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Dokumentenidentifikation DE202004020897U1 29.06.2006
Titel Mischung von sinterbaren Pulvern für Rapid-Prototyping
Anmelder C.R.P. Technology S.r.l., Modena, IT
Vertreter Kohler Schmid Möbus Patentanwälte, 70565 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 202004020897
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 29.06.2006
Registration date 24.05.2006
Application date from patent application 22.12.2004
File number of patent application claimed EP 04 03 0428.9
IPC-Hauptklasse C08L 77/00(2006.01)A, F, I, 20060202, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C08J 5/04(2006.01)A, L, I, 20060202, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischung von sinterbaren Pulvern für Rapid-Prototyping, insbesondere für SLS-Prozesse (selektive Lasersinterprozesse).

Bekanntermaßen ist Rapid-Prototyping eine Technik, die erst vor kurzem entwickelt wurde und es erlaubt, den Prototypen eines mechanischen Bauteils ausgehend von seiner entsprechenden CAD-Zeichnung unabhängig von seiner Geometrie in kurzer Zeit und zu relativ niedrigen Kosten automatisch zu erhalten.

Der resultierende Prototyp kann während Untersuchungen, zum Beispiel vom spannungsoptischen Typ, als Ersatz für das tatsächliche Bauteil benutzt werden, um die mechanischen Eigenschaften des Bauteils zu bestimmen.

Außerdem ist es bekannt, dass es verschiedene Rapid-Prototyping-Technologien gibt, die es in jedem Fall mit sich bringen, eine Vielzahl von Materialschichten übereinander zu legen, die miteinander verbunden werden, um ein Modell, möglicherweise ein maßstabsgerechtes Modell, des tatsächlichen Bauteils zu erhalten.

Diese Technologien unterscheiden sich in der Art und Weise, in der die Materialschichten während des Baus des Prototypen aufgetragen werden; insbesondere basiert jede Technologie auf einem anderen physikalischen Prinzip, das die Natur und den Zustand der End-Ansammlung der benutzten Materialien bestimmt.

Der Rapid-Prototyping-Prozess ist in mehrere Schritte gegliedert: anfänglich muss das gerade untersuchte Bauteil mit Hilfe eines dreidimensionalen Festkörper- oder Oberflächenmodellierungssystems konstruiert werden, um ein dreidimensionales CAD-Modell zu erhalten, das dann in ein Format umgewandelt wird, das von der Prototyping-Maschine gelesen werden kann, im Allgemeinen ein STL-Format (Stereolithographie-Format).

Diese Umwandlung besteht in Approximation der Oberfläche des Modells mittels einer Vielzahl von nebeneinander liegenden Dreiecken, die aneinander angrenzend angeordnet werden, um die ganze Oberfläche zu bedecken.

Das Modell im STL-Format wird von der Software, die die Rapid-Prototyping-Maschine lenkt, in Abschnitte zerlegt, mit einer Vielzahl von parallelen Ebenen, die mit passender Dicke in Intervallen angeordnet sind.

Jede Ebene ist eine der Materialschichten, die die Maschine nachfolgend übereinander legt; die aneinander angrenzenden Schichten werden schon während des Baus des Prototypen miteinander zusammengefügt.

Zum Schluss kann man den resultierenden Prototypen Reinigungs- und Endbearbeitungstätigkeiten oder anderen Behandlungsarten unterziehen.

Eine der bekannten Rapid-Prototyping-Technologien wird zum Beispiel durch das so genannte SLS-Verfahren (selektives Lasersintern) gebildet, das auf der Verfestigung der Pulver mittels eines Sinterprozesses basiert, der unter Verwendung eines Lasers erreicht wird.

Die zur Durchführung dieses Verfahrens benutzte Maschine wird im Wesentlichen durch eine vertikal bewegliche Plattform gebildet, auf die das Pulver aufgebracht wird, wobei das Pulver innerhalb der Maschine auf einer Temperatur gehalten wird, die gerade unter seinem Schmelzpunkt liegt, um eine Schicht mit gleichförmiger Dicke zu bilden, welche von dem Laser nur in dem Bereich getroffen wird, der zu dem entsprechenden Querschnitt des zu erzeugenden Modells passt, und zum Sintern gebracht wird.

Die Plattform bewegt sich dann um einen Betrag nach unten, der der Dicke des vorher aufgebrachten Materials entspricht, und es wird eine neue Schicht Pulver auf die vorhergehende Schicht gelegt und gesintert, wie oben beschrieben, damit sie fest wird und an der darunter liegenden Schicht festhält.

Der Prozess wird wiederholt, bis das vollständige Modell erhalten wird.

Das bei Rapid-Prototyping-Prozessen und insbesondere dem SLS-Verfahren gegenwärtig benutzte Material wird im Allgemeinen durch eine Mischung von Pulvern vom Polyamid-Typ gebildet, wahlweise mit Zugabe von verschiedenartigen Pulvern mit einer Versteifungswirkung.

