EP3849778A1 - 3d-printed elastic products reinforced by means of continuous fibres and having asymmetrical elastic properties - Google Patents

3d-printed elastic products reinforced by means of continuous fibres and having asymmetrical elastic properties

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EP3849778A1
EP3849778A1 EP19762999.1A EP19762999A EP3849778A1 EP 3849778 A1 EP3849778 A1 EP 3849778A1 EP 19762999 A EP19762999 A EP 19762999A EP 3849778 A1 EP3849778 A1 EP 3849778A1
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EP
European Patent Office
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product
fiber
fibers
axis
polymer
Prior art date
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Pending
Application number
EP19762999.1A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dirk Achten
Nicolas Degiorgio
Jonas KÜNZEL
Thomas BÜSGEN
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Stratasys Inc
Original Assignee
Covestro Intellectual Property GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Covestro Intellectual Property GmbH and Co KG filed Critical Covestro Intellectual Property GmbH and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a fiber-reinforced, 3D-printed elastic product, the product having a weight fraction of> 50% of a polymer with an average molecular weight of> 5,000 g / mol, measured by GPC, and a weight fraction of> 0.5% and ⁇ 20 % of one or more fibers with an aspect ratio of> 100 and a length of> 3 cm and ⁇ 1000 cm, the product being produced at least in part by means of an FFF (Fused Filament Fabrication) process and the product in the field of fiber reinforcement and in Has a tensile modulus of> 1.5 GPa in the direction of the fiber symmetry axis.
  • FFF Field Fused Filament Fabrication
  • the properties of products result in a complex way from the manufacturing process and the materials used.
  • the properties of the finished workpiece can be specifically changed both as a function of the parameters in the manufacturing process and via the composition of the basic materials used, so that (if possible) end products with completely different properties can be obtained via the complex matrix of both influencing variables.
  • This fundamental relationship generally arises for all manufacturing processes and can be broken down into the individual active components by gathering production experience. In the context of modern manufacturing processes, which are based on several stages or parallel process steps, these cause-effect relationships are more difficult to determine, since recourse to many years of production experience is not possible.
  • US 9,688,028 B2 discloses a method for producing anisotropically filled 3D printed bodies. The method involves receiving a three-dimensional geometry and cut into layers. A first anisotropic fill tool path for controlling a three-dimensional printer for depositing a substantially anisotropic fill material is generated, which defines at least a part of an interior of a first layer. A second anisotropic fill tool path for controlling a three-dimensional printer is created to deposit the substantially anisotropic fill material that defines at least a portion of an interior of a second layer. A generated isotropic filler toolpath defines at least a portion of a perimeter and at least a portion of an interior of a third layer that lies between the first and second layers.
  • US 2016/0067928 A1 describes a method for producing anisotropically filled 3D printed bodies by means of the FDM method, comprising the deposition of at least one isotropic and at least one anisotropic material.
  • the document describes that a three-dimensional geometry is received and cut into layers.
  • a first anisotropic fill tool path for controlling a three-dimensional printer for depositing a substantially anisotropic fill material is created that defines at least a portion of an interior of a first layer.
  • a second anisotropic fill tool path for controlling a three-dimensional printer to deposit the substantially anisotropic fill material defines at least a portion of an interior of a second layer.
  • a generated isotropic filler toolpath defines at least a portion of a perimeter and at least a portion of an interior of a third layer that lies between the first and second layers.
  • the method includes receiving a first 3D toolpath that defines a curved fill material shell, receiving first 2D toolpaths that define flat carrier shells, receiving a second 3D toolpath that defines a curved shell made of long fiber composite material, the long fiber composite material being a filament comprises with a matrix; Embedding fibers with a catch more than twice the diameter of the filament, actuating a filler deposition head to trace the first 3D tool path in order not to deposit the filler-curved shell parallel to a printing substrate, actuating a substrate deposition head to track the first 2D Toolpaths to deposit substrate in a series of substantially flat shells and actuate a long fiber deposition head so as not to track the second 3D toolpath parallel to the print substrate to deposit the curved shell made of long fiber composite material, at least part of the filler material encloses curved bowl.
  • CN 106 313 496 A also describes a process for processing continuous fibers together with thermoplastics in a special FDM process.
  • the document discloses a 3D printing process for a continuous fiber reinforced thermoplastic resin matrix composite material and a printhead. According to the method, fiber bundles and melted thermoplastic resins can be rotationally mixed and then subjected to rotational extrusion, the extruded wires being spiral; and the printhead can load the fiber bundles and the thermoplastic resins in a melt cavity, and spiral toothed rings are located on the inside of the melt cavity and an extrusion head and rotate in opposite directions.
  • the heated molten resins and fibers are stirred by the spiral toothed rings which, after mixing, rotate in two directions so that the fibers are compactly wound from a flat shape into a spiral column shape, the resins are evenly distributed in each fiber orientation and then becomes one Mix extruded from an extrusion orifice to a molding area, cooled and hardened to form a spatial unit.
  • the flat large cable fibers can be used as reinforcements in a 3D printing process
  • the compactly wound fibers have a high degree of compaction
  • the fibers and the matrices are sufficiently impregnated
  • the fibers and resins formed are evenly distributed; therefore, the method and the printhead are capable of improving the mechanical properties of an element and the quality of the molding.
  • WO 2015/120429 A1 describes a process for processing continuous fibers by extrusion of a thixotropic, post-crosslinkable liquid containing fillers in addition to the fibers.
  • the document describes a filament structure that is extruded from a nozzle during 3D printing, which comprises an endless filament with filler particles dispersed therein. At least a portion of the filler particles in the continuous filament include high aspect ratio particles that have a predetermined orientation with respect to a capture axis of the continuous filament.
  • the high aspect ratio particles can be at least partially aligned along the capture axis of the continuous filament. In some embodiments, the high aspect ratio particles can be strongly aligned along the capture axis.
  • the high aspect ratio particles may have a helical orientation that includes a peripheral component and a capture component, the peripheral component being created by rotating a deposition nozzle and the capture component being transferred by translation of the deposition nozzle.
  • WO 2018/081554 A1 describes a method for producing continuous fiber-reinforced components for use as implant materials.
  • the document describes procedures and Devices for printing a three-dimensional fiber structure. A layer of fibers is printed on a printing surface by pressing fibers through at least one extrusion die and onto the printing surface. The extrusion nozzle and / or printing surface are moved in the X, Y and / or Z direction during the printing of the fibers.
  • the method can be used to manufacture medical bandages, hernia nets, vascular implants, knee menisci or rotator cuffs.
  • US 2018/0131124 A1 describes a process for the production of 3D printed seals including reinforcing fillers.
  • the document discloses an electrical connector assembly for electrical submersible pumps (ESPs) having a liquid-impermeable, 3D-printed seal between the power cable and an inner housing component of the electrical connector assembly. Electrical insulation or a dielectric for a wire of the power cable can also be 3D-printed integrally with the fluid seal.
  • the housing component for example an internal electrical housing, can also be 3D-printed integrally with the printed seal.
  • the 3D printed seal, internal housing component and outer quiver housing can all be printed on the power cable as a unit.
  • the 3D printed sealant and associated bucket components can be made from a variety of chemical resistant materials such as printed polyaryl ether ketones, printed fluorinated polymers and metal alloys.
  • the 3D printed seal may also contain barrier materials or reinforcing fillers to improve strength and chemical resistance to borehole fluids and gases.
  • US 2016/0159007 A1 describes a method for producing conveyor belts for the paper industry, at least part of which is 3D printed.
  • the document discloses a paper production belt with material zones which are deposited one after the other by means of a 3D printing process.
  • the zones include at least one pocket zone configured to form three-dimensional structures in a paper web by applying a vacuum to pull the paper web against the pocket zone.
  • the zone also includes at least one vacuum interruption zone configured to limit an amount of paper fibers drawn through the pocket zone by the applied vacuum.
  • US 2016/012935 A1 discloses a starting material for additive manufacturing processes with a matrix material and fibers containing one or more barbs, which are present within the matrix material.
  • Each barb-containing fiber has a central filament and one or more barb structures.
  • the barb structures are designed to protrude outward from the central filament after extrusion. Process for the preparation of the Starting material and methods of using the starting material to make three-dimensional objects are also disclosed.
  • US 2018/001547 A1 relates to a method for producing an individualized immobilization element for the non-invasive immobilization and / or mobilization of at least one segment of a body part of a patient in a predetermined position relative to a reference and / or in a predetermined configuration.
  • the method comprises the steps (i) providing a data set comprising a three-dimensional image of an outer contour of at least part of the body segment to be immobilized and / or mobilized and (ii) producing at least part of the immobilization element by rapidly producing a shape based on the data set using a polymeric material with a thermoplastic polymer, which has a melting point of ⁇ 100 ° C, wherein the polymeric material contains a nucleating agent to support the crystallization of the thermoplastic polymer.
  • a fiber-reinforced, 3D-printed elastic product having a weight fraction of> 50% of a polymer with an average molecular weight (M n ) of> 5,000 g / mol, measured by GPC, and a weight fraction of> 0.5% and ⁇ 20% of one or more fibers with an aspect ratio of> 100 and a length of> 3 cm and ⁇ 1000 cm, the product being produced at least in part by means of an FFF (Free Filament Fabrication) process and the product in the range of Fiber reinforcement and in the direction of the fiber symmetry axis has a tensile modulus measured according to DIN EN ISO 527-1 of> 1.5 GPa.
  • M n average molecular weight
  • FFF Free Filament Fabrication
  • the axis of symmetry of a fiber is parallel to the longitudinal axis of the fiber, that is to say parallel to the fiber axis with the greatest spatial fiber extension. This is described in more detail below.
  • the products according to the invention have several advantages over the printed products described in the prior art. Based on the combination of the chemical properties of the base material and based on the production using 3D printing and additional fiber reinforcement, complex mechanical properties of the product result.
  • the printed products are fundamentally elastic, whereby they have an extraordinarily high strength and rigidity in the direction of the axis of symmetry of the fibers which are also printed. Perpendicular to these later directions of loading, the product has an extremely high elasticity, ie low rigidity and / or lower strength.
  • the product shows an extraordinarily high anisotropy in the mechanical properties, which enables the successful use of these products in completely new areas of application.
  • the high anisotropy in the mechanical properties can be demonstrated, for example, by clearly different mechanical parameters such as module anisotropy, damping anisotropy, and anisotropy in yield stress.
  • anisotropy indicates that these mechanical values for characterizing the product as a function of the measuring direction are not the same, but are significantly different.
  • the product according to the invention is a fiber-reinforced, 3D-printed elastic product.
  • a 3D printed product was at least partially manufactured using a 3D printing process. All or only a portion of the product can be produced using 3D printing.
  • At least one of the 3D-printed sections has fibers in addition to the printed elastic polymer within the printed polymer matrix. This means that this or these sections are fiber-reinforced in the sense that not only a 3D-printed polymer but also a 3D-printed polymer with at least one integrated fiber with the dimensions and properties according to the invention is present within these sections of the product.
  • a product is elastic if it shows an elongation at break in the tensile test according to DIN 53504 of> 50%.
  • the product can have, for example, a compression set after 10% compression (according to DIN ISO 815-1) of ⁇ 50%, preferably ⁇ 30%, particularly preferably ⁇ 15%.
  • the product is> 50% by weight polymer.
  • the proportion of polymers in relation to the other product proportions can be decisive for the elastic properties of the product.
  • products are also obtainable which can be “highly filled”, that is to say that in addition to the polymer and the fibers, they can also have other fillers in significant proportions.
  • These highly filled products are also encompassed by the invention.
  • polymers are macromolecules which are composed of repeating, identical units. Examples of polymers or polymer mixtures which can be used are listed further below.
  • the determination of the content is known to the person skilled in the art and can be carried out after dissolving the product, for example by means of gel permeation chromatography (GPC) in the case of non-crosslinked soluble polymers.
  • GPC gel permeation chromatography
  • TGA thermogravimetry
  • elemental analyzes can be carried out to quantify the organic components compared to inorganic components.
  • the person skilled in the art is familiar with the test methods to be used to determine the proportions by weight. Polymer contents of> 55% have been preferred for many applications
  • the polymer has an average molecular weight (M n ) of> 5,000 g / mol, measured by means of GPC.
  • the average molecular weight means the number average molecular weight.
  • the polymer used can have a mass distribution, the quotient of the total mass and the number of particles having to be greater than the value given above.
  • the distribution and the mean value of the distribution can be determined by means of GPC on the finished product.
  • the product is expediently dissolved and subjected to a GPC.
  • the suitable GPC conditions including the solvents that can be used for dissolution.
  • the polymer can preferably also have an average molecular weight of 10,000 g / mol, further preferably of> 12,000 g / mol, and also preferably of> 15,000 g / mol and particularly preferably of> 20,000 g / mol.
  • the molecular weight of the soluble and extrudable matrix is defined as decisive, since at least partially crosslinked fractions are assumed to have an “infinite” molecular weight can. These molecular weights can lead to sufficient elastic properties of the printed polymer. Very high average molecular weights
  • the GPC examination can be carried out, for example, in DMF at 23 ° C. and / or 80 ° C. on a polystyrene / divinylbenzene column material against PMMA as a standard.
  • the product has a weight fraction of> 0.5% and ⁇ 20% of one or more fibers.
  • Fibers in the sense of the invention are linear structures which consist of a fibrous material and generally have a defined outer fiber shape or geometry. Examples of fiber types that can be used are listed below.
  • the proportion by weight can be determined, for example, gravimetrically after dissolving the product and drying the fibers from the solvent. Solvents are known to those skilled in the art for selectively dissolving the polymer while maintaining fiber integrity. Alternatively, the fiber content can be determined using the methods mentioned above such as TGA and elemental analysis.
  • the fiber weight fraction can furthermore preferably be 1% to 18%, particularly preferably 1.5% to 15% and very particularly preferably 2% to 12%.
  • the fibers have an aspect ratio of> 100.
  • the aspect ratio describes the ratio of the depth or height of a structure to its (smallest) lateral extent. If the fiber has a varying diameter or a varying catch, the mean values over the entire fiber can be used for the aspect ratio.
  • the fibers preferably have an aspect ratio of greater than or 200, more preferably greater than 500, and further preferably greater than 1000. Smaller aspect ratios can be disadvantageous since products containing these fibers cannot have the required mechanical anisotropy.
  • the fibers which can be used according to the invention have a catch of> 3 cm and ⁇ 1000 cm.
  • This fiber length range has proven to be particularly suitable for obtaining a 3D-printed product with strongly anisotropic mechanical properties.
  • the range indicates that at least 95% of the number of fibers has a catch within the range specified above, that is to say within the range.
  • a certain proportion of smaller fiber lengths, for example obtained by fiber breakage during production, is also according to the invention. With these fiber lengths, extremely stable 3D-printed products can be obtained which, due to the fiber properties in connection with the polymers used, show a high anisotropy in the mechanical properties.
  • the fibers can preferably also be> 7 cm and ⁇ 500 cm; furthermore preferably> 10 cm and ⁇ 100 cm long.
  • the product is manufactured at least in part by means of an FFF (Fused Filament Fabrication) process.
  • the extruded polymer can optionally be crosslinked in a downstream process.
  • the reaction of the polymer with water in follow a conversion of, for example, isocyanate groups to urea and / or by radiation curing and / or by tempering at temperatures at least above the glass point of the polymer.
  • the shape of the product is entirely or partially carried out using a 3D printing process, with at least a region of the product which has fiber reinforcement having to have been produced using the 3D printing process.
  • the “fused filament fabrication” is used as the production method, that is to say the production via molten (polymeric) filaments. It is also in the spirit of the invention that partial areas of the product were not produced by a 3D printing process. Products can thus result which have isolated one or more sections with the material properties required in the independent claim.
  • the product has a tensile modulus according to DIN EN ISO 527-1 measured in the area of fiber reinforcement and in the direction of the fiber symmetry axis of> 1.5 GPa.
  • area of fiber reinforcement according to the invention means that the mechanical properties are measured at the points of the product which have fiber reinforcement. Samples from this area can be taken and subjected to mechanical analysis. Values obtained by measurements in areas without fiber reinforcement are not according to the invention. The measured specimen must accordingly have or contain at least one fiber.
  • the mean value according to the invention counts at three different points of the product of measured samples.
  • the modules are collected on the finished product, i.e. after further treatment steps such as tempering / cooling / after crosslinking.
  • the axis of symmetry of a fiber is parallel to the longitudinal axis of the fiber, that is to say parallel to the fiber axis with the largest spatial fiber extension, as described above. If the fiber within the product is not aligned monotonously, the axis of symmetry of the fiber is the average of the individual segment axes of symmetry. According to the invention, the tensile modulus in the direction of the fiber symmetry axis also results for the cases in which the deviations between the measuring direction and the fiber symmetry axis are less than 20 °, preferably less than 10 °, and furthermore less than 5 °. Within these deviations, the requirements for the anisotropy and elasticity of the product can still be met.
  • the module in the axis of symmetry can be greater than 1.7 GPa, further preferably> 2GPa, further preferably> 3 GPa, and also preferably> 4 GPa on the finished product.
  • high loads can be absorbed by the product.
  • Modules smaller than 1.5 GPa can be disadvantageous because the products may not have the required mechanical stability due to their high elasticity.
  • the product according to the invention furthermore has a tensile modulus according to DIN EN ISO 527-1 measured in the area of the fiber reinforcement and perpendicular to the fiber symmetry axis of ⁇ 1.2 GPa.
  • the measurement is carried out on the finished product, if necessary after further processing steps such as tempering / cooling / crosslinking, which can still influence the mechanical properties of the product.
  • the tensile modulus is measured perpendicular to the fiber symmetry axis if the mean orientation of the fibers present in the specimen include an angle of greater than or equal to 75 ° and less than or equal to 105 ° to the measuring direction.
  • the measurement takes place in the area of fiber reinforcement if the measured sample body has at least one of the fibers according to the invention.
  • the tensile modulus can preferably also be ⁇ 1.0 GPa, preferably ⁇ 0.8 GPa, less than 0.6 GPa, and furthermore preferably ⁇ 0.4 GPa.
  • Modules lower than ⁇ 0.05 GPa can be disadvantageous, since in these cases the products may lack the necessary strength. Higher modules can lead to a low anisotropy of the product, which is not according to the invention.
  • the product according to the invention also has a yield strength of> 5% measured in the area of the fiber reinforcement and perpendicular to the fiber symmetry axis in accordance with DIN EN ISO 527-1.
  • the yield strengths specified above have proven to be particularly advantageous. Thanks to these yield strengths, the product can be equipped with sufficient elasticity for many areas of application, so that preferred usage properties result in the application. For example, toothed splints can be easily inserted and removed again due to the high yield strength.
  • the yield strength can also preferably be> 7%, further preferably> 9%, further preferably> 11% and likewise> 15%
  • the product can be rotationally symmetrical on at least one spatial section and the axis of symmetry of the fibers can be aligned perpendicular to the axis of symmetry of the product.
  • the product can thus be rotationally symmetrical overall or, in the case of complex products with a plurality of shapes placed one against the other, a part of the product. Examples of these preferred embodiments are, for example, O-rings or V-belts, these structures being rotationally symmetrical and the axis of symmetry running through the center of the product.
  • a preferred combination of materials for O-rings would be TPU / polyaramid fiber.
  • both axes of symmetry are perpendicular to one another in those cases if they enclose an angular range greater than or equal to 75 ° and less than or equal to 105 ° to one another.
  • This geometric connection can lead to particularly suitable products, which are excellent strength in the load direction and high elasticity.
  • the product can have an aspect ratio of> 1 and the axis of symmetry of the fibers lies essentially in one plane with the product axis with the greatest extent.
  • the products according to the invention with the anisotropic mechanical properties are particularly suitable for the production of products with asymmetrical dimensions, the mechanical fiber stabilization of the products lying in one plane with the greatest product expansion.
  • the product can be maximally stabilized by the fiber storage.
  • the product can have an aspect ratio of> 3, preferably> 5, further preferably> 10 and further preferably> 15.
  • the product can have a loss factor tan d of ⁇ 0.07 in the area of fiber reinforcement, measured by means of mechanical dynamic analysis (DMA) in tensile stress, and a yield strength in the direction of the fiber symmetry axis of ⁇ 7% measured according to DIN EN ISO 527- 1 have.
  • DMA mechanical dynamic analysis
  • These mechanical properties of the product preferably contribute to the high strength and resilience of the product in the fiber direction.
  • the reason for the low yield strength and the loss factor according to the invention can be seen in the combination of the fibers which can be used according to the invention and the elastic polymer. Higher yield strengths can be disadvantageous because in these cases the printed product can only show insufficient resistance to mechanical stress on the product.
  • the loss factor can preferably be ⁇ 0.06, preferably ⁇ 0.05, furthermore ⁇ 0.04 and further preferably ⁇ 0.03. These loss factors can contribute to a particularly strong anisotropy in the mechanical properties of the product.
  • the yield strength can be determined at 23 ° C. and the yield strength can preferably also be ⁇ 3%, particularly preferably ⁇ 2% and very particularly preferably ⁇ 1%.
  • the polymer in another aspect of the product, can be a thermoplastic elastomer.
  • Thermoplastic elastomers are materials in which elastic polymer chains are integrated in thermoplastic material. They can be processed in a purely physical process in a combination of high shear forces, exposure to heat and subsequent cooling. Although no chemical crosslinking due to time-consuming and temperature-consuming vulcanization, as with the elastomers, is necessary, the parts manufactured have rubber-elastic properties due to their special molecular structure. A renewed exposure to heat and shear forces leads to melting and Deformation of the material. At the same time, this means that the TPE is far less thermally and dynamically resilient than standard elastomers. The TPE are therefore not a "successor product" of conventional elastomers, but an addition that combines the processing advantages of thermoplastics with the material properties of the elastomers.
  • thermoplastic elastomers have physical cross-linking points (secondary valence forces or crystallites) that dissolve when exposed to heat without the macromolecules decomposing. Therefore, they can be processed much better than normal elastomers. This means that plastic waste can also be melted down and processed further. However, this is also the reason why the material properties of thermoplastic elastomers change non-linearly over time and temperature.
  • the two main measurable physical material properties are the compression set and the stress relaxation. Compared to ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), they have poorer material properties in short-term behavior, and the raw material is also more expensive. In the long-term behavior, however, the picture is reversed compared to EPDM.
  • thermoplastic elastomers are increasingly used in automotive body seals and in components. They can be extruded, injection molded or blow molded and are usually obtained ready for use.
  • Copolymers are used either as statistical or as block copolymers.
  • the hard and soft segments are sharply separated in one molecule (e.g. SBS, SIS).
  • TPEs the material separates into a continuous and a discontinuous phase below a certain temperature. As soon as the latter falls below its glass transition temperature Tg (the Tg of the continuous phase is significantly below the later application temperature), it in turn acts as a crosslinking point.
  • Elastomer alloys are polyblends, i.e. mixtures of finished polymers.
  • the plastic therefore consists of several types of molecules.
  • Mixing ratios and additives are available for customized materials (e.g. polyolefin elastomer made of polypropylene (PP) and natural rubber (NR) - depending on the ratio, they cover a wide range of hardness).
  • TPE-A or TPA thermoplastic copolyamides, e.g. B. PEBAX (Arkema)
  • TPE-E or TPC thermoplastic polyester elastomers / thermoplastic copolyesters, e.g. B. Keyflex (LG Chem)
  • TPE-0 or TPO thermoplastic elastomers based on olefins, mainly PP / EPDM
  • TPE-S or TPS styrene block copolymers (SBS, SEBS, SEPS, SEEPS and MBS), e.g.
  • TPE-U or TPU thermoplastic elastomers based on urethane, e.g. B. Elastollan (BASF) or Desmopan, Texin, Utechllan (Covestro)
  • TPE-V or TPV thermoplastic vulcanizates or cross-linked thermoplastic elastomers based on olefins, mainly PP / EPDM, e.g. B. Sariink (DSM)
  • Thermoplastic elastomers can, for example, also be selected from the group: thermoplastic copolyamides (TPA), thermoplastic copolyesters (TPC), thermoplastic elastomers based on olefins (TPO), styrene block copolymers (TPS), thermoplastic elastomers based on urethane (TPU), cross-linked thermoplastic elastomers Olefin-based (TPV), thermoplastic elastomers based on polyvinyl chloride (PVC), thermoplastic elastomers based on silicone or a combination of at least two of these elastomers. Combinations of> 3,> 4 or> 5 of these elastomers are also possible.
  • the elastic polymer can also contain other additives such as fillers, stabilizers and the like, but also other polymers.
  • the total content of additives in the elastic polymer can be, for example,> 0.1% by weight to ⁇ 70% by weight, preferably> 1% by weight to ⁇ 50% by weight. This group of thermoplastic elastomers can greatly contribute to products with high mechanical anisotropy.
  • the elastomer is a thermoplastic elastomer and has a melting range (DSC, differential scanning calorimetry; second heating with heating rate 20 K / min) from> 20 ° C. to ⁇ 280 ° C. (preferably> 40 ° C to ⁇ 250 ° C, more preferably> 50 ° C to ⁇ 220 ° C), a Shore A hardness according to DIN ISO 7619-1 of> 40 to ⁇ 98 (preferably> 50 to ⁇ 95, more preferably> 60 to ⁇ 90) and a melt volume rate (MVR) according to ISO 1133 (measured 120 ° C. above the melting point, 10 kg) of> 5 to ⁇ 200 (preferably> 10 to ⁇ 150, more preferred > 15 to ⁇ 100) cm 3/10 min.
  • DSC differential scanning calorimetry
  • the polymer can be a polyurethane or a rubber.
  • the rubber can be the base material and can be used before curing or vulcanization.
  • the vulcanizates of natural and synthetic rubbers are referred to as rubbers (the majority of rubbers). (Jürgen Falbe, Manfred Regitz (ed.): CD Römpp Chemie Lexikon, Thieme, Stuttgart, 1995). This selection of polymers can lead to particularly elastic and mechanically strongly anisotropic products.
  • thermoplastic elastomer can be a thermoplastic polyurethane elastomer.
  • the elastomer is a thermoplastic polyurethane elastomer which can be obtained from the reaction of the components: a) at least one organic diisocyanate b) at least one compound having groups which are reactive toward isocyanate groups and having a number average molecular weight (Mn) of> 500 g / mol to ⁇ 6000 g / mol and a number-average functionality of the total of the components under b) from> 1.8 to ⁇ 2.5 c) at least one chain extender with a molecular weight (Mn) of 60-450 g / mol and a number-average functionality of the entirety of the chain extender under c) from 1.8 to 2.5.
  • Mn number average molecular weight
  • thermoplastic polyurethane elastomer TPU
  • the following may be mentioned as examples of the isocyanate component under a): aliphatic diisocyanates such as ethylene diisocyanate, 1,4-tetramethylene diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate, 1,12-dodecane diisocyanate, cycloaliphatic diisocyanates such as isophorone diisocyanate - Cyclohexane diisocyanate, l-methyl-2,4-cyclohexane diisocyanate and l-methyl-2,6-cyclohexane diisocyanate and the corresponding isomer mixtures, 4,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate, 2,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate and 2,2'-
  • Dicyclohexylmethane diisocyanate and the corresponding isomer mixtures also aromatic diisocyanates such as 2,4-tolylene diisocyanate, mixtures of 2,4-tolylene diisocyanate and 2,6-tolylene diisocyanate.
  • aromatic diisocyanates such as 2,4-tolylene diisocyanate, mixtures of 2,4-tolylene diisocyanate and 2,6-tolylene diisocyanate.
  • 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, 2,4'-diphenylmethane diisocyanate and 2,2'-diphenylmethane diisocyanate 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, 2,4'-diphenylmethane diisocyanate and 2,2'-diphenylmethane diisocyanate.
  • Diphenylmethane diisocyanate isomer mixtures with a 4,4'-diphenylmethane diisocyanate content of more than 96% by weight and in particular 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and 1,5-naphthylene diisocyanate.
