DE19747309A1 - Verwendung eines Polyamids 12 für selektives Laser-Sintern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern durch selektives Laser-Sintern von pulverförmigen Materialien, bei dem man ein Polyamid 12 (Polylaurinlactam; PA 12) mit bestimmten physikalischen Parametern als pulverförmiges Material verwendet.

Bei der Entwicklung von Maschinen und Apparaten spielt die Herstel­ lung von Mustern, Modellen und Prototypen eine wichtige, die Ent­ wicklungszeit mitbestimmende Rolle. Die Herstellung solcher Formtei­ le ist jedoch ihrerseits zeitaufwendig und beeinflußt daher eben­ falls die Entwicklungszeit. In neuerer Zeit ist unter der Bezeich­ nung selektives Laser-Sintern (oder Rapid Prototyping) ein Verfahren bekanntgeworden, das eine schnelle und kostengünstige Fertigung sol­ cher Formteile aus einem pulverförmigen Material, in der Regel einem Polymerpulver gestattet. Das Verfahren schließt an das Computer-un­ terstützte Entwerfen (CAD; computer-aided design) an, welches ein Schichtbild des gewünschten Formteil in digitalisierter Form lie­ fert.

Zur Herstellung des Formteils wird das Polymerpulver in dünner Schicht auf einen absenkbaren Teller einer Sinterkammer aufgebracht, die auf eine Temperatur wenig unterhalb des Schmelzpunkts des Poly­ mers erhitzt wurde. Die Schichtdicke wird so gewählt, daß nach dem folgenden Laser-Sintern eine Schmelzschicht entsteht. Der Laser sin­ tert nach den Vorgaben des Rechners die Pulverteilchen zusammen. Da­ nach wird der Teller um den Betrag der Schichtdicke, üblicherweise 0,2 bis 2 mm, abgesenkt. Mit dem Aufbringen einer neuen Pulver­ schicht wiederholt sich der Vorgang. Nach Ablauf der vorgewählten Anzahl von Zyklen entsprechend der vorgesehenen Zahl von Schichten ist ein Block entstanden, der äußerlich aus Pulver besteht. In sei­ nem Inneren beherbergt er eine hochviskose Schmelze in der Form des gewünschten Formteils. Nicht aufgeschmolzene Bereiche, in denen das Pulver noch in fester Form vorliegt, stabilisieren die Form der Schmelze.

Danach wird der Block, bestehend aus Pulverhülle und Schmelze, lang­ sam abgekühlt, und die Schmelze erstarrt bei Unterschreitung der Erstarrungstemperatur des Polymeren. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Block so lange bei der Erstarrungstemperatur gehalten wird, bis die Phasenumwandlung abgeschlossen ist. Dies wird erreicht, indem im Temperaturbereich der Phasenumwandlung eine geringe Abkühlrate ge­ wählt wird, so daß die freiwerdende Erstarrungswärme den Formkörper im Inneren des Blocks bis zum Abschluß der Phasenumwandlung exakt auf der Erstarrungstemperatur hält. Nach Abkühlen wird der Block aus der Sinterkammer genommen und der Formkörper vom ungesinterten Poly­ merpulver getrennt. Das Pulver kann wieder für den Prozeß eingesetzt werden.

Die Anforderungen an ein optimales Polymer für das Lasersintern sind:

• - Möglichst hohe Differenz zwischen Schmelztemperatur und Erstar­ rungstemperatur. Da die Erstarrungstemperatur bei reinen Polymer­ pulvern durch die physikalischen Grunddaten festgelegt ist, bedeutet die Schmelzpunkterhöhung durch Bildung einer neuen Kri­ stallmodifikation einen großen Vorteil. Je größer die Differenz, um so geringer ist der Schwund beim Erstarren und um so genauer trifft man die gewünschten Maße des Formkörpers. Eine Senkung der Erstarrungstemperatur durch Additive oder Comonomere geht in der Regel zu Lasten der mechanischen Endeigenschaften.
• - Möglichst hohe Schmelzenthalpie. Dadurch wird verhindert, daß Pulverteilchen, die sich in Nachbarschaft zu vom Laserstrahl ge­ troffenen Teilchen befinden, durch nicht zu verhindernde Wärme­ leitung angeschmolzen werden und damit außerhalb des gewünschten Bereichs ein Sintern stattfindet.

Das am häufigsten eingesetzte pulverförmige Polymer ist Polyamid 11 (PA 11); andere verwendete Polymere sind Polyamid 6. Polyacetale, Polypropylen, Polyethylen und Ionomere. Auch Polycarbonate und Poly­ styrol sind bereits verwendet worden. Neben ihrer chemischen Natur sind auch physikalische Parameter mitbestimmend für die Eignung der Polymerpulver. In WO 95/11006 wird ein für das Laser-Sintern geeig­ netes Polymerpulver beschrieben, das bei der Bestimmung des Schmelz­ verhaltens durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC) bei einer Scanning-Rate von 10-20°C/min keine Überlappung des Schmelzpeaks und des Erstarrungspeaks zeigt, einen ebenfalls durch DSC bestimmten Kristallinitätsgrad von 10 bis 90% aufweist, ein zahlendurchschnitt­ liches Molekulargewicht Mn von 30.000 bis 500.000 hat und dessen Quotient Mw/Mn im Bereich von 1 bis 5 liegt. Nach WO 96/04335 wird dieses Pulver zusammen mit einem verstärkenden Pulver verwendet, dessen Schmelzpunkt erheblich höher liegt als der des Polymers, z. B. mit Glaspulver.

