DE19942071A1 - Verfahren zur Herstellung von Polymerformteilen - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer, indem Polymerpartikel in loser Schüttung in einem Behälter angeordnet, gegebenenfalls verdichtet und durch schichtweises Sintern mittels Laserenergie unter Bildung des Formteils zumindest oberflächig verschmolzen werden, zeichnet sich dadurch aus, daß Partikel aus wenigstens einem faserverstärkten Polymer eingesetzt und/oder den Polymerpartikeln Verstärkungsfasern beigemischt werden. In Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Polymerpartikel im Verbund mit einem kompakten Träger mittels Laserenergie untereinander verschmolzen und mit dem Träger und/oder mit einer eine Sichtseite bildenden Deckschicht verschweißt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer, indem Polymerpartikel in loser Schüttung in einem Behälter angeordnet, gegebenenfalls verdichtet und schichtweise mit­ tels Laserenergie unter Bildung des Formteils zumindest oberflächig verschmolzen werden.

Derartige Verfahren sind als selektives Laser-Sintern (SLS) bekannt und werden verbreitet zur Herstellung von Prototy­ pen, Anschauungsmustern, Vor- oder Kleinserienteilen in ei­ nem frühen Entwicklungsstadium eingesetzt. Hierbei wird zu­ meist mittels CAD-Programm (Computer Aided Design) ein Da­ tenmodell des Formteils erstellt und dieses Datenmodell mittels geeigneter Software in dünne Schichten geschnitten (geslict). Die Raumkoordinaten der Schichten dienen dann als Steuerdaten entweder zur Führung eines Lasers bezüglich der stationären Partikelschüttung oder zur Führung der Par­ tikelschüttung bezüglich eines stationären Lasers. Mit die­ sem SLS-Verfahren werden z. B. Modelle oder Prototypen ans Keramikpartikeln oder Grünlinge mit dem endgültigen Form­ teil entsprechenden Abmessungen aus thermoplastbeschichte­ tem Metallpulver hergestellt, die in einem anschließenden thermischen Prozeß zu kompakten metallischen Formteilen weiterverarbeitet werden, wobei der als Binder wirkende Thermoplast ausgetrieben wird. Auch ist es bekannt, das SLS-Verfahren bei Partikeln aus synthetischen Polymeren an­ zuwenden.

Die Vorteile des SLS-Verfahrens liegen insbesondere in der einfachen und schnellen Fertigung von Prototypen, ohne daß aufwendige Handarbeit, teuere Formwerkzeuge oder teure Be­ arbeitungsverfahren erforderlich sind. Da das schichtweise Sintern im wesentlichen drucklos durchgeführt wird, werden auch an den Behälter zur Aufnahme der Polymerpartikel keine erhöhten Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Gasdichtig­ keit und dergleichen gestellt. Nachteilig ist, daß das nach dem SLS-Verfahren hergestellte Formteile aus synthetischen Polymeren schlechte mechanische Eigenschaften, insbesondere geringe Festigkeiten, aufweisen. Dies resultiert vor allem aus der im wesentlichen drucklosen Herstellung, bei der die Polymerpartikel unter Bildung interpartikulärer Hohlräume nur partiell verschweißt werden, während bei herkömmlichen Verfahren die Partikel in einer Form komprimiert werden, um sie im wesentlichen vollflächig miteinander zu verbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches die Herstel­ lung beliebiger Formteile mit verbesserten mechanischen Ei­ genschaften, insbesondere höherer Festigkeit, ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß Partikel aus we­ nigstens einem faserverstärkten Polymer eingesetzt und/oder den Polymerpartikeln Verstärkungsfasern beigemischt werden.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Verstärkungsfasern ist die Herstellung von Formteilen mit hohen Festigkeiten und Zähigkeiten möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit nicht nur auf die Herstellung von Prototypen od. dgl. beschränkt, sondern vielmehr zur einfachen und kostengün­ stigen Herstellung beliebiger dauerhafter Formteile, z. B. Innenverkleidungsteile von Kraftfahrzeugen, Möbel, insbe­ sondere Gartenmöbel, Verpackungsbehältern, Gehäusen od. dgl., geeignet. Werden Partikel aus einem faserverstärkten Polymer oder aus einem faserverstärkten Polymerblend einge­ setzt, so werden die Fasern beim Anschmelzen der Partikel mittels Laserenergie zumindest teilweise freigelegt, so daß sie in benachbarte Partikel eindringen und die Schmelzver­ bindung zwischen den einzelnen Polymerpartikeln durch Brüc­ kenbildung verstärken. Werden den Polymerpartikeln Verstär­ kungsfasern in loser Schüttung beigemischt, so dringen die­ se beim Anschmelzen der Polymerpartikel zumindest ober­ flächig in dieselben ein und tragen ebenfalls durch Brücken­ bildung zu einer erhöhten Festigkeit der Schmelzverbindung bei. Um eine homogene Faserverstärkung mit sowohl inter- als auch intrapartikulär angeordneten Fasern zu erreichen, ist in bevorzugter Ausführung vorgesehen, daß sowohl Partikel aus faserverstärktem Polymer eingesetzt als auch den faserverstärkten Polymerpartikeln zusätzlich Verstär­ kungsfasern beigemischt werden.