  • the diisocyanates mentioned can be used individually or in the form of mixtures with one another. They can also be used together with up to 15 mol% (calculated on total diisocyanate) of a polyisocyanate, but at most so much polyisocyanate may be added that a still processable product is obtained.
  • Examples of polyisocyanates are triphenylmethane 4,4 ', 4 "triisocyanate and polyphenyl polymethylene polyisocyanates.
  • Examples of longer-chain isocyanate-reactive compounds under b) are those with on average at least 1.8 to 3.0 Zerewitinoff-active hydrogen atoms and a number-average molecular weight of 500 to 10,000 g / mol.
  • thiol groups or compounds containing carboxyl groups are included, in particular two to three, preferably two hydroxyl group-containing compounds, especially those with number-average molecular weights Mn of 500 to 6000 g / mol, particularly preferably those with a number-average molecular weight Mn of 600 to 4000 g / mol, eg polyester polyols containing hydroxyl groups, polyether polyols, polycarbonate polyols and polyester polyamides.
  • Suitable polyester diols can be prepared by reacting one or more alkylene oxides with 2 to 4 carbon atoms in the alkylene radical with a starter molecule which contains two active hydrogen atoms bonded.
  • alkylene oxides are: ethylene oxide, 1,2-propylene oxide, epichlorohydrin and 1,2-butylene oxide and 2,3-butylene oxide. Ethylene oxide, propylene oxide and mixtures of 1,2-propylene oxide and ethylene oxide are preferably used.
  • the alkylene oxides can be used individually, alternately in succession or as mixtures.
  • starter molecules are water, amino alcohols, such as N-alkyl-diethanolamines, for example N-methyl-diethanolamine, and diols, such as ethylene glycol, 1,3-propylene glycol, 1,4-butanediol and 1,6-hexanediol. If appropriate, mixtures of starter molecules can also be used.
  • Suitable polyether diols are also the hydroxyl-containing polymerization products of tetrahydrofuran. Trifunctional polyethers can also be used in proportions of 0 to 30% by weight, based on the bifunctional polyether diols, but at most in such an amount that a product which can still be processed thermoplastically is produced.
  • the essentially linear polyether diols preferably have number average molecular weights n of 500 to 6000 g / mol. They can be used both individually and in the form of mixtures with one another.
  • Suitable polyester diols can be prepared, for example, from dicarboxylic acids having 2 to 12 carbon atoms, preferably 4 to 6 carbon atoms, and polyhydric alcohols.
  • suitable dicarboxylic acids are: aliphatic dicarboxylic acids such as succinic acid, glutaric acid, adipic acid, suberic acid, azelaic acid and sebacic acid, or aromatic dicarboxylic acids such as phthalic acid, isophthalic acid and terephthalic acid.
  • the dicarboxylic acids can be used individually or as mixtures, e.g. in the form of a mixture of succinic, glutaric and adipic acids.
  • polyester diols it may be advantageous to use the corresponding dicarboxylic acid derivatives, such as carboxylic acid diesters having 1 to 4 carbon atoms in the alcohol radical, carboxylic acid anhydrides or carboxylic acid chlorides, instead of the dicarboxylic acids.
  • dicarboxylic acid derivatives such as carboxylic acid diesters having 1 to 4 carbon atoms in the alcohol radical, carboxylic acid anhydrides or carboxylic acid chlorides, instead of the dicarboxylic acids.
  • polyhydric alcohols are glycols having 2 to 10, preferably 2 to 6, carbon atoms, for example: Ethylene glycol, diethylene glycol, 1, 4-butanediol, 1,5-pentanediol, 1, 6-hexanediol, 1,10-decanediol,
  • esters of carbonic acid with the diols mentioned, in particular those with 4 to 6 carbon atoms such as 1, 4-butanediol or 1,6-hexanediol, condensation products of w-hydroxycarboxylic acids such as w-hydroxycaproic acid or polymerization products of lactones, e.g. optionally substituted w-caprolactone.
  • polyester diols are ethanediol polyadipates, 1,4-butanediol polyadipates, ethanediol-1,4-butanediol polyadipates, 1,6-hexanediol-neopentylglycol polyadipates, 1,6-hexanediol-1,4-butanediol polyadipates and polycaprolactones.
  • the polyester diols preferably have number average molecular weights Mn of 450 to 6000 g / mol and can be used individually or in the form of mixtures with one another.
  • the chain extenders under c) have an average of 1.8 to 3.0 Zerewitinoff-active hydrogen atoms and have a molecular weight of 60 to 450 g / mol.
  • amino groups, thiol groups or carboxyl group-containing compounds these are understood to mean those having two to three, preferably two, hydroxyl groups.
  • Aliphatic diols with 2 to 14 carbon atoms such as e.g. Ethanediol, 1, 2-propanediol, 1,3-propanediol, 1, 4-butanediol,
  • 2,3-butanediol 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, diethylene glycol and dipropylene glycol.
  • diesters of terephthalic acid with glycols with 2 to 4 carbon atoms for example terephthalic acid-bis-ethylene glycol or terephthalic acid-bis-1,4-butanediol, hydroxyalkylene ether of hydroquinone, for example 1,4-di (b-hydroxyethyl) hydroquinone, are also suitable.
  • ethoxylated bisphenols e.g.
  • 1,4-di (b- hydroxyethyl) bisphenol A (cyclo) aliphatic diamines, such as isophoronediamine, ethylenediamine, 1,2-propylenediamine, 1,3-propylenediamine, N-methyl-propylene-1,3-diamine, N, N'-dimethylethylenediamine and aromatic diamines such as 2,4-toluenediamine, 2,6-toluenediamine, 3,5-diethyl-2,4-toluenediamine or 3,5-diethyl-2,6-toluenediamine or primary mono-, di-, tri- or tetraalkyl-substituted 4 , 4'-Diaminodiphenylmethane.
  • cyclo aliphatic diamines such as isophoronediamine, ethylenediamine, 1,2-propylenediamine, 1,3-propylenediamine, N-methyl-propylene-1,3-diamine, N
  • Ethanediol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, 1,4-di ( ⁇ -hydroxyethyl) hydroquinone or 1,4-di ( ⁇ -hydroxyethyl) bisphenol A are particularly preferably used as chain extenders. Mixtures of the chain extenders mentioned above can also be used.
  • Compounds which are monofunctional to isocyanates can be used under f) in proportions of up to 2% by weight, based on TPU, as so-called chain terminators.
  • Suitable are e.g. Monoamines such as butyl- and dibutylamine, octylamine, stearylamine, N-methylstearylamine, pyrrolidine, piperidine or cyclohexylamine, monoalcohols such as butanol, 2-ethylhexanol, octanol, dodecanol, stearyl alcohol, the various amyl alcohols, cyclohexanol and ethylene glycol monomethyl ether.
  • the substances which are reactive toward isocyanate should preferably be chosen so that their number-average functionality does not significantly exceed two if it is intended to produce thermoplastically processable polyurethane elastomers. If more functional connections are used, the overall functionality should be reduced accordingly by connections with a functionality ⁇ 2.
  • the relative amounts of the isocyanate groups and isocyanate-reactive groups are preferably chosen so that the ratio is 0.9: 1 to 1.2: 1, preferably 0.95: 1 to 1.1: 1.
  • the thermoplastic polyurethane elastomers used according to the invention can contain up to a maximum of 20% by weight, based on the total amount of TPU, of the conventional auxiliaries and additives as auxiliaries and / or additives.
  • Typical auxiliaries and additives are catalysts, antiblocking agents, inhibitors, pigments, dyes, flame retardants, stabilizers against the effects of aging and weather, against hydrolysis, spruce, heat and discoloration, plasticizers, lubricants and mold release agents, fungistatic and bacteriostatic substances, reinforcing agents and inorganic and / or organic fillers and mixtures thereof.
  • additives examples include lubricants, such as fatty acid esters, their metal soaps, fatty acid amides, fatty acid ester amides and silicone compounds, and reinforcing agents, such as, for example, fibrous reinforcing materials, such as inorganic fibers, which are produced according to the prior art and can also be subjected to a size.
  • lubricants such as fatty acid esters, their metal soaps, fatty acid amides, fatty acid ester amides and silicone compounds
  • reinforcing agents such as, for example, fibrous reinforcing materials, such as inorganic fibers
  • Suitable catalysts are the conventional tertiary amines known and known in the art, e.g. Triethylamine, dimethylcyclohexylamine, N-methylmorpholine, N, N'-dimethylpiperazine, 2- (dimethylaminoethoxy) ethanol, diazabicyclo [2,2,2] octane and the like, and in particular organic metal compounds such as titanium acid esters, iron compounds or tin compounds such as tin diacetate, tin dioctoate, tin dilaurate or the tin dialkyl salts of aliphatic carboxylic acids such as dibutyltin diacetate or dibutyltin dilaurate or the like.
  • Triethylamine dimethylcyclohexylamine, N-methylmorpholine, N, N'-dimethylpiperazine, 2- (dimethylaminoethoxy) ethanol, diazabicyclo [2,2,2] o
  • Preferred catalysts are organic metal compounds, especially titanium acid esters, iron and tin compounds.
  • the total amount of catalysts in the TPU used is generally about 0 to 5% by weight, preferably 0 to 2% by weight, based on the total amount of TPU.
  • Polyurethane elastomers suitable according to the invention can be, for example, 2-component cast elastomers. They can be obtained by known methods from a reaction mixture comprising: a) at least one organic polyisocyanate b) at least one compound having groups which are reactive toward isocyanate groups and having a number average molecular weight (Mn) of> 500 g / mol to ⁇ 6000 g / mol and at least a number-average functionality of the total of the components of> 2.1 c) optionally at least one chain extender with a molecular weight (Mn) of 60-450 g / mol.
  • Mn number average molecular weight
  • the elastomer is a thermoplastic elastomer and has a melting range (DSC, differential scanning calorimetry; 2nd heating with heating rate 5 K / min.) Of> 20 ° C to ⁇ 100 ° C and has one Amount of the complex viscosity Ih * I (determined by viscometry measurement in the melt with a plate / plate oscillation shear viscometer at 100 ° C. and a shear rate of 1 / s) from> 10 Pas to ⁇ 1000000 Pas.
  • DSC differential scanning calorimetry
  • This thermoplastic elastomer has a melting range of> 20 ° C to ⁇ 100 ° C, preferably from> 25 ° C to ⁇ 90 ° C and more preferably from> 30 ° C to ⁇ 80 ° C.
  • the material is subjected to the following temperature cycle: 1 minute at -60 ° C, then heating to 200 ° C at 5 Kelvin / minute, then cooling to -60 ° C at 5 Kelvin / minute, then 1 minute at -60 ° C, then heating to 200 ° C at 5 Kelvin / minute.
  • the temperature interval between the start of the melting process and the end of the melting process is ⁇ 20 ° C., preferably ⁇ 10 ° C. and more preferably ⁇ 5 ° C.
  • This thermoplastic elastomer also has an amount of the complex viscosity Ih * I (determined by viscometry measurement in the melt with a plate / plate oscillation viscometer according to ISO 6721-10 at 100 ° C. and a shear rate of 1 / s) of> 10 Pas to ⁇ 1000000 Pas on.
  • Ih * I is preferably> 100 Pas to ⁇ 500000 Pas, more preferably> 1000 Pas to ⁇ 200000 Pas.
  • the amount of the complex viscosity Ih * I describes the ratio of the viscoelastic modules G '(storage module) and G "(loss module) to the excitation frequency w in a dynamic mechanical material analysis:
  • thermoplastic elastomer is preferably a thermoplastic polyurethane elastomer.
  • the elastomer is a thermoplastic polyurethane elastomer which can be obtained from the reaction of a polyisocyanate component and a polyol component, the polyol component comprising a polyester polyol which has a pour point (ASTM D5985) of> 25 ° C.
  • diols in the molecular weight range from> 62 to ⁇ 600 g / mol can furthermore be used as chain extenders in the reaction to give this polyurethane.
  • This polyisocyanate component can comprise a symmetrical polyisocyanate and / or a non-symmetrical polyisocyanate.
  • symmetrical polyisocyanates are 4,4 '-MDI and HDI.
  • non-symmetrical polyisocyanates the steric environment of an NCO group in the molecule is different from the steric environment of another NCO group.
  • An isocyanate group then reacts faster with groups that are reactive toward isocyanates, for example OH groups, while the remaining isocyanate group is less reactive.
  • groups that are reactive toward isocyanates for example OH groups
  • the remaining isocyanate group is less reactive.
  • a consequence of the non-symmetrical structure of the polyisocyanate is that the structure of these polyisocyanates Polyurethanes also have a less straight structure.
  • non-symmetrical polyisocyanates are selected from the group comprising: 2,2,4-trimethyl-hexamethylene diisocyanate, ethyl ethylene diisocyanate, non-symmetrical isomers of dicyclohexyl methane diisocyanate (H12-MDI), non-symmetrical isomers of 1,4-diisocyanatocy clohexane, non- symmetrical isomers of 1,3-diisocyanatocyclohexane, non-symmetrical isomers of 1,2-diisocyanatocyclohexane, non-symmetrical isomers of 1,3-diisocyanatocyclopentane, non-symmetrical isomers of 1,2-diisocyanatocyclopentane, non-symmetrical isomers of 1,2 -Diisocyanatocyclobutane, 1-isocyanatomethyl-3-isocyanato-l, 5,5-trimethylcyclohex
  • 4,4'-MDI or a mixture containing IPDI and HDI as the polyisocyanate component are preferred.
  • This polyol component can have a polyester polyol which has a pour point (No Flow Point, ASTM D5985) of> 25 ° C, preferably> 35 ° C, more preferably> 35 ° C to ⁇ 55 ° C.
  • a measuring vessel is set with the sample in a slow rotation (0.1 rpm).
  • a flexibly mounted measuring head dips into the sample and is moved away from its position when the pour point is reached due to the sudden increase in viscosity, the resulting tilting movement triggers a sensor.
  • polyester polyols which can have such a pour point are reaction products of phthalic acid, phthalic anhydride or symmetrical a, ro-C4 to C10 dicarboxylic acids with one or more C2 to C10 diols. They preferably have a number average molecular weight Mn of> 400 g / mol to ⁇ 6000 g / mol.
  • Suitable diols are in particular monoethylene glycol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol and neopentyl glycol.
  • Preferred polyester polyols are given below with their acid and diol components: adipic acid + monoethylene glycol; Adipic acid + monoethylene glycol + 1,4-butanediol; Adipic acid + 1,4-butanediol; Adipic acid + 1,6-hexanediol + neopentyl glycol; Adipic acid + 1.6- Hexanediol; Adipic acid + 1,4-butanediol + 1,6-hexanediol; Phthalic acid (anhydride) + monoethylene glycol + trimethylolpropane; Phthalic acid (anhydride) + monoethylene glycol.
  • Preferred polyurethanes are obtained from a mixture containing IPDI and HDI as the polyisocyanate component and a polyol component containing a previously mentioned preferred polyester polyol.
  • the combination of a mixture comprising IPDI and HDI as the polyisocyanate component with a polyester polyol composed of adipic acid + 1,4-butanediol + 1,6-hexanediol is particularly preferred to form the polyurethanes.
  • polyester polyols have an OH number (DIN 53240) of> 25 to ⁇ 170 mg KOH / g and / or a viscosity (75 ° C, DIN 51550) of> 50 to ⁇ 5000 mPas.
  • An example is a polyurethane which is obtainable from the reaction of a polyisocyanate component and a polyol component, the polyisocyanate component comprising an HDI and IPDI and the polyol component comprising a polyester polyol which comprises the reaction of a reaction mixture comprising adipic acid and 1,6-hexanediol and 1,4-butanediol is available with a molar ratio of these diols of> 1: 4 to ⁇ 4: 1 and which has a number average molecular weight Mn (GPC, against polystyrene standards) of> 4000 g / mol to ⁇ 6000 g / mol.
  • Mn number average molecular weight
  • Such a polyurethane can have an amount of the complex viscosity Ih * I (determined by viscometry measurement in the melt with a plate / plate oscillation viscometer according to ISO 6721-10 at 100 ° C. and a shear rate of 1 / s) of> 4000 Pas to ⁇ 160000 Have Pas.
  • Suitable polyurethanes are:
  • component a) is 100% consists of a polyester diol in the molecular weight range 4000 to 6000, in the preparation of which a mixture of 1,4-dihydroxybutane and 1,6-dihydroxyhexane in a molar ratio of 7: 3 to 1: 2 was used as the diol mixture.
  • component c) contains IPDI and furthermore HDI.
  • alkane diols selected from the group consisting of: 1,2-dihydroxyethane, 1,3-dihydroxy propane, 1,4-dihydroxybutane, 1,5-dihydroxypentane, are used as component b) in their preparation , 1,6-dihydroxyhexane or a combination of at least two of them, in an amount of up to 200 hydroxyl equivalent percent, based on component a), have also been used.
  • thermoplastic elastomer after heating to 100 ° C and cooling to 20 ° C at a cooling rate of 4 ° C / min in a temperature interval of 25 ° C to 40 ° C for> 1 minute (preferably> 1 minute up to ⁇ 30 minutes, more preferably> 10 minutes to ⁇ 15 minutes), a storage module G '(determined at the prevailing temperature with a plate / plate oscillation viscometer according to ISO 6721-10 at a shear rate of 1 / s) of> 100 kPa to ⁇ 1 MPa and after cooling to 20 ° C and storage for 20 minutes a storage module G '(determined at 20 ° C with a plate / plate oscillation viscometer according to ISO 6721-10 at a shear rate of 1 / s) of> 10 MPa.
  • Usable materials can consist of or contain natural or synthetic rubber, for example.
  • the synthetic rubber can preferably be selected from the group consisting of thiokol rubber or rubber, EVA (ethylene vinyl acetate copolymer rubber), FPVC (flexible polyvinyl chloride rubber), FZ rubber (fluorinated polyphosphazene rubber), GPO (propylene oxide rubber), HNBR (hydrogenated nitrile butadiene) Rubber), HSN (highly saturated nitrile rubber), ACM (acrylic rubber), VAMAC (polyethylene-co-acrylic-acrylic acid rubber), PNR (polynorborane rubber), PZ (polyphosphazene rubber), ABR (acrylate-butadiene rubber), ACM rubber (copolymer of ethyl or other acrylates with a small amount of a vulcanizing monomer, AECO rubber (terpolymer of allyl glycidyl ether, ethylene oxide and epichlorohydrin), AEM rubber (copolymer of ethyl or other acrylates and ethylene),
  • the rubber can preferably also consist of two components or contain these.
  • the first material or the further material can preferably have a component from a group consisting of polyacrylic rubber (ACM), styrene-butadiene rubber (SBR), polysiloxane (SI), vinyl methyl silicone (VMQ), nitrile rubber (NR), Hydrogenated nitrile rubber, (HNBR), carboxylated nitrile rubber (XNBR), carboxylated hydrogenated nitrile rubber (XHNBR), ethylene propylene copolymer rubber (EPDM), polychloroprene rubber (CR), Vamac, fluorinated rubber (FKM), isobutylene rubber (IIR) , Polybutadiene rubber (BR) or a mixture of at least two of these components.
  • ACM polyacrylic rubber
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • SI polysiloxane
  • VMQ vinyl methyl silicone
  • NR nitrile rubber
  • the synthetic rubber may contain further additives selected from the group consisting of organic or inorganic fillers, a plasticizer, a metal oxide, anti-degradation agents (against oxidation, hydrolysis, yellowing, ozone attack, etc.), processing aids, silanes, a coagent and a curing agent or a combination of at least two of them.
  • an inorganic filler examples include carbon black N330 or silicon dioxide, cut glass fibers / crushed carbon fibers / crushed natural fibers, phthalate esters such as dioctyl phthalate for a plasticizer, ZnO for a metal oxide, and Irganox 1010 (pentaerythritol for an anti-degradation agent) Tetrakis (3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate)), for a processing aid stearic acid, as coagent polybutadiene, triallyl isocyanurate (TAIC) or mixtures thereof, for a crosslinking agent di (tert-butylperoxyisopropyl ) benzene like Perkadox 14/40.
  • phthalate esters such as dioctyl phthalate for a plasticizer, ZnO for a metal oxide, and Irganox 1010 (pentaerythritol for an anti-degradation
  • the fibers can be selected from the group consisting of glass, carbon, basalt, polyester, polyethylene, polyurethane, polyamide, polyaramid, metal, cellulose fibers or mixtures thereof.
  • the polymer and the fiber belong to the same polymeric material class, the processing of the fiber in the additive manufacturing process, however, always taking place below the melting temperature Tm of the fiber. These fibers are able to provide sufficient mechanical strength of the products and also provide the desired mechanical anisotropy of the product.
  • Organic fibers suitable according to the invention are aramid fibers, carbon fibers, polyester fibers, nylon fibers, rayon and plexiglass fibers.
  • Natural fibers suitable according to the invention are flax fibers, hemp fibers, wood fibers, cotton fibers, cellulose fibers and sisal fibers.
  • the fibers are transparent to visible light. This is particularly advantageous if, in the context of the component according to the invention, the component load, component integrity and component properties are to be measured along the fiber by means of light interference measurement before and / or during use of the component.
  • a fiber selected from the group consisting of glass fibers, aramid fibers, basalt fibers, carbon fibers and mixtures thereof can be used.
  • glass fibers and / or carbon fibers, in particular glass fibers are used as the fibrous fillers.
  • the fiber can furthermore preferably be selected from the group consisting of glass, polyester, polyurethane, polyamide fibers and mixtures thereof.
  • fibers of different material classes according to the invention can be used side by side.
  • fibers according to the invention of a length> 3 cm and fibers according to the invention of a length of ⁇ 3 cm can be used side by side.
  • fibers of all material classes and lengths can be used side by side as long as at least the sum of fibers according to the invention with a fiber length> 3 cm exceeds a weight fraction of 1.5% and the object according to the invention has the claimed anisotropic properties with respect to the module.
  • the difference in the refractive index ARI of the fibers and the polymer can be less than or equal to 0.1 and the polymer can be a transparent polymer with light transmission measured in a UV-VIS spectrometer on a sample with a thickness of 1 mm in the wavelength range from 400-800 nm of> 50%.
  • the products according to the invention can advantageously also be distinguished in that they are essentially transparent. This can be advantageous in cases where "invisible" products, such as dental splints, are desired. Due to the match between fiber material and polymer, the available products are highly transparent and cannot be seen in their application.
  • the ratio between the length of the product axis with the greatest extension and the average of the fiber length is in a range from> 0.5: to ⁇ 10: 1. This ratio is preferably> 0.9: 1 to ⁇ 10: 1 and more preferably> 1: 1 to ⁇ 10: 1.
  • FFF FDM
  • the product according to the invention can be produced by simultaneously, successively or alternately depositing a thermoplastic polymer and one or more fibers with a length of greater than or equal to 3 cm in one product in an FFF process at a temperature of> 60 ° C.
  • This process has proven itself for the construction of 3D printed products with strong anisotropic mechanical properties.
  • the method does not have to be used to build up the entire fiber-reinforced product. It is sufficient that only a part of the product is obtained via the above-mentioned procedure.
  • the latter can be done, for example, by changing an existing component by depositing a fiber-reinforced layer on this component during and after an additive manufacturing process.
  • the FFF is a melt stratification process.
  • melt layering process denotes a manufacturing process from the field of additive manufacturing, with which a workpiece is built up layer by layer, for example from a meltable plastic.
  • the plastic can be used with or without other additives such as fibers.
  • Machines for the FFF are part of the Machine class of 3D printers. This process is based on the liquefaction of a wire-shaped plastic or wax material by heating. When it cools down, the material solidifies. The material is applied by extrusion with a heating nozzle that can be moved freely in relation to a production level.
  • Either the production level can be fixed and the nozzle can be moved freely or a nozzle can be fixed and a substrate table (with a production level) can be moved or both elements, nozzle and production level, can be moved.
  • the speed at 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 in a range of 0.025 and 1.25 mm
  • the exit diameter of the material jet (nozzle outlet diameter) from the nozzle is typically at least 0.05 mm.
  • the individual layers combine to form a complex part.
  • the structure of a body is usually carried out by repeating, one line at a time, one working level (forming a layer) and then shifting the working level "stacking" upwards (forming at least one further layer on the first layer), so that a shape is created layer by layer.
  • the outlet temperature of the substance mixtures from the nozzle can be, for example, 80 ° C to 420 ° C. It is also possible to heat the substrate table and / or the installation space, for example to 20 ° C. to 250 ° C. This can prevent the applied layer from cooling too quickly, so that a further layer applied thereon sufficiently connects to the first layer.
  • the product is a seal, a membrane, a drive belt, a pressure hose, an orthopedic prosthesis, an orthopedic aid or a tooth correction splint.
  • the products according to the invention are particularly advantageous for applications with asymmetrical loading scenarios, where the products must either have good tough-elastic properties or must have a reversible dynamic deformability in at least one spatial direction over many cycles, while at the same time maintaining high dimensional stability in at least one orthogonal spatial direction.
  • Preferred applications are, for example, seals that seal under compression but should have a high resistance to deformation perpendicular to the compression force (to prevent the seal from extruding in the case of seals in the high-pressure range), but at the same time must have a high degree of installation flexibility.
  • sealing rings O-rings, groove rings, flange seals, gas tests and other products with sealing functions).
  • drive belts of any format which have a high dynamic flexibility perpendicular to the fiber direction, but should be as stable in length as possible in the fiber direction.
  • Typical examples are, for example, drive belts, toothed belts, V-belts, drive belts, square belts, flat belts, automatic clutch belts, conveyor belts, as are often used in transportation and power transmission applications.
  • tooth correction rails which must have a high degree of flexibility and toughness perpendicular to the fiber direction in order to be able to be used and removed safely, but should be as dimensionally stable as possible in the fiber direction or tooth correction direction.
  • orthopedic support elements which have a high flexibility perpendicular to the fiber direction, but should be as stable in length as possible in the fiber direction: typical examples are corsets, support bandages, prostheses or shoe soles.
  • pressure hoses which have a high flexibility perpendicular to the fiber direction, but should be as stable in length as possible in the fiber direction: typical examples are common pneumatic hoses and air springs.
  • fiber layers cross, preferably at an angle of 25 ° to 65 °, a preferred reinforcement being obtained radially to the axis of symmetry. This configuration can largely maintain the mobility and elasticity in the axis of symmetry.
  • Fig. 1 shows a possible product in the sense of the invention.
  • An air spring produced according to the invention via 3D printing is shown in the top view;
  • Fig. 2 shows a possible product in the sense of the invention.
  • An air spring produced according to the invention via 3D printing is shown in a sectional view;
  • Fig. 3 shows a possible product in the sense of the invention. Shown is a sealing element according to the invention produced by 3D printing with an embedded continuous fiber; Fig. 4 shows a possible product in the sense of the invention. An orthopedic dental splint with visible fiber reinforcement manufactured according to the invention via 3D printing is shown;
  • Fig. 5 shows a possible product in the sense of the invention.
  • a transparent orthopedic dental splint with optically adapted fiber reinforcement manufactured according to the invention via 3D printing is shown;
  • Fig. 6 shows a possible product in the sense of the invention. The section through an inventive 3D-printed toothed belt with integrated fiber reinforcement is shown;
  • Fig. 7 shows a possible configuration for storing a fiber according to the invention in the method according to the Invention.
  • FIG. 1 and 2 show 3D-printed fuft springs (1) according to the invention, the membrane (3) of the fuft springs (1) in particular being produced by 3D printing and having fibers embedded in an elastomer, for example a thermoplastic elastomer.
  • the Fuftfeder is a combination of non-3D printed parts (2) and the 3D printed membrane (3). These fibers can be installed in the membrane (3) either in one direction or crosswise in the form of a fabric or scrim. The fibers run inside the membrane and would “look out” at the cut edge in the sectional drawing.
  • the spring (1) can be inflated from the inside and thereby straighten up, changing the volume without significantly changing the enveloping surface (membrane). The membrane (1) is therefore not stretched or is only stretched to an insignificant extent.