Es wurde nun gefunden, daß sich Formkörper durch selektives Laser-Sintern von pulverförmigem Material vorteilhaft herstellen lassen, wenn man als pulverförmiges Material ein Polyamid 12 mit folgenden Parametern:
Schmelztemperatur: 185-189°C
Schmelzenthalpie: 112±17 J/g
Erstarrungstemperatur: 138-143°C
verwendet.

Ein bevorzugtes Polyamid 12 weist die folgenden Parameter auf:
Schmelztemperatur: 186-188°C
Schmelzenthalpie: 100-125 J/g
Erstarrungstemperatur: 140-142°C.

Die verschiedenen Parameter wurden mittels DSC nach DIN 53 765, AN-SAA 0663 bestimmt. Die Messungen wurden mit einem Perkin Elmer DSC 7 mit Stickstoff als Spülgas und einer Aufheizrate sowie Abkühl­ rate von jeweils 20 K/min durchgeführt. Der Temperaturmeßbereich be­ trug -30°C bis +210°C.

Die erfindungsgemäße Verwendung des speziellen PA 12-Pulvers für das Laser-Sintern ist mit Vorteilen verbunden, welche Pulver nach dem Stand der Technik nicht oder nur in geringerem Maße aufweisen. Dies gilt Oberraschenderweise auch für das übliche PA 12 sowie für das weithin als Pulver für selektives Laser-Sintern verwendete PA 11. Für diese Polyamide sowie für erfindungsgemäße PA 12-Typen wurden die folgenden, für das Laser-Sintern relevanten Daten gemessen:

Die Tabelle zeigt, daß das erfindungsgemäße PA 12 die günstigste Kombination aus (möglichst großer) Differenz von Schmelz- und Er­ starrungstemperatur sowie (möglichst großer) Schmelzenthalpie zeigt. Daher kann die Temperatur in der Sinterkammer höher gehalten werden als bei den handelsüblichen Polyamiden. Im Ergebnis ist der Schwund beim Erstarren (Curl) niedriger und die Maßhaltigkeit der Formkörper höher als bei Verwendung dieser anderen Polyamide.

Formkörper aus dem erfindungsgemäß verwendeten Pulver haben eine so gute Oberfläche, daß sie für viele Zweck keiner Nachbehandlung bedürfen. Zudem ist die Maßhaltigkeit der Formkörper besser als die von Formkörpern aus anderen Polyamiden. Wegen des verhältnismäßig scharfen Schmelzpeaks kann die Temperatur in der Form unschwer kurz unterhalb der Schmelztemperatur gehalten werden. Man muß also nicht unnötig viel Energie über den Laser einbringen und braucht trotzdem nicht zu befürchten, daß Teilchen in den nicht vom Laserstrahl über­ strichenen Zonen zusammenbacken. Das Pulver in diesen Zonen eignet sich aus diesem Grunde besser zur Wiederverwendung als Pulver aus üblichem PA 12 oder aus PA 11. Nach dem Schmelzen des erfindungsge­ mäß zu verwendenden PA 12-Pulvers ist das flüssige Produkt wegen des höheren Schmelzpunktes deutlich niedrigerviskos als eine Schmelze aus üblichem PA 12 mit einer Temperatur, die entsprechend über des­ sen Schmelztemperatur liegt. Die Formkörper weisen vergleichsweise wenige Poren auf, was sich dadurch bemerkbar macht, daß ihre Dichte nur wenig unter der Dichte konventionell (d. h. durch Spritzguß, Extrudieren usw.) hergestellten Formkörper liegt. Entsprechend hoch ist die Festigkeit der Formkörper. PA 12 besitzt eine sehr große Zä­ higkeit, so daß die Formkörper hoch belastbar sind. Weiterhin ist die Wasseraufnahme von PA 12 sehr gering, so daß die Formkörper nicht zum Quellen neigen, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen.

Das in dem Verfahren nach der Erfindung verwendete PA 12-Pulver ist an sich bekannt und wird zweckmäßig nach dem Verfahren der DE 29 06 647 B1 hergestellt. Dabei löst man PA 12 in Ethanol und läßt es un­ ter bestimmten Bedingungen auskristallisieren, wodurch ein Pulver mit Teilchengrößen im µm-Bereich erhalten wird.

Hinsichtlich der übrigen Stoffparameter des PA 12 sowie der Verfah­ rensbedingungen des selektiven Laser-Sinterns weist das erfindungs­ gemäße Verfahren keine Besonderheiten auf. Die mittlere Teilchengrö­ ße und die Teilchengrößenverteilung bestimmen u. a. die Oberflächen­ toleranzen, die stets größer sind als der mittlere Teilchendurchmes­ ser. Die PA 12-Pulver haben im allgemeinen mittlere Teilchengrößen von 50 bis 150 µm. Gegebenenfalls werden die Teilchen des wie zuvor beschrieben erhaltenen PA 12 durch Mahlen weiter zerkleinert und be­ darfsgerecht klassiert.

Die Verfahrensparameter, wie Schichtdicke, Temperatur in der Form, Stärke der Laserstrahlung, Abstand der Schicht von der Strahlungs­ quelle, Bestrahlungszeit und Zyklusfrequenz, lassen sich für einen gegebenen Formkörper durch orientierende Versuche unschwer ermit­ teln.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern durch selektives Laser-Sintern von pulverförmigem Material, dadurch gekennzeichnet, daß man als pulverförmiges Material ein Polyamid 12 mit folgenden Parametern:
Schmelztemperatur: 185-189°C
Schmelzenthalpie: 112±17 J/g
Erstarrungstemperatur: 138-143°C
verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid 12 die folgenden Parameter:
Schmelztemperatur: 186-188°C
Schmelzenthalpie: 100-125 J/g
Erstarrungstemperatur: 140-142°C
aufweist.