Die Verstärkungsfasern können z. B. Glas-, Carbon-, Aramid-, Kohlefasern od. dgl. sein. In bevorzugter Ausführung werden jedoch natürliche Verstärkungsfasern, wie Hanf-, Flachs-, Sisal-, Miscanthus-, Cellulose-, Holzfasern od. dgl., ein­ gesetzt.

Für die lose Schüttung können Polymerpartikel mit beliebi­ ger Partikelgröße verwendet werden, wobei die Partikelgröße zweckmäßig je nach Abmessungen des Formteils gewählt wird. Vorzugsweise werden Polymerpartikel mit einer Partikelgröße zwischen 10 µm und 10 mm verwendet.

Die in den eingesetzten Polymerpartikel enthaltenen und/oder den Partikeln beigemischten Verstärkungsfasern können als Kurzschnitte und/oder in pulverartiger Konsi­ stenz, vorzugsweise mit einer Länge zwischen 100 µm und 50 mm eingesetzt werden.

Die Partikel können aus beliebigen synthetischen Polymeren, z. B. Polyolefinen, Polyamiden, Polyestern, Polyacetaten, Polycarbonaten, Polyurethanen, Vinylpolymeren oder Copoly­ meren hiervon bestehen.

Aus der Forderung nach Schonung der Mineralölressourcen, aus denen die Grundstoffe der Kunststoffsynthese gewonnen sind, ergibt sich der Wunsch nach einer Substitution syn­ thetischer durch natürliche Polymere. Dieser Wunsch besteht umso mehr, als bei der häufig einzigen Möglichkeit der Ent­ sorgung synthetischer Kunststoffe - nämlich der Verbrennung­ erhebliche CO₂-Emissionen, häufig begleitet von toxischen Emissionen, entstehen. Daher ist in bevorzugter Ausführung vorgesehen, daß Partikel aus natürlichen Polymeren, wie Stärke, Keratin, Casein, Cellulosenitraten, -acetaten, - estern-, -ethern, Chinin od. dgl., verwendet werden. Solche aus nachwachsenden natürlichen Rohstoffen gewonnene Polyme­ re zeichnen sich durch eine ökologisch neutrale CO₂-Bilanz aus, da bei Verbrennung der natürlichen Polymere der Atmosphäre nicht mehr CO₂ zugeführt wird, als ihr beim Wachstum der Rohstoffe entzogen wurde. Des weiteren sind insbesondere biologisch abbaubare bzw. kompostierbare na­ türliche Polymere von vorrangigem Interesse, da sie im Ver­ gleich zu den meisten synthetischen Polymeren in einem we­ sentlich kürzeren Zeitraum und in der Regel rückstandslos abgebaut werden.