  • the high mechanical strength and the high elasticity result from the anisotropic mechanical properties of the material with the embedded fibers.
  • the membrane (3) there is therefore a high mechanical strength (this results in a high pressure resistance), the elastic properties predominating towards the materials (2) not according to the invention.
  • the spring can also be manufactured using a 3D printing process.
  • the membrane (3) of the air spring (1) can be constructed, for example, from a combination of a thermoplastic elastomer with embedded polyamide fibers. However, it is also possible to use polychloroprene rubber and polyamide fibers or thermoplastic polyurethanes and polyaramid fibers for this construction.
  • FIG. 3 shows a 3D-printed sealing element (4) with non-fiber-reinforced areas (6) and an endless fiber (5) embedded therein.
  • the continuous fiber (5) is completely embedded in the sealing element, which consists for example of an elastomer. Due to the fiber embedding (5) there are high mechanical strengths in the almost direction of later use with only a small expansion of the sealing element. In a direction perpendicular to this, however, the sealing element is clearly elastic, so that it is well embedded in those to be sealed Is given. This can increase the durability of the sealing element and enables safe operation under "less favorable" environmental conditions.
  • the sealing element can, for example, consist of or contain 3D-printed thermoplastic polyurethanes with embedded polyaramid fibers.
  • FIG. 4 shows an orthopedic dental splint (7) 3D-printed according to the invention with fiber material (8) embedded in an elastomer.
  • the fibers (8) are embedded in the load direction of the application and thus enable a reproducible and high pressure on the teeth to correct the tooth positions.
  • Perpendicular to the fiber / load direction the toothed splint (7) is extremely elastic due to the construction according to the invention, so that a simple insertion of the toothed splint (7) is ensured. This can increase the comfort for the user.
  • the toothed splint can be constructed, for example, from TPU with embedded glass fibers or from thermoplastic silicone with glass fibers embedded therein.
  • FIG. 5 also shows an orthopedic dental splint (10), which is 3D-printed according to the invention, made of an elastomer with embedded fiber material (11), which can result in an optical match based on the optical properties of the fiber material and the optical properties of the polymer, which matches the fiber material not visible embedded in the polymer material.
  • the tooth splint can be easily positioned on the bit (9) due to the elastic properties of the material. This configuration can contribute to the tooth splint being less visible and being worn more frequently by the user.
  • FIG. 6 shows a schematic section through a toothed belt (12) made of an elastomer and 3D-printed according to the invention.
  • fibers (13) Perpendicular to the axis of symmetry of the toothed belt (12), i.e. perpendicular to the normal vector of the contact surface, fibers (13) are embedded within the toothed belt, which significantly increase the mechanical strength of the toothed belt.
  • Perpendicular to the axis of symmetry of the fibers (13), that is to say to the outside of the toothed belt (12), the toothed belt (12) has clearly elastic properties which can increase the longevity of the material.
  • Possible material combinations for this application would be, for example, TPU with embedded carbon fibers or hydrogenated nitrile rubber / carbon fibers.
  • FIG. 7 schematically shows a possible structure for carrying out the method according to the invention. It is shown that a fiber material (18) is deposited from a reservoir (15), between two layers of melted elastomer (17, 19). This diagram shows that the melted elastomer (17, 19) comes from two different templates (14, 16). However, it is also possible for only one nozzle to deposit the elastomer (17, 19) and for the fiber material (18) to be embedded by repeated application from only one of the nozzles (14, 16).

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Abstract

The present invention relates to a fibre-reinforced 3D-printed elastic product (1, 3, 4, 7, 10, 12), wherein the product comprises a weight proportion of ≥ 50% of a polymer having a mean molecular weight of ≥ 5000 g/mol, measured by means of GPC, and a weight proportion of ≥ 0.5% and ≤ 20% of one or more fibres having an aspect ratio of ≥ 100 and a length of ≥ 3 cm and ≤ 1000 cm, the product being produced at least in part by means of an FFF (Fused Filament Fabrication) method, and the product having a tensile modulus of ≥ 1.5 GPa in the region of the fibre reinforcement and in the direction of the fibre symmetry axis. The product also has a tensile modulus, measured according to DIN EN ISO 527-1, of ≤ 1.2 GPa in the region of the fibre reinforcement and perpendicular to the fibre symmetry axis, and has a yield strength of > 5%, measured according to DIN EN ISO 527-1, perpendicular to the fibre symmetry axis.

Description

Mittels Endlosfasern verstärkte 3D-gedruckte elastische Erzeugnisse mit asymmetrischen elastischen Eigenschaften  Continuous fiber reinforced 3D printed elastic products with asymmetrical elastic properties
Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes, 3D gedrucktes elastisches Erzeugnis, wobei das Erzeugnis einen Gewichtsanteil von > 50% eines Polymers mit einem mittleren Molekulargewicht von > 5.000 g/mol, gemessen mittels GPC, und einen Gewichtsanteil von > 0,5 % und < 20% einer oder mehrerer Fasern mit einem Aspektverhältnis von > 100 und einer Länge von > 3 cm und < 1000 cm aufweist, wobei das Erzeugnis zumindest anteilig mittels eines FFF- (Fused Filament Fabrication) Verfahrens hergestellt ist und das Erzeugnis im Bereich der Faserverstärkung und in Richtung der Fasersymmetrieachse einen Zugmodul von > 1,5 GPa aufweist. The present invention relates to a fiber-reinforced, 3D-printed elastic product, the product having a weight fraction of> 50% of a polymer with an average molecular weight of> 5,000 g / mol, measured by GPC, and a weight fraction of> 0.5% and <20 % of one or more fibers with an aspect ratio of> 100 and a length of> 3 cm and <1000 cm, the product being produced at least in part by means of an FFF (Fused Filament Fabrication) process and the product in the field of fiber reinforcement and in Has a tensile modulus of> 1.5 GPa in the direction of the fiber symmetry axis.
Die Eigenschaften von Erzeugnissen ergeben sich in komplexer Weise aus dem Herstellverfahren und den eingesetzten Materialen. So lassen sich in der Regel sowohl als Funktion der Parameter im Herstellungsweg als auch über die Zusammensetzung der eingesetzten Grundmaterialien die Eigenschaften des fertigen Werkstücks gezielt verändern, sodass (günstigenfalls) über die komplexe Matrix aus beiden Einflussgrößen Endprodukte mit gänzlich anderen Eigenschaften erhältlich sind. Dieser fundamentale Zusammenhang ergibt sich in der Regel für sämtliche Herstellungsverfahren und kann durch Sammeln von Produktionserfahrung in die einzelnen Wirkkomponenten zergliedert werden. Im Rahmen moderner Fertigungsverfahren, welche auf mehreren Stufen oder parallelen Verfahrensschritten basieren, lassen sich diese Ursache- Wirkungsbeziehungen schwerer ermitteln, da ein Rückgriff auf eine langjährige Produktionserfahrung nicht möglich ist. Dies gilt beispielsweise für die Herstellung von Erzeugnissen über den 3D-Druck, einer im Vergleich zu anderen Verfahren zur Herstellung von Formkörpern relativ neuen Herstellungsweise, wobei auch hier gilt, dass die Eigenschaften der hergestellten Formkörper sich in komplexer Weise aus dem Zusammenspiel zwischen Herstellungsverfahren und eingesetzten Material ergeben. Die Komplexität kann sich bei dem 3D- Druck zudem noch dadurch erhöhen, dass neben dem„einfachen“ Druck eines Basismaterials komplexere Mischungen und/oder unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften und schwer vorhersagbaren Wechselwirkungen untereinander eingesetzt werden. Hierdurch können sich Produkteigenschaften ergeben, welche nicht über die Eigenschaften der eingesetzten Materialien extrapoliert werden können. The properties of products result in a complex way from the manufacturing process and the materials used. As a rule, the properties of the finished workpiece can be specifically changed both as a function of the parameters in the manufacturing process and via the composition of the basic materials used, so that (if possible) end products with completely different properties can be obtained via the complex matrix of both influencing variables. This fundamental relationship generally arises for all manufacturing processes and can be broken down into the individual active components by gathering production experience. In the context of modern manufacturing processes, which are based on several stages or parallel process steps, these cause-effect relationships are more difficult to determine, since recourse to many years of production experience is not possible. This applies, for example, to the manufacture of products using 3D printing, a method of manufacture that is relatively new compared to other methods for the production of molded articles, with the fact that the properties of the molded articles produced also result in a complex manner from the interaction between the production process and the one used Material. The complexity of 3D printing can also increase if, in addition to the “simple” printing of a base material, more complex mixtures and / or different materials with different properties and interactions that are difficult to predict are used. This can result in product properties that cannot be extrapolated from the properties of the materials used.
3D gedruckte Erzeugnisse mit Faserverstärkung und deren Herstellung sind im Stand der Technik beschrieben. 3D printed products with fiber reinforcement and their manufacture are described in the prior art.
So offenbart beispielsweise die US 9,688,028 B2 ein Verfahren zur Herstellung anisotrop gefüllter 3D gedruckter Körper. Das Verfahren beinhält, dass eine dreidimensionale Geometrie empfangen und in Schichten geschnitten wird. Ein erster anisotroper Füllwerkzeugweg zum Steuern eines dreidimensionalen Druckers zum Abscheiden eines im Wesentlichen anisotropen Füllmaterials wird erzeugt, welcher zumindest einen Teil eines Inneren einer ersten Schicht definiert. Ein zweiter anisotroper Füllwerkzeugweg zum Steuern eines dreidimensionalen Druckers wird erzeugt, um das im Wesentlichen anisotrope Füllmaterial abzuscheiden, welches zumindest einen Teil eines Inneren einer zweiten Schicht definiert. Ein erzeugter isotroper Füllmaterialwerkzeugweg definiert mindestens einen Teil eines Umfangs und mindestens einen Teil eines Inneren einer dritten Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht liegt. For example, US 9,688,028 B2 discloses a method for producing anisotropically filled 3D printed bodies. The method involves receiving a three-dimensional geometry and cut into layers. A first anisotropic fill tool path for controlling a three-dimensional printer for depositing a substantially anisotropic fill material is generated, which defines at least a part of an interior of a first layer. A second anisotropic fill tool path for controlling a three-dimensional printer is created to deposit the substantially anisotropic fill material that defines at least a portion of an interior of a second layer. A generated isotropic filler toolpath defines at least a portion of a perimeter and at least a portion of an interior of a third layer that lies between the first and second layers.
Die US 2016/0067928 Al beschreibt ein Verfahren zur Herstellung anisotrop gefüllter 3D gedruckter Körper mittels FDM Verfahren enthaltend die Ablage mindestens eines Isotropen und mindestens eines anisotropen Materials. Das Dokument beschreibt, dass eine dreidimensionale Geometrie empfangen und in Schichten geschnitten wird. Ein erster anisotroper Füllwerkzeugweg zum Steuern eines dreidimensionalen Druckers zum Abscheiden eines im Wesentlichen anisotropen Füllmaterials wird erzeugt, der zumindest einen Teil eines Inneren einer ersten Schicht definiert. Ein zweiter anisotroper Füllwerkzeugweg zum Steuern eines dreidimensionalen Druckers, um das im Wesentlichen anisotrope Füllmaterial abzuscheiden, definiert zumindest einen Teil eines Inneren einer zweiten Schicht. Ein erzeugter isotroper Füllmaterialwerkzeugweg definiert mindestens einen Teil eines Umfangs und mindestens einen Teil eines Inneren einer dritten Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht liegt. US 2016/0067928 A1 describes a method for producing anisotropically filled 3D printed bodies by means of the FDM method, comprising the deposition of at least one isotropic and at least one anisotropic material. The document describes that a three-dimensional geometry is received and cut into layers. A first anisotropic fill tool path for controlling a three-dimensional printer for depositing a substantially anisotropic fill material is created that defines at least a portion of an interior of a first layer. A second anisotropic fill tool path for controlling a three-dimensional printer to deposit the substantially anisotropic fill material defines at least a portion of an interior of a second layer. A generated isotropic filler toolpath defines at least a portion of a perimeter and at least a portion of an interior of a third layer that lies between the first and second layers.
Ein weiteres Patentdokument, die US 2018/0072040 Al, beschreibt den 3D Druck von langfaserverstärkten Thermoplasten in einem FDM Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Bauteile. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines ersten 3D-Werkzeugweges, der eine gekrümmte Füllmaterialschale definiert, Empfangen erster 2D- Werkzeugwege, die flache Trägerschalen definieren, Aufnehmen eines zweiten 3D- Werkzeugwegs, der eine gekrümmte Hülle aus langem Faserverbundmaterial definiert, wobei das lange Faserverbundmaterial ein Filament mit einer Matrix umfasst; Einbetten von Fasern mit einer Fänge von mehr als dem zweifachen Durchmesser des Filaments, Betätigen eines Füllmaterialabscheidungskopfes, um den ersten 3D- Werkzeugweg zu verfolgen, um die Füllmaterial-gekrümmte Schale nicht parallel zu einem Drucksubstrat abzuscheiden, Betätigen eines Trägermaterialabscheidungskopfes zum Nachführen der ersten 2D-Werkzeugwege, um Trägermaterial in einer Abfolge von im Wesentlichen flachen Schalen abzuscheiden und einen langen Faserablagerungskopf zu betätigen, um den zweiten 3D- Werkzeugweg nicht parallel zum Drucksubstrat zu verfolgen, um die aus langen Faserverbundmaterial bestehende gekrümmte Hülle abzuscheiden, wobei wenigstens ein Teil des Füllmaterials die gekrümmte Schale umschließt. Weiterhin beschreibt die CN 106 313 496 A ein Verfahren zur Verarbeitung von Endlosfasern zusammen mit Thermoplasten in einem speziellen FDM Verfahren. Das Dokument offenbart ein 3D-Druckverfahren für ein endlosfaserverstärktes thermoplastisches Harzmatrix- Verbundmaterial und einen Druckkopf. Gemäß des Verfahrens können Faserbündel und geschmolzene thermoplastische Harze einem Rotationsmischen unterworfen und dann einer Rotationsextrusion unterzogen werden, wobei die extrudierten Drähte spiralförmig sind; und der Druckkopf kann die Faserbündel und die thermoplastischen Harze in einem Schmelzhohlraum laden, und spiralförmige Zahnringe sind an den Innenseiten des Schmelzhohlraums und eines Extrusionskopfes angeordnet und drehen sich in entgegengesetzten Richtungen. Die erwärmten geschmolzenen Harze und Fasern werden durch die spiralförmigen Zahnringe gerührt, die nach dem Mischen in zwei Richtungen rotieren, so dass die Fasern aus einer flachen Form kompakt in eine spiralförmige Säulenform gewickelt werden, die Harze werden gleichmäßig in jeder Faserorientierung verteilt und dann wird eine Mischung von einer Extrusionsöffnung zu einem Formgebungsgebiet extrudiert, abgekühlt und gehärtet, um eine räumliche Einheit zu bilden. Gemäß des Verfahrens und dem Druckkopf können die flachen Großkabelfasern als Verstärkungen in einem 3D- Druckverfahren verwendet werden, wobei die kompakt gewickelten Fasern einen hohen Verdichtungsgrad aufweisen, die Fasern und die Matrizen sind ausreichend getränkt, und die gebildeten Fasern und Harze sind gleichmäßig verteilt; daher sind das Verfahren und der Druckkopf in der Fage, die mechanischen Eigenschaften eines Elements und die Formungsqualität zu verbessern. Another patent document, US 2018/0072040 Al, describes the 3D printing of long fiber reinforced thermoplastics in an FDM process for the production of fiber reinforced components. The method includes receiving a first 3D toolpath that defines a curved fill material shell, receiving first 2D toolpaths that define flat carrier shells, receiving a second 3D toolpath that defines a curved shell made of long fiber composite material, the long fiber composite material being a filament comprises with a matrix; Embedding fibers with a catch more than twice the diameter of the filament, actuating a filler deposition head to trace the first 3D tool path in order not to deposit the filler-curved shell parallel to a printing substrate, actuating a substrate deposition head to track the first 2D Toolpaths to deposit substrate in a series of substantially flat shells and actuate a long fiber deposition head so as not to track the second 3D toolpath parallel to the print substrate to deposit the curved shell made of long fiber composite material, at least part of the filler material encloses curved bowl. CN 106 313 496 A also describes a process for processing continuous fibers together with thermoplastics in a special FDM process. The document discloses a 3D printing process for a continuous fiber reinforced thermoplastic resin matrix composite material and a printhead. According to the method, fiber bundles and melted thermoplastic resins can be rotationally mixed and then subjected to rotational extrusion, the extruded wires being spiral; and the printhead can load the fiber bundles and the thermoplastic resins in a melt cavity, and spiral toothed rings are located on the inside of the melt cavity and an extrusion head and rotate in opposite directions. The heated molten resins and fibers are stirred by the spiral toothed rings which, after mixing, rotate in two directions so that the fibers are compactly wound from a flat shape into a spiral column shape, the resins are evenly distributed in each fiber orientation and then becomes one Mix extruded from an extrusion orifice to a molding area, cooled and hardened to form a spatial unit. According to the process and the printhead, the flat large cable fibers can be used as reinforcements in a 3D printing process, the compactly wound fibers have a high degree of compaction, the fibers and the matrices are sufficiently impregnated, and the fibers and resins formed are evenly distributed; therefore, the method and the printhead are capable of improving the mechanical properties of an element and the quality of the molding.
Die WO 2015/120429 Al beschreibt ein Verfahren zur Verarbeitung von Endlosfasern durch Extrusion einer thixotropen nachvernetzbaren Flüssigkeit enthaltend neben der Fasern noch Füllstoffe. Das Dokument beschreibt eine Filamentstruktur, die während des 3D-Drucks aus einer Düse extrudiert wird, welche ein Endlosfilament mit darin dispergierten Füllstoffpartikeln umfasst. Zumindest ein Teil der Füllstoffpartikel in dem kontinuierlichen Filament umfasst Partikel mit hohem Seitenverhältnis, die eine vorbestimmte Orientierung in Bezug auf eine Fängsachse des kontinuierlichen Filaments aufweisen. Die Partikel mit hohem Seitenverhältnis können zumindest teilweise entlang der Fängsachse des kontinuierlichen Filaments ausgerichtet sein. In einigen Ausführungsformen können die Partikel mit hohem Seitenverhältnis stark entlang der Fängsachse ausgerichtet sein. Auch oder alternativ kann zumindest ein Teil der Teilchen mit hohem Seitenverhältnis eine helikale Ausrichtung aufweisen, die eine Umfangskomponente und eine Fängskomponente umfasst, wobei die Umfangskomponente durch Drehung einer Abscheidungsdüse erzeugt wird und die Fängskomponente durch Translation der Abscheidedüse übertragen wird Depositionsdüse. WO 2015/120429 A1 describes a process for processing continuous fibers by extrusion of a thixotropic, post-crosslinkable liquid containing fillers in addition to the fibers. The document describes a filament structure that is extruded from a nozzle during 3D printing, which comprises an endless filament with filler particles dispersed therein. At least a portion of the filler particles in the continuous filament include high aspect ratio particles that have a predetermined orientation with respect to a capture axis of the continuous filament. The high aspect ratio particles can be at least partially aligned along the capture axis of the continuous filament. In some embodiments, the high aspect ratio particles can be strongly aligned along the capture axis. Also or alternatively, at least a portion of the high aspect ratio particles may have a helical orientation that includes a peripheral component and a capture component, the peripheral component being created by rotating a deposition nozzle and the capture component being transferred by translation of the deposition nozzle.
Die WO 2018/081554 Al hingegen beschreibt ein Verfahren zur Herstellung endlosfaserverstärkter Bauteile für den Einsatz als Implantatmaterialien. Das Dokument beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zum Drucken einer dreidimensionalen Faserstruktur. Eine Faserschicht wird auf eine Druckoberfläche gedruckt, indem Fasern durch mindestens eine Extrusionsdüse und auf die Druckoberfläche gedrückt werden. Die Extrusionsdüse und/oder Druckfläche werden während des Bedruckens der Fasern in X-, Y- und / oder Z-Richtung bewegt. Das Verfahren kann zur Herstellung medizinischer Bandagen, Herniennetzen, vaskulären Implantaten, Knie-Menisken oder Rotatorenmanschetten verwendet werden. WO 2018/081554 A1, on the other hand, describes a method for producing continuous fiber-reinforced components for use as implant materials. The document describes procedures and Devices for printing a three-dimensional fiber structure. A layer of fibers is printed on a printing surface by pressing fibers through at least one extrusion die and onto the printing surface. The extrusion nozzle and / or printing surface are moved in the X, Y and / or Z direction during the printing of the fibers. The method can be used to manufacture medical bandages, hernia nets, vascular implants, knee menisci or rotator cuffs.
Die US 2018/0131124 Al beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von 3D gedruckten Dichtungen unter anderem enthaltend verstärkende Füllstoffe. Das Dokument offenbart eine elektrische Verbinderanordnung für elektrische Tauchpumpen (ESPs) mit einer flüssigkeitsundurchlässigen die 3D-gedruckten Dichtung zwischen dem Stromkabel und einer inneren Gehäusekomponente der elektrischen Verbinderanordnung. Eine elektrische Isolierung oder ein Dielektrikum für einen Eeiter des Stromkabels kann auch integral mit der Fluiddichtung 3D-gedruckt werden. Die Gehäusekomponente, beispielsweise ein internes elektrisches Gehäuse, kann auch integral mit der gedruckten Dichtung 3D-gedruckt werden. In ähnlicher Weise können in einer Implementierung die 3D-gedruckte Dichtung, die interne Gehäusekomponente und ein äußeres Köchergehäuse alle als eine Einheit auf das Stromkabel gedruckt werden. Die 3D-gedruckte Versiegelung und die damit verbundenen Kübelkomponenten können aus einer Vielzahl von chemikalienbeständigen Materialien bestehen, wie gedruckten Polyaryletherketonen, gedruckten fluorierten Polymeren und Metalllegierungen. Die 3D-gedruckte Dichtung kann auch Barrierematerialien oder Verstärkungsfüllstoffe enthalten, um Festigkeit und chemische Beständigkeit gegenüber Bohrlochflüssigkeiten und -gasen zu verbessern. US 2018/0131124 A1 describes a process for the production of 3D printed seals including reinforcing fillers. The document discloses an electrical connector assembly for electrical submersible pumps (ESPs) having a liquid-impermeable, 3D-printed seal between the power cable and an inner housing component of the electrical connector assembly. Electrical insulation or a dielectric for a wire of the power cable can also be 3D-printed integrally with the fluid seal. The housing component, for example an internal electrical housing, can also be 3D-printed integrally with the printed seal. Similarly, in one implementation, the 3D printed seal, internal housing component and outer quiver housing can all be printed on the power cable as a unit. The 3D printed sealant and associated bucket components can be made from a variety of chemical resistant materials such as printed polyaryl ether ketones, printed fluorinated polymers and metal alloys. The 3D printed seal may also contain barrier materials or reinforcing fillers to improve strength and chemical resistance to borehole fluids and gases.
Die US 2016/0159007 Al beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Transportbändern für die Papierindustrie wobei mindestens ein Teil 3D gedruckt wird. Das Dokument offenbart ein Papierherstellungsband mit Materialzonen, die nacheinander mittels eines 3D-Druckverfahrens abgelegt werden. Die Zonen umfassen mindestens eine Taschenzone, die konfiguriert ist, um dreidimensionale Strukturen in einer Papierbahn zu bilden, indem ein Vakuum angelegt wird, um die Papierbahn gegen die Taschenzone zu ziehen. In mindestens einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Zone auch mindestens eine Vakuumunterbrechungszone, die konfiguriert ist, um eine Menge von Papierfasern zu begrenzen, die durch das angelegte Vakuum durch die Taschenzone gezogen werden. US 2016/0159007 A1 describes a method for producing conveyor belts for the paper industry, at least part of which is 3D printed. The document discloses a paper production belt with material zones which are deposited one after the other by means of a 3D printing process. The zones include at least one pocket zone configured to form three-dimensional structures in a paper web by applying a vacuum to pull the paper web against the pocket zone. In at least one exemplary embodiment, the zone also includes at least one vacuum interruption zone configured to limit an amount of paper fibers drawn through the pocket zone by the applied vacuum.
US 2016/012935 Al offenbart ein Ausgangsmaterial für additive Herstellungsverfahren mit einem Matrixmaterial und eine oder mehrere Widerhaken enthaltende Fasern, welche innerhalb des Matrixmaterials vorliegen. Jede Widerhaken enthaltende Faser weist ein Zentralfilament und eine oder mehrere Widerhakenstrukturen auf. Die Widerhakenstrukturen sind eingerichtet, um nach einer Extrusion vom Zentralfilament gesehen nach Außen zu ragen. Verfahren zur Herstellung des Ausgangsmaterials und Verfahren zur Verwendung des Ausgangsmaterials zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände werden ebenfalls offenbart. US 2016/012935 A1 discloses a starting material for additive manufacturing processes with a matrix material and fibers containing one or more barbs, which are present within the matrix material. Each barb-containing fiber has a central filament and one or more barb structures. The barb structures are designed to protrude outward from the central filament after extrusion. Process for the preparation of the Starting material and methods of using the starting material to make three-dimensional objects are also disclosed.
US 2018/001547 Al betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines individualisierten Immobilisierungselements für die nicht-invasive Immobilisierung und/oder Mobilisierung wenigstens eines Segmentes eines Körperteils eines Patienten in einer vorbestimmten Position relativ zu einer Referenz und/oder in einer vorbestimmten Konfiguration. Das Verfahren umfasst die Schritte (i) Bereitstellen eines Datensatzes umfassend ein dreidimensionales Bild einer äußeren Kontur wenigstens eines Teils des zu immobilisierenden und/oder mobilisierenden Körpersegments und (ii) Herstellung wenigstens eines Teils des Immobilisierungselements durch rasche Herstellung einer Form auf Basis des Datensatzes unter Einsatz eines polymeren Materials mit einem thermoplastischen Polymer, welches einen Schmelzpunkt von < 100 °C aufweist, wobei das polymere Material ein Nukleationsmittel zur Unterstützung der Kristallisation des thermoplastischen Polymers enthält. US 2018/001547 A1 relates to a method for producing an individualized immobilization element for the non-invasive immobilization and / or mobilization of at least one segment of a body part of a patient in a predetermined position relative to a reference and / or in a predetermined configuration. The method comprises the steps (i) providing a data set comprising a three-dimensional image of an outer contour of at least part of the body segment to be immobilized and / or mobilized and (ii) producing at least part of the immobilization element by rapidly producing a shape based on the data set using a polymeric material with a thermoplastic polymer, which has a melting point of <100 ° C, wherein the polymeric material contains a nucleating agent to support the crystallization of the thermoplastic polymer.
Der Stand der Technik offenbart die Herstellung komplexer Werkstücke mittels 3D- Verfahren. Eine Herstellung gedruckter Erzeugnisse mit elastischen Verhalten und stark asymmetrischen mechanischen Eigenschaften offenbart der Stand-der-Technik hingegen nicht. The prior art discloses the production of complex workpieces using 3D processes. The production of printed products with elastic behavior and highly asymmetrical mechanical properties, however, does not disclose the prior art.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung komplexe 3D-gedruckte faserverstärkte elastische Erzeugnisse bereitzustellen, welche anisotrope und bevorzugt sehr stark anisotrope mechanische Eigenschaften aufweisen.. It is therefore the object of the present invention to provide complex 3D-printed fiber-reinforced elastic products which have anisotropic and preferably very strongly anisotropic mechanical properties.
Vorgeschlagen wird daher ein 3D-gedrucktes Erzeugnis gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Sie können beliebig kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. A 3D-printed product is therefore proposed according to claim 1. Advantageous further developments are specified in the subclaims. They can be combined in any way, unless the context clearly indicates the opposite.
