WO2011051250A1 - Lasersinterpulver aus polyoxymethylen, verfahren zu dessen herstellung und formkörper, hergestellt aus diesem lasersinterpulver - Google Patents

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Claus Dallner
Steffen Funkhauser
Frank Müller
Jürgen DEMETER
Mark VÖLKEL
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BASF SE
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Definitions

  • Laser sintering powder of polyoxymethylene process for its production and shaped body, produced from this laser sintering powder
  • the invention relates to a powder of polyoxymethylene (POM) for use in a selective laser sintering process, a process for its production and molded articles produced from this powder by a selective laser sintering process.
  • POM polyoxymethylene
  • SLS selective laser sintering
  • polyamide 12 powder PA 12
  • PA 12 polyamide 12 powder
  • other thermoplastic materials such as polystyrene or polycarbonate are available in powder form, they provide components with high porosity and poor mechanical properties.
  • Disadvantages of the currently used polyamide powders are often also the unsatisfactory mechanical properties and the glass transition temperature in the often application-relevant range of about 60 ° C.
  • yellowing occurs in the moldings. These can subsequently occur on the finished component, provided the components are exposed to strong irradiation with UV-containing light or long direct sunlight.
  • a yellowish tint can also be caused by the long and strong thermal load during laser sintering itself. This effect is especially observed when large amounts of powdered powder, which is a laser-sintered powder that has already been used but not melted, are used.
  • the yellowing is often accompanied by a deterioration of the mechanical properties, since it comes to the aging of the material. Aging can occur e.g. embrittlement, a decrease in the elongation at break or a decrease in notched impact strength.
  • US Pat. No. 5,342,919 describes laser sintering powders of polyamide, polybutylene terephthalate or polyacetal and their use for the production of molded parts by SLS.
  • the average particle size of more than 80% of the powder is ⁇ 53 ⁇ and the remaining particles have a size of 53 to 180 ⁇ .
  • the number average of the polymer is from 30,000 to 500,000 and the molecular weight distribution M w / M n is from 1 to 5.
  • the moldings are characterized by only low porosity compared to dense non-porous injection molded articles.
  • Rietzel et al. (Kunstscher international 2/2008, pp. 65-86) report on plastic powders made of POM for the SLS and on components manufactured from them by SLS.
  • the POM sintering powder is obtained by cryogenic milling of commercially available semicrystalline thermoplastics in granular form, with a high yield of particles under 100 ⁇ was sought.
  • tensile bars made from this POM laser sintering powder have a higher strength at a lower elongation at break.
  • Object of the present invention is to provide a powder for selective laser sintering, which has an improved flowability and by its use In the SLS process moldings or components with improved mechanical properties can be produced.
  • the invention relates to a powder of POM for selective laser sintering, characterized in that the powder has the following parameters: isothermal crystallization time (at 152 ° C)> 3 min
  • the isothermal crystallization time was determined by DSC according to DIN 53765.
  • the molecular weight (number average Mn and weight average Mw) was determined by size exclusion chromatography in hexafluoroisopropanol and 0.05% trifluoroacetic acid potassium salt as solvent, calibrated with PMMA standards.
  • the MVR (melt volume rate) was determined at 190 ° C for 2.16 kg according to ISO 1 133.
  • the particle size was determined by a laser diffraction spectrometer.
  • the POM powder according to the invention preferably has a weight average Mw of 85,000-105,000 g / mol.
  • the ratio Mw / Mn is preferably 3.7 to 4.5.
  • the MVR is preferably 30 - 50 [cm 3/10 min]. It is further preferred that the particle size of the powder is 40 to 100 ⁇ m, particularly preferably 60 to 80 ⁇ m.
  • the isothermal crystallization time at 152 ° C is generally greater than 3 minutes
  • the powder according to the invention may optionally comprise additives such as at least one adjuvant, at least one filler and / or at least one pigment.
  • auxiliaries may be, for example, flow aids, such as, for example, fumed silica or precipitated silica.
  • Pyrogenic silica fumed silica
  • Aerosil ® with various specifications by Degussa AG.
  • powder according to the invention has less than 3% by mass, preferably 0.001 to 2% by mass and very particularly preferably 0.05 to 1% by mass of such additives, based on the total sum of the polyoxymethylene.
