PL230118B1 - Materiał do druku techniką modelowania uplastycznionym tworzywem sztucznym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku materiał do druku techniką modelowania uplastycznionym tworzywem sztucznym (technika FDM).

W technice druku FDM jako materiały, stosowane są tworzywa termoplastyczne podawane w formie drutu (ang. filament) o określonej średnicy. Znane są materiały takie jak: ABS (poli(akrylonitryl-co-butadien-co-styren)), ASA (poli(akrylonitryl-co-styren-co-akrylan)), PLA (poli(kwas mlekowy)), PC (poliwęglan), PPSU/PPSF (polifenylosulfon), PEI (polieteroimid), PA (poliamid), TPU (termoplastyczne poliuretany), PS (polistyren), PET (poli(tereftalan etylenu)), PVA (poli(alkohol winylowy)) oraz materiały kompozytowe jak: ABS/PC, kompozyty w osnowie polimerowej z napełniaczami węglowymi, ceramicznymi.

W publikacji międzynarodowego zgłoszenia WO 2008112061 A1 przedstawiona została modyfikacja najpopularniejszego materiału stosowanego w technice FDM - ABS. W celu skrócenia czasu reakcji materiału podczas wytłaczania, a tym samym zwiększenia dokładności budowy modelu wykorzystano modyfikację ABS oligomerami jak np. metakrylan metylu i polimerami na bazie akrylanów jak: poli(styren-co-akrylonitryl). Zmodyfikowany materiał jest stabilny termicznie, dzięki czemu możliwe jest wytłaczanie go w wyższej temperaturze, rzędu 280 : 360°C, co skutkuje bardziej newtonowskim zachowaniem się płynu podczas wytłaczania w odniesieniu do standardowego kopolimeru ABS. W opisie wynalazku US6067480 A przedstawione zostały wytrzymałe materiały konstrukcyjne, mogące znaleźć zastosowanie do wykonywania prototypów funkcjonalnych techniką FDM. Wykorzystano materiały polimerowe o wysokiej masie cząsteczkowej obejmujące poliaryloeteroketony, termoplastyczne poliuretany, poliwęglan i polimetakrylan metylu). Dodatkowo zaznaczono możliwość stosowania materiałów kompozytowych o osnowie z wcześniej wspomnianych polimerów i ze wzmocnieniem włóknistym np. włóknem węglowym. W opisach patentowych US6776602 B2 oraz US6722872 B1 ujawniono możliwość zastosowania w technice FDM takich materiałów termoplastycznych jak: polifenylosulfony, kompozyty ABS/PC, polieteroimidy, polieterosulfony, poliamidy. Materiały te wykazują lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu do popularnego ABS, mają odpowiednie właściwości cieplne oraz lepkości w stanie stopionym. Wykazują również odpowiedni skurcz materiałowy i przyczepność miedzy warstwami, umożliwiającą zastosowanie ich w modelowaniu uplastycznionym tworzywem. W opisie patentowym US6869559 B2 przedstawiony jest materiał do druku techniką FDM: PPSF/PC. Materiał ten wykazuje dobrą odporność chemiczną i stabilność termiczną. Zawiera on 70:99% polifenylosulfonu oraz 1-K25% poliwęglanu. Do kompozytu PPSF/PC dobrany jest materiał podporowy zawierający poza materiałami bazowymi (PPSF i PC) polistyren wysokiej udarności oraz materiał silikonowy. Temperatura zeszklenia tych materiałów wynosi ponad 220°C, zaś MFI ma wartość odpowiednią dla modelowania uplastycznionym tworzywem (FDM). Pożądany wskaźnik szybkości płynięcia dla materiałów wykorzystywanych w technologii FDM mieści się w zakresie 5:30 g/10 min, pod obciążeniem 1,2 kg i w temperaturze drukowania. W opisach wynalazków US6790403 B1, US6228923 B1, EP2514775 A1, US8404171 B2, US8460451 B2 przedstawione są materiały podporowe rozpuszczalne w wodzie, możliwe do wykorzystania w technice FDM. Materiały te są wykorzystywane do wykonywania elementów, w których występują fragmenty zwisające, wymagające podpór. Przykładem takiego materiału jest mieszanina polimeru metakrylanu alkilu - metakrylanu metylu, kwasu karboksylowego - kwasu metakrylowego oraz plastyfikatora rozpuszczalnego w wodzie np. fosforanu difenylu. W opisie wynalazku EP2514775 A1 opisany został materiał rozpuszczalny w roztworze o pH wynoszącym: 6: 1 4, zawierający 30: 60% kopolimeru styrenu z bezwodnikiem kwasu maleinowanego i pozwalający wykorzystać środowisko o łagodniejszym charakterze, nie wpływającym na właściwości modelu. Inne tworzywa sztuczne wykorzystywane jako rozpuszczalne materiały podporowe opisane w patentach powyżej obejmują: materiał którego bazowym składnikiem jest amorficzny poli(alkohol winylowy) oraz np. mieszaninę etoksylowanego alkoholu tłuszczowego i częściowo polimeryzowanego laktonu modyfikującego lepkość. W opisie patentowym US7534386 B2 przedstawiony jest materiał termoplastyczny zawierający silikon (0,1 : 10%), który może być wykorzystany, zarówno jako materiał podporowy jak i materiał budulcowy do wykonywania wyrobów techniką FDM. Bazowym polimerem mogą być: polieterosulfony, polieteroimidy, polifenylosulfony, polifenyleny, poliwęglany, polistyreny, polisulfony, tworzywa akrylowe, poliamidy, poliestry, poliamidy, polieteroketony, ABS oraz ich mieszaniny. Dodanie środka silikonowego pozwala na proste oderwanie podpór od budowanego modelu.