Erfindungsgemäß ist ein faserverstärktes, 3D-gedrucktes elastisches Erzeugnis, wobei das Erzeugnis einen Gewichtsanteil von > 50% eines Polymers mit einem mittleren Molekulargewicht (Mn) von > 5.000 g/mol, gemessen mittels GPC, und einen Gewichtsanteil von > 0,5 % und < 20% einer oder mehrerer Fasern mit einem Aspektverhältnis von > 100 und einer Länge von > 3 cm und < 1000 cm aufweist, wobei das Erzeugnis zumindest anteilig mittels eines FFF-(Free Filament Fabrication) Verfahrens hergestellt ist und das Erzeugnis im Bereich der Faserverstärkung und in Richtung der Fasersymmetrieachse einen Zugmodul nach DIN EN ISO 527-1 gemessen von > 1,5 GPa aufweist. According to the invention is a fiber-reinforced, 3D-printed elastic product, the product having a weight fraction of> 50% of a polymer with an average molecular weight (M n ) of> 5,000 g / mol, measured by GPC, and a weight fraction of> 0.5% and <20% of one or more fibers with an aspect ratio of> 100 and a length of> 3 cm and <1000 cm, the product being produced at least in part by means of an FFF (Free Filament Fabrication) process and the product in the range of Fiber reinforcement and in the direction of the fiber symmetry axis has a tensile modulus measured according to DIN EN ISO 527-1 of> 1.5 GPa.
Die Symmetrieachse einer Faser ist erfindungsgemäß parallel zur Längsachse der Faser, also parallel zur Faserachse mit der größten räumlichen Faserausdehnung. Dies wird im Folgenden näher beschrieben. Die erfindungsgemäßen Erzeugnisse weisen gegenüber dem im Stand der Technik beschriebenen, gedruckten Erzeugnissen mehrere Vorteile auf. Basierend auf der Kombination aus den chemischen Eigenschaften des Basismaterials und basierend auf der Herstellung mittels 3D-Druck und zusätzlicher Faserverstärkung ergeben sich komplexe mechanische Eigenschaften des Erzeugnisses. Die gedruckten Erzeugnisse sind dem Grunde nach elastisch, wobei diese in Richtung der Symmetrieachse der miteingedruckten Fasern eine außerordentlich hohe Festigkeit und Steifheit aufweisen. Senkrecht zu diesen späteren Belastungsrichtungen weist das Erzeugnis eine außerordentlich hohe Elastizität, d.h. geringe Steifheit und/oder geringere Festigkeit, auf. In dieser Richtung ergibt sich zudem eine hohe reversible Verformbarkeit, welches für die wiederholte Belastung des Erzeugnisses ohne Bruch oder Ermüdung von großer Wichtigkeit ist. Das Erzeugnis zeigt also basierend auf dieser Zusammenstellung eine außerordentlich hohe Anisotropie in den mechanischen Eigenschaften, welches den erfolgreichen Einsatz dieser Erzeugnisse in völlig neuen Anwendungsbereichen ermöglicht. Die hohe Anisotropie in den mechanischen Eigenschaften kann sich beispielsweise durch deutlich unterschiedliche mechanische Parameter wie Modulanisotropie, Dämpfungsanisotropie, Streckspannungsanisotropie zeigen. Dabei deutet der Begriff„Anisotropie“ an, dass diese mechanischen Werte zur Charakterisierung des Erzeugnisses als Funktion der Messrichtung nicht gleich, sondern deutlich unterschiedlich sind. Der Stand der Technik offenbart hingegen entweder elastische oder belastbare gedruckte Erzeugnisse mit einer mehr oder minder isotropen Lastaufnahmefähigkeit und/oder Material Versteifung. Dies kann in vielen Anwendungsbereichen nachteilig sein. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein können sich insbesondere die hohen mechanischen Belastbarkeiten in Faserrichtung aus der Verwendung elastischer Grundpolymere im beanspruchten Molekulargewichtsbereich und den speziellen Dimensionen der eingearbeiteten Fasern ergeben. According to the invention, the axis of symmetry of a fiber is parallel to the longitudinal axis of the fiber, that is to say parallel to the fiber axis with the greatest spatial fiber extension. This is described in more detail below. The products according to the invention have several advantages over the printed products described in the prior art. Based on the combination of the chemical properties of the base material and based on the production using 3D printing and additional fiber reinforcement, complex mechanical properties of the product result. The printed products are fundamentally elastic, whereby they have an extraordinarily high strength and rigidity in the direction of the axis of symmetry of the fibers which are also printed. Perpendicular to these later directions of loading, the product has an extremely high elasticity, ie low rigidity and / or lower strength. In this direction there is also a high reversible deformability, which is of great importance for the repeated loading of the product without breaking or fatigue. Based on this combination, the product shows an extraordinarily high anisotropy in the mechanical properties, which enables the successful use of these products in completely new areas of application. The high anisotropy in the mechanical properties can be demonstrated, for example, by clearly different mechanical parameters such as module anisotropy, damping anisotropy, and anisotropy in yield stress. The term "anisotropy" indicates that these mechanical values for characterizing the product as a function of the measuring direction are not the same, but are significantly different. The prior art, however, discloses either elastic or resilient printed products with a more or less isotropic load-bearing capacity and / or material stiffening. This can be disadvantageous in many areas of application. Without being bound by theory, the high mechanical strengths in the direction of the fibers can result in particular from the use of elastic base polymers in the claimed molecular weight range and the special dimensions of the incorporated fibers.
Bei dem erfindungsgemäßen Erzeugnis handelt es sich um ein faserverstärktes, 3D-gedrucktes elastisches Erzeugnis. Ein 3D-gedrucktes Erzeugnis wurde zumindest partiell über ein 3D- Druckverfahren hergestellt. Dabei kann das gesamte oder nur ein Teilbereich des Erzeugnisses über einen 3D-Druck hergestellt worden sein. Mindestens einer der mittels 3D-gedruckten Abschnitte weist dabei neben dem gedruckten elastischen Polymer noch Fasern innerhalb der gedruckten Polymermatrix auf. D.h. dieser oder diese Abschnitte sind faserverstärkt in dem Sinne, dass innerhalb dieser Abschnitte des Erzeugnisses nicht nur ein 3D-gedrucketes Polymer, sondern eine 3D-gedrucktes Polymer mit mindestens einer integrierten Faser, mit den erfindungsgemäßen Abmessungen und Eigenschaften, vorliegt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Erzeugnis elastisch, wenn es eine Bruchdehnung im Zugversuchstest nach DIN 53504 von > 50% zeigt. Das Erzeugnis kann beispielsweise einen Druckverformungsrest nach 10% Kompression (gemäß DIN ISO 815-1) von < 50%, bevorzugt < 30%, besonders bevorzugt < 15% aufweisen. Das Erzeugnis besteht zu einem Gewichtsanteil von > 50% aus einem Polymer. Maßgeblich für die elastischen Eigenschaften des Erzeugnisses können die Anteile an Polymeren in Bezug auf die anderen Erzeugnisanteile sein. Mittels des hier offenbarten Verfahrens sind aber auch Erzeugnisse erhältlich, welche„hochgefüllt“ sein können, d.h. dass diese neben dem Polymeren und den Fasern auch noch in signifikanten Anteilen andere Füllstoffe aufweisen können. Auch diese hochgefüllten Erzeugnisse sind von der Erfindung umfasst. Polymere im Sinne der Erfindung sind Makromoleküle, welche aus sich wiederholenden, gleichen Einheiten aufgebaut sind. Beispiele für verwendbare Polymere oder Polymermischungen sind weiter hinten aufgeführt. Die Gehaltsbestimmung ist dabei dem Fachmann bekannt und kann nach Auflösen des Erzeugnisses beispielsweise mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) bei nicht vernetzten löslichen Polymeren erfolgen. Bei teils unlöslichen Polymeren durch Thermogravimetrie (TGA) nach selektiver thermischer Zersetzung um die Polymere von z.B. anorganischen höher zersetzenden Füllstoffen zu unterscheiden. Komplementär dazu können Elementaranalysen durchgeführt werden um die organischen Bestandteile im Vergleich zu anorganischen Bestandteilen zu quantifizieren. Dem Fachmann sind die weiter einzusetzenden Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der Gewichts anteile bekannt. Für viele Anwendungen haben sich Polymergehalte von >55%, bevorzugtThe product according to the invention is a fiber-reinforced, 3D-printed elastic product. A 3D printed product was at least partially manufactured using a 3D printing process. All or only a portion of the product can be produced using 3D printing. At least one of the 3D-printed sections has fibers in addition to the printed elastic polymer within the printed polymer matrix. This means that this or these sections are fiber-reinforced in the sense that not only a 3D-printed polymer but also a 3D-printed polymer with at least one integrated fiber with the dimensions and properties according to the invention is present within these sections of the product. In the sense of the present invention, a product is elastic if it shows an elongation at break in the tensile test according to DIN 53504 of> 50%. The product can have, for example, a compression set after 10% compression (according to DIN ISO 815-1) of <50%, preferably <30%, particularly preferably <15%. The product is> 50% by weight polymer. The proportion of polymers in relation to the other product proportions can be decisive for the elastic properties of the product. By means of the method disclosed here, however, products are also obtainable which can be “highly filled”, that is to say that in addition to the polymer and the fibers, they can also have other fillers in significant proportions. These highly filled products are also encompassed by the invention. For the purposes of the invention, polymers are macromolecules which are composed of repeating, identical units. Examples of polymers or polymer mixtures which can be used are listed further below. The determination of the content is known to the person skilled in the art and can be carried out after dissolving the product, for example by means of gel permeation chromatography (GPC) in the case of non-crosslinked soluble polymers. In the case of partially insoluble polymers by thermogravimetry (TGA) after selective thermal decomposition in order to distinguish the polymers from, for example, inorganic, higher-decomposing fillers. Complementary to this, elemental analyzes can be carried out to quantify the organic components compared to inorganic components. The person skilled in the art is familiar with the test methods to be used to determine the proportions by weight. Polymer contents of> 55% have been preferred for many applications
> 60%, des Weiteren bevorzugt >65%, und >70% als vorteilhaft zum Erhalt bevorzugter elastischer Erzeugniseigenschaften erwiesen. > 60%, further preferably> 65%, and> 70% have been found to be advantageous for obtaining preferred elastic product properties.
Das Polymer weist ein mittleres Molekulargewicht (Mn) von > 5.000 g/mol, gemessen mittels GPC auf. Mit dem mittleren Molekulargewicht ist das Zahlenmittel des Molekulargewichtes gemeint. Das eingesetzte Polymer kann eine Massenverteilung aufweisen, wobei der Quotient aus der Gesamtmasse und der Anzahl der Teilchen größer als der oben angegebene Wert sein muss. Die Verteilung und der Mittelwert der Verteilung können dabei mittels GPC am fertigen Erzeugnis bestimmt werden. Dazu wird das Erzeugnis zweckmäßigerweise aufgelöst und einer GPC unterzogen. Als Funktion des eingesetzten Polymers sind dem Fachmann die geeigneten GPC Bedingungen inklusive der zur Auflösung nutzbaren Lösemittel bekannt. Bevorzugt kann das Polymer auch ein mittleres Molekulargewicht von 10.000 g/mol, weiterhin bevorzugt von > 12.000 g/mol, und ebenfalls bevorzugt von > 15.000 g/mol und besonders bevorzugt von > 20.000 g/mol aufweisen. Im Fall von teilunlöslichen und teilvernetzten Polymeren (z.B. in Form eines polymerisierten organischen Füllstoffs oder Stippen in einer thermoplastischen Matrix) wird das Molekulargewicht der löslichen und durch Extrusion verarbeitbaren Matrix als maßgebend definiert, da zumindest teilvernetzten Anteile per Definition mit einem „unendlichen“ Molekulargewicht angenommen werden können. Diese Molmassen können zu hinreichenden elastischen Eigenschaften des gedruckten Polymers führen. Sehr hohe mittlere MolekulargewichteThe polymer has an average molecular weight (M n ) of> 5,000 g / mol, measured by means of GPC. The average molecular weight means the number average molecular weight. The polymer used can have a mass distribution, the quotient of the total mass and the number of particles having to be greater than the value given above. The distribution and the mean value of the distribution can be determined by means of GPC on the finished product. For this purpose, the product is expediently dissolved and subjected to a GPC. As a function of the polymer used, the person skilled in the art knows the suitable GPC conditions, including the solvents that can be used for dissolution. The polymer can preferably also have an average molecular weight of 10,000 g / mol, further preferably of> 12,000 g / mol, and also preferably of> 15,000 g / mol and particularly preferably of> 20,000 g / mol. In the case of partially insoluble and partially crosslinked polymers (e.g. in the form of a polymerized organic filler or specks in a thermoplastic matrix), the molecular weight of the soluble and extrudable matrix is defined as decisive, since at least partially crosslinked fractions are assumed to have an “infinite” molecular weight can. These molecular weights can lead to sufficient elastic properties of the printed polymer. Very high average molecular weights
> z.B. 5.000.000 g/mol sind dagegen nachteilhaft, da diese im Bereich des 3D-Druckens nur schlecht extrudiert werden können. Niedrige Molekulargewichte können nachteilhaft sein, da diese nur ungenügende elastische Eigenschaften aufweisen. Die GPC-Untersuchung kann beispielsweise in DMF bei 23°C und/oder 80°C auf einem Polystyrol/Divinylbenzol Säulenmaterial gegen PMMA als Standard durchgeführt werden. > 5,000,000 g / mol, on the other hand, are disadvantageous because they are difficult to extrude in the area of 3D printing. Low molecular weights can be disadvantageous because of these have insufficient elastic properties. The GPC examination can be carried out, for example, in DMF at 23 ° C. and / or 80 ° C. on a polystyrene / divinylbenzene column material against PMMA as a standard.
Das Erzeugnis weist einen Gewichts an teil von > 0,5 % und < 20% einer oder mehrerer Fasern auf. Fasern im Sinne der Erfindung sind dabei lineare Gebilde, welche aus einem Faserstoff bestehen und in der Regel eine definierte äußere Faserform oder -geometrie aufweisen. Beispiele für einsetzbare Fasertypen sind weiter hinten aufgeführt. Der Gewichts anteil kann beispielsweise gravimetrisch nach Auflösen des Erzeugnisses und Trocknung der Fasern vom Fösemittel bestimmt werden. Dem Fachmann sind Fösungsmittel zum selektiven Auflösen des Polymers unter Erhalt der Faserintegrität bekannt. Alternativ kann der Fasergehalt über die oben erwähnten Methoden wie TGA und Elementaranalyse bestimmt werden. Weiterhin bevorzugt kann der Faser-Gewichtsanteil 1% bis 18%, besonders bevorzugt 1,5% bis 15% und ganz besonders bevorzugt 2% bis 12% betragen. The product has a weight fraction of> 0.5% and <20% of one or more fibers. Fibers in the sense of the invention are linear structures which consist of a fibrous material and generally have a defined outer fiber shape or geometry. Examples of fiber types that can be used are listed below. The proportion by weight can be determined, for example, gravimetrically after dissolving the product and drying the fibers from the solvent. Solvents are known to those skilled in the art for selectively dissolving the polymer while maintaining fiber integrity. Alternatively, the fiber content can be determined using the methods mentioned above such as TGA and elemental analysis. The fiber weight fraction can furthermore preferably be 1% to 18%, particularly preferably 1.5% to 15% and very particularly preferably 2% to 12%.
Die Fasern weisen ein Aspektverhältnis von > 100 auf. Das Aspektverhältnis beschreibt dabei das Verhältnis aus der Tiefe bzw. Höhe einer Struktur zu ihrer (kleinsten) lateralen Ausdehnung. Besitzt die Faser einen variierenden Durchmesser oder eine variierende Fänge so können für das Aspektverhältnis die Mittelwerte über die Fasergesamtheit eingesetzt werden. Die Fasern weisen bevorzugt eine Aspektverhältnis von größer oder 200, des Weiteren bevorzugt von größer 500, und weiterhin bevorzugt von größer als 1000 auf. Kleinere Aspektverhältnisse können nachteilig sein, da Erzeugnisse enthaltend diese Fasern nicht die geforderte mechanische Anisotropie aufweisen können. The fibers have an aspect ratio of> 100. The aspect ratio describes the ratio of the depth or height of a structure to its (smallest) lateral extent. If the fiber has a varying diameter or a varying catch, the mean values over the entire fiber can be used for the aspect ratio. The fibers preferably have an aspect ratio of greater than or 200, more preferably greater than 500, and further preferably greater than 1000. Smaller aspect ratios can be disadvantageous since products containing these fibers cannot have the required mechanical anisotropy.
Die erfindungsgemäß einsetzbaren Fasern weisen eine Fänge von > 3 cm und < 1000 cm auf. Zum Erhalt eines 3D-gedruckten Erzeugnissen mit stark anisotropen mechanischen Eigenschaften hat sich dieser Faserlängenbereich als besonders geeignet erwiesen. Der Bereich gibt an, dass mindestens 95% der Faseranzahl eine Fänge innerhalb des oben angegebenen Bereiches aufweist, also innerhalb des Bereiches liegen. Ein gewisser Anteil kleinerer Faserlängen, beispielsweise erhalten durch Faserbruch während der Herstellung, ist ebenso erfindungsgemäß. Mit diesen Faserlängen lassen sich sowohl äußerst stabile 3D-gedruckte Erzeugnisse erhalten, welche aufgrund der Fasereigenschaften in Verbindung mit den genutzten Polymeren, ein hohe Anisotropie in den mechanischen Eigenschaften zeigen. Bevorzugt können die Fasern weiterhin > 7 cm und < 500 cm; des Weiteren bevorzugt > 10 cm und < 100 cm lang sein. The fibers which can be used according to the invention have a catch of> 3 cm and <1000 cm. This fiber length range has proven to be particularly suitable for obtaining a 3D-printed product with strongly anisotropic mechanical properties. The range indicates that at least 95% of the number of fibers has a catch within the range specified above, that is to say within the range. A certain proportion of smaller fiber lengths, for example obtained by fiber breakage during production, is also according to the invention. With these fiber lengths, extremely stable 3D-printed products can be obtained which, due to the fiber properties in connection with the polymers used, show a high anisotropy in the mechanical properties. The fibers can preferably also be> 7 cm and <500 cm; furthermore preferably> 10 cm and <100 cm long.
Das Erzeugnis ist zumindest anteilig mittels eines FFF-(Fused Filament Fabrication) Verfahrens hergestellt. Das extrudierte Polymer kann dabei gegebenenfalls in einem nachgeschalteten Prozess nachvernetzet werden. Die Nach Vernetzung kann dabei durch Reaktion des Polymers mit Wasser in folgen einer Umsetzung von z.b. Isocyanatgruppen zu Harnstoffen und/oder durch Strahlenhärtung und/oder durch Temperung bei Temperaturen mindestens oberhalb des Glaspunktes des Polymeren erfolgen. Die Formgebung des Erzeugnisses ist aber ganz oder teilweise über ein 3D- Druckverfahren erfolgt, wobei zumindest ein Bereich des Erzeugnisses, welcher eine Faserverstärkung aufweist, über das 3D-Druckverfahren hergestellt worden sein muss. Als Herstellungsverfahren wird erfindungsgemäß die „Fused Filament Fabrication“, also die Herstellung über geschmolzene (polymere) Filamente genutzt. Es ist auch im Sinne der Erfindung, dass Teilbereiche des Erzeugnisses nicht durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt wurden. Es können sich also Erzeugnisse ergeben, welche isoliert ein oder mehrere Abschnitte mit den im unabhängigen Anspruch geforderten Materialeigenschaften aufweisen. The product is manufactured at least in part by means of an FFF (Fused Filament Fabrication) process. The extruded polymer can optionally be crosslinked in a downstream process. After crosslinking, the reaction of the polymer with water in follow a conversion of, for example, isocyanate groups to urea and / or by radiation curing and / or by tempering at temperatures at least above the glass point of the polymer. However, the shape of the product is entirely or partially carried out using a 3D printing process, with at least a region of the product which has fiber reinforcement having to have been produced using the 3D printing process. According to the invention, the “fused filament fabrication” is used as the production method, that is to say the production via molten (polymeric) filaments. It is also in the spirit of the invention that partial areas of the product were not produced by a 3D printing process. Products can thus result which have isolated one or more sections with the material properties required in the independent claim.
Das Erzeugnis weist im Bereich der Faserverstärkung und in Richtung der Fasersymmetrieachse einen Zugmodul nach DIN EN ISO 527-1 gemessen von > 1,5 GPa auf. Im Bereich der Faserverstärkung bedeutet erfindungsgemäß, dass die mechanischen Eigenschaften an den Stellen des Erzeugnisses gemessen werden, welche eine Faserverstärkung aufweisen. Dazu können Proben aus diesem Bereichen genommen und der mechanischen Analyse unterzogen werden. Werte erhalten durch Messungen an Bereichen ohne Faserverstärkung sind nicht erfindungsgemäß. Der gemessene Probenkörper muss dementsprechend mindestens eine Faser aufweisen oder beinhalten. Im Falle produktionsbedingter Streuungen der Moduln zählt erfindungsgemäß der Mittelwert an drei unterschiedlichen Stellen des Erzeugnisses gemessener Proben. Die Moduln werden am fertigen Erzeugnis, also ggf. nach weiteren Behandlungsschritten wie Tempern/ Abkühlen/Nach vernetzen erhoben. The product has a tensile modulus according to DIN EN ISO 527-1 measured in the area of fiber reinforcement and in the direction of the fiber symmetry axis of> 1.5 GPa. In the area of fiber reinforcement according to the invention means that the mechanical properties are measured at the points of the product which have fiber reinforcement. Samples from this area can be taken and subjected to mechanical analysis. Values obtained by measurements in areas without fiber reinforcement are not according to the invention. The measured specimen must accordingly have or contain at least one fiber. In the case of production-related scattering of the modules, the mean value according to the invention counts at three different points of the product of measured samples. The modules are collected on the finished product, i.e. after further treatment steps such as tempering / cooling / after crosslinking.
Die Symmetrieachse einer Faser ist erfindungsgemäß parallel zur Längsachse der Faser, also parallel zur Faserachse mit der größten räumlichen Faserausdehnung, wie oben beschrieben. Ist die Faser innerhalb des Erzeugnisses nicht monoton ausgerichtet, so ergibt sich die Symmetrieachse der Faser als Mittelwert der einzelnen Segment-Symmetrieachsen. Erfindungsgemäß ergibt sich der Zugmodul in Richtung der Fasersymmetrieachse auch für die Fälle, in denen die Abweichungen zwischen Messrichtung und Fasersymmetrieachse kleiner als 20°, bevorzugt kleiner als 10°, des Weiteren kleiner als 5° beträgt. Innerhalb dieser Abweichungen können trotzdem die Anforderungen an die Anisotropie und Elastizität des Erzeugnisses erfüllt sein. Innerhalb bevorzugter Ausführungsformen kann der Modul in Symmetrieachsenrichtung größer als 1,7 GPa, weiterhin bevorzugt > 2GPa, des Weiteren bevorzugt > 3 GPa, und ebenfalls bevorzugt > 4 GPa am fertigen Produkt betragen. Innerhalb dieser Modul-Größenordnungen können hohe Belastungen durch das Erzeugnis auf genommen werden. Kleinere Moduln als 1,5 GPa können nachteilig sein, da den Erzeugnissen aufgrund einer zu hohen Elastizität die geforderte mechanische Stabilität fehlen kann. Das erfindungsgemäße Erzeugnis weist weiterhin im Bereich der Faserverstärkung und senkrecht zur Fasersymmetrieachse einen Zugmodul nach DIN EN ISO 527-1 gemessen von < 1,2 GPa auf. Die Messung erfolgt am fertigen Produkt also ggf. nach weiteren Verarbeitungsschritten wie beispielsweise Tempern/Abkühlen/Vernetzen, welche die mechanischen Eigenschaften des Erzeugnisses noch beeinflussen können. Die Messung des Zugmoduls erfolgt senkrecht zur Fasersymmetrieachse, wenn die mittlere Ausrichtung die im Probenkörper vorhandenen Fasern einen Winkel von größer oder gleich 75° und kleiner oder gleich 105° zur Messrichtung einschließen. Die Messung erfolgt im Bereich der Faserverstärkung, wenn der vermessene Probenkörper mindestens eine der erfindungsgemäßen Fasern aufweist. Bevorzugt kann der Zugmodul auch < 1,0 GPa, bevorzugt < 0,8 GPa, kleiner als 0,6 GPa, und des Weiteren bevorzugt < 0,4 GPa sein. Diese Grenzen im Zugmodul haben sich zum Erhalt stark anisotroper Werkstücke bewährt. Niedrigere Moduln als < 0,05 GPa können nachteilhaft sein, da den Erzeugnissen in diesen Fällen die nötige Festigkeit fehlen kann. Höhere Moduln können zu einer nicht erfindungsgemäßen, nur geringen Anisotropie des Erzeugnisses führen. According to the invention, the axis of symmetry of a fiber is parallel to the longitudinal axis of the fiber, that is to say parallel to the fiber axis with the largest spatial fiber extension, as described above. If the fiber within the product is not aligned monotonously, the axis of symmetry of the fiber is the average of the individual segment axes of symmetry. According to the invention, the tensile modulus in the direction of the fiber symmetry axis also results for the cases in which the deviations between the measuring direction and the fiber symmetry axis are less than 20 °, preferably less than 10 °, and furthermore less than 5 °. Within these deviations, the requirements for the anisotropy and elasticity of the product can still be met. In preferred embodiments, the module in the axis of symmetry can be greater than 1.7 GPa, further preferably> 2GPa, further preferably> 3 GPa, and also preferably> 4 GPa on the finished product. Within these module sizes, high loads can be absorbed by the product. Modules smaller than 1.5 GPa can be disadvantageous because the products may not have the required mechanical stability due to their high elasticity. The product according to the invention furthermore has a tensile modulus according to DIN EN ISO 527-1 measured in the area of the fiber reinforcement and perpendicular to the fiber symmetry axis of <1.2 GPa. The measurement is carried out on the finished product, if necessary after further processing steps such as tempering / cooling / crosslinking, which can still influence the mechanical properties of the product. The tensile modulus is measured perpendicular to the fiber symmetry axis if the mean orientation of the fibers present in the specimen include an angle of greater than or equal to 75 ° and less than or equal to 105 ° to the measuring direction. The measurement takes place in the area of fiber reinforcement if the measured sample body has at least one of the fibers according to the invention. The tensile modulus can preferably also be <1.0 GPa, preferably <0.8 GPa, less than 0.6 GPa, and furthermore preferably <0.4 GPa. These limits in the tensile module have proven their worth in maintaining highly anisotropic workpieces. Modules lower than <0.05 GPa can be disadvantageous, since in these cases the products may lack the necessary strength. Higher modules can lead to a low anisotropy of the product, which is not according to the invention.
