least two thereof.
  • the invention relates to a method according to one of the preceding objects, characterized in that the viscoelastic spring element is designed as a partially or completely filled with a fluid hollow body and provided with at least one passage opening, wherein the fluid is in particular selected from air, nitrogen , Carbon dioxide, oils, Water, hydrocarbons or hydrocarbon mixtures, ionic liquids, electro-rheological, magneto-rheological, neontonian, visco-elastic, rheo-opene, thixotropic liquids or mixtures of at least two thereof.
  • the fluid is in particular selected from air, nitrogen , Carbon dioxide, oils, Water, hydrocarbons or hydrocarbon mixtures, ionic liquids, electro-rheological, magneto-rheological, neontonian, visco-elastic, rheo-opene, thixotropic liquids or mixtures of at least two thereof.
  • the invention relates to a method according to item 5, characterized in that the proportion of fluid viscoelasticity in the deformation of the viscoelastic spring element from its unloaded state is at most 10% of the total viscoelasticity of the viscoelastic spring element, in particular at most 5% , preferably at most 1%, more preferably less than 0.5%.
  • the invention relates to a method according to one of the preceding objects, characterized in that the viscoelastic spring element has a compression hardness of 0.01 to 1000 kPa, measured according to DIN EN ISO 3386-1: 2010-09, in particular of 0, 1 to 500 kPa, from 0.5 to 100 kPa.
  • the invention relates to a method according to one of the preceding objects, characterized in that a plurality of viscoelastic spring elements connected in parallel and / or sequentially to each other and at least partially coupled to each other, wherein the viscoelastic spring elements are constructed the same or different.
  • the invention relates to a method according to one of the preceding objects, characterized in that the damping body has a compression set after a 10% compression of ⁇ 2%, measured according to DIN ISO 815-1: 2010-09.
  • the invention relates to a method according to one of the preceding objects, characterized in that the damping body at a compression or tensile deformation in the direction of action an attenuation tan ⁇ of 0.05 to 2, in particular from 0.1 to 1, measured according to DIN 53535: 1982-03.
  • the invention relates to a method according to any preceding item, characterized in that the 3D printing method is selected from Fused Filament Fabrication (FF), Ink Jet Printing, Photopolymer Jetting, Stereo Lithography, Selective Laser Sintering, Digital Light Processing based Additive Manufacturing System, Continuous Liquid Interface Production, Selective Laser Melting, Binder Jetting based additive manufacturing, Multijet Fusion based additive manufacturing, High Speed Sintering Process and Laminated Object Modeling or a combination of at least two of them.
  • FFFF Fused Filament Fabrication
  • Ink Jet Printing Photopolymer Jetting
  • Stereo Lithography Stereo Lithography
  • Selective Laser Sintering Digital Light Processing based Additive Manufacturing System
  • Continuous Liquid Interface Production Selective Laser Melting
  • Binder Jetting based additive manufacturing Multijet Fusion based additive manufacturing
  • High Speed Sintering Process High Speed Sintering Process and Laminated Object Modeling or a combination of at least two of them.
  • the invention relates to a method according to one of the preceding objects, characterized in that the tensile modulus of the materials used for the damping body (1, 20, 30) ⁇ 250GPa, measured according to DIN EN ISO 6892-1: 2009- 12, in particular from 0.05 to 150 GPa.
  • the invention relates to a method according to one of the preceding articles, characterized in that the material of the spring element (4) and the damping element is independently selected from metals, plastics and composites, in particular from thermoplastically processable plastic formulations based on polyamides, Polyurethanes, polyesters, polyimides, Polyetherkethonen, polycarbonates, polyacrylates, polyolefins, polyvinyl chloride, polyoxymethylene and / or crosslinked materials based on polyepoxides, polyurethanes, polysilicones, polyacrylates, polyesters and mixtures and copolymers of at least two thereof.
  • thermoplastically processable plastic formulations based on polyamides, Polyurethanes, polyesters, polyimides, Polyetherkethonen, polycarbonates, polyacrylates, polyolefins, polyvinyl chloride, polyoxymethylene and / or crosslinked materials based on polyepoxides, polyurethanes, polysilicones, polyacryl
  • the invention relates to a visco-elastic damping body, manufactured or producible by a method according to one of the items 1 to 13, wherein the damping body has in particular one or more of the following properties:
  • Hollow volume 1 ⁇ to 1 L, preferably 10 ⁇ to 100 mL
  • Thickness of the material 10 ⁇ to 1 cm, preferably 50 ⁇ to 0.5 cm
  • Diameter of the passage openings 10 to 5000 ⁇
  • the invention relates to a solid, comprising or consisting of a plurality of damping bodies according to item 14, wherein the volume body is in particular a mattress.
  • Fig. 1 shows a solid according to the invention in the form of a mattress in a schematic three-dimensional representation of obliquely above and
  • Fig. 2 shows the structure of the marked in Fig. 1 with "I" portion of the solid body as it is generated in the 3D printer.
  • an inventive solid M in the form of a mattress is shown schematically in a three-dimensional view obliquely from above.
  • the mattress M is divided into different sections A, B, C, D, E.
  • the mattress M is divided horizontally into the section C on the one hand and the sections A, B, D and E on the other.
  • Section C is the mattress underside
  • the sections D are the upper and lower edge regions of the mattress during sleep which usually no special load rests
  • section E is the head and shoulder area
  • section A of the torso and section B of the leg area The individual sections differ in their damping behavior and their compressive strength as follows:
  • the compression hardness and the damping behavior can thus be adapted individually and spatially resolved to the physiological characteristics of an individual.
  • a plurality of damping elements and, if desired, also spring elements is generated via the 3D printing process, which then achieve the above-mentioned values for tan ⁇ and the compression hardness in cooperation.
  • FIG. 1 a region I is furthermore marked with a dashed line. This is shown enlarged in Fig. 2. This again shows the sections B, C, D and their structure, as they are produced in the production of a 3D printer. In Fig. 2 it can be clearly seen that the structure of the printed repeat units in the individual sections B, C, D are different, resulting in a different damping behavior and a different compression hardness.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines visko-elastischen Dämpfungskörpers umfassend mindestens ein viskoelastisches Federelement, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Federelement aus mindestens einem viskoelastischen Material mit einem tan δ von wenigstens 0,5, bestimmt nach DIN 53535: 1982-03, aufgebaut ist und über ein 3D-Druckverfahren erzeugt wird. Die Erfindung betrifft zudem einen Visko-elastischer Dämpfungskörper, der nach diesem Verfahren hergestellt oder herstellbar ist sowie einen Volumenkörper, umfassend oder bestehend aus einer Vielzahl von derartigen Dämpfungskörpern.