Diese Mischungen von sinterbaren Pulvern ermöglichen es zwar, Modelle von mehr als zufriedenstellender Qualität zu erhalten, sie sind aber nicht frei von Nachteilen, einschließlich des Umstands, dass die resultierenden Modelle begrenzte Elastizitätsmodule und geringe End-Zugfestigkeiten haben.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mischung von sinterbaren Pulvern für Rapid-Prototyping bereitzustellen, die es ermöglicht, die mechanischen Festigkeitseigenschaften der damit erhaltenen Modelle zu optimieren.

Im Hinblick auf dieses Ziel und auf andere Aufgaben, die nachfolgend klarer werden, wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Mischung von sinterbaren Pulvern für Rapid-Prototyping bereitgestellt, die eine Polymerpulvermatrix aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie Verstärkungsmaterial in Form von Fasern aufweist.

Die Polymermatrix ist vorzugsweise vom Polyamid-Typ und kann zum Beispiel Nylon aufweisen.

Ein derartiges Verstärkungsmaterial kann vom polymeren Typ, vorzugsweise gebildet durch Aramid-Typ-Fasern, vom anorganischen Typ, vorzugsweise gebildet durch Glas- und/oder Kohlenstofffasern, oder von einem polymeren und anorganischen Typ sein.

Der Ausdruck "Aramidfasern" wird zur Bezeichnung von Fasern benutzt, die aus aromatischen Polyamiden mit einem Gehalt an aromatischen Gruppen von mehr als 85% bestehen.

Die Aramid-Typ-Fasern können zum Beispiel durch Fasern aus Poly-Paraphenylenterephthalamid gebildet werden, bekannt unter dem Markennamen Kevlar und angeboten von der Firma DuPont.

Die Fasern, die das Verstärkungsmaterial bilden, können von einem gehakten oder gemahlenen Typ sein.

herkömmlich sind gehackte Fasern Fasern mit einer Länge zwischen 3 und 6 mm und sind gemahlene Fasern Fasern mit einer Länge zwischen 100 und 450 &mgr;m.

Die Mischung kann weiterhin Material von einem im Wesentlichen glasartigen Typ in Form von Mikrokugeln, pulverisiertes Aluminium und pulverisierten Graphit aufweisen.

Die Polymermatrix, das Verstärkungsmaterial in Form von Fasern, das glasartige Material in Form von Mikrokugeln, das pulverisierte Aluminium und der pulverisierte Graphit sind in den folgenden Mengen vorhanden, welche voneinander unabhängig sind und als Prozentsätze des Gesamtgewichts der Mischung ausgedrückt sind:

Polymermatrix, zwischen 20% und 99%; Verstärkungsmaterial in Form von Fasern, zwischen 1% und 80%; glasartiges Material in Form von Mikrokugeln, zwischen 0% und 70%; pulverisiertes Aluminium, zwischen 0% und 70%; pulverisierter Graphit, zwischen 0% und 40%.

Die Polymermatrix, das Verstärkungsmaterial in Form von Fasern, das glasartige Material in Form von Mikrokugeln, das pulverisierte Aluminium und der pulverisierte Graphit sind vorzugsweise in den folgenden Mengen vorhanden, welche voneinander unabhängig sind und als Prozentsätze des Gesamtgewichts der Mischung ausgedrückt sind:

Polymermatrix, zwischen 50% und 90%; Verstärkungsmaterial in Form von Fasern, zwischen 10% und 50%; glasartiges Material in Form von Mikrokugeln, zwischen 15% und 25%; pulverisiertes Aluminium, zwischen 10% und 25%; pulverisierter Graphit, zwischen 0% und 10%.

In Übereinstimmung mit herkömmlichen Arbeitsverfahren und in Abhängigkeit von den zu produzierenden Mengen kann die Mischung in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt werden durch mechanisches Mischen (zum Beispiel Innenmischer, in die die passenden Mengen der verschiedenen Bestandteile eingebracht werden) oder durch pneumatisches Mischen (zum Beispiel durch Einblasen von Luft in Silos, die die verschiedenen Bestandteile enthalten); alternative Ausführungsformen sind natürlich nicht ausgeschlossen.

Die resultierende Mischung ist gebrauchsfertig und kann daher herkömmlichen Rapid-Prototyping-Maschinen zugeführt werden, insbesondere Maschinen zur Durchführung des SLS-Verfahrens.

Zweckmäßig kann die Mischung auf allen herkömmlichen Anwendungsgebieten von Rapid-Prototyping angewendet werden, wie zum Beispiel der Herstellung von Teilen von Fahrzeugen, elektrischen Haushaltsgeräten, Design-Gegenständen oder anderen.

Vorteilhaft wurde mittels Laboruntersuchungen festgestellt, dass die mit der Mischung in Übereinstimmung mit der Erfindung geschaffenen Modelle eine größere mechanische Festigkeit haben als mit herkömmlichen Materialien erhaltene Prototypen, sowohl bei Umgebungstemperatur als auch bei hohen Temperaturen.