Das erfindungsgemäße Erzeugnis weist weiterhin im Bereich der Faserverstärkung und senkrecht zur Fasersymmetrieachse eine Streckgrenze von > 5% gemessen nach DIN EN ISO 527-1 auf. Zum Erhalt von Erzeugnissen mit möglichst hoher mechanischer Anisotropie haben sich oben angegebene Streckgrenzen als besonders vorteilhaft herausgestellt. Durch diese Streckgrenzen kann das Erzeugnis für viele Einsatzbereiche hinreichend elastisch ausgerüstet werden, sodass sich in der Anwendung bevorzugte Gebrauchseigenschaften ergeben. Beispielsweise können Zahnschienen aufgrund der hohen Streckgrenze einfach eingesetzt und wieder entnommen werden. Bevorzugt kann die Streckgrenze auch > 7%, weiterhin bevorzugt > 9%, des Weiteren bevorzugt > 11% und ebenfalls >15% betragen The product according to the invention also has a yield strength of> 5% measured in the area of the fiber reinforcement and perpendicular to the fiber symmetry axis in accordance with DIN EN ISO 527-1. To obtain products with the highest possible mechanical anisotropy, the yield strengths specified above have proven to be particularly advantageous. Thanks to these yield strengths, the product can be equipped with sufficient elasticity for many areas of application, so that preferred usage properties result in the application. For example, toothed splints can be easily inserted and removed again due to the high yield strength. The yield strength can also preferably be> 7%, further preferably> 9%, further preferably> 11% and likewise> 15%
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Erzeugnis an wenigstens einem räumlichen Abschnitt rotationsymmetrisch und die Symmetrieachse der Fasern senkrecht zur Symmetrieachse des Erzeugnisses ausgerichtet sein. Das Erzeugnis kann somit insgesamt rotationssymmetrisch sein oder bei komplexen Erzeugnissen mit mehreren aneinandergesetzten Formen ein Teil des Erzeugnisses. Beispiele für diese bevorzugten Ausführungsformen sind beispielsweise O-Ringe oder Keilriemen, wobei diese Strukturen rotationssymmetrisch sind und die Symmetrieachse durch den Mittelpunkt des Erzeugnisses verlaufen. Eine bevorzugte Materialkombination für O-Ringe wäre TPU/Polyaramidfaser. Die Symmetrieachse der Fasern verläuft für diese Erzeugnisse parallel zum Umfang der Erzeugnisse und damit senkrecht zur Symmetrieachse des Erzeugnisses. Beide Symmetrieachsen sind erfindungsgemäß in den Fällen senkrecht zueinander, wenn diese einen Winkelbereich größer oder gleich 75° und kleiner oder gleich 105° zueinander einschließen. Dieser geometrische Zusammenhang kann zu besonders geeigneten Erzeugnissen führen, welche eine ausgezeichnete Festigkeit in Lastrichtung und eine hohe Elastizität aufweisen. In a preferred embodiment, the product can be rotationally symmetrical on at least one spatial section and the axis of symmetry of the fibers can be aligned perpendicular to the axis of symmetry of the product. The product can thus be rotationally symmetrical overall or, in the case of complex products with a plurality of shapes placed one against the other, a part of the product. Examples of these preferred embodiments are, for example, O-rings or V-belts, these structures being rotationally symmetrical and the axis of symmetry running through the center of the product. A preferred combination of materials for O-rings would be TPU / polyaramid fiber. For these products, the axis of symmetry of the fibers runs parallel to the circumference of the products and thus perpendicular to the axis of symmetry of the product. According to the invention, both axes of symmetry are perpendicular to one another in those cases if they enclose an angular range greater than or equal to 75 ° and less than or equal to 105 ° to one another. This geometric connection can lead to particularly suitable products, which are excellent strength in the load direction and high elasticity.
Innerhalb einer weiteren Ausgestaltung kann das Erzeugnis ein Aspektverhältnis von > 1 aufweisen und die Symmetrieachse der Fasern im Wesentlichen in einer Ebene mit der Erzeugnisachse mit der größten Ausdehnung liegt. Die erfindungsgemäßen Erzeugnisse mit den anisotropen mechanischen Eigenschaften eignen sich im besonderen Maße zur Fertigung von Erzeugnissen mit unsymmetrischen Abmessungen, wobei die mechanische Faserstabilisierung der Erzeugnisse in einer Ebene mit der größten Erzeugnisausdehnung liegt. Dadurch kann das Erzeugnis durch die Fasereinlagerung maximal stabilisiert werden. In weiter bevorzugten Ausführungsformen kann das Erzeugnis ein Aspektverhältnis von > 3, bevorzugt > 5, des Weiteren bevorzugt > 10 und weiterhin bevorzugt > 15 betragen. In a further embodiment, the product can have an aspect ratio of> 1 and the axis of symmetry of the fibers lies essentially in one plane with the product axis with the greatest extent. The products according to the invention with the anisotropic mechanical properties are particularly suitable for the production of products with asymmetrical dimensions, the mechanical fiber stabilization of the products lying in one plane with the greatest product expansion. As a result, the product can be maximally stabilized by the fiber storage. In further preferred embodiments, the product can have an aspect ratio of> 3, preferably> 5, further preferably> 10 and further preferably> 15.
Innerhalb einer weiteren Charakteristik kann das Erzeugnis im Bereich der Faserverstärkung einen Verlustfaktor tan d von < 0,07, gemessen mittels mechanisch dynamischer Analyse (DMA) in Zugbeanspruchung, und eine Streckgrenze in Richtung der Fasersymmetrieachse von < 7% gemessen nach DIN EN ISO 527-1 aufweisen. Diese mechanischen Eigenschaften des Erzeugnisses tragen bevorzugt zu einer hohen Festigkeit und Belastbarkeit des Erzeugnisses in Faserrichtung bei. Als Grund für die geringe Streckgrenze und den erfindungsgemäßen Verlustfaktor kann dabei in der Kombination aus den erfindungsgemäß einsetzbaren Fasern und den elastischen Polymer gesehen werden. Höhere Streckgrenzen können nachteilig sein, da das gedruckte Erzeugnis in diesen Fällen nur einen ungenügenden Widerstand gegenüber einer mechanischen Belastung des Erzeugnisses ausweisen kann. Bevorzugt kann der Verlustfaktor < 0,06, bevorzugt < 0,05, des Weiteren < 0,04 und weiterhin bevorzugt < 0,03 betragen. Diese Verlustfaktoren können zu einer besonders starken Anisotropie der mechanischen Eigenschaften des Erzeugnisses beitragen. Die Streckgrenze kann dabei bei 23°C bestimmt werden und bevorzugt kann die Streckgrenze auch < 3%, besonders bevorzugt < 2% und ganz besonders bevorzugt < 1% betragen. Within a further characteristic, the product can have a loss factor tan d of <0.07 in the area of fiber reinforcement, measured by means of mechanical dynamic analysis (DMA) in tensile stress, and a yield strength in the direction of the fiber symmetry axis of <7% measured according to DIN EN ISO 527- 1 have. These mechanical properties of the product preferably contribute to the high strength and resilience of the product in the fiber direction. The reason for the low yield strength and the loss factor according to the invention can be seen in the combination of the fibers which can be used according to the invention and the elastic polymer. Higher yield strengths can be disadvantageous because in these cases the printed product can only show insufficient resistance to mechanical stress on the product. The loss factor can preferably be <0.06, preferably <0.05, furthermore <0.04 and further preferably <0.03. These loss factors can contribute to a particularly strong anisotropy in the mechanical properties of the product. The yield strength can be determined at 23 ° C. and the yield strength can preferably also be <3%, particularly preferably <2% and very particularly preferably <1%.
Innerhalb eines weiteren Aspektes des Erzeugnisses kann das Polymer ein thermoplastisches Elastomer sein. Thermoplastische Elastomere (TPE) sind Werkstoffe, bei denen elastische Polymerketten in thermoplastisches Material eingebunden sind. Sie lassen sich in einem rein physikalischen Prozess in Kombination von hohen Scherkräften, Wärmeeinwirkung und anschließender Abkühlung verarbeiten. Obwohl keine chemische Vernetzung durch eine zeit- und temperaturaufwendige Vulkanisation, wie bei den Elastomeren, notwendig ist, haben die hergestellten Teile aufgrund ihrer besonderen Molekularstruktur doch gummielastische Eigenschaften. Erneute Wärme- und Scherkrafteinwirkung führt wieder zur Aufschmelzung und Verformung des Materials. Das bedeutet aber zugleich, dass die TPE weit weniger thermisch und dynamisch belastbar sind als Standard-Elastomere. Die TPE sind also kein "Nachfolge-Produkt" konventioneller Elastomere, sondern eine Ergänzung, die die Verarbeitungsvorteile der Thermoplaste mit den Werkstoffeigenschaften der Elastomere verbindet. In another aspect of the product, the polymer can be a thermoplastic elastomer. Thermoplastic elastomers (TPE) are materials in which elastic polymer chains are integrated in thermoplastic material. They can be processed in a purely physical process in a combination of high shear forces, exposure to heat and subsequent cooling. Although no chemical crosslinking due to time-consuming and temperature-consuming vulcanization, as with the elastomers, is necessary, the parts manufactured have rubber-elastic properties due to their special molecular structure. A renewed exposure to heat and shear forces leads to melting and Deformation of the material. At the same time, this means that the TPE is far less thermally and dynamically resilient than standard elastomers. The TPE are therefore not a "successor product" of conventional elastomers, but an addition that combines the processing advantages of thermoplastics with the material properties of the elastomers.
Thermoplastische Elastomere weisen in Teilbereichen physikalische Vernetzungspunkte (Nebenvalenzkräfte oder Kristallite), die sich bei Wärme auflösen, ohne dass sich die Makromoleküle zersetzen, auf. Daher lassen sie sich wesentlich besser verarbeiten als normale Elastomere. So können auch Kunststoffabfälle wieder eingeschmolzen und weiter verarbeitet werden. Dies ist allerdings auch der Grund dafür, dass sich die Werkstoffeigenschaften von thermoplastischen Elastomeren nichtlinear über Zeit und Temperatur verändern. Die beiden wesentlichen messbaren physikalischen Werkstoffeigenschaften sind der Druckverformungsrest und die Spannungsrelaxation. Gegenüber Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) besitzen sie im Kurzzeitverhalten schlechtere Materialeigenschaften, außerdem ist der Rohstoff teurer. Im Langzeitverhalten kehrt sich das Bild gegenüber EPDM allerdings um. In some areas, thermoplastic elastomers have physical cross-linking points (secondary valence forces or crystallites) that dissolve when exposed to heat without the macromolecules decomposing. Therefore, they can be processed much better than normal elastomers. This means that plastic waste can also be melted down and processed further. However, this is also the reason why the material properties of thermoplastic elastomers change non-linearly over time and temperature. The two main measurable physical material properties are the compression set and the stress relaxation. Compared to ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), they have poorer material properties in short-term behavior, and the raw material is also more expensive. In the long-term behavior, however, the picture is reversed compared to EPDM.
Da der Verarbeitungsprozess im Prinzip dem der thermoplastischen Kunststoffe gleicht, sind ähnlich kurze Zykluszeiten möglich. In der Herstellung gewinnen thermoplastische Elastomere vermehrt Anwendung in Karosseriedichtungen von Automobilen sowie in Bauelementen. Sie können extrudiert, spritzgeformt oder auch blasgeformt werden und werden in der Regel gebrauchsfertig bezogen. As the processing process is basically the same as that of thermoplastic materials, similarly short cycle times are possible. In manufacturing, thermoplastic elastomers are increasingly used in automotive body seals and in components. They can be extruded, injection molded or blow molded and are usually obtained ready for use.
Nach dem inneren Aufbau unterscheidet man Copolymere und Elastomerlegierungen. A distinction is made between copolymers and elastomer alloys according to the internal structure.
Copolymere kommen entweder als statistische oder als Blockcopolymere zum Einsatz. Erstere bestehen aus einem kristallisierenden (und damit physikalisch vernetzenden) Hauptpolymer wie z. B. Polyethylen, dessen Kristallisationsgrad durch ein zufällig entlang der Kette eingebautes Comonomer wie z. B. Vinylacetat soweit verringert ist, dass die Kristallite (= die harte Phase) im fertigen Werkstoff (im Beispiel EVA) keinen direkten Kontakt mehr haben. Sie wirken dann wie in herkömmlichen Elastomeren als isolierte Vernetzungspunkte. Copolymers are used either as statistical or as block copolymers. The former consist of a crystallizing (and thus physically crosslinking) main polymer such as. B. polyethylene, the degree of crystallization by a randomly installed along the chain comonomer such. B. vinyl acetate is reduced to such an extent that the crystallites (= the hard phase) in the finished material (in the example EVA) no longer have direct contact. They then act as isolated crosslinking points, as in conventional elastomers.
In Blockcopolymeren sind die Hart- und Weichsegmente in einem Molekül scharf getrennt (z. B. SBS, SIS). Bei TPEs entmischt sich unterhalb einer gewissen Temperatur das Material in eine kontinuierliche und eine diskontinuierliche Phase. Sobald letztere ihre Glasübergangstemperatur Tg unterschreitet (der Tg der kontinuierlichen Phase hegt deutlich unterhalb der späteren Anwendungstemperatur), wirkt sie wiederum als Vernetzungspunkt. In block copolymers, the hard and soft segments are sharply separated in one molecule (e.g. SBS, SIS). With TPEs, the material separates into a continuous and a discontinuous phase below a certain temperature. As soon as the latter falls below its glass transition temperature Tg (the Tg of the continuous phase is significantly below the later application temperature), it in turn acts as a crosslinking point.
Elastomerlegierungen sind Polyblends, also Zusammenmischungen (Gemenge) fertiger Polymere. Der Kunststoff besteht also aus mehreren Molekülsorten. Durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse und Zuschlagmittel erhält man maßgeschneiderte Werkstoffe (beispielsweise Polyolefin-Elastomer aus Polypropylen (PP) und Naturgummi (NR) - je nach Mengenverhältnis decken sie einen weiten Härtebereich ab). Elastomer alloys are polyblends, i.e. mixtures of finished polymers. The plastic therefore consists of several types of molecules. By different Mixing ratios and additives are available for customized materials (e.g. polyolefin elastomer made of polypropylene (PP) and natural rubber (NR) - depending on the ratio, they cover a wide range of hardness).
Man unterscheidet folgende Gruppen: A distinction is made between the following groups:
• TPE-A oder TPA = Thermoplastische Copolyamide, z. B. PEBAX (Arkema) • TPE-A or TPA = thermoplastic copolyamides, e.g. B. PEBAX (Arkema)
• TPE-E oder TPC = Thermoplastische Polyesterelastomere / Thermoplastische Copolyester, z. B. Keyflex (LG Chem) • TPE-E or TPC = thermoplastic polyester elastomers / thermoplastic copolyesters, e.g. B. Keyflex (LG Chem)
• TPE-0 oder TPO = Thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis, vorwiegend PP/EPDM • TPE-0 or TPO = thermoplastic elastomers based on olefins, mainly PP / EPDM
• TPE-S oder TPS = Styrol-Blockcopolymere (SBS, SEBS, SEPS, SEEPS und MBS), z. • TPE-S or TPS = styrene block copolymers (SBS, SEBS, SEPS, SEEPS and MBS), e.g.
B. Kraton (Kraton Polymers), Septon (Kuraray), Styroflex (BASF), Thermolast (Kraiburg TPE) oder Saxomer (PCW)  B. Kraton (Kraton Polymers), Septon (Kuraray), Styroflex (BASF), Thermolast (Kraiburg TPE) or Saxomer (PCW)
• TPE-U oder TPU = Thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis, z. B. Elastollan (BASF) oder Desmopan, Texin, Utechllan (Covestro) • TPE-U or TPU = thermoplastic elastomers based on urethane, e.g. B. Elastollan (BASF) or Desmopan, Texin, Utechllan (Covestro)
• TPE-V oder TPV = Thermoplastische Vulkanisate oder vernetzte thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis, vorwiegend PP/EPDM, z. B. Sariink (DSM) • TPE-V or TPV = thermoplastic vulcanizates or cross-linked thermoplastic elastomers based on olefins, mainly PP / EPDM, e.g. B. Sariink (DSM)
Thermoplastische Elastomere können beispielsweise auch ausgewählt sein aus der Gruppe: thermoplastische Copolyamide (TPA), thermoplastische Copolyester (TPC), thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis (TPO), Styrol-Blockcopolymere (TPS), thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis (TPU), vernetzte thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis (TPV), thermoplastische Elastomere auf Polyvinylchlorid-Basis (PVC), thermoplastische Elastomere auf Silikon-Basis oder einer Kombination aus mindestens zwei dieser Elastomere. Möglich sind auch Kombinationen aus > 3, > 4 oder > 5 dieser Elastomere. Das elastische Polymer kann noch weitere Additive wie Füllstoffe, Stabilisatoren und dergleichen, aber auch weitere Polymere, enthalten. Der Gesamtgehalt an Additiven im elastischen Polymer kann beispielsweise > 0,1 Gewichts-% bis < 70 Gewichts-%, bevorzugt > 1 Gewichts-% bis < 50 Gewichts-%, betragen. Diese Gruppe thermoplastischer Elastomere kann im hohen Maße zu Erzeugnissen mit großer mechanischer Anisotropie beitragen. Thermoplastic elastomers can, for example, also be selected from the group: thermoplastic copolyamides (TPA), thermoplastic copolyesters (TPC), thermoplastic elastomers based on olefins (TPO), styrene block copolymers (TPS), thermoplastic elastomers based on urethane (TPU), cross-linked thermoplastic elastomers Olefin-based (TPV), thermoplastic elastomers based on polyvinyl chloride (PVC), thermoplastic elastomers based on silicone or a combination of at least two of these elastomers. Combinations of> 3,> 4 or> 5 of these elastomers are also possible. The elastic polymer can also contain other additives such as fillers, stabilizers and the like, but also other polymers. The total content of additives in the elastic polymer can be, for example,> 0.1% by weight to <70% by weight, preferably> 1% by weight to <50% by weight. This group of thermoplastic elastomers can greatly contribute to products with high mechanical anisotropy.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ist das Elastomer ein thermoplastisches Elastomer und weist einen Schmelzbereich (DSC, Differential Scanning Calorimetry; zweite Aufheizung mit Aufheizrate 20 K/min) von > 20 °C bis < 280 °C (bevorzugt > 40 °C bis < 250 °C, mehr bevorzugt > 50 °C bis < 220 °C) auf, eine Shore A Härte gemäß DIN ISO 7619-1 von > 40 bis < 98 (bevorzugt > 50 bis < 95, mehr bevorzugt > 60 bis < 90) auf und eine Schmelzvolumenrate (melt volume rate, MVR) gemäß ISO 1133 (gemessen 120°C oberhalb des Schmelzpunktes, 10 kg) von > 5 bis < 200 (bevorzugt > 10 bis < 150, mehr bevorzugt > 15 bis < 100) cm3/10 min auf. In a further preferred embodiment of the use according to the invention, the elastomer is a thermoplastic elastomer and has a melting range (DSC, differential scanning calorimetry; second heating with heating rate 20 K / min) from> 20 ° C. to <280 ° C. (preferably> 40 ° C to <250 ° C, more preferably> 50 ° C to <220 ° C), a Shore A hardness according to DIN ISO 7619-1 of> 40 to <98 (preferably> 50 to <95, more preferably> 60 to <90) and a melt volume rate (MVR) according to ISO 1133 (measured 120 ° C. above the melting point, 10 kg) of> 5 to <200 (preferably> 10 to <150, more preferred > 15 to <100) cm 3/10 min.
Innerhalb einer bevorzugten Ausgestaltung des Erzeugnisses kann das Polymer ein Polyurethan oder ein Kautschuk sein. Der Kautschuk kann dabei das Basismaterial darstellen und vor Härtung oder Vulkanisation eingesetzt werden. In der Technik werden als Gummi (der, Mehrzahl Gummis) die Vulkanisate von Natur- und Synthesekautschuken bezeichnet. (Jürgen Falbe, Manfred Regitz (Hrsg.): CD Römpp Chemie Lexikon, Thieme, Stuttgart, 1995). Diese Auswahl an Polymeren kann zu besonders elastischen und mechanisch stark anisotropen Erzeugnissen führen. In a preferred embodiment of the product, the polymer can be a polyurethane or a rubber. The rubber can be the base material and can be used before curing or vulcanization. In the art, the vulcanizates of natural and synthetic rubbers are referred to as rubbers (the majority of rubbers). (Jürgen Falbe, Manfred Regitz (ed.): CD Römpp Chemie Lexikon, Thieme, Stuttgart, 1995). This selection of polymers can lead to particularly elastic and mechanically strongly anisotropic products.
Das thermoplastische Elastomer kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein thermoplastisches Polyurethanelastomer sein. In a preferred embodiment, the thermoplastic elastomer can be a thermoplastic polyurethane elastomer.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ist das Elastomer ein thermoplastisches Polyurethanelastomer, das erhältlich ist aus der Reaktion der Komponenten: a) mindestens ein organisches Diisocyanat b) mindestens eine mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Gruppen aufweisenden Verbindung mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht (Mn) von > 500 g/mol bis < 6000 g/mol und einer zahlenmittleren Funktionalität der Gesamtheit der Komponenten unter b) von > 1,8 bis < 2,5 c) mindestens ein Kettenverlängerungsmittel mit einem Molekulargewicht (Mn) von 60 - 450 g/mol und einer zahlenmittleren Funktionalität der Gesamtheit der Kettenverlängerungsmittel unter c) von 1,8 bis 2,5. In a further preferred embodiment of the use according to the invention, the elastomer is a thermoplastic polyurethane elastomer which can be obtained from the reaction of the components: a) at least one organic diisocyanate b) at least one compound having groups which are reactive toward isocyanate groups and having a number average molecular weight (Mn) of> 500 g / mol to <6000 g / mol and a number-average functionality of the total of the components under b) from> 1.8 to <2.5 c) at least one chain extender with a molecular weight (Mn) of 60-450 g / mol and a number-average functionality of the entirety of the chain extender under c) from 1.8 to 2.5.
Zur Synthese dieses thermoplastischen Polyurethanelastomers (TPU) seien im Einzelnen beispielhaft als Isocyanatkomponente unter a) genannt: aliphatische Diisocyanate wie Ethylendiisocyanat, 1,4-Tetramethylendiisocyant, 1,6-Hexamethylendiisocyanat, 1,12- Dodecandiisocyanat, cycloaliphatische Diisocyanate wie Isophorondiisocyanat, 1,4- Cyclohexandiisocyanat, l-Methyl-2,4-cyclohexandiisocyanat und l-Methyl-2,6- cyclohexandiisocyanat sowie die entsprechenden Isomerengemische, 4,4'- Dicyclohexylmethandiisocyanat, 2,4'-Dicyclohexylmethandiisocyanat und 2,2'-For the synthesis of this thermoplastic polyurethane elastomer (TPU), the following may be mentioned as examples of the isocyanate component under a): aliphatic diisocyanates such as ethylene diisocyanate, 1,4-tetramethylene diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate, 1,12-dodecane diisocyanate, cycloaliphatic diisocyanates such as isophorone diisocyanate - Cyclohexane diisocyanate, l-methyl-2,4-cyclohexane diisocyanate and l-methyl-2,6-cyclohexane diisocyanate and the corresponding isomer mixtures, 4,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate, 2,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate and 2,2'-
Dicyclohexylmethandiisocyanat sowie die entsprechenden Isomerengemische, außerdem aromatische Diisocyanate, wie 2,4-Toluylendiisocyanat, Gemische aus 2,4-Toluylendiisocyanat und 2,6-Toluylendiisocyanat. 4.4'-Diphenylmethandiisocyanat, 2,4'-Diphenylmethandiisocyanat und 2,2'- Diphenylmethandiisocyanat. Gemische aus 2,4'-Diphenylmethandiisocyanat und 4,4'- Diphenylmethandiisocyanat, urethanmodifizierte flüssige 4,4'- Diphenylmethandiisocyanate oder 2,4'- Diphenylmethandiisocyanate, 4,4'-Diisocyanatodiphenylethan-(l ,2) und 1,5- Naphthylendiisocyanat. Vorzugsweise verwendet werden 1 ,6-Hexamethylendiisocyanat, 1,4- Cyclohexandiisocyanat, Isophorondiisocyanat, Dicyclohexylmethandiisocyanat,Dicyclohexylmethane diisocyanate and the corresponding isomer mixtures, also aromatic diisocyanates such as 2,4-tolylene diisocyanate, mixtures of 2,4-tolylene diisocyanate and 2,6-tolylene diisocyanate. 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, 2,4'-diphenylmethane diisocyanate and 2,2'-diphenylmethane diisocyanate. Mixtures of 2,4'-diphenylmethane diisocyanate and 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, urethane-modified liquid 4,4'-diphenylmethane diisocyanates or 2,4'-diphenylmethane diisocyanates, 4,4'-diisocyanatodiphenylethane (1,2) and 1,5-naphthylene diisocyanate . 1,6-hexamethylene diisocyanate, 1,4-cyclohexane diisocyanate, isophorone diisocyanate, dicyclohexylmethane diisocyanate,
Diphenylmethandiisocyanat-Isomerengemische mit einem 4,4'-Diphenylmethandiisocyanatgehalt von mehr als 96 Gew.-% und insbesondere 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat und 1,5- Naphthylendiisocyanat. Die genannten Diisocyanate können einzeln oder in Form von Mischungen untereinander zur Anwendung kommen. Sie können auch zusammen mit bis zu 15 Mol-% (berechnet auf Gesamt-Diisocyanat) eines Polyisocyanates verwendet werden, es darf aber höchstens so viel Polyisocyanat zugesetzt werden, dass ein noch thermoplastisch verarbeitbares Produkt entsteht. Beispiele für Polyisocyanate sind Triphenylmethan-4,4',4"-triisocyanat und Polyphenyl-polymethylen-polyisocyanate. Diphenylmethane diisocyanate isomer mixtures with a 4,4'-diphenylmethane diisocyanate content of more than 96% by weight and in particular 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and 1,5-naphthylene diisocyanate. The diisocyanates mentioned can be used individually or in the form of mixtures with one another. They can also be used together with up to 15 mol% (calculated on total diisocyanate) of a polyisocyanate, but at most so much polyisocyanate may be added that a still processable product is obtained. Examples of polyisocyanates are triphenylmethane 4,4 ', 4 "triisocyanate and polyphenyl polymethylene polyisocyanates.
Als längerkettige Isocyanat-reaktive Verbindungen unter b) seien beispielhaft solche mit im Mittel mindestens 1,8 bis 3,0 Zerewitinoff-aktiven Wasserstoffatomen und einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 500 bis 10000 g/mol genannt. Eingeschlossen sind neben Aminogruppen Thiolgruppen oder Carboxylgruppen aufweisenden Verbindungen insbesondere zwei bis drei, bevorzugt zwei Hydroxylgruppen aufweisende Verbindungen, speziell solche mit zahlenmittleren Molekulargewichten Mn von 500 bis 6000 g/mol, besonders bevorzugt solche mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht Mn von 600 bis 4000 g/mol, z.B. Hydroxylgruppen aufweisende Polyesterpolyole, Polyetherpolyole, Polycarbonatpolyole und Polyesterpolyamide. Geeignete Polyesterdiolen können dadurch hergestellt werden, dass man ein oder mehrere Alkylen Oxide mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkylen Rest mit einem Startermolekül, das zwei aktive Wasserstoffatome gebunden enthält, umsetzt. Als Alkylen Oxide seien z.B. genannt: Ethylenoxid, 1,2-Propylenoxid, Epichlorhydrin und 1,2-Butylenoxid und 2,3-Butylenoxid. Vorzugsweise Anwendung finden Ethylenoxid, Propylenoxid und Mischungen aus 1,2-Propylenoxid und Ethylenoxid. Die Alkylen Oxide können einzeln, alternierend nacheinander oder als Mischungen verwendet werden. Als Startermoleküle kommen beispielsweise in Betracht Wasser, Aminoalkohole, wie N-Alkyl- diethanolamine, beispielsweise N-Methyl-diethanolamin und Diole wie Ethylenglykol, 1,3- Propylenglykol, 1,4-Butandiol und 1,6-Hexandiol. Gegebenenfalls können auch Mischungen von Startermolekülen eingesetzt werden. Geeignete Polyetherdiole sind ferner die hydroxylgruppenhaltigen Polymerisationsprodukte des Tetrahydrofurans. Es können auch trifunktionelle Polyether in Anteilen von 0 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die bifunktionellen Polyetherdiole eingesetzt werden, jedoch höchstens in solcher Menge, dass ein noch thermoplastisch verarbeitbares Produkt entsteht. Die im Wesentlichen linearen Polyetherdiole besitzen vorzugsweise zahlenmittlere Molekulargewichte n von 500 bis 6000 g/mol. Sie können sowohl einzeln als auch in Form von Mischungen untereinander zur Anwendung kommen. Examples of longer-chain isocyanate-reactive compounds under b) are those with on average at least 1.8 to 3.0 Zerewitinoff-active hydrogen atoms and a number-average molecular weight of 500 to 10,000 g / mol. In addition to amino groups, thiol groups or compounds containing carboxyl groups are included, in particular two to three, preferably two hydroxyl group-containing compounds, especially those with number-average molecular weights Mn of 500 to 6000 g / mol, particularly preferably those with a number-average molecular weight Mn of 600 to 4000 g / mol, eg polyester polyols containing hydroxyl groups, polyether polyols, polycarbonate polyols and polyester polyamides. Suitable polyester diols can be prepared by reacting one or more alkylene oxides with 2 to 4 carbon atoms in the alkylene radical with a starter molecule which contains two active hydrogen atoms bonded. Examples of alkylene oxides are: ethylene oxide, 1,2-propylene oxide, epichlorohydrin and 1,2-butylene oxide and 2,3-butylene oxide. Ethylene oxide, propylene oxide and mixtures of 1,2-propylene oxide and ethylene oxide are preferably used. The alkylene oxides can be used individually, alternately in succession or as mixtures. Examples of suitable starter molecules are water, amino alcohols, such as N-alkyl-diethanolamines, for example N-methyl-diethanolamine, and diols, such as ethylene glycol, 1,3-propylene glycol, 1,4-butanediol and 1,6-hexanediol. If appropriate, mixtures of starter molecules can also be used. Suitable polyether diols are also the hydroxyl-containing polymerization products of tetrahydrofuran. Trifunctional polyethers can also be used in proportions of 0 to 30% by weight, based on the bifunctional polyether diols, but at most in such an amount that a product which can still be processed thermoplastically is produced. The essentially linear polyether diols preferably have number average molecular weights n of 500 to 6000 g / mol. They can be used both individually and in the form of mixtures with one another.