W technice FDM możliwe jest również zastosowanie materiałów kompozytowych osnowie termoplastycznej. Kompozyt taki został przedstawiony w opisie patentowym US7910041 B1. Matryce

PL 230 118 B1 stanowić może: ABS, poliwęglany, polifenylosulfony, poliamidy, polisulfony, polistyreny, polieteroimidy, poliestry, poliuretany, polieteroketony, fluoropolimery i ich kombinacje. Jako wzmocnienie wykorzystać można materiał w formie włókien, jak: nanorurki, nanowłókna, rurki nanodrutu itp.

Technika FDM umożliwia wytwarzanie obiektów na bazie modelu CAD 3D lub na podstawie danych ze skanowania środowiska 3D, bez dodatkowego oprzyrządowania oraz obróbki wykańczającej. Bazują one na cięciu pliku 3D na cienkie warstwy nakładaniu ich od dołu do góry. W opisach wynalazków: US5121329 A, US6722872 B1, US5340433 A przedstawione zostały konstrukcje urządzeń do modelowania trójwymiarowych elementów tworzywem sztucznym. Materiał bazowy w postaci drutu podawany jest do głowicy, gdzie zostaje podgrzany i uplastyczniony, a następnie wytłoczony w postaci spłaszczonej wstęgi na platformę roboczą przez dyszę o najczęściej okrągłym przekroju otworu wyjściowego poruszającą się w osiach XY równoległych do platformy roboczej. Proces wytłaczania następuje w wyniku działania ciśnienia wywoływanego przez nacisk nieuplastycznionej części drutu tworzywa, który podawany jest naj częściej za pomocą ekstrudera w postaci rolek. Model budowany jest na platformie roboczej lub w komorze, która może być podgrzewana w celu zmniejszania skurczu materiałowego i zapobiegania deformacji modelu. W celu wykonania kolejnej warstwy następuje przemieszczenie platformy drukującej, względem dyszy w osi Z, o wysokość równą grubości warstwy i powtórzenie wytłaczania. Proces jest powtarzany aż do ukończenia modelu.

Materiał do druku techniką modelowania uplastycznionym tworzywem sztucznym, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawiera od 10% wagowych do 90% wagowych poliproplenu i od 10% wagowych do 90% wagowych poliwinylobutyralu. Materiał kompozytowy może być przetwarzany techniką FDM w zakresie temperatur 180:230°C.

Korzystnie materiał zawiera od 1% wagowych do 5% wagowych polipropylenu maleinowanego (polipropylen szczepiony aldehydem maleinowanym), który jest kompatybilizatorem mieszalności PP i PVB.

Korzystnie poliwinylobutyral ma postać folii odpadowej. Przed procesem wytłaczania folie mechanicznie rozdrabnia się.