  • the fillers may, for example, glass, metal, in particular A- aluminum or ceramic particles, such as solid or hollow glass spheres, steel balls, aluminum balls or metal grit or colored pigments, such as transition metal oxides. Further additives may be stabilizers, absorbers or flame retardants.
  • the filler particles in this case preferably have a smaller or approximately the same size average grain size as the POM particles.
  • the average particle size d50 of the fillers should not fall below the median particle size d50 of the POM by more than 20%, preferably by not more than 15% and most preferably by not more than 5%.
  • the particle size is limited to the top in particular by the layer thickness and down by the manufacturing process and too small particles too high adhesive interaction and thus low flowability.
  • the additives are incorporated by mixing into the POM powder. Basically, all types of mixers are suitable for this; It is preferred to use a high speed mixer that allows high shear during mixing and thus significantly shortens the mixing time (less than 45 minutes).
  • Another object of the invention is a process for the preparation of the inventive powder, which is characterized in that a polyoxymethylene molding composition, characterized by the following parameters: isothermal crystallization time (at 152 ° C)> 3 min
  • polyoxymethylene is meant a polyoxymethylene homopolymer or copolymer. Such polymers are known in the art and described in the literature.
  • these polymers have at least 50 mole percent of recurring units -CH 2 O- in the polymer backbone.
  • the homopolymers are generally prepared by polymerization of formaldehyde or trioxane, preferably in the presence of suitable catalysts.
  • R 1 R where R 1 to R 4 are independently of one another a hydrogen atom, a C 1 -C 4 -alkyl group or a halogen-substituted alkyl group having 1 to 4 C atoms and R 5 is a -CH 2 -, CH 2 0-, a C 1 -C 4 -alkyl radical or Ci-C 4 -haloalkyl substituted methylene group or a corresponding oxymethylene group and n has a value in the range of 0 to 3.
  • these groups can be introduced into the copolymers by ring opening of cyclic ethers.
  • Preferred cyclic ethers are those of the formula
  • R 1 to R 5 and n have the abovementioned meaning.
  • Only examples are ethylene oxide, 1, 2-propylene oxide, 1, 2-butylene oxide, 1, 3-butylene oxide, 1, 3-dioxane, 1, 3-dioxolane and 1, 3-dioxepane called cyclic ethers and linear oligo- or polyformals such as polydioxolane or polydioxepan called comonomers.
  • Preferred monomers of this type are ethylene diglycide, diglycidyl ether and diether from glycidylene and formaldehyde, dioxane or trioxane in the molar ratio 2: 1 and diether from 2 mol glycidyl compound and 1 mol of an aliphatic diol having 2 to 8 carbon atoms such as the diglycidyl ethers of ethylene glycol, 1 , 4-butanediol, 1, 3-butanediol, cyclobutane-1, 3-diol, 1, 2-propanediol and cyclohexane-1, 4-diol, to name just a few examples.
  • the molecular weight of the homo- and copolymers described above can be adjusted by the use of acetals of formaldehyde (chain transfer agent). These also lead to the formation of etherified end groups of the polymer, so that a separate reaction with capping reagents is unnecessary.
  • the chain transfer agents used are monomeric or oligomeric acetals of formaldehyde.
  • Preferred chain transfer agents are compounds of the formula R 1 - (O-CH 2 ) q-O-R 2 , in which R 1 and R 2 independently of one another are monovalent organic radicals, preferably alkyl radicals, such as butyl, propyl, ethyl and methyl, and q is a whole Number from 1 to 100 mean.
  • the chain transfer agents are usually used in amounts of up to 5,000 ppm, preferably from 100 to 3,000 ppm, based on the monomer (mixture).
  • the POM may contain up to 50% by weight (based on 100% by weight POM) of other additives.
  • Suitable additives are, for example:
  • Polyamides especially mixed polyamides
  • Alkaline earth silicates and alkaline earth glycerophosphates Alkaline earth silicates and alkaline earth glycerophosphates
  • Esters or amides of saturated aliphatic carboxylic acids are esters or amides of saturated aliphatic carboxylic acids
  • Fillers such as glass fibers, nanotubes, wollastonite, chalk, preferably with boric acid or its derivatives as synergists,
  • EPM ethylene-propylene
  • EPDM ethylene-propylene-diene
  • the amount of additives depends on the additive used and the effect desired. The person skilled in the usual amounts are known. If used, the additives are added in the customary manner, for example individually or together, as such, as a solution or suspension or preferably as a masterbatch.
