Selective Superparamagnetic Sintering und eine dafür geeignete Tinte
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung magnetischer Tinten in Powder Bed Fusion-Verfahren sowie Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten.
Generative Fertigungsverfahren, häufig auch als Additive Manufacturing oder Rapid Prototyping bezeichnet, werden eingesetzt, um dreidimensionale Objekte schnell und kostengünstig fertigen zu können. Diese Fertigung erfolgt direkt auf der Basis der rechnerinternen Datenmodelle aus formlosem (Flüssigkeiten, Pulver u. ä.) oder form-neutralem (band-, drahtförmig) Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Insbesondere Polymerpulver wie Polyamidpulver eignen sich als formloses Material.
Eines der generativen Fertigungsverfahren, die Powder Bed Fusion-Technologie umfasst unter anderem das Direkte Metall-Lasersintern (DMLS), das Elektronenstrahlschmelzen (EBM), das Selective Heat Sintering (SHS), das selektive Laserschmelzen (SLM), das selektive Lasersintern (SLS), das Selective Absorbing Sintering (SAS) und das Selective Inhibition Sintering (SIS).
Die Selektivität der Verfahren ohne Laser kann beispielsweise durch Absorber (Selective Absorbing Sintering, SAS) oder Inhibitoren (Selective Inhibition Sintering, SIS) erfolgen. Beim SAS-Ver- fahren wird die Absorption des mit dem Absorber beaufschlagten Materials erhöht; im Gegensatz dazu verzögert der Inhibitor das Aufschmelzen. Absorber und Inhibitor können in einem Verfahren gemeinsam zum Einsatz kommen. Geeignete Energiequellen in SAS-Verfahren sind solche, die nur bedingt in das Material einkoppeln. Beim SIS-Verfahren ist die Energiequelle so zu wählen, dass die Erwärmung des Materials ausreichend schnell erfolgt. Das SAS-Verfahren wird beispielsweise in US 2007/238056 beschrieben. US 2004/137228 A1 stellt das SIS-Verfahren dar.
Absorber und Inhibitoren können in einer Flüssigkeit gelöst oder dispergiert, beispielsweise mittels Inkjetverfahren in Form von Tinten, auf das Material aufgebracht werden. Als Absorber wird beispielsweise Aktivkohle eingesetzt, was jedoch hohe Energie wie beispielsweise hohe Temperaturen erfordert.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass das Pulvermaterial, aus dem das dreidimensionale Objekt aufgebaut wird, auf eine hohe Temperatur kurz vor der Schmelze gehalten werden muss. Dies führt zur Alterung des gesamten Pulvers, was wiederum verringerte Materialeigenschaften des dreidimensionalen Objekts aus recyceltem Pulver zur Folge hat. Darüber hinaus können mit den genannten Verfahren üblicherweise nur sehr geringe Schichtdicken gleichzeitig miteinander versin- tert werden.
Insofern bestand die Aufgabe darin, ein neues Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweist. Das Verfahren sollte es ermöglichen, Pulver nicht nur bei erhöhter Bauraumtemperatur, sondern auch bei Umgebungstemperatur zu dreidimensionalen Objekten verarbeiten zu können. Zudem sollte das Verfahren es ermöglichen, ein gleichzeitiges Versintern von Schichten größerer Schichtdicken zu erzielen. Darüber hinaus sollte das Verfahren Polymerpulver mit hohen Glasübergangstemperaturen über 200 °C versintern können.
Gelöst werden konnte dies durch ein Powder Bed Fusion-Verfahren, bei dem ein Pulver in einer Schichtdicke von 30 mhi bis 200 mhi (Schicht) bereitgestellt wird. Anschließend wird eine Tinte mittels Inkjet-Verfahren auf die zu sinternden Stellen des Pulvers aufgebracht, bevor weiteres Pulver aufgebracht wird. Das Aufbringen von Tinte und Pulver wird wiederholt. Dadurch erfolgt ein schichtweises Aufträgen von Pulvermaterial. Es wird ein magnetisches Feld mit einer Frequenz von 50 kHz bis 5 GHz, vorzugsweise 50 kHz bis 100 MHz, bevorzugt 500 kHz bis 10 MHz, zur selektiven Sinterung eingestellt. Das Verfahren wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 10 °C bis 40 °C, bevorzugt bei Raumtemperatur (18 °C bis 25 °C), durchgeführt. Das zuvor genannten Verfahren kann als Selective Superparamagnetic Sintering (SSS) bezeichnet werden.