Darüber hinaus wurden wesentliche Zunahmen des Elastizitätsmoduls und der End-Zugfestigkeit des Materials beobachtet.

Die End-Zugfestigkeit des durch Sintern der Mischung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erhaltenen Materials liegt tatsächlich in der Größenordnung von 55 bis 60 MPa, während die End-Zugfestigkeit der bei Rapid-Prototyping herkömmlich benutzten Materialen in der Größenordnung von 40 bis 48 MPa liegt.

Die folgenden Beispiele werden nur als eine Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung gegeben und sind nicht als ihren durch die begleitenden Ansprüche definierten Schutzbereich beschränkend zu verstehen.

BEISPIEL 1

Eine erste Mischung von sinterbaren Pulvern für Rapid-Prototyping, die aus den folgenden Bestandteilen erhalten werden kann: Polymermatrix 60% Verstärkungsmaterial in Form von Fasern 30% glasartiges Material in Form von Mikrokugeln 10% pulverisiertes Aluminium 0% pulverisierter Graphit 0%

BEISPIEL 2

Eine zweite Mischung von sinterbaren Pulvern für Rapid-Prototyping, die aus den folgenden Bestandteilen erhalten werden kann: Polymermatrix 50% Verstärkungsmaterial in Form von Fasern 20% glasartiges Material in Form von Mikrokugeln 15% pulverisiertes Aluminium 10% pulverisierter Graphit 5%

Wie der Fachmann leicht erkennt, kann man auf Basis der oben dargelegten Offenbarung der Erfindung andere Mischungen von sinterbaren Pulvern herstellen, die man aber alle als im Schutzbereich der Ansprüche enthalten ansehen würde.

Die Offenbarungen in der italienischen Patentanmeldung Nr. MO2004A000227, deren Priorität diese Anmeldung beansprucht, werden durch Bezugnahme hierin aufgenommen.


Anspruch[de]
  1. Mischung von sinterbaren Pulvern für Rapid-Prototyping, die eine Polymermatrix in Pulverform aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie Verstärkungsmaterial in Form von Fasern aufweist.
  2. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial im Wesentlichen von einem polymeren und/oder anorganischen Typ ist.
  3. Mischung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Verstärkungsmaterial vom Aramid-Typ ist.
  4. Mischung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Verstärkungsmaterial mindestens Glas oder Kohlenstoff oder beides aufweist.
  5. Mischung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Aramid-Verstärkungsmaterial mindestens Kevlar aufweist.
  6. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern vom gehakten und/oder gemahlenen Typ sind.
  7. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix im Wesentlichen vom Polyamid-Typ ist.
  8. Mischung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyamid-Polymermatrix Nylon aufweist.
  9. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Material von einem im Wesentlichen glasartigen Typ in Form von Mikrokugeln aufweist.
  10. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie pulverisiertes Aluminium aufweist.
  11. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie pulverisierten Graphit aufweist.
  12. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix in Mengen von zwischen 20 und 99 Gewichtsprozent vorhanden ist.
  13. Mischung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix in Mengen von zwischen 50 und 90 Gewichtsprozent vorhanden ist.
  14. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial in Mengen von zwischen 1 und 80 Gewichtsprozent vorhanden ist.
  15. Mischung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial in Mengen von zwischen 10 und 50 Gewichtsprozent vorhanden ist.
  16. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das glasartige Material in Form von Mikrokugeln in Mengen von zwischen 0 und 70 Gewichtsprozent vorhanden ist.
  17. Mischung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das glasartige Material in Form von Mikrokugeln in Mengen von zwischen 15 und 25 Gewichtsprozent vorhanden ist.
  18. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverisierte Aluminium in Mengen von zwischen 0 und 70 Gewichtsprozent vorhanden ist.
  19. Mischung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverisierte Aluminium in Mengen von zwischen 10 und 25 Gewichtsprozent vorhanden ist.
  20. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverisierte Graphit in Mengen von zwischen 0 und 40 Gewichtsprozent vorhanden ist.
  21. Mischung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverisierte Graphit in Mengen von zwischen 0 und 10 Gewichtsprozent vorhanden ist.
  22. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix, das Verstärkungsmaterial in Form von Fasern, das glasartige Material in Form von Mikrokugeln, das pulverisierte Aluminium und der pulverisierte Graphit in den folgenden Mengen nach Gewicht vorhanden sind: Polymermatrix 60% Verstärkungsmaterial in Form von Fasern 30% glasartiges Material in Form von Mikrokugeln 10% pulverisiertes Aluminium 0% pulverisierter Graphit 0%
  23. Mischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix, das Verstärkungsmaterial in Form von Fasern, das glasartige Material in Form von Mikrokugeln, das pulverisierte Aluminium und der pulverisierte Graphit in den folgenden Mengen nach Gewicht vorhanden sind: Polymermatrix 50% Verstärkungsmaterial in Form von Fasern 20% glasartiges Material in Form von Mikrokugeln 15% pulverisiertes Aluminium 10% pulverisierter Graphit 5%
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