Description

Visko-elastischer Dämpfungskörper auf Basis viskoelastischer Materialien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines visko-elastischen Dämpfungskörpers umfassend mindestens ein Federelement enthaltend mindestens ein viskoelastisches Material. Die Erfindung betrifft ferner einen visko-elastischen Dämpfungskörper, hergestellt oder herstellbar nach einem solchen Verfahren sowie einen Volumenkörper, umfassend oder bestehend aus einer Vielzahl von derartigen Dämpfungskörpern.
Dämpfungskörper der eingangs genannten Art können beispielsweise in Matratzen verwendet werden, wie in EP 1 962 644 A2 beschrieben ist. Darin ist eine Vielzahl von Dämpfungskörpern als Verbund in einer Matratze zusammengefasst.
Aus DE 20 2005 015 047 Ul ist eine Kombinationsmatratze bekannt, die sich aus einer Vielzahl an Federelementen zusammensetzt, welche an ihren Umfangsflächen aneinander grenzen und mittels eines umlaufenden Bandes zusammengehalten werden. Um das Band zu befestigen, weisen die Federelemente eine Nut auf. Die Federelemente werden aus Latex hergestellt.
Weiterhin sind Federkernmatratzen bekannt, bei denen in Stofftaschen eingebrachte Metallfedern als Federelemente vorgesehen sind. Der so gebildete Metallfederkern wird auch als Bonnellfederkern oder Taschenfederkern bezeichnet. Oberhalb des Metallfederkerns wird eine aus Schaumstoff bestehende Polsterung positioniert, die in der Regel aus Blockschaum gefertigt ist und eine bestimmte Elastizität aufweist. Ferner sind Schaumstoffmatratzen mit in den Schaumstoffkern eingearbeiteten Drahtfedern bekannt.
Aus der DE 299 18 893 Ul ist ein Polsterelement für Möbel und Matratzen bekannt, bei dem eine Vielzahl von Federelementen zu einem flächigen Verbund zusammengestellt ist. Hierbei sind die Federelemente aus Schafwolle gefertigt und in vorzugsweise aus Baumwolle hergestellten Taschen eingefüllt, wobei die oberen Stirnseiten der Taschenfedern die spätere Lastfläche bilden. Zur Schaffung eines großflächigen Polsterelementes wird eine Vielzahl der Federelemente nebeneinander angeordnet und in einzelnen Reihen jeweils miteinander verbunden, vorzugsweise miteinander vernäht.
Ferner ist aus der DE 39 37 214 AI ein Polsterelement zur Lagerung eines liegenden menschlichen Körpers bekannt. Ein Matratzenteil aus elastischem Werkstoff, wie beispielsweise Schaumstoff, weist eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Kanäle auf, in die Einsatzstücke unterschiedlicher Elastizität eingeschoben sind, so dass das Matratzenteil über seine Liegefläche lokal unterschiedliche Elastizitätsbereiche aufweist. Die Einsatzstücke können aus einem elastischen Werkstoff entsprechend demjenigen des Matratzenteils bestehen.
DE 10 2015 100 816 B3 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines körperstützenden Elements, wie z.B. einer Matratze, anhand von Druckdaten mittels eines 3D-Druckers. Anhand der Druckdaten können Bereiche unterschiedlicher Elastizität durch die Bildung von Hohlräumen unterschiedlicher Größen und/oder unterschiedlicher Anzahl durch den 3D-Drucker erzeugt werden.
Aus WO 2007/085548 AI ist ferner bekannt, dass vi sko -elastische Polyurethan- Weichschaumstoffe als Material für Matratzen eingesetzt werden können.
Die vorgenannten Verfahren sind mit verschiedenen Nachteilen behaftet. So sind bei der Herstellung von Matratzen aus visko-elastischen Polyurethan-Weichschaumstoffen die Möglichkeiten einer individuellen Anpassung der Dämpfungseigenschaften an die jeweiligen Bedürfnisse beschränkt. Bei den herkömmlichen Methoden zur Herstellung von Federkernmatratzen kommt hinzu, dass das Zusammenstellen der einzelnen Bauelemente aufwendig ist. Auch sind hier aufgrund der bauartbedingten Größe der eingesetzten Schraubenfedern die Möglichkeiten einer ortaufgelösten Anpassung der Dämpfungseigenschaften sehr begrenzt. Die wenig individualisierbaren Fertigungsprozesse erlauben auch hier kaum eine wirtschaftlich sinnvolle Einzelanfertigung.
Die Aufgabe der Erfindung bestand somit darin, ein Verfahren zur Herstellung eines visko-elastischen Dämpfungskörpers zur Verfügung zu stellen, das die Herstellung von Dämpfungskörpern mit individuell einstellbarem visko-elastischem Verhalten bei gleichzeitig hoher Ortsauflösung erlaubt. Die erzeugten Dämpfungskörper sollen sich beispielsweise als mechanischer Schwingungsdämpfer oder zum Einsatz für eine Matratze eignen.
Die Aufgabe wird bei einem visko-elastischen Dämpfungskörper der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der viskoelastische Dämpfungskörper über ein 3D-Druckverfahren unter Verwendungen mindestens eines bei Einsatztemperatur viskoelastischen Materials erzeugt wird.
Gegenstand der Erfindung ist damit ein Verfahren zur Herstellung eines visko-elastischen Dämpfungskörpers umfassend mindestens ein viskoelastisches Federelement, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das viskoelastische Federelement aus mindestens einem viskoelastischen Material mit einem tan δ von wenigstens 0,5, bestimmt nach DIN 53535: 1982-03, aufgebaut ist und über ein 3D-Druckverfahren erzeugt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mithilfe eines 3D-Druckverfahrens eine individualisierte Anpassung der Dämpfungseigenschaften möglich ist. Individualisiert bedeutet hierbei, dass nicht nur Einzelstücke wirtschaftlich sinnvoll erzeugt werden können, sondern dass auch die Dämpfungseigenschaften eines Dämpfungskörpers an unterschiedlichen Punkten des Körpers wunschgemäß eingestellt werden können und das mit einer hohen Ortsauflösung. Damit kann beispielsweise eine Matratze auf einen Kunden nach den anatomischen Erfordernissen beziehungsweise Bedürfnissen individuell erstellt werden. Um beispielsweise eine optimale Druckverteilung beim Liegen auf der Matratze zu erreichen, kann zunächst ein Druckprofil des Körpers auf einer Sensorfläche aufgenommen und die so gewonnenen Daten für die Individualisierung der Matratze verwendet werden. Die Daten werden dann dem 3D-Druckverfahren in an sich bekannter Weise zugeführt.