Das magnetische Feld kann nach jedem Aufbringen einer Schicht aktiviert werden. Alternativ kann das magnetische Feld erst nach dem Aufbringen mehrerer Schichten aktiviert werden. Damit können mehrere Schichten gemeinsam und gleichzeitig versintert werden. Damit ist es auch möglich, zunächst die Schichten für ein gesamtes dreidimensionales Objekt bereitzustellen und im Anschluss das Sintern des gesamten Objekts vorzunehmen.
Die Tinte für die Verwendung in Powder Bed Fusion-Verfahren umfasst superparamagnetische Partikel und mindestens ein Lösemittel. Vorzugsweise sind die superparamagnetischen Partikel als Kern/Schale-Teilchen aufgebaut, wobei mindestens ein Kern mindestens einen superparamagnetischen Stoff umfasst und die mindestens eine Schale nicht-magnetisch ist.
Das magnetische Feld sorgt für eine Erwärmung der superparamagnetischen Partikel und damit des Pulvers. Verantwortlich für die Erwärmung ist die Neel-Relaxation oder eine Brown’sche Bewegung. Die Erhitzung durch induzierte Wirbelströme ist hingegen vernachlässigbar klein. Die Beaufschlagung eines Magnetfelds führt zudem nicht zu einer klassischen Absorption, da Elektronen im Festkörper nicht durch Energie wie z.B. Licht in höhere Zustände gebracht werden. Vielmehr erfolgt eine Ausrichtung im magnetischen Wechselfeld.
Die Tinte für das Inkjet-Verfahren verlangt auf Grund der üblicherweise eingesetzten Druckköpfe Partikelgrößen bis zu 10 pm, vorzugsweise bis zu 1 pm. Bevorzugt weisen die Bestandteile der Tinten - mit Ausnahme der superparamagnetischen Partikel - Größen im Bereich von 50 bis 500 nm auf.
Das Lösemittel kann wässrig oder nichtwässrig sein. Die Tinte enthält vorzugsweise 50 bis 75 Gew.-% Lösemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Tinte. Vorzugsweise ist das Lösemittel wässrig. Bevorzugte wässrige Lösemittel enthalten mindestens 20 Gew.-% Wasser, bevorzugt mindestens 50 Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht an Lösemittel. Die Tinte, insbesondere die nichtwässrige Tinte, kann auch ein Additiv zur Steuerung der Wärmeleitfähigkeit enthalten (Wärmeleitfähigkeitsadditiv). Dies kann der Fachmann ggf. einsetzen, sofern eine Anpassung der Wärmeleitfähigkeit zum Erhalt von Formkörpern besserer Güte erforderlich erscheint. Hierzu können einfache Vorversuche herangezogen werden. Ein derartiges Additiv kann zum Beispiel nicht elektrisch leitend sein. Hierzu zählt beispielsweise Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Aluminium-
trihydroxid, hexagonales Bornitrid, Aluminiumnitrid, Alumosilikat, Zinksulfid oder Mischungen davon. Geeignete elektrisch leitende Additive sind ausgewählt aus Graphit, Carbon Black, Carbon Nanotubes und Mischungen daraus.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird Wasser sowie weiterhin ein mit Wasser mischbares or- ganisches Lösemittel, vorzugsweise ein protisches organisches Lösemittel, eingesetzt. Mischbar bedeutet, dass keine Phasentrennung erfolgt. Das organische Lösemittel sollte bei 1013 hPa einen Siedepunkt von < 300 °C aufweisen. Besonders bevorzugte Lösemittel werden ausgewählt aus 2- Pyrrolidon, Ethylenglykol, Methoxyisopropanol, Polyethylenglykol und Mischungen davon.
Die Tinte enthaltend wässrige Lösemittel weist vorzugsweise einen pH-Wert von 3 bis 12, bevor- zugt von 4 bis 11 und besonders bevorzugt von 4 bis 9 auf. Die Einstellung des pH-Werts ist dem Fachmann geläufig und kann mit entsprechenden Säuren oder Basen vorgenommen werden.