Geeignete Polyesterdiole können beispielsweise aus Dicarbonsäuren mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 4 bis 6 Kohlenstoffatomen, und mehrwertigen Alkoholen hergestellt werden. Als Dicarbonsäuren kommen beispielsweise in Betracht: aliphatische Dicarbonsäuren wie Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Korksäure, Azelainsäure und Sebacinsäure, oder aromatische Dicarbonsäuren, wie Phthalsäure, Isophthalsäure und Terephthalsäure. Die Dicarbonsäuren können einzeln oder als Gemische, z.B. in Form einer Bernstein-, Glutar- und Adipinsäuremischung, verwendet werden. Zur Herstellung der Polyesterdiole kann es gegebenenfalls vorteilhaft sein, anstelle der Dicarbonsäuren die entsprechenden Dicarbonsäurederivate, wie Carbonsäurediester mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkoholrest, Carbonsäureanhydride oder Carbonsäurechloride zu verwenden. Beispiele für mehrwertige Alkohole sind Glykole mit 2 bis 10, vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, z:B. Ethylenglykol, Diethylenglykol, 1 ,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, 1 ,6- Hexandiol, 1,10-Decandiol,Suitable polyester diols can be prepared, for example, from dicarboxylic acids having 2 to 12 carbon atoms, preferably 4 to 6 carbon atoms, and polyhydric alcohols. Examples of suitable dicarboxylic acids are: aliphatic dicarboxylic acids such as succinic acid, glutaric acid, adipic acid, suberic acid, azelaic acid and sebacic acid, or aromatic dicarboxylic acids such as phthalic acid, isophthalic acid and terephthalic acid. The dicarboxylic acids can be used individually or as mixtures, e.g. in the form of a mixture of succinic, glutaric and adipic acids. To prepare the polyester diols, it may be advantageous to use the corresponding dicarboxylic acid derivatives, such as carboxylic acid diesters having 1 to 4 carbon atoms in the alcohol radical, carboxylic acid anhydrides or carboxylic acid chlorides, instead of the dicarboxylic acids. Examples of polyhydric alcohols are glycols having 2 to 10, preferably 2 to 6, carbon atoms, for example: Ethylene glycol, diethylene glycol, 1, 4-butanediol, 1,5-pentanediol, 1, 6-hexanediol, 1,10-decanediol,
2.2-Dimethyl-l,3-propandiol, 1,3-Propandiol oder Dipropylenglykol. Je nach den gewünschten Eigenschaften können die mehrwertigen Alkohole allein oder in Mischung untereinander verwendet werden. Geeignet sind ferner Ester der Kohlensäure mit den genannten Diolen, insbesondere solchen mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen, wie 1 ,4-Butandiol oder 1,6-Hexandiol, Kondensationsprodukte von w-Hydroxycarbonsäuren wie w-Hydroxycapronsäure oder Polymerisationsprodukte von Lactonen, z.B. gegebenenfalls substituierten w-Caprolacton. Als Polyesterdiole vorzugsweise verwendet werden Ethandiolpolyadipate, 1,4-Butandiolpolyadipate, Ethandiol- 1 ,4-Butandiolpolyadipate, 1,6-Hexandiol-neopentylglykolpolyadipate, 1,6-Hexandiol- 1,4-butandiolpolyadipate und Polycaprolactone. Die Polyesterdiole besitzen bevorzugt zahlenmittlere Molekulargewichte Mn von 450 bis 6000 g/mol und können einzeln oder in Form von Mischungen untereinander zur Anwendung kommen. 2,2-dimethyl-l, 3-propanediol, 1,3-propanediol or dipropylene glycol. Depending on the desired properties, the polyhydric alcohols can be used alone or as a mixture with one another. Also suitable are esters of carbonic acid with the diols mentioned, in particular those with 4 to 6 carbon atoms, such as 1, 4-butanediol or 1,6-hexanediol, condensation products of w-hydroxycarboxylic acids such as w-hydroxycaproic acid or polymerization products of lactones, e.g. optionally substituted w-caprolactone. Preferred polyester diols are ethanediol polyadipates, 1,4-butanediol polyadipates, ethanediol-1,4-butanediol polyadipates, 1,6-hexanediol-neopentylglycol polyadipates, 1,6-hexanediol-1,4-butanediol polyadipates and polycaprolactones. The polyester diols preferably have number average molecular weights Mn of 450 to 6000 g / mol and can be used individually or in the form of mixtures with one another.
Die Kettenverlängerungsmittel unter c) besitzen im Mittel 1,8 bis 3,0 Zerewitinoff-aktive Wasserstoffatome und haben ein Molekulargewicht von 60 bis 450 g/mol. Hierunter versteht man neben Aminogruppen, Thiolgruppen oder Carboxylgruppen aufweisenden Verbindungen solche mit zwei bis drei, bevorzugt zwei Hydroxylgruppen. The chain extenders under c) have an average of 1.8 to 3.0 Zerewitinoff-active hydrogen atoms and have a molecular weight of 60 to 450 g / mol. In addition to amino groups, thiol groups or carboxyl group-containing compounds, these are understood to mean those having two to three, preferably two, hydroxyl groups.
Als Ketten verlängerungsmittel werden vorzugsweise aliphatische Diole mit 2 bis 14 Kohlenstoffatomen eingesetzt, wie z.B. Ethandiol, 1 ,2-Propandiol, 1,3-Propandiol, 1 ,4-Butandiol,Aliphatic diols with 2 to 14 carbon atoms, such as e.g. Ethanediol, 1, 2-propanediol, 1,3-propanediol, 1, 4-butanediol,
2.3- Butandiol, 1,5-Pentandiol, 1,6-Hexandiol, Diethylenglykol und Dipropylenglykol. Geeignet sind jedoch auch Diester der Terephthalsäure mit Glykolen mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen, z.B. Terephthalsäure-bis-ethylenglykol oder Terephthalsäure-bis-l,4-butandiol, Hydroxyalkylenether des Hydrochinons, z.B. 1 ,4-Di(b-hydroxyethyl)-hydrochinon, ethoxylierte Bisphenole, z.B. 1,4-Di(b- hydroxyethyl)- bisphenol A, (cyclo) aliphatische Diamine, wie Isophorondiamin, Ethylendiamin, 1,2-Propylendiamin, 1,3-Propylendiamin, N-Methyl-propylen-l,3-diamin, N,N'- Dimethylethylendiamin und aromatische Diamine, wie 2,4-Toluylendiamin, 2,6-Toluylendiamin, 3,5-Diethyl-2,4- toluylendiamin oder 3,5-Diethyl-2,6-toluylendiamin oder primäre mono-, di-, tri- oder tetraalkylsubstituierte 4,4'-Diaminodiphenylmethane. Besonders bevorzugt werden als Kettenverlängerer Ethandiol, 1 ,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, l,4-Di(ß-hydroxyethyl)-hydrochinon oder l,4-Di(ß-hydroxyethyl)-bisphenol A verwendet. Es können auch Gemische der oben genannten Kettenverlängerer eingesetzt werden. 2,3-butanediol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol, diethylene glycol and dipropylene glycol. However, diesters of terephthalic acid with glycols with 2 to 4 carbon atoms, for example terephthalic acid-bis-ethylene glycol or terephthalic acid-bis-1,4-butanediol, hydroxyalkylene ether of hydroquinone, for example 1,4-di (b-hydroxyethyl) hydroquinone, are also suitable. ethoxylated bisphenols, e.g. 1,4-di (b- hydroxyethyl) bisphenol A, (cyclo) aliphatic diamines, such as isophoronediamine, ethylenediamine, 1,2-propylenediamine, 1,3-propylenediamine, N-methyl-propylene-1,3-diamine, N, N'-dimethylethylenediamine and aromatic diamines such as 2,4-toluenediamine, 2,6-toluenediamine, 3,5-diethyl-2,4-toluenediamine or 3,5-diethyl-2,6-toluenediamine or primary mono-, di-, tri- or tetraalkyl-substituted 4 , 4'-Diaminodiphenylmethane. Ethanediol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, 1,4-di (β-hydroxyethyl) hydroquinone or 1,4-di (β-hydroxyethyl) bisphenol A are particularly preferably used as chain extenders. Mixtures of the chain extenders mentioned above can also be used.
Daneben können auch kleinere Mengen an Triolen zugesetzt werden. Smaller amounts of triplets can also be added.
Gegenüber Isocyanaten monofunktionelle Verbindungen können unter f) in Anteilen bis zu 2 Gew.- %, bezogen auf TPU, als sogenannte Kettenabbrecher eingesetzt werden. Geeignet sind z.B. Monoamine wie Butyl- und Dibutylamin, Octylamin, Stearylamin, N-Methylstearylamin, Pyrrolidin, Piperidin oder Cyclohexylamin, Monoalkohole wie Butanol, 2-Ethylhexanol, Octanol, Dodecanol, Stearylalkohol, die verschiedenen Amylalkohole, Cyclohexanol und Ethylenglykolmonomethylether. Compounds which are monofunctional to isocyanates can be used under f) in proportions of up to 2% by weight, based on TPU, as so-called chain terminators. Suitable are e.g. Monoamines such as butyl- and dibutylamine, octylamine, stearylamine, N-methylstearylamine, pyrrolidine, piperidine or cyclohexylamine, monoalcohols such as butanol, 2-ethylhexanol, octanol, dodecanol, stearyl alcohol, the various amyl alcohols, cyclohexanol and ethylene glycol monomethyl ether.
Die gegenüber Isocyanat reaktiven Substanzen sollten bevorzugt so gewählt werden, dass ihre zahlenmittlere Funktionalität zwei nicht wesentlich überschreitet, wenn thermoplastisch verarbeitbare Polyurethanelastomere hergestellt werden sollen. Falls höherfunktionelle Verbindungen eingesetzt werden, sollte durch Verbindungen mit einer Funktionalität <2 die Gesamtfunktionalität entsprechend herabgesetzt werden. The substances which are reactive toward isocyanate should preferably be chosen so that their number-average functionality does not significantly exceed two if it is intended to produce thermoplastically processable polyurethane elastomers. If more functional connections are used, the overall functionality should be reduced accordingly by connections with a functionality <2.
Die relativen Mengen der Isocyanatgruppen und Isocyanat reaktiven Gruppen werden bevorzugt so gewählt, dass das Verhältnis 0,9: 1 bis 1,2: 1 beträgt, bevorzugt 0,95: 1 bis 1,1 :1. The relative amounts of the isocyanate groups and isocyanate-reactive groups are preferably chosen so that the ratio is 0.9: 1 to 1.2: 1, preferably 0.95: 1 to 1.1: 1.
Die erfindungsgemäß verwendeten thermoplastischen Polyurethanelastomere können als Hilfs- und/oder Zusatzstoffe bis zu maximal 20 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an TPU, der üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe enthalten. Typische Hilfs- und Zusatzstoffe sind Katalysatoren, Antiblockmittel, Inhibitoren, Pigmente, Farbstoffe, Flammschutzmittel, Stabilisatoren gegen Alterungs- und Witterungseinflüsse, gegen Hydrolyse, Ficht, Hitze und Verfärbung, Weichmacher, Gleit- und Entformungsmittel, fungistatisch und bakteriostatisch wirkende Substanzen, Verstärkungsmittel sowie anorganische und/oder organische Füllstoffe und deren Mischungen. The thermoplastic polyurethane elastomers used according to the invention can contain up to a maximum of 20% by weight, based on the total amount of TPU, of the conventional auxiliaries and additives as auxiliaries and / or additives. Typical auxiliaries and additives are catalysts, antiblocking agents, inhibitors, pigments, dyes, flame retardants, stabilizers against the effects of aging and weather, against hydrolysis, spruce, heat and discoloration, plasticizers, lubricants and mold release agents, fungistatic and bacteriostatic substances, reinforcing agents and inorganic and / or organic fillers and mixtures thereof.
Beispiele für die Zusatzstoffe sind Gleitmittel, wie Fettsäureester, deren Metallseifen, Fettsäureamide, Fettsäureesteramide und Siliconverbindungen, und Verstärkungsmittel, wie z.B. faserartige Verstärkungsstoffe, wie anorganische Fasern, die nach dem Stand der Technik hergestellt werden und auch mit einer Schlichte beaufschlagt sein können. Nähere Angaben über die genannten Hilfs- und Zusatzstoffe sind der Fachliteratur, beispielsweise der Monographie von J.H. Saunders und K.C. Frisch "High Polymers", Band XVI, Polyurethane, Teil 1 und 2, Verlag Interscience Publishers 1962 bzw. 1964, dem Taschenbuch für Kunststoff- Additive von R. Gächter u. H. Müller (Hanser Verlag München 1990) oder der DE-A 29 01 774 zu entnehmen. Examples of the additives are lubricants, such as fatty acid esters, their metal soaps, fatty acid amides, fatty acid ester amides and silicone compounds, and reinforcing agents, such as, for example, fibrous reinforcing materials, such as inorganic fibers, which are produced according to the prior art and can also be subjected to a size. Details on the auxiliaries and additives mentioned are the specialist literature, for example the monograph by JH Saunders and KC Frisch "High Polymers", Volume XVI, Polyurethane, Parts 1 and 2, Publisher Interscience Publishers 1962 and 1964, the paperback for plastic additives by R Gächter u. H. Müller (Hanser Verlag Munich 1990) or DE-A 29 01 774.
Geeignete Katalysatoren sind die nach dem Stand der Technik bekannten und üblichen tertiären Amine, wie z.B. Triethylamin, Dimethylcyclohexylamin, N-Methylmorpholin, N,N'- Dimethylpiperazin, 2-(Dimethylaminoethoxy)ethanol, Diazabicyclo[2,2,2]octan und ähnliche sowie insbesondere organische Metallverbindungen wie Titansäureester, Eisenverbindungen oder Zinnverbindungen wie Zinndiacetat, Zinndioctoat, Zinndilaurat oder die Zinndialkylsalze aliphatischer Carbonsäuren wie Dibutylzinndiacetat oder Dibutylzinndilaurat oder ähnliche. Bevorzugte Katalysatoren sind organische Metallverbindungen, insbesondere Titansäureester, Eisen- und Zinnverbindungen. Die Gesamtmenge an Katalysatoren in den eingesetzten TPU beträgt in der Regel etwa 0 bis 5 Gew.-%, bevorzugt 0 bis 2 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an TPU. Suitable catalysts are the conventional tertiary amines known and known in the art, e.g. Triethylamine, dimethylcyclohexylamine, N-methylmorpholine, N, N'-dimethylpiperazine, 2- (dimethylaminoethoxy) ethanol, diazabicyclo [2,2,2] octane and the like, and in particular organic metal compounds such as titanium acid esters, iron compounds or tin compounds such as tin diacetate, tin dioctoate, tin dilaurate or the tin dialkyl salts of aliphatic carboxylic acids such as dibutyltin diacetate or dibutyltin dilaurate or the like. Preferred catalysts are organic metal compounds, especially titanium acid esters, iron and tin compounds. The total amount of catalysts in the TPU used is generally about 0 to 5% by weight, preferably 0 to 2% by weight, based on the total amount of TPU.
Erfindungsgemäß geeignete Polyurethan-Elastomere können beispielsweise 2-Komponenten- Gießelastomere („cast elastomers“) sein. Sie können nach bekannten Methoden erhalten werden aus einer Reaktionsmischung umfassend: a) mindestens ein organisches Polyisocyanat b) mindestens eine mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Gruppen aufweisenden Verbindung mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht (Mn) von > 500 g/mol bis < 6000 g/mol und mindestens einer zahlenmittleren Funktionalität der Gesamtheit der Komponenten von > 2,1 c) optional mindestens ein Kettenverlängerungsmittel mit einem Molekulargewicht (Mn) von 60 - 450 g/mol. Polyurethane elastomers suitable according to the invention can be, for example, 2-component cast elastomers. They can be obtained by known methods from a reaction mixture comprising: a) at least one organic polyisocyanate b) at least one compound having groups which are reactive toward isocyanate groups and having a number average molecular weight (Mn) of> 500 g / mol to <6000 g / mol and at least a number-average functionality of the total of the components of> 2.1 c) optionally at least one chain extender with a molecular weight (Mn) of 60-450 g / mol.
Zu Details bezüglich Polyisocyanaten und NCO-reaktiven Verbindungen sei auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen. For details regarding polyisocyanates and NCO-reactive compounds, reference is made to the above statements.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ist das Elastomer ein thermoplastisches Elastomer und weist einen Schmelzbereich (DSC, differential scanning calorimetry; 2. Aufheizung mit Aufheizrate 5 K/min.) von > 20 °C bis < 100 °C auf und weist einen Betrag der komplexen Viskosität Ih*I (bestimmt durch Viskosimetriemessung in der Schmelze mit einem Platte/Platte-Oszillationsscherviskosimeter bei 100 °C und einer Scherrate von 1/s) von > 10 Pas bis < 1000000 Pas auf. In a further preferred embodiment of the use according to the invention, the elastomer is a thermoplastic elastomer and has a melting range (DSC, differential scanning calorimetry; 2nd heating with heating rate 5 K / min.) Of> 20 ° C to <100 ° C and has one Amount of the complex viscosity Ih * I (determined by viscometry measurement in the melt with a plate / plate oscillation shear viscometer at 100 ° C. and a shear rate of 1 / s) from> 10 Pas to <1000000 Pas.
Dieses thermoplastische Elastomer weist einen Schmelzbereich von > 20 °C bis < 100 °C, vorzugsweise von > 25 °C bis < 90 °C und mehr bevorzugt von > 30 °C bis < 80 °C auf. Bei der DSC-Messung zur Bestimmung des Schmelzbereichs wird das Material folgendem Temperaturzyklus unterworfen: 1 Minute bei -60 °C, danach Aufheizen auf 200 °C mit 5 Kelvin/Minute, dann Abkühlen auf -60 °C mit 5 Kelvin/Minute, dann 1 Minute bei -60 °C, dann Aufheizen auf 200 °C mit 5 Kelvin/Minute. This thermoplastic elastomer has a melting range of> 20 ° C to <100 ° C, preferably from> 25 ° C to <90 ° C and more preferably from> 30 ° C to <80 ° C. In the DSC measurement to determine the melting range, the material is subjected to the following temperature cycle: 1 minute at -60 ° C, then heating to 200 ° C at 5 Kelvin / minute, then cooling to -60 ° C at 5 Kelvin / minute, then 1 minute at -60 ° C, then heating to 200 ° C at 5 Kelvin / minute.
Es ist möglich, dass das Temperaturintervall zwischen Beginn des Schmelzvorgangs und Ende des Schmelzvorgangs, wie es gemäß dem obigen DSC-Protokoll bestimmt werden kann, < 20 °C, bevorzugt < 10 °C und mehr bevorzugt < 5 °C beträgt. It is possible that the temperature interval between the start of the melting process and the end of the melting process, as can be determined according to the DSC protocol above, is <20 ° C., preferably <10 ° C. and more preferably <5 ° C.
Dieses thermoplastische Elastomer weist ferner einen Betrag der komplexen Viskosität Ih*I (bestimmt durch Viskosimetriemessung in der Schmelze mit einem Platte/Platte- Oszillationsviskosimeter gemäß ISO 6721-10 bei 100 °C und einer Scherrate von 1/s) von > 10 Pas bis < 1000000 Pas auf. Vorzugsweise beträgt Ih*I > 100 Pas bis < 500000 Pas, mehr bevorzugt > 1000 Pas bis < 200000 Pas. This thermoplastic elastomer also has an amount of the complex viscosity Ih * I (determined by viscometry measurement in the melt with a plate / plate oscillation viscometer according to ISO 6721-10 at 100 ° C. and a shear rate of 1 / s) of> 10 Pas to < 1000000 Pas on. Ih * I is preferably> 100 Pas to <500000 Pas, more preferably> 1000 Pas to <200000 Pas.
Der Betrag der komplexen Viskosität Ih*I beschreibt das Verhältnis der viskoelastischen Moduln G' (Speichermodul) und G" (Verlustmodul) zur Anregungsfrequenz w in einer dynamisch mechanischen Materialanalyse: The amount of the complex viscosity Ih * I describes the ratio of the viscoelastic modules G '(storage module) and G "(loss module) to the excitation frequency w in a dynamic mechanical material analysis:
Dieses thermoplastische Elastomer ist vorzugsweise ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erzeugnisses ist das Elastomer ein thermoplastisches Polyurethanelastomer, das erhältlich ist aus der Reaktion einer Polyisocyanatkomponente und einer Polyolkomponente, wobei die Polyolkomponente ein Polyesterpolyol umfasst, welches einen Stockpunkt (ASTM D5985) von > 25 °C aufweist. This thermoplastic elastomer is preferably a thermoplastic polyurethane elastomer. In a further preferred embodiment of the product according to the invention, the elastomer is a thermoplastic polyurethane elastomer which can be obtained from the reaction of a polyisocyanate component and a polyol component, the polyol component comprising a polyester polyol which has a pour point (ASTM D5985) of> 25 ° C.
Gegebenenfalls können bei der Reaktion zu diesem Polyurethan weiterhin Diole des Molekulargewichtsbereichs von > 62 bis < 600 g/mol als Kettenverlängerungsmittel eingesetzt werden. If appropriate, diols in the molecular weight range from> 62 to <600 g / mol can furthermore be used as chain extenders in the reaction to give this polyurethane.
Diese Polyisocyanatkomponente kann ein symmetrisches Polyisocyanat und/oder ein nicht symmetrisches Polyisocyanat umfassen. Beispiele für symmetrische Polyisocyanate sind 4,4‘ -MDI und HDI. This polyisocyanate component can comprise a symmetrical polyisocyanate and / or a non-symmetrical polyisocyanate. Examples of symmetrical polyisocyanates are 4,4 '-MDI and HDI.
Bei nicht-symmetrischen Polyisocyanaten ist die sterische Umgebung einer NCO-Gruppe im Molekül von der sterischen Umgebung einer weiteren NCO Gruppe verschieden. Es reagiert dann eine Isocyanatgruppe schneller mit gegenüber Isocyanaten reaktiven Gruppen, beispielsweise OH- Gruppen, während die verbleibende Isocyanatgruppe weniger reaktiv ist. Eine Folge des nicht symmetrischen Aufbaus des Polyisocyanats ist, dass die mit diesen Polyisocyanaten aufgebauten Polyurethane auch eine weniger gerade Struktur aufweisen. In the case of non-symmetrical polyisocyanates, the steric environment of an NCO group in the molecule is different from the steric environment of another NCO group. An isocyanate group then reacts faster with groups that are reactive toward isocyanates, for example OH groups, while the remaining isocyanate group is less reactive. A consequence of the non-symmetrical structure of the polyisocyanate is that the structure of these polyisocyanates Polyurethanes also have a less straight structure.
Beispiele geeigneter nicht-symmetrischer Polyisocyanate sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend: 2,2,4-Trimethyl-hexamethylendiisocyanat, Ethylethylendiisocyanat, nicht symmetrische Isomere des Dicyclohexylmethandiisocyanat (H12-MDI), nicht-symmetrische Isomere des 1,4-Diisocyanatocy clohexan, nicht-symmetrische Isomere des 1,3- Diisocyanatocyclohexan, nicht-symmetrische Isomere des 1,2-Diisocyanatocy clohexan, nicht symmetrische Isomere des 1,3-Diisocyanatocyclopentan, nicht-symmetrische Isomere des 1,2- Diisocyanatocyclopentan, nicht-symmetrische Isomere des 1,2-Diisocyanatocyclobutan, 1- Isocyanatomethyl-3-isocyanato-l,5,5-trimethylcyclohexan (Isophorondiisocyanat, IPDI), 1- Methyl-2,4-diisocyanato-cyclohexan, l,6-Diisocyanato-2,2,4-trimethylhexan, 1,6-Diisocyanato- 2,4,4-trimethylhexan, 5-Isocyanato-l-(3-isocyanatoprop-l-yl)-l,3,3-trimethyl-cyclohexan, 5- lsocyanato-l-(4-isocyanatobut-l-yl)-l,3,3-trimethyl-cyclohexan, l-Isocyanato-2-(3- isocyanatoprop-l-yl)-cyclohexan, l-Isocyanato-2-(2-isocyanatoeth-l-yl)-cyclohexan, 2-Heptyl-3,4- bis(9-isocyanatononyl)- 1 -pentyl-cyclohexan, Norbonandiisocyanatomethyl, 2,4‘-Diphenylmethan- diisocyanat (MDI), 2,4- und 2,6-Toluylendiisocyanat (TDI), Derivate der aufgeführten Diisocyanate, insbesondere dimerisierte oder trimerisierte Typen, oder einer Kombination aus mindestens zwei hiervon. Examples of suitable non-symmetrical polyisocyanates are selected from the group comprising: 2,2,4-trimethyl-hexamethylene diisocyanate, ethyl ethylene diisocyanate, non-symmetrical isomers of dicyclohexyl methane diisocyanate (H12-MDI), non-symmetrical isomers of 1,4-diisocyanatocy clohexane, non- symmetrical isomers of 1,3-diisocyanatocyclohexane, non-symmetrical isomers of 1,2-diisocyanatocyclohexane, non-symmetrical isomers of 1,3-diisocyanatocyclopentane, non-symmetrical isomers of 1,2-diisocyanatocyclopentane, non-symmetrical isomers of 1,2 -Diisocyanatocyclobutane, 1-isocyanatomethyl-3-isocyanato-l, 5,5-trimethylcyclohexane (isophorone diisocyanate, IPDI), 1-methyl-2,4-diisocyanato-cyclohexane, l, 6-diisocyanato-2,2,4-trimethylhexane, 1,6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane, 5-isocyanato-l- (3-isocyanatoprop-l-yl) -l, 3,3-trimethyl-cyclohexane, 5-isocyanato-l- (4-isocyanatobut -l-yl) -l, 3,3-trimethyl-cyclohexane, l-isocyanato-2- (3-isocyanatoprop-l-yl) -cyclohexane, l-isocyanate to-2- (2-isocyanatoeth-l-yl) -cyclohexane, 2-heptyl-3,4- bis (9-isocyanatononyl) - 1-pentyl-cyclohexane, norbonane diisocyanatomethyl, 2,4'-diphenylmethane diisocyanate (MDI) , 2,4- and 2,6-tolylene diisocyanate (TDI), derivatives of the listed diisocyanates, in particular dimerized or trimerized types, or a combination of at least two of these.
Bevorzugt sind 4,4‘-MDI oder eine Mischung enthaltend IPDI und HDI als Polyisocyanatkomponente. 4,4'-MDI or a mixture containing IPDI and HDI as the polyisocyanate component are preferred.