Das 3D-Druckverfahren kann beispielsweise ausgewählt sein aus Schmelzschichtung (Fused Filament Fabrication, FFF), Ink-Jet-Printing, Photopolymer-Jetting, Stereo Lithograhpy, Selective Laser Sintering, Digital Light Processing based additive manufacturing System, Continuous Liquid Interface Production, Selective Laser Melting, Binder Jetting based additive manufacturing, Multijet Fusion based additive manufacturing, High Speed Sintering Process und Laminated Object Modelling.
Der Begriff„Fused Filament Fabrication" (FFF; deutsch: Schmelzschichtung, manchmal auch Plastic Jet Printing (PJP) genannt), wie hierin verwendet, bezeichnet ein Fertigungsverfahren aus dem Bereich der additiven Fertigung, mit dem ein Werkstück schichtweise beispielsweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff aufgebaut wird. Der Kunststoff kann mit oder ohne weitere Zusätze wie Fasern eingesetzt werden. Maschinen für das FFF gehören zur Maschinenklasse der 3D-Drucker. Dieses Verfahren basiert auf der Verflüssigung eines drahtförmigen Kunststoff- oder Wachsmaterials durch Erwärmung. Beim abschließenden Abkühlen erstarrt das Material. Der Materialauftrag erfolgt durch Extrusion mit einer in Bezug auf eine Fertigungsebene frei verfahrbaren Heizdüse. Dabei kann entweder die Fertigungsebene fix sein und die Düse ist frei verfahrbar oder eine Düse ist fix und ein Substrattisch (mit einer Fertigungsebene) kann verfahren werden oder beide Elemente, Düse und Fertigungseben, sind verfahrbar. Die Geschwindigkeit mit der Untergrund und Düse zueinander verfahrbar sind liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 200 mm/s. Die Schichtdicke liegt je nach Anwendungsfall in einem Bereich von 0,025 und 1,25 mm, der Austrittsdurchmesser des Materialstrahls (Düsenauslassdurchmesser) von der Düse beträgt typischerweise mindestens bei 0,05 mm.
Bei der schichtweisen Modellherstellung verbinden sich damit die einzelnen Schichten zu einem komplexen Teil. Der Aufbau eines Körpers erfolgt üblich indem wiederholt, jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abgefahren wird (Bildung einer Schicht) und dann die Arbeitsebene„stapelnd" nach oben verschoben wird (Bilden mindestens einer weiteren Schicht auf der ersten Schicht), sodass eine Form schichtweise entsteht. Die Austrittstemperatur der Stoffmischungen aus der Düse kann beispielsweise 80 °C bis 420 °C betragen. Es ist zudem möglich, den Substrattisch zu beheizen, beispielsweise auf 20 °C bis 250 °C. Hierdurch kann ein zu schnelles Abkühlen der aufgetragenen Schicht verhindert werden, sodass eine weitere, hierauf aufgetragene Schicht sich ausreichend mit der ersten Schicht verbindet.
Der erfindungsgemäße visko-elastische Dämpfungskörper kann seine Dämpfungseigenschaften in jeder beliebigen Raumrichtung besitzen. Auch die Art der Verformung ist nebensächlich. So kann der visko-elastische Dämpfungskörper unter anderem Druck-, Zug- Torsions- oder Biege- Verformung ausgesetzt werden und diese dämpfen.
Ein visko-elastischer Dämpfungskörper im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise aus verschiedenen im Raum orientierten und in ihrer Feder und Dämpfungswirkungen richtungsabhängigen Federelementen bestehen, die wiederum auf Basis von energieelastischen Materialien mit tan δ< 0,5 und mindestens einem viskoelastischen Material δ > 0,5 bei Einsatztemperatur, beispielsweise 25°C, aufgebaut sind. Die im Raumvolumen wirkende Federkraft wird durch den Material-Moduln und Geometriefaktoren wie z.B. der Wanddicke und Raumorientierung der Federelemente bestimmt. Die Dämpfung wird durch den Dämpfungsanteil des viskoelastischen Federelements sowie Länge und Gestaltung sowie Anteil am Gesamtmodul der viskoelastischen Federelemente kontrolliert.
Die Anordnung verschiedener geometrischer Dämpfungskörper und anderer nach Definition energieelastischer Federelemente sowie ggf. zusätzlicher verformungslimitierender Elemente im vom Dämpfungskörper umschlossenen Raum (geschlossen oder offen) erlaubt die gezielte Konstruktion von symmetrisch aber auch asymmetrisch wirkenden visko-elastischen 3D-Dämpfungskörpern. Die einzelnen Federelemente können dabei mechanisch gekoppelt oder mechanisch gekoppelt und ortsfest sein. Bevorzugt werden alle diese Federelemente mittels additiver 3D-Druck-Fertigungsmethoden hergestellt. Dabei können verschiedene additive Fertigungstechnologien parallel oder seriell eingesetzt werden.
Der Modul bzw. die „Federkraft" der erfindungsgemäßen Dämpfungskörper wird durch ihre Stauchhärte nach DIN EN ISO 3386-1 für weichelastische Schaumstoffe mit niedriger Dichte und DIN EN ISO 3386-2 für weichelastische Schaumstoffe mit hoher Dichte als Kompressionswiderstand in kPa angegeben.
Die Stauchhärte des erfindungsgemäßen Dämpfungskörpers liegt beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 1000 kPa. Bevorzugt liegt die Stauchhärte nach DIN EN ISO 3386-1 :2010-09 des erfindungsgemäßen Dämpfungskörpers bei einer Stauchung auf 40 % seiner ursprünglichen Höhe im Bereich von 0,1 bis 500 kPa, weiter bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 100 kPa.
Als Visko-Elastizität bezeichnet man ein teilweise elastisches, teilweise viskoses Materialverhalten. Visko-elastische Stoffe vereinigen also Merkmale von Flüssigkeiten und Festkörpern in sich. Der Effekt ist zeit-, temperatur- und frequenzabhängig und tritt bei polymeren Schmelzen und Festkörpern wie z. B. Kunststoffen aber auch anderen Materialien auf.
Der elastische Anteil bewirkt grundsätzlich eine spontane, begrenzte, reversible Verformung, während der viskose Anteil grundsätzlich eine zeitabhängige, unbegrenzte, irreversible Verformung bewirkt. Der viskose und elastische Anteil ist bei verschiedenen visko-elastischen Materialien jeweils unterschiedlich stark ausgeprägt, auch die Art des Zusammenwirkens differiert.
In der Rheologie wird elastisches Verhalten durch eine Feder, das Hook-Element, und viskoses Verhalten durch einen Dämpfungszylinder, das Newton-Element, dargestellt. Visko-elastisches Verhalten kann durch die Kombination zweier oder mehrerer dieser Elemente modelliert werden.