Die superparamagnetischen Partikel sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der ferromagnetischen, antiferromagnetischen oderferrimagnetischen Stoffe. Bevorzugt werden sie ausgewählt aus Stoffen, die Fe, Co, Ni, Nd sowie ihren Mischungen enthalten. Dazu zählen ihre Verbindungen und ihre Legierungen. Geeignete Verbindungen oder Legierungen sind Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Cobalt, Neodym-Stickstoff, Aluminium-Nickel-Cobalt, Fe2TiSn, CoFe204, BiogsMnoosFeOs, Nio5Zno5Fe204, xNiFe204 - (1-x)BaTi03 (x = 0.2 oder 0.3)), LaosSro2Mn03, Ba and Ta co-dotierte BiFe03 Keramiken, Fe203, Fe3Ü4 und Mischungen daraus. Fe203, Fe304 Sind besonders bevorzugt. Die Kern/Schale-Teilchen umfassen mindestens einen Kern mit mindestens einem superparamagnetischen Stoff. Der Durchmesser eines Kerns weist vorzugsweise einen Durchmesser von 2 nm bis 50 pm, bevorzugt von 2 nm bis 100 nm, besonders bevorzugt von 2 nm bis 50 nm und ganz besonders bevorzugt von 2 nm bis 30 nm auf. Der Durchmesser von Fe3Ü4 ist besonders bevorzugt 2 nm bis 13 nm. Der Kerndurchmesser ist insbesondere abhängig davon, in welchen Dimensionen die superparamagnetischen Eigenschaften auftreten. Der Fachmann wählt geeignete Durchmesser in Abhängigkeit vom ausgewählten Material aus.
Der Durchmesserder Kern/Schale-Partikel beträgt vorzugsweise 3 nm bis 100 pm.
Geeignete Kern/Schale-Teilchen werden beispielsweise in WO 2012/103974 oder WO 2014/009107 beschrieben. Diese werden beispielsweise unter den Namen MagSilica von der Fa. Evonik angeboten.
Die Schale ist nicht-magnetisch, vorzugsweise nicht paramagnetisch. Metalle als Schalenmaterial sind somit ausgeschlossen. Bevorzugt ist die Schale diamagnetisch. Bevorzugte Schalenmaterialien sind Siliciumoxide, besonders bevorzugt geeignet ist Siliciumdioxid. Das Schalenmaterial des Kern-Schale-Partikels sollte temperaturstabil sein, d.h. bei Temperaturen von > 200 °C, idealer- weise bis zur Curie-Temperatur des eingesetzten Kerns sollte keine Zersetzung, Schmelzen oder Sublimieren des Schalenmaterials einsetzen.
Die Oberfläche der Schale kann modifiziert sein. Beispielsweise kann die Modifizierung hydrophil, hydrophob oder oleophob ausfallen. Die Modifizierung kann während oder nach der Herstellung der Kern-Schale-Partikel erfolgen. Geeignete Modifizierungen werden beispielsweise durch Al- kylalkoxysilane vorgenommen, welche zu einer hydrophoben Modifizierung führen. Geeignete Silane werden vorzugsweise ausgewählt aus Hexamethyldisilazan (HMDS, Dynasilan HMDS von Evonik), Octyltrimethoxysilan (Dynasylan OCTMO von Evonik), Octyltriethoxysilan (Dynasylan OC- TEO von Evonik), Hexadecyltrimethoxysilan (Dynasylan 9116 von Evonik) und Mischungen davon. Für hydrophile Modifizierungen eignen sich Polyether-funktionelle Trimethoxysilane. Entsprechend modifizierte Partikel erhöhen die Dispergierbarkeit und Stabilität. Polyether-funktionelle Trimethoxy- silane sind beispielsweise als Dynasylan 4148 oder Dynasylan 4150 (Evonik) erhältlich.
Die Methode zur Modifizierung der Schale wird beispielsweise durch Vermischen der Kern/Schale- Partikel mit Wasser und dem Silan durchgeführt. Anschließend wird die Mischung für einige Stunden auf Temperaturen von 80 °C bis 120 °C erhitzt. Es folgt eine Trocknung des Pulvers über mehrere Stunden. Zur Kontrolle der vollständigen Reaktion kann der pH-Wert der Mischung kontrolliert werden.