  • the POM molding composition can be prepared in a single step, for example by mixing the POM and, if appropriate, the additives in an extruder, kneader, mixer or another suitable mixing device while melting the POM, discharging the mixture and then granulating normally.
  • the POM molding compound can be used as chips, powders, beads, lenses, preferably as granules.
  • the POM molding compound used as feed material for the cold grinding is preferably used in granular form.
  • Cold grinding as such, also called cryogen milling, is known (for example DE 4421454 A1).
  • the cooling can be done for example with the aid of liquid nitrogen. It is advantageous already to cool the feed material, for example, to temperatures of -130 to -1 10 ° C, whereby a homogeneous cooling is achieved in the mill.
  • the cold grinding of the POM molding compound is generally carried out with a rotor mill, wherein to achieve a mean particle size of 60 ⁇ a counter-rotating pin mill is preferably used.
  • the counter-rotating pin mill is a rotor mill whose grinding discs are occupied by concentrically arranged pins. As both discs rotate, speeds of rotation of at least 200 to 250 m / s can be achieved.
  • a suitable pin mill is, for example, the model Contraplex 160 C Hosokawa Alpine GmbH.
  • the millbase After the cold grinding, the millbase generally has a mean particle size d50 of 60 ⁇ m.
  • Particles having a size of less than 30 ⁇ m (fine fraction) and particles having a size greater than 130 ⁇ m (coarse fraction) are separated from the millbase, the coarse fraction and then the fine fraction generally being separated off in two steps.
  • the fractionation of the millbase can be carried out, for example, by screening with a tumbler screening machine (suitable only for coarse fraction) or preferably by air classification with a deflector wheel air classifier.
  • a Micron MS-1 air classifier from Hosokawa is suitable.
  • Another object of the invention is the use of the powder according to the invention for the production of moldings by selective laser sintering and moldings, prepared by an SLS process using the POM powder according to the invention.
  • the selective laser-sintering processes are well known and rely on the selective sintering of polymer particles wherein layers of polymer particles are exposed briefly to laser light, thus fusing the polymer particles exposed to the laser light.
  • the polymer powder is applied in layers, the powder lying within the cut surface with the component is selectively melted with the laser beam and firmly connected to the underlying melt layer.
  • the unfused powder supports the produced melt. It thus forms the mold for the melt-shaped component.
  • the successive sintering of layers of polymer particles produces three-dimensional objects.
  • the powder cake with the internal components is cooled and the components solidify.
  • the surrounding powder can be removed and the component after treatment steps such. B. the glass bead blasting, tro- waling and painting are supplied. Details of the method of selective laser sintering are e.g. the documents US 6,136,948 and WO 96/06881.
  • the layer thickness of the POM powder according to the invention is preferably 0.08 to 0.20 mm.
  • the laser power used for the SLS of the POM powder according to the invention is preferably 7-10 W.
  • the scan width, ie the line spacing of the laser, is preferably 0.08 to 0.15 mm.
  • the SLS process is isothermal, that is melt and powder can coexist, performed, that is, the building process takes place in a two-phase mixed state.
  • the suitable installation space temperature for the POM powder according to the invention is 152 to 154.degree.
  • the POM granules were cooled to -120 ° C via a metering and conveying line and then at low temperatures (-50 ° C) in a counter-rotating pin mill of the Hosskawa Alpine Contraplex 160 C type with a rotor speed of 202 m / s a particle size of at most 250 ⁇ milled.
  • the millbase was then subjected to coarse and fines separation of an air classifier with a MS-1 deflector wind classifier from Hosokawa.
  • the particle size was measured by a Mastersizer S laser diffraction spectrometer from Malvern Instruments Ltd. determined.
  • the proportion of the Nutzguts that is, the desired fraction of particle sizes of 30 to 130 ⁇ or 40 to 100 ⁇ , was 94% and 82%.