Eins der einfachsten visko-elastischen Modelle ist der Kelvin-Körper, bei dem Feder und Dämpfungszylinder parallel geschaltet sind. Bei Belastung, z. B. durch Dehnung, wird die Verformung durch den Dämpfungszylinder gebremst und durch die Feder in ihrem Ausmaß begrenzt. Nach einer Entlastung geht der Körper bedingt durch das Hook-Element wieder in seine Ausgangsposition zurück. Der Kelvin-Körper verformt sich also zeitabhängig wie eine Flüssigkeit, aber begrenzt und reversibel wie ein Festkörper.
Alle Flüssigkeiten und Feststoffe können wie visko-elastische Materialien betrachtet werden indem ihr Speicher- und Verlustmodul, G' und G", beziehungsweise ihr Verlustfaktor tan δ = G"/G' angegeben werden. Bei ideal-viskosen Flüssigkeiten (Newton'sches Fluid) ist der Speichermodul sehr klein gegenüber dem Verlustmodul, bei ideal-elastischen Festkörpern, die dem Hookschen Gesetz gehorchen, ist der Verlustmodul sehr klein gegenüber dem Speichermodul. Visko-elastische Materialien weisen sowohl einen messbaren Speichermodul als auch einen messbaren Verlustmodul auf. Falls der Speichermodul größer ist als der Verlustmodul, spricht man von Feststoffen, andernfalls von Flüssigkeiten.
Der Verlustfaktor ist also ein Maß für die Dämpfung eines visko-elastischen Körpers. Die Dämpfung tan δ des erfindungsgemäßen Dämpfungskörpers liegt bei einer Druck- oder Zugverformung in Wirkungsrichtung vorzugsweise bei 0, 5 bis 2, insbesondere bei 0,5 bis 0,9, bevorzugt bei 0,5 bis 0,8, gemessen nach DIN 53535: 1982-03: Prüfung von Kautschuk und Elastomeren; Grundlagen für dynamische Prüfverfahren. Hierdurch wird eine gute Ballance zwischen Dämpfungs- und Federwirkung erzielt, was sich besonders vorteilhaft beim Einsatz in Matratzen auswirkt.
Für körper-relevante Anwendungen der erfindungsgemäßen Dämpfungskörper, beispielsweise für Matratzen, Helme oder Protektoren liegt die Stauchhärte nach DIN EN ISO 3386-1 vorzugsweise im Bereich 0,5 - 100 kPa und die Dämpfung im Bereich 0,1 - 1.
Die bleibende Verformung wird nach DIN ISO 815-1 :2010-09: Elastomere oder thermoplastische Elastomere - Bestimmung des Druckverformungsrestes bestimmt. Die Norm bestimmt den Druckverformungsrest (DVR) bei konstanter Verformung. Ein DVR von 0 % bedeutet, dass der Körper seine ursprüngliche Dicke wieder voll erreicht hat, ein DVR von 100 % sagt, dass der Körper während des Versuchs völlig verformt wurde und keine Rückstellung zeigt. Die Berechnung erfolgt nach folgender Formel: DVR (%) = ( L0 - L2 ) / ( L0 - LI ) x 100 %
wobei:
DVR = Druckverformungsrest in %
L0 = Höhe des Probekörpers vor der Prüfung
LI = Höhe des Probekörpers während der Prüfung (Distanzstück)
L2 = Höhe des Probekörpers nach der Prüfung
Der unbestimmte Ausdruck„ein" steht im Allgemeinen für„wenigstens ein" im Sinne von„ein oder mehr". Der Fachmann versteht je nach Situation, dass nicht der unbestimmte Artikel sondern der bestimmte Artikel„ein" im Sinne von„1" gemeint sein muss bzw. der unbestimmte Artikel„ein" auch in einer Ausführungsform den bestimmten Artikel„ein" (1) mit umfasst.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Dämpfungskörper einen Druckverformungsrest nach einer 10 %igen Kompression von < 5 % auf, gemessen nach DIN ISO 815-1, insbesondere von < 3 %, bevorzugt von < 2 %. Dies ist von Vorteil, da ein solcher Dämpfungskörper bei jeder erneuten Belastung das weitestgehend gleiche Rückstellvermögen besitzt. Im Falle einer Matratze wird hierdurch eine sichtbare Druckstellenbildung weitestgehend vermieden.
Der Dämpfungskörper kann bei einer Druck- oder Zugverformung in Wirkungsrichtung eine Dämpfung tan δ von 0,05 bis 2 aufweisen, insbesondere von 0,1 bis 1, gemessen nach DIN 53535: 1982-03. Mit anderen Worten kann also die Dämpfung des Dämpfungskörpers eine andere sein als diejenige des einzelnen Dämpfungselements. Dies kann realisiert werden, indem Dämpfungselemente mit anderem Dämpfungsverhalten und Federelemente mit den erfindungsgemäßen Dämpfungskörpern in der Weise kombiniert werden, dass die vorgenannten Werte für den Dämpfungskörper in seiner Gesamtheit den vorgenannten Werten entspricht. In bevorzugter Weiterbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Dämpfungskörper teilweise oder vollständig als offenzelliger Hohlkörper ausgestaltet und mit zumindest einer Durchlassöffnung versehen und weist bei einer Druck- oder Zugverformung in Wirkungsrichtung vorzugsweise eine Dämpfung tan δ von 0,1-1 auf, gemessen nach DIN 53535. Dies ist vorteilhaft, weil mithilfe des 3D- Druckverfahrens auf diese Weise Bauelemente geschaffen werden können, bei denen beispielsweise Luft oder ein anderes Fluid eine zusätzliche Dämpfungswirkung übernehmen kann, wobei das Dämpfungsverhalten durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren leicht angepasst werden kann. Das Volumen des Dämpfungskörpers kann beispielsweise 1000L bis lOOmL betragen, insbesondere 700 L bis 1 L, ganz besonders 500 L bis 2 L.
Offene Dämpfungskörper können bei der Herstellung oder aber auch erst nach der Herstellung des Hohlkörpers erzeugt werden. Letzteres kann beispielsweise durch chemisches Herauslösen oder Schmelzen eines Opfermaterials aus Bauvolumen des Dämpfungskörpers realisiert werden. Mit Opfermaterial wird ein Material bezeichnet, das nicht Teil des fertigen Dämpfungskörpers ist, sondern nur während der Herstellung des Dämpfungskörpers eingesetzt wird, um zum Beispiel Strukturen während des schichtweisen Aufbaus mit dem den Dämpfungskörper bildenden Baumaterial/Baumaterialien durch ein 3D-Druckverfahren zu stützen oder die Erzeugung von Überhängen zu ermöglichen. Als Opfermaterialien werden zum Beispiel Wachse mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Baumaterial / die Baumaterialien genutzt oder aber Materialien, die in einem anderen Lösungsmittel löslich sind, als das Baumaterial / die Baumaterialien. Zum Beispiele lässt sich für nicht-wasserlösliche Baumaterialien wasserlösliches Polyvinylalkohol (PVA) als Opfermaterial einsetzen und für Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) als Baumaterial High Impact Polystyrol (HIPS) als Opfermaterial, das sich im Gegensatz zu ABS in Aceton löst.