Die Schale um die superparamagnetischen Partikel führt zu einer Einkapselung der Partikel. Die Einkapselung hat den Vorteil, dass die Partikel nicht unmittelbar mit dem Pulver für das dreidimensionale Objekt in Berührung kommen. Es wird eine Kontamination bzw. ein direkter Kontakt des Pulvers mit Metallen oder ihren Verbindungen vermieden, was sonst möglicherweise zu einer Alte- rung des dreidimensionalen Objekts führen könnte.
Bevorzugte Tinten enthalten 0,5 bis 40 Gew.-% Kern/Schale-Partikel, 50 bis 75 Gew.-% mindestens eines Lösemittels, 0 bis 10 Gew.-% Pigmente, 0 bis 3 Gew.-% Dispergiermittel, 0 bis 4 Gew.- % eines Wärmeleitfähigkeitsadditivs und 0 bis 3 Gew.-% Netzmittel, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht an Tinte. Geeignete Dispergier- und Netzmittel sind ausgewählt aus Methoxyisopro- panol, Polyacralyte, Polyether, Polysiloxane, Alkoxylate, Polyamide, Aminoalkohole, Amine, Anorg. Säuren bzw. Laugen, langkettige organische Säuren bzw. deren Salze.
Ein bevorzugtes Pulver für das Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten ist ein Polymerpulver. Geeignete Polymere der Polymerpulver sind ausgewählt aus Polyamiden, Polyimiden, Polyolefinen wie Polyethylen und Polypropylen, Polyestern und Polyaryletherketonen (PAEK) wie Polyetheretherketon (PEEK). Geeignete Polyamide können übliche und bekannte Polyamide sein. Polyamide umfassen Homo-Polyamide und Co-Polyamide. Geeignete Polyamide oder Co- Polyamide sind ausgewählt aus Polyamid 6, 11 , 12, 1013, 1012, 66, 46, 613, 106, 11/1010, 1212 und 12/1012. Ein bevorzugtes Polyamid ist ausgewählt aus Polyamid 11 , 12, 1013, 1012, 66, 613, 11/1010, 1212 und 12/1012, besonders bevorzugt Polyamid 11 oder 12 und ganz besonders be- vorzugt Polyamid 12.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Tinte in einem Powder Bed Fusion-Verfahren, wobei es sich vorzugsweise um Selective Absorbing Sintering (SAS) handelt. Hierbei ist es bevorzugt, die Tinte mittels Inkjet-Verfahren aufzubringen.
Beispiele
Beispiel 1: Versintern von Pulver
Es wurden ca. 50 g PEEK-Pulver (VESTAKEEP 2000 FP) mit einem Sieb mit einer Maschenweite von 125 pm per Hand gesiebt. Die Fraktion < 125 pm wurde dann im Verhältnis 9:1 (w/w) mit Ei- sen(l l/l ll)-oxid (50 - 100 nm), Eisen(l l/l I l)-oxid < 5pm oder mit superparamagnetischen Kern/Schale-Partikeln (Kern: =13nm, Schale: Siliciumdioxid; MagSilica von Evonik; Partikelgröße d5o = 200nm) versetzt. Von jeder Pulvermischung wurden 10 g hergestellt. Die Pulvermischungen wurden dann ca. 2 h lang auf einem Rhönradmischer Fa. J. Engelsmann AG Typ PRM Mini II bei 40 rpm mit 12 Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 5 mm fein vermischt. Anschließend wurden die Pulvermischungen einzeln in Silikonformen gefüllt und unter der Induktionsspule (flache Geometrie; Durchmesser: 5cm; Zahl der Windungen N= 4-5) mit einem Abstand von < 3mm zur Pulverbettoberfläche 10 s bei einer Frequenz von 1 MHz versintert.
Partikelgrösse Leistungseintrag
Nr. Fe-Komponente Fe-Komponente m/g relativ
1 Fe(l l/l ll)-oxid < 5 gm 0.031 1.00
2 Fe(l l/l ll)-oxid 50-100 nm 0.065 2.10
3 MagSilica MagSilica 0.206 6.65
Hierbei wurden Festkörper unterschiedlicher Massen als Funktion der Eisenkomponente hergestellt. Wurde dem PEEK-Pulver als energieabsorbierende Komponente Fe(ll/lll)-oxid < 5pm beigemischt, betrug die Masse des aufgeschmolzenen Festkörpers ca. 30 mg, mit kleineren Partikeln betrug die Masse des Festkörpers 65 mg und mit MagSilica-Partikeln konnte in der gleichen Zeit bei gleicher Frequenz und Feldstärke ein Festkörper mit einer Masse von 206 mg hergestellt werden. Somit ist die Energieeinkopplung mit MagSilica als energieabsorbierender Komponente 6,65 mal grösser als mit Fe(ll/lll)-oxid < 5 pm, vorausgesetzt, alle Phasenübergänge sind in allen drei Proben gleich und damit auch der Verlauf der spezifischen Wärmekapazität C.