  • the powder thus obtained had an average particle size of 60 ⁇ m.
  • a 20x20 cm open-top box was provided with a bottom, which is adjustable via a spindle.
  • the floor was moved to half an inch to the top edge; the remaining space was filled with the POM powder according to the invention and smoothed with a doctor blade.
  • the layer thickness was 0.1 mm.
  • the apparatus was placed in the installation space of a C0 2 laser sintering unit from 3DSystems, and the contours of 3 lying tensile bars (shoulder bars according to DIN EN ISO 3167 Type A) were lasered into the powder layer per layer.
  • the installation space temperature was 154 ° C. Test series V1 to V4 with different laser power and scan width of the laser were performed (see FIG. 1).
  • the tensile tests were carried out in accordance with DIN EN ISO 527-1, -2.
  • the take-off speed was 5 mm / min.
  • FIG. 1 shows the mechanical properties of the tension rods which were produced from the laser-sintered POM powder according to Example 1.
  • V1 2x5W; 4.5 W; 0.15 mm
  • V2 9W; 4.5 W; 0.08 mm
  • V3 9 W; 4.5 W; 0.15 mm
  • V4 10W; 4.5 W; 0.08 mm
  • FIG. 1 shows that tensile bars made from the POM powder according to the invention have a significantly improved elongation at break compared with POM samples according to the prior art [Rietzel et al. (Kunststoffe international 2/2008, p. 67)].
  • the elongation at break of tension rods according to V3 is about twice as high with about 5%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pulver aus Polyoxymethlen (POM) zur Verwendung in einem Selektiven Lasersinterverfahren, welches die folgenden Parameter aufweist: isotherme Kristallisationszeit (bei 152 °C) > 3 min, Mn 22000 - 25000 g/mol, Mw 60000 - 140000 g/mol, Mw/Mn 3 - 5, MVR 15 - 70 [cm3/10 min], Mittlere Teilchengröße d50 60 μm, Teilchengröße 30 - 130 μm. Darüber hinaus werden ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie Formkörper, hergestellt aus diesem Pulver durch einen Selektiven Lasersinterprozess beschrieben.

Description

Lasersinterpulver aus Polyoxymethylen, Verfahren zu dessen Herstellung und Formkörper, hergestellt aus diesem Lasersinterpulver
Beschreibung
Die zügige Bereitstellung von Prototypen ist eine in der jüngsten Zeit häufig gestellte Aufgabe. Besonders geeignet sind Verfahren, die auf der Basis von pulverförmigen Werkstoffen arbeiten, und bei denen schichtweise durch selektives Aufschmelzen und Verfestigen die gewünschten Strukturen hergestellt werden. Die Verfahren sind auch für die Herstellung von Kleinserien geeignet.
Die Erfindung betrifft ein Pulver aus Polyoxymethlen (POM) zur Verwendung in einem Selektiven Lasersinterverfahren, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie Formkör- per, hergestellt aus diesem Pulver durch einen Selektiven Lasersinterprozess.
Ein Verfahren, welches besonders gut für den Zweck des Rapid Prototypings geeignet ist, ist das selektive Laser-Sintern (SLS). Bei diesem Verfahren werden Kunststoffpul- ver oder mit Kunststoff ummantelte Metall-, oder Keramikpulver, oder mit Kunststoff ummantelter Sand in einer Kammer selektiv kurz mit einem Laserstrahl belichtet, wodurch die Pulver-Partikel, die von dem Laserstrahl getroffen werden, schmelzen. Die geschmolzenen Partikel verlaufen ineinander und erstarren schnell wieder zu einer festen Masse. Durch wiederholtes Belichten von immer neu aufgebrachten Schichten können mit diesem Verfahren dreidimensionale Körper auch komplexer Geometrie einfach und schnell hergestellt werden.
Das Verfahren des Laser-Sinterns (Rapid Prototyping) zur Darstellung von Formkörpern aus pulverförmigen Polymeren wird ausführlich in den Schriften US 6,136,948 und WO 96/06881 (beide DTM Corporation) beschrieben. Eine Vielzahl von Polymeren und Copolymeren kann für diese Anwendung eingesetzt werden, wie z.B. Polyacetat, Polypropylen, Polyethylen, lonomere und Polyamid. Voraussetzung für die Verarbeitung im SLS ist, dass der Werkstoff als feines Pulver vorliegt.