Ein erfindungsgemäßer Dämpfungskörper kann vorzugsweise eine Stauchhärte nach DIN EN ISO 3386-1 bei einer Stauchung auf 40 % seiner ursprünglichen Höhe von 0,01 bis 1000 kPa und/ oder eine Dämpfung tan δ nach DIN 53535 von 0,1 bis 1 und/ oder einen Druckverformungsrest nach DIN ISO 815-1 nach 10 % Kompression 5% liegt. Bevorzugt nach 20% Kompression <8% und ganz bevorzugt nach 40% Kompression < 15% liegt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform richtet sich auf die Herstellung eines 3D- Dämpfungskörpers wobei das 3D-Dämpferelement eine bleibende Verformung nach 40 % Kompression von < 10 % der ursprünglichen Bauteilhöhe aufweist. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich der visko-elastische Dämpfungskörpers durch einen E-Modul nach DIN EN ISO 604: 2003-12 der verwendeten Aufbaumateralien von< 2 GPa, insbesondere von 1 bis 1000 MPa, bevorzugt 2-500 MPa aus
Ein solcher Dämpfungskörper kann beispielsweise durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt werden, das mindestens einen der folgenden Schritte umfasst:
I) Design eines Dämpfungskörpers mit einem ortsaufgelösten, temperaturabhängigen und richtungsabhängigen Dämpfungsprofil in einem geeigneten CAD Programm,
II) Übersetzung des CAD Datensatzes in eine Produktionsanleitung für einen 3D Drucker,
III) 3D-Druck eines hohlen luftdurchlässigen Dämpfungskörpers bestehend aus mindestens einem Federelement mit viskoelastischen Eigenschaften und optional weiteren gekoppelten Federelementen,
IV) Optional heraus-'lösen" von Stützmaterial.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst neben einem der vorstehenden Schritte I) bis IV) einen der weiteren Schritte:
V) Die Kombination des erfindungsgemäßen Dämpfungskörpers mit herkömmlichen Dämpfungsmaterialien.
VI) Die optional reversible mechanische oder chemische Fixierung des erfindungsgemäßen Dämpfungskörpers in einem Halterahmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden mehr als ein Dämpfungskörper über verbrückende Materialien zu einem Produkt mit viskoelastischen Eigenschaften wie beispielhaft eine Matratze, ein Sitz, ein Helm, ein Schuh miteinander verbunden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält der Dämpfungskörper mindestens ein elastisches Material mit einem E- Modul in Vorzugsverformungsrichtung von < 2 GPa und einer materialspezifischen Dämpfung tan δ bei Einsatztemperatur, insbesondere bei 25 °C, von < 0,2 wobei der Dämpfungskörper in seiner Gesamtheit einen Modul in Vorzugsverformungsrichtung und bei Einsatztemperatur von < lGPa und einen tan δ > 0,2 aufweist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Federelement derart ausgestaltet, dass der Dämpfungskörper eine Stauchhärte von 0,1 bis 500 kPa aufweist, gemessen nach DIN EN ISO 3386-1, insbesondere 0 0,5 bis 100 kPa.
In einer besonderen Ausführungsform hat ein einzelnes oder mehrere Federelemente welche Teil des Dämpfungskörpers sind bei Einsatztemperatur welche bevorzugt im Bereich von 10-40°C liegt einen Elastizitätsmodul in Vorzugsverformungsrichtung von beispielsweise 10 Pa bis 2GPa.
Das Federelement kann beispielsweise als Druckfeder, Zugfeder, Schenkelfeder, Torsionsfeder, Spiralfeder, Membranfeder, Blattfeder, Tellerfeder, Luftfeder, Gasdruckfeder, Ringfeder, Evolutfeder oder als Schraubenfeder ausgebildet sein. Ein Teil der Federelemente kann in einer besonderen Ausführungsform aus metallischen Werkstoffen bestehen. Dabei können auch mehrere der vorgenannten Typen in einem Dämpfungskörper verwendet werden, beispielsweise um an unterschiedlichen Stellen des Dämpfungskörpers ein anderes Federungsverhalten zu etablieren.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass eine Vielzahl von elastischen und viskoelastischen Federelementen parallel und / oder sequentiell zueinander geschaltet und wenigstens teilweise untereinander gekoppelt sind. Hierunter werden elastische und viskoelastische Federelemente verstanden, die nicht unabhängig voneinander verformt werden können. Die Kopplung untereinander kann beispielsweise durch an sich bekannte Fügetechniken wie Kleben oder Schweißen oder aber bereits beim Herstellungsprozess in der Weise erfolgen, dass die einzelnen Elemente von vorherein miteinander in Verbindung stehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Zug-Modul der verwendeten Materialien des Dämpfungselements < 250 GPa betragen, gemessen nach DIN EN ISO 6892-1 :2009-12, insbesondere von 0,05 bis 150 GPa. Zum Beispiel kann das Material durch Carbon-, Aramid, oder Glasfasern in Zugrichtung verstärkt sein, um neben der Dämpfung in Hauptverformungsrichtung hervorragende Zugstabilitäten zu erreichen.
Der Dämpfungskörper kann entweder aus einem oder aber auch aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein, beispielsweise aus 2 bis 10 unterschiedlichen Materialien, insbesondere aus mehr als 3 unterschiedlichen Materialien, beispielsweise aus 3 bis 8 unterschiedlichen Materialien. Verschiedene Federelemente können aus gleichen oder verschiedenen Materialien aufgebaut sein.
Die Aushärtung der eingesetzten Materialien kann durch Abkühlen von Metallen oder Thermoplasten, durch Kalt- oder Heißpolymerisation, Polyaddition, Polykondensation, Addition oder Kondensation oder durch Elektronen- oder elektro-magnetische Strahlungen initiierte Polymerisation erfolgen. Das Material der Federelemente kann unabhängig voneinander ausgewählt sein aus Metallen, Kunststoffen und Kompositen, insbesondere aus thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffformulierungen auf Basis von Polyamiden, Polyurethanen, Polyestern, Polyimiden, Polyetherkethonen, Polycarbonaten, Polyacrylaten, Polyolefinen, Polyvinylchlorid, Polyoxymethylen und / oder vernetzten Materialien auf Basis von Polyepoxiden, Polyurethanen, Polysilikonen, Polyacrylaten, Polyestern, Gummimaterialien sowie Mischungen und Mischpolymerisate aus mindestens zwei hiervon.