In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß Polymerparti­ kel aus Lignin verwendet werden. Lignin ist ein natürliches thermoplastisches Polymer mit im Vergleich zu den meisten anderen Naturpolymeren merklich besseren Werkstoffeigen­ schaften und zeichnet sich vor allem durch eine vergleichs­ weise hohe Festigkeit, Steifigkeit, Schlagzähigkeit sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung aus. Weiter­ hin ist Lignin ein geeignetes Dämmittel zur Wärme- und Schallisolierung. Insbesondere kann durch den Einsatz von Ligninpartikeln eine in vielen Fällen gewünschte holzähn­ liche Optik und Haptik eines mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren hergestellten Formteils erzielt werden. Lignin fällt in großen Mengen als Nebenprodukt bei der Zellstoffgewin­ nung an und ist somit in großen Mengen preiswert verfügbar. Beim Aufschluß des Holzes entstehen Ligninsulfonsäuren als Bestandteil der Sulfitablaugen, in denen die Ligninsulfon­ säuren als Phenolate ("Alkali-Lignin") gelöst sind. Durch Behandlung mit Schwefelsäure und Kohlendioxid kann die Ligninsäure ausgefällt werden. Es können beispielsweise auch Partikel aus einem ligninhaltigen Naturstoffgranulat eingesetzt werden, das aus Alkali-Lignin und Proteinen bzw. Proteinderivaten hergestellt und aus einer stereochemischen Modifikation durch Behandlung mit organischen Säuren, ins­ besondere Essigsäure, hervorgeht. Ein solches verrottbares und kompostierbares Material ist aus der EP 0 720 634 B1 bekannt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können folglich auf einfache und kostengünstige Weise Formteile von hoher Fe­ stigkeit und Zähigkeit hergestellt werden, welche zur Gänze aus Naturstoffen bestehen, indem mit Naturfasern, z. B. Hanffasern, verstärkte Partikel aus Naturpolymeren, z. B. Ligninpartikel, und gegebenenfalls zusätzliche Naturfasern in loser Schüttung in einem Behälter angeordnet und durch selektives Laser-Sintern unter Bildung des Formteils ver­ schmolzen werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Po­ lymerpartikel im Verbund mit wenigstens einem kompakten Träger mittels Laserenergie untereinander verschmolzen und mit dem Träger verschweißt werden. Der Träger besteht be­ vorzugt aus einem beliebigen kompakten Polymer, z. B. einem Duroplasten, einem Thermoplasten oder einem Elastomer. Aus Gründen der Sortenreinheit besteht der Träger vorzugsweise aus demselben Polymer wie die Partikel, insbesondere aus einem natürlichen Polymer, z. B. Lignin. Vorzugsweise wird der Träger mittels des Lasers zumindest oberflächig ange­ schmolzen, so daß eine dauerhafte und innige Schweißverbin­ dung zwischen dem Träger und den Polymerpartikeln entsteht. Der kompakte Träger kann seinerseits natürliche oder syn­ thetische Verstärkungsfasern aufweisen; er sorgt in diesem Fall für eine stabilisierende Bewehrung mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren hergestellten Formteils.

Um für eine glatte oder dekorative und insbesondere ab­ triebfeste Oberfläche des Formteils zu sorgen, sieht die Erfindung das Verschweißen der Polymerpartikel mit wenig­ stens einer eine Sichtseite bildenden Deckschicht vor. Um dem Formteil eine erhöhte Festigkeit zu verleihen, kann auch die Deckschicht ebenfalls eine Faserverstärkung auf­ weisen. Die Deckschicht kann beispielsweise aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer gebildet, z. B. eine Polyo­ lefinfolie sein, die insbesondere für eine glatte Oberflä­ che des Formteils sorgt. Die Deckschicht kann auch eine textile Struktur aufweisen, um dem Formteil, z. B. für In­ nenverkleidungsteile von Kraftfahrzeugen, eine Oberflächen­ struktur zu verleihen. Die Deckschicht kann auch in Form eines Textils, wie eines Gewebes, Gewirkes, Geleges, Ge­ strickes, Vlieses od. dgl. ausgebildet sein oder ein Fur­ nier, z. B. ein Holzfurnier, aufweisen. Alternativ kann eine solche Deckschicht auch auf ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Formteil in herkömmlicher Weise aufgebracht, z. B. auflaminiert, -kaschiert oder -geklebt werden.

Im übrigen betrifft die Erfindung auch ein faserverstärktes Formteil aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer, welches nach einem Verfahren der vorgenannten Art herge­ stellt ist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stelltes Formteil.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum selektiven La­ ser-Sintern (SLS) weist einen Behälter 5 zur Aufnahme einer losen Schüttung von Polymerpartikeln 1 sowie einen rechner­ gesteuerten Laser 6 auf. Der Laserstrahl 7 des Lasers 6 ist über eine ebene Reflexionsfläche 8 in die Schüttung aus Po­ lymerpartikeln 1 einkoppelbar, um letztgenannte untereinan­ der zu verschmelzen.

Zur Herstellung eines Formteils 10 (Fig. 2) wird zunächst mittels eines CAD-Programms ein Datenmodell des Formteils 10 erstellt und dieses Datenmodell mittels einer geeigneten Software in dünne Schichten geslict. Die Raumkoordinaten dieser Schichten dienen als Steuerdaten zur Führung des La­ sers 6 und/oder der Reflexionsfläche 8 und/oder des Behäl­ ters 5.