Beispiel 2: Herstellung eines gedruckten Polyamid 12 Zugstabs
Für die Herstellung einer druckbaren, wässrigen MagSilica-Tinte wurde zunächst eine Dispersion mit einem höheren MagSilica-Gehalt hergestellt. Herstellung von MagSilica Dispersionen
Für die Herstellung der MagSilica Dispersionen wurde MagSilica HS (Evonik) verwendet. Um die Dispersion herzustellen, wurden 100 g VE-Wasser in einem doppelwandigen Dispergierbehälter mit angeschlossener Wasserkühlung vorgelegt und anschließend schrittweise 45,8 g MagSilica Pulver zugesetzt. Dabei wurde mittels einer zentrisch im Gefäß platzierten Dissolverscheibe im Be- reich von ca. 900 - 2000 min-1 dispergiert. Die Temperatur wurde bei ca. 18 °C konstant gehalten. Nachdem die gesamte Menge an MagSilica zugesetzt und homogen dispergiert war, wurde die Dispergierscheibe entfernt und durch eine Ultraschall-Sonotrode ersetzt. Die Sonotrode hatte eine Leistung von ca. 400 W. Nun wurde für 30 Minuten mittels Ultraschalles dispergiert, wobei die Temperatur durch die Kühlung des Doppelmantels ebenfalls konstant auf ca. 18 °C gehalten wurde. Nach beendeter Dispergierung wurde die Sonotrode entfernt und die Dispersion charakterisiert. Der Glührückstand der Dispersion betrug 33,5 %, die Viskosität der Dispersion betrug 72,7 mPas bei einer Scherrate von 100 s_1 und 493,1 mPas bei einer Scherrate von 10 s_1 und einer Temperatur von 23°C (Physica MCR 300, Anton Parr). Herstellung MagSilica-haltigen Tinten
Zur Herstellung einer wasserbasierten MagSilica-haltigen Tinte wurden 2,5 g der oben beschriebenen Stammdispersion mit 10 mg TegoWet 500 (Benetzungsaddditiv) und 7,49 g Wasser gemischt, der pH-Wert mit einer verdünnten KOH-Lösung auf 10,5 eingestellt und die Mischung dann mit einem Ultraschallfinger (0,5; 70%, 5 min) behandelt. Anschließend wurde der pH-Wert der Disper- sion kontrolliert und gegebenenfalls nachjustiert. Bevor die Tinte verdruckt wurde, wurde sie über Zellstoff filtriert.
Herstellung eines Zugstabes der DIN-Norm 5A
Für die Herstellung eines Zugstabes der DIN-Norm 5A wurden zunächst 12 Schichten ä 150 pm Vestosint 1115 im Wechsel mit gedruckten Lagen aus der oben beschriebenen Tinte in der entsprechenden Form (Querschnitt DIN 5A) auf einer Rakelunterlage aus PVC hergestellt. Alle 12 Schichten wurden gemeinsam bei einer Leistung von 5 kW und einer Frequenz von 980 kHz ver- sintert.
Tintencharakterisierung und Testdruck am Dimatix:
Tropfengeschwindigkeit: 7,1 m/s Viskosität (30°C, 1000 s-1): 1.84 mPa s Oberflächenspannung: 21.4 mN/m Dichte: 1 .09 g/ml
Der fertige Zugstab wurde nach DIN EN ISO 527-1 bei Raumtemperatur auf seine Zugfestigkeit und Dehnbarkeit mittel Zugprüfung getestet. Die gemessen Zugfestigkeit betrug 23,1 MPa und die entsprechende Bruchdehnung 11%. Ein durch Aufschmelzen analog geformter Prüfkörper wies eine vergleichbare Zugfestigkeit von 21 ,3 MPa und eine leicht höhere Bruchdehnung von 15% auf.