Besonders bevorzugt ist das Material des Federelements und des Dämpfungselements ausgewählt aus thermoplastischem Elastomeren (TPE), Thermoplastischen Polyurethan (TPU), Polycarbonat (PC), Polyamid (PA), Polyethylentherephtalat (PET), Polybutylentherephthalat (PBT), Cycloolefinische Copolyester (COC), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetheramidketon (PEAK), Polyetherimid (PEI) (z.B. Ultem), Polyimid (PI), Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyoxymethylen (POM), Polyacrylnitril (PAN), Polyacrylat, Zelluloid oder einer Mischung aus mindestens zwei hiervon. Bevorzugt ist das Material ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus TPE, TPU, PA, PEI, und PC, besonders bevorzugt aus einer Gruppe ausgewählt aus TPU und PC.
Ebenfalls eingesetzt werden können Materialien, die ausgewählt sind aus reaktiv-härtenden Systemen.
Das Material des Federelements und/ oder des Dämpfungselements kann mindestens einen Zusatzstoff enthalten, wie z. B. Fasern, UV-Härter, Peroxide, Diazoverbindungen, Schwefel, Stabilisatoren, anorganische Füllstoffe, Weichmacher, Flammschutzmittel und Anti-Oxidantien. Beispiele solcher Zusatzstoffe sind Kevlar-, Glas-, Aramid- oder Kohle-Fasern Rayon, Celluloseacetat, und/oder gängige Naturfasern (z. B. Flachs, Hanf, Cocos, etc.). Neben oder anstatt von Fasern können die Stoffmischungen auch Verstärkungspartikel, insbesondere ausgewählt aus anorganischen oder keramischen Nanopulvern, Metallpulvern oder Kunststoffpulvern, beispielsweise aus S1O2 oder AI2O3, AIOH3, Ruß, T1O2 oder CaCCb enthalten. Weiterhin können Stoffmischungen z. B. Peroxide, Diazoverbindungen und/oder Schwefel enthalten.
Insbesondere bei Reaktionsharzen können Mischungen von zwei oder mehr Reaktionsharzen vorab gemischt sein oder werden auf dem Substrat vermischt. Der Auftrag kann im letzteren Fall beispielsweise aus unterschiedlichen Düsen erfolgen. Die aushärtbaren Stoffmischungen können unterschiedlicher Natur sein, müssen jedoch unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens flüssige beziehungsweise zähflüssige extrudierbare oder flüssige verdruckbare Kunststoffmassen sein. Dabei kann es sich um Thermoplasten, Silikone oder auch um aushärtbare Reaktionsharze handeln, z. B. 2-K Polyurethan-, 2K Epoxid- oder feuchtigkeitshärtende Polyurethan- Systeme, lufthärtende oder radikalisch härtende ungesättigte Polyester oder UV-härtenden Reaktivharze auf Basis von z.B. Vinyl- und Acrylverbindungen, wie sie u.a. in EP 2 930 009 A2 und DE 10 2015100 816 beschrieben sind.
Die Erzeugung des erfindungsgemäßen Dämpfungskörpers erfolgt in der Regel schichtweise. Nach Auftragen einer ersten Schicht und ggf. nach Auftragen weiterer Schichten zur Herstellung eines Flächenabschnitts kann bei Reaktivsystemen das aufgetragene Material z. B. durch kalte oder heiße Polymerisation bzw. Polyaddition oder Polykondensation, Addition (z. B. PU- Addition) oder Kondensation oder auch Initiierung durch Elektronen- oder elektro-magnetische Strahlungen, insbesondere UV-Strahlung, zum Aushärten gebracht werden. Thermisch härtende Kunststoffmischungen können durch eine entsprechende IR-Strahlungsquelle ausgehärtet werden.
Im Stand der Technik sind verschiedene Zwei- oder Mehrkomponentensyteme beschrieben, die verdruckt werden können. So ist beispielsweise aus der DE 199 37 770 AI ein Zweikomponentensystem bekannt, dass eine Isocyanat-Komponente und eine isocyanat-reaktive Komponente umfasst. Von beiden Komponenten werden Tropfenstrahlen erzeugt, die so ausgerichtet werden, dass sie sich zu einem gemeinsamen Tropfenstrahl vereinigen. In dem gemeinsamen Tropfenstrahl setzt die Reaktion der Isocyanat-Komponente mit der isocyanat-reaktiven Komponente ein. Der gemeinsame Tropfenstahl wird auf ein Trägermaterial gelenkt, wo er unter Ausbildung eines polymeren Polyurethans zum Aufbau eines dreidimensionalen Körpers verwendet wird. In EP 2 930 009 A2 wird ein Verfahren zum Verdrucken eines Mehrkomponentensystems beschrieben, umfassend wenigstens eine Isocyanat-Komponente und wenigstens eine isocyanat-reaktive Komponente, die aufgrund ihrer Reaktivität und Mischbarkeit besonders geeignet für Inkjetting-Verfahren sind.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen visko-elastischen Dämpfungskörper, hergestellt oder herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Erfindung betrifft zudem einen Volumenkörper, umfassend oder bestehend aus einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Dämpfungskörpern, wobei der Volumenkörper insbesondere eine Matratze ist.
Der erfindungsgemäße Volumenkörper ist vorzugsweise aus mindestens zwei Dämpfungskörpern aufgebaut.
Die Erfindung betrifft außerdem einen mechanischen Dämpfer, wie beispielsweise ein gedämpftes Federbein, umfassend mindestens einen erfindungsgemäßen Dämpfungskörper. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung eines oder mehrerer gemäß dem erfindungsgemäß hergestellten Dämpfungskörper als einen Volumenkörper bevorzugt zur Stützung von Körperteilen. Der Volumenkörper ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Matratze, einem Kissen, einem Sitz, einem Sofa, bevorzugt einem Sofateil, einem Stuhl, bevorzugt einem Stuhlteil, einem Polster, einem Helm, einem Körperschoner, einem orthopädischen Stützelement, bevorzugt einem Teil eines orthopädischen Stützelements, einem Schuh und Teilen davon oder einer Kombination aus mindestens zwei hiervon. Bevorzugt ist der Volumenkörper zur Verwendung als Stützung von Körperteilen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Matratze, einem Kissen, einem Sitz, einem Polster und Teilen davon oder einer Kombination aus mindestens zwei hiervon.