Diese Polyolkomponente kann ein Polyesterpolyol aufweisen, welches einen Stockpunkt (No Flow Point, ASTM D5985) von > 25 °C, vorzugsweise > 35 °C, mehr bevorzugt > 35 °C bis < 55 °C aufweist. Zur Bestimmung des Stockpunkts wird ein Messgefäß mit der Probe in eine langsame Rotation (0.1 U/min) versetzt. Ein flexibel gelagerter Messkopf taucht in die Probe ein und wird bei Erreichen des Stockpunkts durch die sprunghafte Zunahme der Viskosität aus seiner Lage wegbewegt, die resultierende Kippbewegung löst einen Sensor aus. This polyol component can have a polyester polyol which has a pour point (No Flow Point, ASTM D5985) of> 25 ° C, preferably> 35 ° C, more preferably> 35 ° C to <55 ° C. To determine the pour point, a measuring vessel is set with the sample in a slow rotation (0.1 rpm). A flexibly mounted measuring head dips into the sample and is moved away from its position when the pour point is reached due to the sudden increase in viscosity, the resulting tilting movement triggers a sensor.
Beispiele für Polyesterpolyole, welche solch einen Stockpunkt aufweisen können, sind Reaktionsprodukte von Phthalsäure, Phthalsäureanhydrid oder symmetrischen a,ro-C4- bis C10- Dicarbonsäuren mit einem oder mehreren C2- bis C10-Diolen. Sie weisen bevorzugt ein zahlenmittleres Molekulargewicht Mn von > 400 g/mol bis < 6000 g/mol auf. Geeignete Diole sind insbesondere Monoethylenglykol, 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol und Neopentylglykol. Examples of polyester polyols which can have such a pour point are reaction products of phthalic acid, phthalic anhydride or symmetrical a, ro-C4 to C10 dicarboxylic acids with one or more C2 to C10 diols. They preferably have a number average molecular weight Mn of> 400 g / mol to <6000 g / mol. Suitable diols are in particular monoethylene glycol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol and neopentyl glycol.
Bevorzugte Polyesterpolyole sind nachfolgend unter Angabe ihrer Säure- und Diolkomponenten angegeben: Adipinsäure + Monoethylenglykol; Adipinsäure + Monoethylenglykol + 1,4-Butandiol; Adipinsäure + 1,4-Butandiol; Adipinsäure + 1,6-Hexandiol + Neopentylglykol; Adipinsäure + 1,6- Hexandiol; Adipinsäure + 1,4-Butandiol + 1,6-Hexandiol; Phthalsäure(anhydrid) + Monoethylenglykol + Trimethylolpropan; Phthalsäure(anhydrid) + Monoethylenglykol. Bevorzugte Polyurethane werden aus einer Mischung enthaltend IPDI und HDI als Polyisocyanatkomponente und einer Polyolkomponente enthaltend ein zuvor genanntes bevorzugtes Polyesterpolyol erhalten. Besonders bevorzugt ist die Kombination einer Mischung enthaltend IPDI und HDI als Polyisocyanatkomponente mit einem Polyesterpolyol aus Adipinsäure + 1,4-Butandiol + 1,6- Hexandiol zum Aufbau der Polyurethane. Preferred polyester polyols are given below with their acid and diol components: adipic acid + monoethylene glycol; Adipic acid + monoethylene glycol + 1,4-butanediol; Adipic acid + 1,4-butanediol; Adipic acid + 1,6-hexanediol + neopentyl glycol; Adipic acid + 1.6- Hexanediol; Adipic acid + 1,4-butanediol + 1,6-hexanediol; Phthalic acid (anhydride) + monoethylene glycol + trimethylolpropane; Phthalic acid (anhydride) + monoethylene glycol. Preferred polyurethanes are obtained from a mixture containing IPDI and HDI as the polyisocyanate component and a polyol component containing a previously mentioned preferred polyester polyol. The combination of a mixture comprising IPDI and HDI as the polyisocyanate component with a polyester polyol composed of adipic acid + 1,4-butanediol + 1,6-hexanediol is particularly preferred to form the polyurethanes.
Es ist ferner bevorzugt, dass diese Polyesterpolyole eine OH -Zahl (DIN 53240) von > 25 bis < 170 mg KOH/g und/oder eine Viskosität (75 °C, DIN 51550) von > 50 bis < 5000 mPas aufweisen. It is further preferred that these polyester polyols have an OH number (DIN 53240) of> 25 to <170 mg KOH / g and / or a viscosity (75 ° C, DIN 51550) of> 50 to <5000 mPas.
Als Beispiel genannt sei ein Polyurethan, das erhältlich ist aus der Reaktion einer Polyisocyanatkomponente und einer Polyolkomponente, wobei die Polyisocyanatkomponente ein HDI und IPDI umfasst und wobei die Polyolkomponente ein Polyesterpolyol umfasst, welches aus der Reaktion einer Reaktionsmischung umfassend Adipinsäure sowie 1,6-Hexandiol und 1,4- Butandiol mit einem Molverhältnis dieser Diole von > 1 :4 bis < 4: 1 erhältlich ist und welches ein zahlenmittleres Molekulargewicht Mn (GPC, gegen Polystyrol-Standards) von > 4000 g/mol bis < 6000 g/mol aufweist. Solch ein Polyurethan kann einen Betrag der komplexen Viskosität Ih*I (bestimmt durch Viskosimetriemessung in der Schmelze mit einem Platte/Platte- Oszillationsviskosimeter gemäß ISO 6721-10 bei 100 °C und einer Scherrate von 1/s) von > 4000 Pas bis < 160000 Pas aufweisen. An example is a polyurethane which is obtainable from the reaction of a polyisocyanate component and a polyol component, the polyisocyanate component comprising an HDI and IPDI and the polyol component comprising a polyester polyol which comprises the reaction of a reaction mixture comprising adipic acid and 1,6-hexanediol and 1,4-butanediol is available with a molar ratio of these diols of> 1: 4 to <4: 1 and which has a number average molecular weight Mn (GPC, against polystyrene standards) of> 4000 g / mol to <6000 g / mol. Such a polyurethane can have an amount of the complex viscosity Ih * I (determined by viscometry measurement in the melt with a plate / plate oscillation viscometer according to ISO 6721-10 at 100 ° C. and a shear rate of 1 / s) of> 4000 Pas to <160000 Have Pas.
Weitere Beispiele für geeignete Polyurethane sind: Other examples of suitable polyurethanes are:
Weitgehend lineare, endständige Hydroxylgruppen aufweisende Polyesterpolyurethane wie in EP 019 294 6 Al beschrieben, hergestellt durch Umsetzung von a) Polyesterdiolen eines über 600 liegenden Molekulargewichts und gegebenenfalls b) Diolen des Molekulargewichtsbereichs von 62 bis 600 g/mol als Kettenverlängerungsmittel mit c) aliphatischen Diisocyanaten unter Einhaltung eines Äquivalentverhältnisses von Hydroxylgruppen der Komponenten a) und b) zu Isocyanatgruppen der Komponente c) von 1:0,9 bis 1:0,999, wobei die Komponente a) zu mindestens 80 Gew.-% aus Polyesterdiolen des Molekulargewichtsbereichs 4000 bis 6000 auf Basis von (i) Adipinsäure und (ii) Gemischen aus 1,4-Dihydroxybutan und 1,6-Dihydroxyhexan im Molverhältnis der Diole von 4: 1 bis 1 :4 besteht. Largely linear, terminal hydroxyl-containing polyester polyurethanes as described in EP 019 294 6 Al, prepared by reacting a) polyester diols with a molecular weight above 600 and optionally b) diols in the molecular weight range from 62 to 600 g / mol as chain extenders with c) aliphatic diisocyanates Maintaining an equivalent ratio of hydroxyl groups of components a) and b) to isocyanate groups of component c) of 1: 0.9 to 1: 0.999, with component a) being based on at least 80% by weight of polyester diols of the molecular weight range 4000 to 6000 of (i) adipic acid and (ii) mixtures of 1,4-dihydroxybutane and 1,6-dihydroxyhexane in a molar ratio of the diols of 4: 1 to 1: 4.
In den vorher genannten Polyesterpolyurethanen ist bevorzugt, dass die Komponente a) zu 100 % aus einem Polyesterdiol des Molekulargewichtsbereichs 4000 bis 6000 besteht, bei deren Herstellung als Diolgemisch ein Gemisch aus 1,4-Dihydroxybutan und 1,6-Dihydroxyhexan im Molverhältnis von 7:3 bis 1 :2 verwendet worden ist. In the aforementioned polyester polyurethanes, it is preferred that component a) is 100% consists of a polyester diol in the molecular weight range 4000 to 6000, in the preparation of which a mixture of 1,4-dihydroxybutane and 1,6-dihydroxyhexane in a molar ratio of 7: 3 to 1: 2 was used as the diol mixture.
In den vorher genannten Polyesterpolyurethanen ist ferner bevorzugt, dass die Komponente c) IPDI und weiterhin HDI enthält. In the aforementioned polyester polyurethanes, it is further preferred that component c) contains IPDI and furthermore HDI.
In den vorher genannten Polyesterpolyurethanen ist ferner bevorzugt, dass bei ihrer Herstellung als Komponente b) Alkandiole, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: 1,2-Dihydroxyethan, 1,3- Dihydroxy propan, 1,4-Dihydroxybutan, 1,5-Dihydroxypentan, 1,6-Dihydroxyhexan oder einer Kombination aus mindestens zwei hiervon, in einer Menge von bis zu 200 Hydroxyläquivalentprozent, bezogen auf die Komponente a), mitverwendet worden sind. In the aforementioned polyester polyurethanes, it is further preferred that alkane diols, selected from the group consisting of: 1,2-dihydroxyethane, 1,3-dihydroxy propane, 1,4-dihydroxybutane, 1,5-dihydroxypentane, are used as component b) in their preparation , 1,6-dihydroxyhexane or a combination of at least two of them, in an amount of up to 200 hydroxyl equivalent percent, based on component a), have also been used.
Es ist ferner möglich, dass das thermoplastische Elastomer nach Erwärmen auf 100 °C und Abkühlen auf 20 °C bei einer Abkühlrate von 4 °C/min in einem Temperaturintervall von 25 °C bis 40 °C für > 1 Minute (bevorzugt > 1 Minute bis < 30 Minuten, mehr bevorzugt > 10 Minuten bis < 15 Minuten), ein Speichermodul G‘ (bestimmt bei der jeweils herrschenden Temperatur mit einem Platte/Platte-Oszillationsviskosimeter gemäß ISO 6721-10 bei einer Scherrate von 1/s) von > 100 kPa bis < 1 MPa auf und nach Abkühlen auf 20 °C und Lagerung für 20 Minuten ein Speichermodul G‘ (bestimmt bei 20 °C mit einem Platte/Platte-Oszillationsviskosimeter gemäß ISO 6721-10 bei einer Scherrate von 1/s) von > 10 MPa aufweist. It is also possible that the thermoplastic elastomer after heating to 100 ° C and cooling to 20 ° C at a cooling rate of 4 ° C / min in a temperature interval of 25 ° C to 40 ° C for> 1 minute (preferably> 1 minute up to <30 minutes, more preferably> 10 minutes to <15 minutes), a storage module G '(determined at the prevailing temperature with a plate / plate oscillation viscometer according to ISO 6721-10 at a shear rate of 1 / s) of> 100 kPa to <1 MPa and after cooling to 20 ° C and storage for 20 minutes a storage module G '(determined at 20 ° C with a plate / plate oscillation viscometer according to ISO 6721-10 at a shear rate of 1 / s) of> 10 MPa.
Einsetzbare Materialien können beispielsweise aus natürlichem oder synthetischem Kautschuk bestehen oder diese enthalten. Usable materials can consist of or contain natural or synthetic rubber, for example.
Der synthetische Kautschuk kann vorzugsweise ausgesucht sein aus der Gruppe bestehend aus Thiokol Gummi oder Kautschuk, EVA (Ethylen Vinylacetat Copolymer Gummi), FPVC (Flexibles Polyvinylchlorid Gummi), FZ Gummi (Fluoriniertes Polyphosphazen Gummi), GPO (Propylenoxide Gummi), HNBR (Hydriertes Nitrilbutadien Gummi), HSN (Hochgesättigtes Nitril Gummi), ACM (Acryl Gummi), VAMAC (Polethylen Co acryl-Acrylsäure Gummi), PNR (Polynorboran Gummi), PZ (Polyphosphazen Gummi), ABR (Acrylat-butadien Gummi), ACM Gummi (Copolymer des Ethyls oder anderer Acrylate mit einem kleinen Anteil an einem vulkanisierenden Monomer, AECO Gummi (Terpolymer des Allylglycidylethers, Ethylenoxids und Epichlorhydrin), AEM Gummi (Copolymer des Ethyls oder anderer Acrylate und Ethylene), AFMU Gummi (Terpolymer des Tetrafluorethylens, Trifluoronitromsomethane und Nitrosoperfluorobutyric), ANM Gummi (Copolymer des Ethyls oder anderer Acrylate und Acrylonitril), AU (Polyester Urethan Gummi), BIIR (Brom-Isobuten-Isopren Gummi (brom-butyl Gummi), BR (Butadien Gummi), CFM (Polychlorotrifluorethylen Gummi), CIIR (Chlor-Isobuten- Isopren Gummi (chloro Gummi), CM (Chlorinated Polyethylene Gummi), CO (Epichlorhydrin Gummi), CR (Chloropren Gummi), CSM (Chlorsulphoniertes Polyethylen Gummi), ECO (Ethylenoxid und Epichlorhydrin Copolymer Gummi), EAM (Ethylen- Vinylacetat Copolymer Gummi), EPDM (Terpolymer des Ethylens, Propylens und eines Dienes mit einer verbleibenden Menge des ungesättigten Diens in der Seitenkette des Gummis), EPM Ethylen-Propylen Copolymer Gummi), EU (Polyether Urethan Gummi), FFKM (Perfluor Gummi des Polymethylen- Typs mit sämtlichen Substituenten der Polymerkette entweder Fluor, Perfluoralkyl oder Perfluoroalkoxy-Gruppen), FKM (Fluor- Gummi des Polymethylen- Typs mit Substituenten Fluor und Perfluoralkoxy-Gruppen an der Hauptkette), FVMQ (Silicon Gummi mit Fluor, Vinyl und Methyl Substituenten an der Polymerkette), GPO (Polypropylenoxid Gummi), IIR (Isobuten- Isopren Gummi (Butyl Gummi)), IM (Polyisobuten Gummi), IR (Isopren Gummi (synthetisch)), MQ (Silikon Gummi mit nur Methylsubstituenten an der Polymerkette), NBR (Nitril-Butadien Gummi (Nitril Gummi)), NIR (Nitril-Isopren Gummi), PBR (Pyridin-Butadien Gummi), PMQ (Silicon Gummi mit nur Methyl- und Phenyl-Gruppen an der Polymerkette), PSBR (Pyridin- Styren-Butadien Gummi), PVMQ (Silikon Gummi mit Methyl-, Phenyl- und Vinylsubstituenten an der Polymerkette), Q (Gummi mit Silikon in der Polymerkette), SBR (Styren-Butadien Gummi), T (Gummi mit Schwefel in der Polymerkette (ohne CR-basierende Copolymere)), VMQ (Silikon Gummi mit Methyl- und Vinyl-Substituenten in der Polymerkette), XNBR (Carboxyl-Nitril Butadien Gummi (Carboxynitril Gummi)), XSBR (Carboxyl-Styrene Butadien Gummi). The synthetic rubber can preferably be selected from the group consisting of thiokol rubber or rubber, EVA (ethylene vinyl acetate copolymer rubber), FPVC (flexible polyvinyl chloride rubber), FZ rubber (fluorinated polyphosphazene rubber), GPO (propylene oxide rubber), HNBR (hydrogenated nitrile butadiene) Rubber), HSN (highly saturated nitrile rubber), ACM (acrylic rubber), VAMAC (polyethylene-co-acrylic-acrylic acid rubber), PNR (polynorborane rubber), PZ (polyphosphazene rubber), ABR (acrylate-butadiene rubber), ACM rubber (copolymer of ethyl or other acrylates with a small amount of a vulcanizing monomer, AECO rubber (terpolymer of allyl glycidyl ether, ethylene oxide and epichlorohydrin), AEM rubber (copolymer of ethyl or other acrylates and ethylene), AFMU rubber (terpolymer of tetrafluoroethylene, trifluoronitro tromofluorobutomethyl) and , ANM rubber (copolymer of ethyl or other acrylates and acrylonitrile), AU (polyester urethane rubber), BIIR (bromine-isobutene-isoprene n rubber (bromobutyl rubber), BR (butadiene rubber), CFM (polychlorotrifluoroethylene rubber), CIIR (chloro-isobutene Isoprene rubber (chloro rubber), CM (chlorinated polyethylene rubber), CO (epichlorohydrin rubber), CR (chloroprene rubber), CSM (chlorosulphonated polyethylene rubber), ECO (ethylene oxide and epichlorohydrin copolymer rubber), EAM (ethylene-vinyl acetate copolymer rubber) , EPDM (terpolymer of ethylene, propylene and a diene with a remaining amount of unsaturated diene in the side chain of the rubber), EPM ethylene-propylene copolymer rubber), EU (polyether urethane rubber), FFKM (perfluoro rubber of the polymethylene type with all Polymer chain substituents (either fluorine, perfluoroalkyl or perfluoroalkoxy groups), FKM (polymethylene-type fluorine rubber with fluorine and perfluoroalkoxy group substituents on the main chain), FVMQ (silicone rubber with fluorine, vinyl and methyl substituents on the polymer chain), GPO (polypropylene oxide rubber), IIR (isobutene-isoprene rubber (butyl rubber)), IM (polyisobutene rubber), IR (isoprene rubber (synthetic)), MQ (silicone rubber with only methyl substituents) on the polymer chain), NBR (nitrile-butadiene rubber (nitrile rubber)), NIR (nitrile-isoprene rubber), PBR (pyridine-butadiene rubber), PMQ (silicone rubber with only methyl and phenyl groups on the polymer chain), PSBR (pyridine-styrene-butadiene rubber), PVMQ (silicone rubber with methyl, phenyl and vinyl substituents on the polymer chain), Q (rubber with silicone in the polymer chain), SBR (styrene-butadiene rubber), T (rubber with sulfur in the polymer chain (without CR-based copolymers)), VMQ (silicone rubber with methyl and vinyl substituents in the polymer chain), XNBR (carboxyl-nitrile butadiene rubber (carboxynitrile rubber)), XSBR (carboxyl-styrene butadiene rubber).
Bevorzugt kann der Kautschuk auch aus zwei Komponenten bestehen oder diese enthalten. Bevorzugt kann das erste Material oder das weitere Material eine Komponente aus Gruppe aufweisen bestehend aus Polyacryl Gummi (ACM), Styren-Butadien-Gummi (SBR), Polysiloxan (SI), Vinyl Methyl Silikon (VMQ), Nitril-Gummi (NR), Hydriertes Nitril Gummi, (HNBR), Carboxyliertes Nitril Gummi (XNBR), Carboxyliertes hydriertes Nitril Gummi (XHNBR), Ethylenpropylen Copolymer Gummi (EPDM), Poly chloropren Gummi (CR), Vamac, Fluoriertes Gummi (FKM), Isobutylen Gummi (IIR), Polybutadien Gummi (BR) oder ein Mischung wenigstens zweier dieser Komponenten. The rubber can preferably also consist of two components or contain these. The first material or the further material can preferably have a component from a group consisting of polyacrylic rubber (ACM), styrene-butadiene rubber (SBR), polysiloxane (SI), vinyl methyl silicone (VMQ), nitrile rubber (NR), Hydrogenated nitrile rubber, (HNBR), carboxylated nitrile rubber (XNBR), carboxylated hydrogenated nitrile rubber (XHNBR), ethylene propylene copolymer rubber (EPDM), polychloroprene rubber (CR), Vamac, fluorinated rubber (FKM), isobutylene rubber (IIR) , Polybutadiene rubber (BR) or a mixture of at least two of these components.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der synthetische Kautschuk weitere Additive enthalten ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus organischen oder anorganischen Füllstoffen, ein Weichmacher, ein Metalloxid, Antiabbaumittel (gegen Oxidation, Hydrolyse, Vergilbung, Ozonangriff usw.), Prozesshilfsmittel, Silane, ein Coagens und ein Härtungsmittel oder eine Kombination von mindestens zwei davon. Beispiele für einen anorganischen Füllstoff sind Carbon Black N330 oder Siliciumdioxid, geschnittene Glasfasern/zerkleinerte Kohlenstoffasern/zerkleinerte Naturfasern, für einen Weichmacher sind Phthalatester wie Dioctylphthalat, für ein Metalloxid ist ZnO, für ein Antiabbaumittel Irganox 1010 (Pentaerythrit Tetrakis (3- (3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxyphenyl)-propionat)), für ein Verfahrenshilfsmittel Stearinsäure, als Coagens Polybutadien, Triallylisocyanurat (TAIC) oder deren Gemische, für einen Vernetzer Di (tert-butylperoxyisopropyl)benzol wie Perkadox 14/40. In a preferred embodiment, the synthetic rubber may contain further additives selected from the group consisting of organic or inorganic fillers, a plasticizer, a metal oxide, anti-degradation agents (against oxidation, hydrolysis, yellowing, ozone attack, etc.), processing aids, silanes, a coagent and a curing agent or a combination of at least two of them. Examples of an inorganic filler are carbon black N330 or silicon dioxide, cut glass fibers / crushed carbon fibers / crushed natural fibers, phthalate esters such as dioctyl phthalate for a plasticizer, ZnO for a metal oxide, and Irganox 1010 (pentaerythritol for an anti-degradation agent) Tetrakis (3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate)), for a processing aid stearic acid, as coagent polybutadiene, triallyl isocyanurate (TAIC) or mixtures thereof, for a crosslinking agent di (tert-butylperoxyisopropyl ) benzene like Perkadox 14/40.
Nach Vulkanisation oder Härtung des Kautschuks kann dieser als Gummi bezeichnet werden. In der Literatur und in der Bezeichnung von Rohstoffen wird der Begriff Kautschuk und Gummi allerdings häufig synonym verwendet. Wesentlich ist, dass die erfindungsgemäßen Rohstoffe im unvernetzten, unvulkanisierten, ungehärteten Zustand mittels eines additiven Fertigungsprozesses in die gewünschte Form gebracht und erst in einem anschließenden Prozessschritt, üblicherweise durch Temperaturlagerung, ausgehärtet, vernetzt, vulkanisiert werden. After vulcanization or hardening of the rubber, it can be referred to as rubber. In the literature and in the designation of raw materials, the term rubber and rubber is often used synonymously. It is essential that the raw materials according to the invention in the uncrosslinked, uncured, uncured state are brought into the desired shape by means of an additive manufacturing process and are only cured, crosslinked, vulcanized in a subsequent process step, usually by temperature storage.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Erzeugnisses können die Fasern ausgesucht sein aus der Gruppe bestehend aus Glas-, Carbon-, Basalt-, Polyester-, Polyethylen-, Polyurethan, Polyamid-, Polyaramid-, Metall-, Cellulose-Fasern oder Mischungen daraus. In einer besonderen Ausführungsform können das Polymer und die Faser der gleichen polymeren Materialklasse angehören, wobei die Verarbeitung der Faser im additiven Fertigungsprozess allerdings immer unterhalb der Schmelztemperatur Tm der Faser erfolgt. Diese Fasern sind in der Lage eine ausreichende mechanische Festigkeit der Erzeugnisse bereitzustellen und liefern zudem die gewünschte mechanische Anisotropie des Erzeugnisses. Erfindungsgemäß geeignete organische Fasern sind Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Rayon sowie Plexiglas-Fasern. Erfindungsgemäß geeignete Naturfasern sind Flachs-Fasern, Hanf-Fasern, Holzfasern, Baumwollfasern, Cellulosefasern sowie Sisalfasern. In einer besonderen Ausführungsform der Anmeldung sind die Fasern transparent gegenüber sichtbarem Licht. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn im Rahmen des erfindungsgemäßen Bauteils die Bauteilbelastung, Bauteilintegrität und Bauteileigenschaften mittels Lichtinterferenzmessung vor und/oder während des Einsatzes des Bauteils entlang der Faser gemessen werden soll. In a preferred embodiment of the product, the fibers can be selected from the group consisting of glass, carbon, basalt, polyester, polyethylene, polyurethane, polyamide, polyaramid, metal, cellulose fibers or mixtures thereof. In a special embodiment, the polymer and the fiber belong to the same polymeric material class, the processing of the fiber in the additive manufacturing process, however, always taking place below the melting temperature Tm of the fiber. These fibers are able to provide sufficient mechanical strength of the products and also provide the desired mechanical anisotropy of the product. Organic fibers suitable according to the invention are aramid fibers, carbon fibers, polyester fibers, nylon fibers, rayon and plexiglass fibers. Natural fibers suitable according to the invention are flax fibers, hemp fibers, wood fibers, cotton fibers, cellulose fibers and sisal fibers. In a special embodiment of the application, the fibers are transparent to visible light. This is particularly advantageous if, in the context of the component according to the invention, the component load, component integrity and component properties are to be measured along the fiber by means of light interference measurement before and / or during use of the component.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine Faser ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Kohlenstofffasern und deren Mischungen eingesetzt werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als faserförmige Füllstoffe Glasfasern und/ oder Kohlenstofffasern, insbesondere Glasfasern eingesetzt. According to a preferred embodiment of the invention, a fiber selected from the group consisting of glass fibers, aramid fibers, basalt fibers, carbon fibers and mixtures thereof can be used. According to a particularly preferred embodiment of the invention, glass fibers and / or carbon fibers, in particular glass fibers, are used as the fibrous fillers.
Weiterhin bevorzugt kann die Faser aus der Gruppe Glas-, Polyester-, Polyurethan-, Polyamid- Fasern sowie deren Mischungen ausgesucht sein. The fiber can furthermore preferably be selected from the group consisting of glass, polyester, polyurethane, polyamide fibers and mixtures thereof.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform können erfindungsgemäße Fasern verschiedener Materialklassen nebeneinander eingesetzt werden. In einer weiteren besonderen Ausführungsform können erfindungsgemäße Fasern einer Länge > 3cm und nichterfindungsgemäße Fasern einer Länge < 3cm nebeneinander eingesetzt werden. In a further particular embodiment, fibers of different material classes according to the invention can be used side by side. In a further particular embodiment, fibers according to the invention of a length> 3 cm and fibers according to the invention of a length of <3 cm can be used side by side.
Erfindungsgemäß können Fasern aller Materialklassen und Längen nebeneinander eingesetzt werden, solange mindestens die Summe erfindungsgemäßer Fasern mit einer Faserlänge > 3cm einen Gewichtsanteil von 1,5% überschreitet und der erfindungsgemäße Gegenstand die beanspruchten anisotropen Eigenschaften bezüglich des Moduls aufweist. According to the invention, fibers of all material classes and lengths can be used side by side as long as at least the sum of fibers according to the invention with a fiber length> 3 cm exceeds a weight fraction of 1.5% and the object according to the invention has the claimed anisotropic properties with respect to the module.