Korzystnie polipropylen ma wysoki wskaźnik szybkości płynięcia.

Materiał jest produktem wytłoczenia (po wcześniejszym wymieszaniu składników materiału w temperaturze otoczenia) w temperaturze 165 do 200°C, przy użyciu wytłaczarki ślimakowej (jednolub wieloślimakowej) pozwalającemu na uzyskanie wytłoczyny o określonym kształcie, uformowanym przez głowicę.

Materiał według wynalazku charakteryzuje się znaczną elastycznością w porównaniu do polipropylenu oraz ze względu na użyty modyfikator w postaci PVB lepszą adhezją do stołu roboczego drukarki, który może być zimny lub podgrzewany. Wytłoczony filament może być użyty w procesie FDM, ze względu na odpowiednią lepkość stopu i stabilność mieszaniny w temperaturze przetwórstwa. Materiał według wynalazku (Wykorzystanie adhezyjnych właściwości PVB do materiałów: metalowego i szklanego) eliminuje problem procesu drukowania jakim jest uzyskanie odpowiedniej adhezji do podłoża, co w przypadku tworzyw wysokokrystalicznych, przy gwałtownym ich schładzaniu powoduje skurcz materiałowy, skutkujący powstawaniem odkształceń i odlepianiem się wykonanych elementów. Dodatkowo modyfikacja polipropylenu poliwinylobutyralem zwiększyła jego elastyczność umożliwiając wykorzystanie klasycznego podawania materiału w postaci żyłki nawiniętej na szpulę. W czasie wytłaczania materiał wykazuje wyższą adhezję do powierzchni stosowanych jako platformy budulcowe, jak metal, szkło, niż ogólnodostępne poliolefiny. Charakteryzuje się również wyższą adhezją między kolejnymi warstwami wytłaczanego tworzywa.

Wynalazek jest bliżej przedstawiony w poniższych przykładach wykonania. We wszystkich przykładach materiał został wytworzony metodą wytłaczania w temperaturze 165 do 200°C.

P r z y k ł a d I

Wytworzono materiał kompozytowy do druku FDM o składzie:

- rozdrobniony recyklat folii PVB: 75% wagowych,

- polipropylen: 25% wagowych.

PL230 118 Β1

Właściwości wytworzonego materiału:

Gęstość [g/cm3]	1,00
Twardość [°Sh]	46,44
Wytrzymałość na rozciąganie [MPa]	17,58
Moduł Younga [MPa]	225,9
Udarność Charpy’ego [kJ/m2]	37,47
MVR (2,16 kg, 180°C) [cm3/10 min]	15,39

Przykład II

Wytworzono materiał kompozytowy do druku FDM o składzie:

- rozdrobniony recyklat folii PVB: 50% wagowych,

- polipropylen: 47% wagowych,

- polipropylen maleinowany: 3% wagowych.

Właściwości wytworzonego materiału:

Gęstość [g/cm3]	0,99
Twardość [°Sh]	57,06
Wytrzymałość na rozciąganie [MPa]	18,64
Moduł Younga [MPa]	577,3
Udarność Charpy’ego [kJ/m2]	28,30
MVR(2,16 kg, 180°C) [cm3/10 min]	11,85

Przykład III

Wytworzono materiał kompozytowy do druku FDM o składzie:

- rozdrobniony recyklat folii PVB: 25% wagowych,

- polipropylen: 70% wagowych,

- polipropylen maleinowany: 5% wagowych.

Właściwości wytworzonego materiału:

Gęstość [g/cm3]	0,94
Twardość [°Sh]	61,94
Wytrzymałość na rozciąganie [MPa]	26,38
Moduł Younga [MPa]	1159
Udarność Charpy’ego [kJ/m2]	33,97
MVR (2,16 kg, 180°C) [cm3/10 mini	30,03

PL 230 118 B1

Claims (4)

1. Materiał do druku techniką modelowania uplastycznionym tworzywem sztucznym, znamienny tym, że zawiera od 10 do 90% wagowych poliproplenu i od 10 do 90% wagowych poliwinylobutyralu.

2. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera od 1 do 5% wagowych polipropylenu maleinowanego.

3. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że poliwinylobutyral ma postać folii odpadowej.

4. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że jest produktem wytłoczenia w temperaturze 165 do 200°C.