Nach einem ersten Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines visko- elastischen Dämpfungskörpers umfassend mindestens ein viskoelastisches Federelement, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Federelement aus mindestens einem viskoelastischen Material mit einem tan δ von wenigstens 0,5, bestimmt nach DIN 53535: 1982-03, aufgebaut ist und über ein 3D-Druckverfahren erzeugt wird.
Nach einem zweiten Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach Gegenstand 1, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Material einen tan δ von 0,5 bis 0,9, bestimmt nach DIN 53535: 1982-03, aufweist, insbesondere von 0,5 bis 0,8.
Nach einem dritten Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach einem der vorstehenden Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Material ausgewählt ist aus thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffformulierungen auf Basis von Polyamiden, Polyurethanen, Polyestern, Polyimiden, Polyetherkethonen, Polycarbonaten, Polyacrylaten, Polyolefinen, Polyvinylchlorid, Polyoxymethylen und / oder vernetzten Materialien auf Basis von Polyepoxiden, Polyurethanen, Polysilikonen, Polyacrylaten, Polyestern sowie Mischungen und Mischpolymerisaten aus mindestens zwei hiervon..
Nach einem vierten Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach Gegenstand 3, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Material ausgewählt ist aus thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffformulierungen auf Basis von Polyacrylaten, Polyurethanen sowie Mischungen und Mischpolymerisaten aus mindestens zwei hiervon..
Nach einem fünften Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach einem der vorstehenden Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Federelement als mit einem Fluid teilweise oder vollständig gefüllter Hohlkörper ausgestaltet und mit zumindest einer Durchlassöffnung versehen ist, wobei das Fluid insbesondere ausgewählt ist aus Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Ölen, Wasser, Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffgemischen, ionischen Flüssigkeiten, elektro- rheologischen, magneto-rheologischen, newtonischen, visko-elastischen, rheopexen, thixotropen Flüssigkeiten oder Mischungen von mindestens zwei hiervon..
Nach einem sechsten Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach Gegenstand 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fluid- Viskoelastizität bei der Verformung des viskoelastischen Federelements aus seinem unbelasteten Zustand höchstens 10% an der Gesamt- Viskoelastizität des viskoelastischen Federelements beträgt, insbesondere höchstens 5 %, bevorzugt höchstens 1 %, besonders bevorzugt weniger als 0,5 %.
Nach einem siebten Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach einem der vorstehenden Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Federelement eine Stauchhärte von 0,01 bis 1000 kPa aufweist, gemessen nach DIN EN ISO 3386-1 :2010-09, insbesondere von 0,1 bis 500 kPa, von 0,5 bis 100 kPa.
Nach einem achten Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach einem der vorstehenden Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von viskoelastischen Federelementen parallel und / oder sequentiell zueinander geschaltet und wenigstens teilweise untereinander gekoppelt sind, wobei die viskoelastischen Federelemente gleich oder verschieden aufgebaut sind.
Nach einem neunten Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach einem der vorstehenden Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungskörper einen Druckverformungsrest nach einer 10 %igen Kompression von < 2 % aufweist, gemessen nach DIN ISO 815-1 :2010-09.
Nach einem zehnten Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach einer der vorstehenden Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungskörper bei einer Druck- oder Zugverformung in Wirkungsrichtung eine Dämpfung tan δ von 0,05 bis 2 aufweist, insbesondere von 0,1 bis 1, gemessen nach DIN 53535: 1982-03.
Nach einem elften Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach einer der vorstehenden Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-Druckverfahren ausgewählt ist aus Schmelzschichtung (Fused Filament Fabrication, FFF), Ink-Jet-Printing, Photopolymer-Jetting, Stereo Lithograhpy, Selective Laser Sintering, Digital Light Processing based additive manufacturing System, Continuous Liquid Interface Production, Selective Laser Melting, Binder Jetting based additive manufacturing, Multijet Fusion based additive manufacturing, High Speed Sintering Process und Laminated Object Modelling oder einer Kombination aus mindestens zwei hiervon.. Nach einem zwölften Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach einem der vorstehenden Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, dass der Zug-Modul der verwendeten Materialien des Dämpfungskörpers (1, 20, 30) < 250GPa ist, gemessen nach DIN EN ISO 6892-1 :2009-12, insbesondere von 0,05 bis 150 GPa.
Nach einem dreizehnten Gegenstand betrifft die Erfindung ein Verfahren nach einem der vorstehenden Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Federelements (4) und des Dämpfungselements unabhängig voneinander ausgewählt ist aus Metallen, Kunststoffen und Kompositen, insbesondere aus thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffformulierungen auf Basis von Polyamiden, Polyurethanen, Polyestern, Polyimiden, Polyetherkethonen, Polycarbonaten, Polyacrylaten, Polyolefinen, Polyvinylchlorid, Polyoxymethylen und / oder vernetzten Materialien auf Basis von Polyepoxiden, Polyurethanen, Polysilikonen, Polyacrylaten, Polyestern sowie Mischungen und Mischpolymerisate aus mindestens zwei hiervon.
Nach einem vierzehnten Gegenstand betrifft die Erfindung einen visko-elastischen Dämpfungskörper, hergestellt oder herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Gegenstände 1 bis 13, wobei der Dämpfungskörper insbesondere eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist:
Hohl volumen: 1 μΕ bis 1 L, bevorzugt 10 μΕ bis 100 mL
Dicke des Materials: 10 μιη bis 1 cm, bevorzugt 50 μιη bis 0,5 cm
Durchmesser der Durchlassöffnungen: 10 bis 5000 μιη
Porenanzahl/cm2 Außenfläche: 0,01 bis 100
Fläche Poren/cm2 Außenfläche: 0,1 bis 10 mm2
E-Modul nach DIN EN ISO 604: 2003-12 des verwendeten Materials: < 2 GPa, insbesondere von 1 bis 1000 MPa, bevorzugt 2-500 MPa.