Weiterhin für das Erzeugnis bevorzugt kann der Unterschied im Brechungsindex ARI der Fasern und des Polymers kleiner oder gleich 0,1 betragen und das Polymer ein transparentes Polymer mit einer Lichttransmission gemessen in einem UV- VIS Spektrometer an einer Probe mit einer Dicke von 1 mm im Wellenlängenbereich von 400-800 nm von >50% sein. Die erfindungsgemäßen Erzeugnisse können sich vorteilhafterweise auch dadurch auszeichnen, dass diese im Wesentlichen transparent sind. Dies kann in den Fällen vorteilhaft sein, in denen„unsichtbare“ Erzeugnisse, wie beispielsweise Zahnschienen, gewünscht sind. Durch den Match zwischen Fasermaterial und Polymer sind die erhältlichen Erzeugnisse hochtransparent und in der Anwendung nicht zu sehen. Also preferred for the product, the difference in the refractive index ARI of the fibers and the polymer can be less than or equal to 0.1 and the polymer can be a transparent polymer with light transmission measured in a UV-VIS spectrometer on a sample with a thickness of 1 mm in the wavelength range from 400-800 nm of> 50%. The products according to the invention can advantageously also be distinguished in that they are essentially transparent. This can be advantageous in cases where "invisible" products, such as dental splints, are desired. Due to the match between fiber material and polymer, the available products are highly transparent and cannot be seen in their application.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt das Verhältnis zwischen der Länge der Erzeugnisachse mit der größten Ausdehnung und dem Durchschnitt der Faserlänge in einem Bereich von > 0,5: bis < 10: 1. Vorzugsweise beträgt dieses Verhältnis > 0,9: 1 bis < 10: 1 und mehr bevorzugt > 1 : 1 bis < 10: 1. Je länger die Fasern relativ zum Erzeugnis sind, desto höher ist der Zugmodul in Faserrichtung zu erwarten. Faserlängen größer als das Erzeugnis selbst können beim Ablegen von Endlosfasern aus einem FDM (FFF) -Druckkopf erreicht werden, beispielsweise bei der additiven Fertigung von O-Ringen oder Zahnriemen. According to a further embodiment, the ratio between the length of the product axis with the greatest extension and the average of the fiber length is in a range from> 0.5: to <10: 1. This ratio is preferably> 0.9: 1 to <10: 1 and more preferably> 1: 1 to <10: 1. The longer the fibers are relative to the product, the higher the tensile modulus in the fiber direction is to be expected. Fiber lengths larger than the product itself can be achieved by depositing continuous fibers from an FDM (FFF) print head, for example in the additive manufacturing of O-rings or toothed belts.
Das erfindungsgemäße Erzeugnis kann hergestellt werden, indem in einem FFF-Verfahren bei einer Temperatur von > 60°C zeitgleich, nacheinander oder abwechselnd ein thermoplastisches Polymer und eine oder mehrere Fasern mit einer Länge von größer oder gleich 3 cm zu einem Erzeugnis abgelegt werden. Dieses Verfahren hat sich zum Aufbau 3D-gedruckter Erzeugnisse mit stark anisotropen mechanischen Eigenschaften bewährt. Das Verfahren muss dabei nicht zum Aufbau des gesamten faserverstärkten Erzeugnisses verwendet werden. Es ist ausreichend, dass nur ein Teil des Erzeugnisses über oben angegebenes Verfahren erhalten wird. Letzteres kann beispielsweise durch Veränderung eines existierenden Bauteils durch Ablage einer faserverstärkten Schicht auf dieses Bauteil während und nach einem additiven Fertigungsverfahren geschehen. Das FFF ist dabei ein Schmelzschichtungsverfahren. Der Begriff „Schmelzschichtungsverfahren“ 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. The product according to the invention can be produced by simultaneously, successively or alternately depositing a thermoplastic polymer and one or more fibers with a length of greater than or equal to 3 cm in one product in an FFF process at a temperature of> 60 ° C. This process has proven itself for the construction of 3D printed products with strong anisotropic mechanical properties. The method does not have to be used to build up the entire fiber-reinforced product. It is sufficient that only a part of the product is obtained via the above-mentioned procedure. The latter can be done, for example, by changing an existing component by depositing a fiber-reinforced layer on this component during and after an additive manufacturing process. The FFF is a melt stratification process. The term “melt layering process” denotes a manufacturing process from the field of additive manufacturing, with which a workpiece is built up layer by layer, for example from a meltable plastic. The plastic can be used with or without other additives such as fibers. Machines for the FFF are part of the Machine class of 3D printers. This process is based on the liquefaction of a wire-shaped plastic or wax material by heating. When it cools down, the material solidifies. The material is applied by extrusion with a heating nozzle that can be moved freely in relation to a production level. Either the production level can be fixed and the nozzle can be moved freely or a nozzle can be fixed and a substrate table (with a production level) can be moved or both elements, nozzle and production level, can be moved. The speed at which the substrate and nozzle can be moved relative to one another is preferably in a range from 1 to 200 mm / s. Depending on the application, the layer thickness is in a range of 0.025 and 1.25 mm, the exit diameter of the material jet (nozzle outlet diameter) from the nozzle is typically at least 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 und/oder den Bauraum 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. In layer-by-layer model making, the individual layers combine to form a complex part. The structure of a body is usually carried out by repeating, one line at a time, one working level (forming a layer) and then shifting the working level "stacking" upwards (forming at least one further layer on the first layer), so that a shape is created layer by layer. The outlet temperature of the substance mixtures from the nozzle can be, for example, 80 ° C to 420 ° C. It is also possible to heat the substrate table and / or the installation space, for example to 20 ° C. to 250 ° C. This can prevent the applied layer from cooling too quickly, so that a further layer applied thereon sufficiently connects to the first layer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Erzeugnis eine Dichtung, eine Membran, ein Antriebsriemen, ein Druckschlauch, eine orthopädische Prothese, ein orthopädisches Hilfsmittel oder eine Zahnkorrekturschiene. According to a further embodiment, the product is a seal, a membrane, a drive belt, a pressure hose, an orthopedic prosthesis, an orthopedic aid or a tooth correction splint.
Die erfindungsgemäßen Erzeugnisse eignen sich besonders vorteilhaft für Anwendungen mit asymmetrischen Belastungsszenarien, wo die Produkte entweder gute zähelastische Eigenschaften oder über viele Zyklen eine reversible dynamische Verformbarkeit in mindestens einer Raumrichtung aufweisen müssen, bei gleichzeitiger hoher Dimensionskonstanz in mindestens einer dazu bevorzugt orthogonalen Raumrichtung. Bevorzugte Anwendungen sind zum Beispiel Dichtungen, die unter Kompression dichten aber eine hohe Verformungsfestigkeit senkrecht zur Kompressionskraft aufweisen sollen (zur Verhinderung einer Spaltextrusion der Dichtung bei Abdichtungen im Hochdruckbereich), gleichzeitig jedoch eine hohe Montageflexibilität aufweisen müssen. Typische Beispiele dafür sind Dichtungsringe (O-Ringe, Nut-Ringe, Flanschdichtungen, Gaskests und andere Produkte mit dichtenden Funktionen). Weitere bevorzugte Anwendungen sind Antriebsriemen jeden Formats, die senkrecht zur Faserrichtung eine hohe dynamische Flexibilität aufweisen müssen allerdings in Faserrichtung möglichst längenstabil sein sollen. Typische Beispiele sind beispielsweise Antriebsriemen, Zahnriemen, Keilriemen, Antriebsriemen, Kantriemen, Flachriemen, Automatikkupplungsriemen, Transportbänder, wie sie im Transport und Kraftübertragungsanwendungen häufig Anwendung finden. The products according to the invention are particularly advantageous for applications with asymmetrical loading scenarios, where the products must either have good tough-elastic properties or must have a reversible dynamic deformability in at least one spatial direction over many cycles, while at the same time maintaining high dimensional stability in at least one orthogonal spatial direction. Preferred applications are, for example, seals that seal under compression but should have a high resistance to deformation perpendicular to the compression force (to prevent the seal from extruding in the case of seals in the high-pressure range), but at the same time must have a high degree of installation flexibility. Typical examples of this are sealing rings (O-rings, groove rings, flange seals, gas tests and other products with sealing functions). Other preferred applications are drive belts of any format, which have a high dynamic flexibility perpendicular to the fiber direction, but should be as stable in length as possible in the fiber direction. Typical examples are, for example, drive belts, toothed belts, V-belts, drive belts, square belts, flat belts, automatic clutch belts, conveyor belts, as are often used in transportation and power transmission applications.
Weitere bevorzugte Anwendungen sind Zahnkorrekturschienen, die senkrecht zur Faserrichtung eine hohe Flexibilität und Zähigkeit aufweisen müssen um sicher angewendet und entnommen werden zu können allerdings in Faserrichtung, bzw. Zahnkorrekturrichtung möglichst dimensionsstabil sein sollen. Other preferred applications are tooth correction rails, which must have a high degree of flexibility and toughness perpendicular to the fiber direction in order to be able to be used and removed safely, but should be as dimensionally stable as possible in the fiber direction or tooth correction direction.
Weitere bevorzugte Anwendungen sind orthopädische Stützelemente, die senkrecht zur Faserrichtung eine hohe Flexibilität aufweisen müssen allerdings in Faserrichtung möglichst längenstabil sein sollen: typische Beispiele sind Korsetts, Stützbandagen, Prothesen oder Schuhsohlen. Other preferred applications are orthopedic support elements, which have a high flexibility perpendicular to the fiber direction, but should be as stable in length as possible in the fiber direction: typical examples are corsets, support bandages, prostheses or shoe soles.
Weitere bevorzugte Anwendungen sind Druckschläuche, die senkrecht zur Faserrichtung eine hohe Flexibilität aufweisen müssen allerdings in Faserrichtung möglichst längenstabil sein sollen: typische Beispiele sind gängige Pneumatikschläuche und Luftfedern. In diesem und in anderen Fällen mit einer Belastungsrichtung senkrecht zur Hauptausdehnungsachse oder Symmetrieachse des Bauteils ist es häufig vorteilhaft, wenn sich Faserlagen überkreuzen, bevorzugt in einem Winkel von 25° bis 65°, wobei eine bevorzugte Verstärkung radial zur Symmetrieachse erhalten wird. Diese Ausgestaltung kann die Beweglichkeit und Elastizität in der Symmetrieachse weitgehend erhalten. Other preferred applications are pressure hoses, which have a high flexibility perpendicular to the fiber direction, but should be as stable in length as possible in the fiber direction: typical examples are common pneumatic hoses and air springs. In this and in other cases with a loading direction perpendicular to the main axis of expansion or axis of symmetry of the component, it is often advantageous if fiber layers cross, preferably at an angle of 25 ° to 65 °, a preferred reinforcement being obtained radially to the axis of symmetry. This configuration can largely maintain the mobility and elasticity in the axis of symmetry.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung einzuschränken. Es zeigen die: Further advantages and advantageous configurations of the objects according to the invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings are only descriptive and are not intended to limit the invention. They show:
Fig. 1 ein mögliches Erzeugnis im Sinne der Erfindung. Dargestellt ist eine erfindungsgemäß über 3D-Druck hergestellte Luftfeder in der Aufsicht; Fig. 1 shows a possible product in the sense of the invention. An air spring produced according to the invention via 3D printing is shown in the top view;
Fig. 2 ein mögliches Erzeugnis im Sinne der Erfindung. Dargestellt ist eine erfindungsgemäß über 3D-Druck hergestellte Luftfeder in einer Schnittdarstellung; Fig. 2 shows a possible product in the sense of the invention. An air spring produced according to the invention via 3D printing is shown in a sectional view;
Fig. 3 ein mögliches Erzeugnis im Sinne der Erfindung. Dargestellt ist ein erfindungsgemäß über 3D-Druck hergestelltes Dichtungselement mit eingebetteter Endlosfaser; Fig. 4 ein mögliches Erzeugnis im Sinne der Erfindung. Dargestellt ist eine erfindungsgemäß über 3D-Druck hergestellte orthopädische Zahnschiene mit sichtbarer Faserverstärkung; Fig. 3 shows a possible product in the sense of the invention. Shown is a sealing element according to the invention produced by 3D printing with an embedded continuous fiber; Fig. 4 shows a possible product in the sense of the invention. An orthopedic dental splint with visible fiber reinforcement manufactured according to the invention via 3D printing is shown;
Fig. 5 ein mögliches Erzeugnis im Sinne der Erfindung. Dargestellt ist eine erfindungsgemäß über 3D-Druck hergestellte transparente orthopädische Zahnschiene mit optisch adaptierter Faserverstärkung ; Fig. 5 shows a possible product in the sense of the invention. A transparent orthopedic dental splint with optically adapted fiber reinforcement manufactured according to the invention via 3D printing is shown;
Fig. 6 ein mögliches Erzeugnis im Sinne der Erfindung. Dargestellt ist der Schnitt durch einen erfindungsgemäß 3D-gedruckten Zahnriemen mit integrierter Faserverstärkung; Fig. 6 shows a possible product in the sense of the invention. The section through an inventive 3D-printed toothed belt with integrated fiber reinforcement is shown;
Fig. 7 eine mögliche Konfiguration zur erfindungsgemäßen Ablage einer Faser im erfindungs gemäßen Verfahren. Fig. 7 shows a possible configuration for storing a fiber according to the invention in the method according to the Invention.
Die Figur 1 und 2 zeigen erfindungsgemäß 3D-gedruckte Fuftfedern (1), wobei insbesondere die Membran (3) der Fuftfedern (1) über 3D-Druck hergestellt ist und in einem Elastomer, beispielsweise ein thermoplastisches Elastomer, eingebettete Fasern aufweist. Die Fuftfeder ist eine Kombination aus nicht über 3D-Druck hergestellten Teilen (2) und der 3d-gedruckten Membran (3). Diese Fasern können in der Membran (3) entweder in einer Richtung oder kreuzweise in Form eines Gewebes oder Geleges eingebaut sein. Die Fasern verlaufen also innerhalb der Membran und würden in der Schnittzeichnung an der Schnittkante„herausschauen“. Die Feder (1) kann von innen aufgeblasen werden und richtet sich dadurch auf, wobei sie das Volumen verändert ohne die umhüllende Fläche (Membran) signifikant zu verändern. Die Membran (1) wird also nicht oder nur unwesentlich gedehnt. Die hohe mechanische Festigkeit und die hohe Elastizität ergeben sich dabei aufgrund der anisotropen mechanischen Eigenschaften des Materials mit den eingebetteten Fasern. Im Umfang der Membran (3) ergibt sich also eine hohe mechanische Festigkeit (daraus resultiert eine hohe Druckbeständigkeit), wobei zu den nicht erfindungsgemäßen Materialien (2) hin, eher die elastischen Eigenschaften überwiegen. Optional kann die Feder auch insgesamt mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt werden. Die Membran (3) der Fuftfeder (1) kann beispielsweise aus einer Kombination eines thermoplastischen Elastomers mit eingebetteten Polyamidfasern aufgebaut sein. Es ist aber auch möglich für diesen Aufbau Polychloroprenkautschuk und Polyamidfasern oder thermoplastische Polyurethane und Polyaramidfaser zu verwenden. 1 and 2 show 3D-printed fuft springs (1) according to the invention, the membrane (3) of the fuft springs (1) in particular being produced by 3D printing and having fibers embedded in an elastomer, for example a thermoplastic elastomer. The Fuftfeder is a combination of non-3D printed parts (2) and the 3D printed membrane (3). These fibers can be installed in the membrane (3) either in one direction or crosswise in the form of a fabric or scrim. The fibers run inside the membrane and would “look out” at the cut edge in the sectional drawing. The spring (1) can be inflated from the inside and thereby straighten up, changing the volume without significantly changing the enveloping surface (membrane). The membrane (1) is therefore not stretched or is only stretched to an insignificant extent. The high mechanical strength and the high elasticity result from the anisotropic mechanical properties of the material with the embedded fibers. In the scope of the membrane (3) there is therefore a high mechanical strength (this results in a high pressure resistance), the elastic properties predominating towards the materials (2) not according to the invention. Optionally, the spring can also be manufactured using a 3D printing process. The membrane (3) of the air spring (1) can be constructed, for example, from a combination of a thermoplastic elastomer with embedded polyamide fibers. However, it is also possible to use polychloroprene rubber and polyamide fibers or thermoplastic polyurethanes and polyaramid fibers for this construction.
Die Figur 3 zeigt ein 3D-gedrucktes Dichtungselement (4) mit nicht faserverstärkten Bereichen (6) und einer darin eingebetteten Endlosfaser (5). Die Endlosfaser (5) ist vollständig in das Dichtungselement, welches beispielsweise aus einem Elastomer besteht, eingebettet. Aufgrund der Fasereinbettung (5) ergeben sich in der Fastrichtung der späteren Anwendung hohe mechanische Festigkeiten unter nur geringer Ausdehnung des Dichtelements. In einer dazu senkrechten Richtung ist das Dichtelement aber deutlich elastisch, sodass hier eine gute Einbettung an die zu dichtenden Flächen gegeben ist. Dies kann die Haltbarkeit des Dichtelements erhöhen und ermöglicht das sichere Betreiben unter„ungünstigeren“ Umgebungsbedingungen. Das Dichtungselement kann beispielsweise aus 3D-gedruckten thermoplastischen Polyurethanen mit eingebetteten Polyaramidfasern bestehen oder diese enthalten. FIG. 3 shows a 3D-printed sealing element (4) with non-fiber-reinforced areas (6) and an endless fiber (5) embedded therein. The continuous fiber (5) is completely embedded in the sealing element, which consists for example of an elastomer. Due to the fiber embedding (5) there are high mechanical strengths in the almost direction of later use with only a small expansion of the sealing element. In a direction perpendicular to this, however, the sealing element is clearly elastic, so that it is well embedded in those to be sealed Is given. This can increase the durability of the sealing element and enables safe operation under "less favorable" environmental conditions. The sealing element can, for example, consist of or contain 3D-printed thermoplastic polyurethanes with embedded polyaramid fibers.
Die Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäß 3D-gedruckte orthopädische Zahnschiene (7) mit in einem Elastomer eingebetteten Fasermaterial (8). Die Fasern (8) sind in Lastrichtung der Anwendung eingebettet und ermöglichen so einen reproduzierbaren und hohen Druck auf die Zähne zur Korrektur der Zahnstellungen. Senkrecht zu der Faser-/Belastungsrichtung ist die Zahnschiene (7) bedingt durch den erfindungsgemäßen Aufbau äußerst elastisch, sodass ein einfaches Einsetzen der Zahnschiene (7) gewährleistet ist. Dies kann den Komfort für den Anwender erhöhen. Die Zahnschiene kann beispielsweise aus TPU mit eingebetteten Glasfasern oder aber aus thermoplastischen Silikon mit darin eingebetteten Glasfasern aufgebaut sein. FIG. 4 shows an orthopedic dental splint (7) 3D-printed according to the invention with fiber material (8) embedded in an elastomer. The fibers (8) are embedded in the load direction of the application and thus enable a reproducible and high pressure on the teeth to correct the tooth positions. Perpendicular to the fiber / load direction, the toothed splint (7) is extremely elastic due to the construction according to the invention, so that a simple insertion of the toothed splint (7) is ensured. This can increase the comfort for the user. The toothed splint can be constructed, for example, from TPU with embedded glass fibers or from thermoplastic silicone with glass fibers embedded therein.
Die Figur 5 zeigt ebenfalls eine erfindungsgemäß 3D-gedruckte orthopädische Zahnschiene (10) aus einem Elastomer mit eingebetteten Fasermaterial (11), wobei sich basierend auf den optischen Eigenschaften des Fasermaterials und den optischen Eigenschaften des Polymers sich ein optischer Match ergeben kann, welcher das Fasermaterial nicht sichtbar in das polymere Material einbettet. Die Zahnschiene kann einfach aufgrund der elastischen Eigenschaften des Materials auf dem Gebiss (9) positioniert werden. Diese Ausgestaltung kann dazu beitragen, dass die Zahnschiene weniger sichtbar ist und häufiger durch den Nutzer getragen wird. FIG. 5 also shows an orthopedic dental splint (10), which is 3D-printed according to the invention, made of an elastomer with embedded fiber material (11), which can result in an optical match based on the optical properties of the fiber material and the optical properties of the polymer, which matches the fiber material not visible embedded in the polymer material. The tooth splint can be easily positioned on the bit (9) due to the elastic properties of the material. This configuration can contribute to the tooth splint being less visible and being worn more frequently by the user.
Die Figur 6 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäß 3D-gedruckten Zahnriemen (12) aus einem Elastomer. Senkrecht zur Symmetrieachse des Zahnriemens (12), d.h. senkrecht zum Normalen vektor der Kontaktfläche, sind innerhalb des Zahnriemens Fasern (13) eingebettet, welche die mechanische Belastbarkeit des Zahnriemens deutlich erhöhen. Senkrecht zur Symmetrieachse der Fasern (13), also zu den Außenseiten des Zahnriemens (12) hin, weist der Zahnriemen (12) deutlich elastische Eigenschaften auf, welches die Langlebigkeit des Materials erhöhen kann. Mögliche Materialkombinationen für diese Anwendung wären beispielsweise TPU mit eingebetteten Carbonfasern oder aber hydrierter Nitrilkautschuk/Carbonfasern. FIG. 6 shows a schematic section through a toothed belt (12) made of an elastomer and 3D-printed according to the invention. Perpendicular to the axis of symmetry of the toothed belt (12), i.e. perpendicular to the normal vector of the contact surface, fibers (13) are embedded within the toothed belt, which significantly increase the mechanical strength of the toothed belt. Perpendicular to the axis of symmetry of the fibers (13), that is to say to the outside of the toothed belt (12), the toothed belt (12) has clearly elastic properties which can increase the longevity of the material. Possible material combinations for this application would be, for example, TPU with embedded carbon fibers or hydrogenated nitrile rubber / carbon fibers.
Die Figur 7 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es ist dargestellt, dass aus einem Reservoir (15), zwischen zwei Lagen aufgeschmolzenes Elastomer (17, 19), ein Fasermaterial (18) abgelegt wird. In diesem Schema ist dargestellt, dass das aufgeschmolzene Elastomer (17, 19) aus zwei unterschiedlichen Vorlagen (14, 16) stammt. Es ist aber auch möglich, dass nur eine Düse das Elastomer (17, 19) ablegt und die Einbettung des Fasermaterials (18) über ein wiederholtes Aufträgen aus nur einer der Düsen (14, 16) erfolgt. FIG. 7 schematically shows a possible structure for carrying out the method according to the invention. It is shown that a fiber material (18) is deposited from a reservoir (15), between two layers of melted elastomer (17, 19). This diagram shows that the melted elastomer (17, 19) comes from two different templates (14, 16). However, it is also possible for only one nozzle to deposit the elastomer (17, 19) and for the fiber material (18) to be embedded by repeated application from only one of the nozzles (14, 16).

Claims

Patentansprüche Claims
1. Faserverstärktes, 3D gedrucktes elastisches Erzeugnis (1, 3, 4, 7, 10, 12), dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis einen Gewichtsanteil von > 50% eines Polymers mit einem mittleren Molekulargewicht (Mn) von > 5.000 g/mol, gemessen mittels GPC, und einen Gewichtsanteil von > 0,5 % und < 20% einer oder mehrerer Fasern (5, 8) mit einem Aspektverhältnis von > 100 und einer Länge von > 3 cm und < 1000 cm aufweist, wobei das Erzeugnis zumindest anteilig mittels eines FFF-(„Fused Filament Fabrication“) Verfahrens hergestellt ist, wobei das Erzeugnis im Bereich der Faserverstärkung und in Richtung der1. Fiber-reinforced, 3D printed elastic product (1, 3, 4, 7, 10, 12), characterized in that the product has a weight fraction of> 50% of a polymer with an average molecular weight (M n ) of> 5,000 g / mol , measured by GPC, and a weight fraction of> 0.5% and <20% of one or more fibers (5, 8) with an aspect ratio of> 100 and a length of> 3 cm and <1000 cm, the product at least is produced proportionally by means of an FFF ("Fused Filament Fabrication") process, the product being in the area of fiber reinforcement and in the direction of
Fasersymmetrieachse einen Zugmodul nach DIN EN ISO 527-1 gemessen von > 1,5 GPa aufweist, wobei das Erzeugnis im Bereich der Faserverstärkung und senkrecht zur Fasersymmetrieachse einen Zugmodul nach DIN EN ISO 527-1 gemessen von < 1,2 GPa aufweist und wobei das Erzeugnis im Bereich der Faserverstärkung und senkrecht zur Fasersymmetrieachse eine Streckgrenze von > 5% gemessen nach DIN EN ISO 527-1 aufweist. Fiber symmetry axis has a tensile modulus measured according to DIN EN ISO 527-1 of> 1.5 GPa, whereby the product has a tensile modulus measured according to DIN EN ISO 527-1 of <1.2 GPa perpendicular to the fiber symmetry axis, and the Product in the area of fiber reinforcement and perpendicular to the fiber symmetry axis has a yield strength of> 5% measured according to DIN EN ISO 527-1.
2. Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei das Erzeugnis an wenigstens einem räumlichen Abschnitt rotationsymmetrisch ist und die Symmetrieachse der Fasern (5, 8) senkrecht zur Symmetrieachse des Erzeugnisses ausgerichtet sind. 2. Product according to claim 1, wherein the product is rotationally symmetrical on at least one spatial section and the axis of symmetry of the fibers (5, 8) are aligned perpendicular to the axis of symmetry of the product.
3. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erzeugnis ein3. Product according to one of the preceding claims, wherein the product
Aspektverhältnis von > 1 aufweist und die Symmetrieachse der Fasern (5, 8) im Wesentlichen in einer Ebene mit der Erzeugnisachse mit der größten Ausdehnung liegt. Has aspect ratio of> 1 and the axis of symmetry of the fibers (5, 8) lies essentially in one plane with the product axis with the greatest extent.
4. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erzeugnis im Bereich der Faserverstärkung einen Verlustfaktor tan d von < 0,07, gemessen mittels mechanisch dynamischer Analyse (DMA) in Zugbeanspruchung, und eine Streckgrenze in Richtung der4. Product according to one of the preceding claims, wherein the product in the area of fiber reinforcement a loss factor tan d of <0.07, measured by means of mechanical dynamic analysis (DMA) in tensile stress, and a yield strength in the direction of
Fasersymmetrieachse von < 7% gemessen nach DIN EN ISO 527-1 aufweist. Has an axis of symmetry of <7% measured according to DIN EN ISO 527-1.
5. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymer ein thermoplastisches Elastomer ist. 5. Product according to one of the preceding claims, wherein the polymer is a thermoplastic elastomer.
6. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymer ein Polyurethan oder ein Kautschuk ist. 6. Product according to one of the preceding claims, wherein the polymer is a polyurethane or is a rubber.
7. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern (5, 8) ausgesucht sind aus der Gruppe bestehend aus Glas-, Carbon-, Basalt-, Polyester-, Polyethylen-, Polyurethan, Polyamid-, Polyaramid-, Metall-, Cellulose-Fasern oder Mischungen daraus. 8. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Unterschied im7. Product according to one of the preceding claims, wherein the fibers (5, 8) are selected from the group consisting of glass, carbon, basalt, polyester, polyethylene, polyurethane, polyamide, polyaramide, metal, Cellulose fibers or mixtures thereof. 8. Product according to one of the preceding claims, wherein the difference in
Brechungsindex ARI der Fasern (5, Refractive index ARI of the fibers (5,
8) und des Polymers kleiner oder gleich 0,1 beträgt und das Polymer ein transparentes Polymer mit einer Fichttransmission gemessen in einem UV- VIS Spektrometer an einer Probe mit einer Dicke von 1 mm im Wellenlängenbereich von 400- 800 nm von >50% ist. 8) and the polymer is less than or equal to 0.1 and the polymer is a transparent polymer with a light transmission measured in a UV-VIS spectrometer on a sample with a thickness of 1 mm in the wavelength range of 400-800 nm of> 50%.
9. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis zwischen der9. Product according to one of the preceding claims, wherein the ratio between the
Fänge der Erzeugnisachse mit der größten Ausdehnung und dem Durchschnitt der Faserlänge > 0,5: 1 bis < 10: 1 beträgt. Catches of the product axis with the greatest extension and the average fiber length is> 0.5: 1 to <10: 1.
10. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erzeugnis eine Dichtung, eine Membran, ein Antriebsriemen, ein Druckschlauch, eine orthopädische Prothese, ein orthopädisches Hilfsmittel oder eine Zahnkorrekturschiene ist. 10. Product according to one of the preceding claims, wherein the product is a seal, a membrane, a drive belt, a pressure hose, an orthopedic prosthesis, an orthopedic aid or a tooth correction splint.
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