Um ein stabiles und dauerhaftes Formteil 10 zu erhalten, werden Partikel 1 aus einem faserverstärkten Polymer oder einem faserverstärkten Polymerblend z. B. mit Hanffasern verstärkte Ligninpartikel, eingesetzt und/oder den Parti­ keln 1 zusätzlich Verstärkungsfasern beigemischt. Die für die jeweilige elektromagnetische Strahlung des verwendeten Lasers 6 im wesentlichen undurchlässigen Partikel 1 werden in den Behälter 5, diesen von unten nach oben schichtweise auffüllend, eingebracht, wobei jeweils die obere Partikel­ schicht mit von oben in die Schüttung einkoppelbarer Lase­ renergie entsprechend den Raumkoordinaten des Datenmodells verschmolzen wird. Anschließend wird auf die verschmolzene Schicht eine weitere Schicht aus losen Partikeln 1 aufge­ bracht und diese erneut mittels Laserenergie verschmolzen. Die außerhalb der Raumkoordinaten des Formteils 10 in den Partikelschichten befindlichen, nicht verschmolzenen Parti­ kel 1 können dem Behälter 4 zusammen mit dem fertigen Form­ teil 10 lose entnommen und wiederverwendet werden.

In der dargestellten Ausführung wird in der losen Schüttung von Partikeln 1 zunächst eine eine Sichtseite bildende De­ korschicht 4, z. B. in Form eines Holzfurniers, angeordnet und der Laserstrahl 7 zum dauerhaften Verschmelzen der je­ weils oberen Partikelschicht sowohl untereinander als auch mit der Deckschicht 4 entlang den Abmessungen des gewünsch­ ten Formteils 10 geführt. An der gewünschten Stelle wird zusätzlich ein das Formteil 10 verstärkender Träger 3, vor­ zugsweise aus einem natürlichen Polymer, wie Lignin, auf die bis auf die Höhe des Trägers 3 bereits verschmolzenen Partikel 1 aufgelegt und der Träger zumindest an seiner dem Laserstrahl 7 zugewandten Seite mit den Partikeln 1 ver­ schweißt.

Wie aus dem stark vergrößerten Detailschnitt in Fig. 2 er­ sichtlich, ist eine dauerhafte Verbindung der Polymerparti­ kel 1 des Formteils 10 dadurch sichergestellt, daß das Ge­ füge 11 des Formteils 10 aus innig verschmolzenen Polymer­ partikeln 1 durch sowohl inter- als auch intrapartikulär angeordnete Verstärkungsfasern 2 verstärkt ist. Hierdurch wird dem Formteil 10 eine hohe Festigkeit und Zähigkeit verliehen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus wenig­ stens einem thermoplastischen Polymer, indem Polymer­ partikel in loser Schüttung in einem Behälter angeord­ net, gegebenenfalls verdichtet und schichtweise mit­ tels Laserenergie unter Bildung des Formteils zumin­ dest oberflächig verschmolzen werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Partikel (1) aus wenigstens einem faser­ verstärkten Polymer eingesetzt werden.

2. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus wenig­ stens einem thermoplastischen Polymer, indem Polymer­ partikel in loser Schüttung in einem Behälter angeord­ net, gegebenenfalls verdichtet und schichtweise mit­ tels Laserenergie unter Bildung des Formteils zumin­ dest oberflächig verschmolzen werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß den Polymerpartikeln (1) Verstärkungsfa­ sern (2) beigemischt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß Partikel (1) aus wenigstens einem faserver­ stärkten Polymer eingesetzt und den Polymerpartikeln (1) Verstärkungsfasern (2) beigemischt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß natürliche Verstärkungsfasern (2) eingesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß synthetische Verstärkungsfasern (2) eingesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Polymerpartikel (1) mit einer Partikelgröße zwischen 10 µm und 10 mm verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern (2) mit einer Länge zwi­ schen 100 µm und 50 mm eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Polymerpartikel (1) aus Polyolefi­ nen, Polyamiden, Polyestern, Polyacetaten, Polycarbo­ naten, Polyurethanen, Vinylpolymeren oder Copolymeren hiervon verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Polymerpartikel (1) aus natürli­ chen Polymeren verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Polymerpartikel (1) aus Lignin verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerpartikel (1) im Verbund mit wenigstens einem kompakten Träger (3) mittels La­ serenergie untereinander verschmolzen und mit dem Trä­ ger (3) verschweißt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerpartikel (1) mit wenig­ stens einer eine Sichtseite bildenden Deckschicht (4) verschweißt werden.

13. Faserverstärktes Formteil (10) aus wenigstens einem thermoplastischen Polymer, hergestellt nach einem Ver­ fahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.