Nach einem fünfzehnten Gegenstand betrifft die Erfindung einen Volumenkörper, umfassend oder bestehend aus einer Vielzahl von Dämpfungskörpern nach Gegenstand 14, wobei der Volumenkörper insbesondere eine Matratze ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Figuren näher erläutert. Darin zeigt
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Volumenkörper in Form einer Matratze in schematischer dreidimensionaler Darstellung von schräg oben sowie
Fig. 2 die Struktur des in Fig. 1 mit„I" gekennzeichneten Abschnitt des Volumenkörpers wie sie im 3D-Drucker erzeugt wird. In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Volumenkörper M in Form einer Matratze schematisch in dreidimensionaler Darstellung von schräg oben abgebildet. Die Matratze M ist in unterschiedliche Abschnitte A, B, C, D, E unterteilt. Die Matratze M ist dabei horizontal in den Abschnitt C einerseits und die Abschnitte A, B, D und E andererseits unterteilt. Abschnitt C ist die Matratzenunterseite, die Abschnitte D sind der obere und untere Randbereich der Matratze auf beim Schlafen denen in der Regel keine besondere Last ruht, Abschnitt E ist der Kopf- und Schulterbereich, Abschnitt A der Rumpf- und Abschnitt B der Beinbereich. Die einzelnen Abschnitte unterscheiden sich dabei folgendermaßen in ihrem Dämpfungsverhalten und ihrer Stauchhärte:
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, lässt sich somit die Stauchhärte und das Dämpfungsverhalten individuell und ortsaufgelöst an die physiologischen Besonderheiten einer Einzelperson anpassen. Dabei wird über das 3D-Druckverfahren eine Vielzahl von Dämpfungselementen sowie gewünschtenfalls auch Federelementen erzeugt, die dann im Zusammenwirken die vorgenannten Werte zu tan δ und der Stauchhärte erzielen.
In Fig. 1 ist weiterhin mit einer gestrichelten Linie ein Bereich I gekennzeichnet. Dieser ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Darin sind wiederum die Abschnitte B, C, D gezeigt sowie deren Struktur, wie sie bei der Herstellung von einem 3D-Drucker erzeugt werden. In Fig. 2 ist deutlich zu erkennen, dass die Struktur der gedruckten Wiederholungseinheiten in den einzelnen Abschnitten B, C, D unterschiedlich sind, woraus sich ein unterschiedliches Dämpfungsverhalten und eine andere Stauchhärte ergeben.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines visko-elastischen Dämpfungskörpers umfassend mindestens ein viskoelastisches Federelement, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Federelement aus mindestens einem viskoelastischen Material mit einem tan δ von wenigstens 0,5, bestimmt nach DIN 53535: 1982-03, aufgebaut ist und über ein 3D-Druckverfahren erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Material einen tan δ von 0,5 bis 0,9, bestimmt nach DIN 53535: 1982-03, aufweist, insbesondere von 0,5 bis 0,8.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Material ausgewählt ist aus thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffformulierungen auf Basis von Polyamiden, Polyurethanen, Polyestern, Polyimiden, Polyetherkethonen, Polycarbonaten, Polyacrylaten, Polyolefinen, Polyvinylchlorid, Polyoxymethylen und / oder vernetzten Materialien auf Basis von Polyepoxiden, Polyurethanen, Polysilikonen, Polyacrylaten, Polyestern sowie deren Mischungen und Mischpolymerisaten.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Material
ausgewählt ist aus thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffformulierungen auf Basis von Polyacrylaten, Polyurethanen sowie deren Mischungen und Mischpolymerisaten.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
viskoelastische Federelement als mit einem Fluid teilweise oder vollständig gefüllter
Hohlkörper ausgestaltet und mit zumindest einer Durchlassöffnung versehen ist, wobei das Fluid insbesondere ausgewählt ist aus Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Ölen, Wasser,
Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffgemischen, ionischen Flüssigkeiten, elektro- rheologischen, magneto-rheologischen, newtonischen, visko-elastischen, rheopexen, thixotropen Flüssigkeiten oder Mischungen von diesen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fluid- Viskoelastizität bei der Verformung des viskoelastischen Federelements aus seinem unbelasteten Zustand höchstens 10% an der Gesamt- Viskoelastizität des viskoelastischen Federelements beträgt, insbesondere höchstens 5 %, bevorzugt höchstens 1 %, besonders bevorzugt weniger als 0,5 %.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Federelement eine Stauchhärte von 0,01 bis 1000 kPa aufweist, gemessen nach DIN EN ISO 3386-1 :2010-09, insbesondere von 0,1 bis 500 kPa, von 0,5 bis 100 kPa.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von viskoelastischen Federelementen parallel und / oder sequentiell zueinander geschaltet und wenigstens teilweise untereinander gekoppelt sind, wobei die viskoelastischen Federelemente gleich oder verschieden aufgebaut sind.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Dämpfungskörper einen Druckverformungsrest nach einer 10 %igen Kompression von < 2 % aufweist, gemessen nach DIN ISO 815-1:2010-09.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Dämpfungskörper bei einer Druck- oder Zugverformung in Wirkungsrichtung eine Dämpfung tan δ von 0,05 bis 2 aufweist, insbesondere von 0,1 bis 1, gemessen nach DIN 53535: 1982-03.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D- Druckverfahren ausgewählt ist aus Schmelzschichtung (Fused Filament Fabrication, FFF), Ink- Jet-Printing, Photopolymer-Jetting, Stereo Lithograhpy, Selective Laser Sintering, Digital Light Processing based additive manufacturing System, Continuous Liquid Interface Production, Selective Laser Melting, Binder Jetting based additive manufacturing, Multijet Fusion based additive manufacturing, High Speed Sintering Process und Laminated Object Modelling.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zug- Modul der verwendeten Materialien des Dämpfungskörpers (1, 20, 30) < 250GPa ist, gemessen nach DIN EN ISO 6892-1 :2009-12, insbesondere von 0,05 bis 150 GPa.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Federelements (4) und des Dämpfungselements unabhängig voneinander ausgewählt ist aus Metallen, Kunststoffen und Kompositen, insbesondere aus thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffformulierungen auf Basis von Polyamiden, Polyurethanen, Polyestern, Polyimiden, Polyetherkethonen, Polycarbonaten, Polyacrylaten, Polyolefinen, Polyvinylchlorid,
Polyoxymethylen und / oder vernetzten Materialien auf Basis von Polyepoxiden, Polyurethanen, Polysilikonen, Polyacrylaten, Polyestern sowie deren Mischungen und Mischpolymerisate.
14. Visko-elastischer Dämpfungskörper, hergestellt oder herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Dämpfungskörper insbesondere eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist:
Hohl volumen: 1 μΕ Μβ 1 L, bevorzugt 10 μΕ β 100 mL
Dicke des Materials: 10 μιη bis 1 cm, bevorzugt 50 μιη bis 0,5 cm
Durchmesser der Durchlassöffnungen: 10 bis 5000 μιη
Porenanzahl/cm2 Außenfläche: 0,01 bis 100
Fläche Poren/cm2 Außenfläche: 0,1 bis 10 mm2
E-Modul nach DIN EN ISO 604: 2003-12 des verwendeten Materials: < 2 GPa, insbesondere von 1 bis 1000 MPa, bevorzugt 2-500 MPa.
15. Volumenkörper, umfassend oder bestehend aus einer Vielzahl von Dämpfungskörpern nach Anspruch 14, wobei der Volumenkörper insbesondere eine Matratze ist.
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