In der Praxis wird beim Laser-Sintern vor allem Polyamid 12-Pulver (PA 12) für die Herstellung von Formkörpern verwendet (DE-A 4421454, EP-A 0 91 1 142). Andere thermoplastische Werkstoffe wie etwa Polystyrol oder Polycarbonat sind zwar pulver- förmig erhältlich, liefern jedoch Bauteile mit großer Porosität und schlechten mechanischen Eigenschaften. Nachteilig an den derzeit eingesetzten Polyamid-Pulvern sind häufig ebenfalls die unbefriedigenden mechanischen Eigenschaften sowie die Glasübergangstemperatur im oft anwendungsrelevanten Bereich von ca. 60°C. Weiterhin treten bei den Formkörpern Vergilbungen auf. Diese können nachträglich am fertigen Bauteil entstehen, sofern die Bauteile starker Bestrahlung mit UV-haltigem Licht oder auch langer direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden.
Ein gelblicher Farbstich kann aber auch bereits durch die lange und starke thermische Belastung beim Lasersintern selbst entstehen. Dieser Effekt wird insbesondere dann beobachtet, wenn große Anteile an Rückpulver, welches ein Laser-Sinter-Pulver ist, das bereits eingesetzt, aber dabei nicht aufgeschmolzen wurde, verwendet werden. Mit der Vergilbung geht häufig eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften einher, da es zur Alterung des Materials kommt. Die Alterung kann sich z.B. durch eine Versprödung, eine Abnahme der Reißdehnung oder eine Abnahme der Kerbschlagzä- higkeit bemerkbar machen.
In dem US-Patent 5,342,919 werden Lasersinterpulver aus Polyamid, Polybutylente- rephthalat oder Polyacetal und deren Verwendung zur Herstellung von Formteilen durch SLS beschrieben. Die mittlere Teilchengröße von mehr als 80% des Pulvers ist < 53 μηη und die restlichen Teilchen haben eine Größe von 53 bis 180 μηη. Das Zahlenmittel des Polymers beträgt 30.000 bis 500.000 und die Molekulargewichtsverteilung Mw/Mn beträgt 1 bis 5. Die Formteile zeichnen sich durch eine nur geringe Porosität im Vergleich zu dichten nicht porösen Spritzgussartikeln aus. Rietzel et al. (Kunststoffe 2/2008, S. 65-86) berichten über Kunststoffpulver aus POM für das SLS und über daraus durch SLS hergestellte Bauteile. Das POM Sinterpulver wird durch kryogenes Mahlen von käuflich erhältlichen teilkristallinen Thermoplasten in Granulatform erhalten, wobei eine hohe Ausbeute an Partikeln unter 100 μηη angestrebt wurde. Im Vergleich zu Zugstäben aus dem kommerziell erhältlichen Lasersin- terpulver PA 2200 (Hersteller: EOS GmbH, Krailling) weisen Zugstäbe aus diesem POM-Lasersinterpulver bei niedrigerer Bruchdehnung eine höhere Festigkeit auf.
Die mechanischen Eigenschaften des von Rietzel et al. beschriebenen POM- Sinterpulvers wie z.B. die Bruchdehnung sind jedoch weiterhin verbesserungsbedürftig. Nachteilig ist auch die nicht zufrieden stellende Rieselfähigkeit dieses POM- Sinterpulvers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Pulver für selektives Lasersintern bereitzustellen, das eine verbesserte Rieselfähigkeit aufweist und durch dessen Verwendung im SLS-Verfahren Formkörper bzw. Bauteile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können.
Es wurde nun gefunden, dass diese Aufgabe durch ein spezielles Polyoxymethylen- Pulver gelöst werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Pulver aus POM für selektives Lasersintern, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver die folgenden Parameter aufweist: isotherme Kristallisationszeit (bei 152 °C) > 3 min
Mn 22000 - 25000 g/mol
Mw 60000 - 140000 g/mol
Mw/Mn 3 - 5
MVR 15 - 70 [cm3/10 min]
Mittlere Teilchengröße d50 60 μηη
Teilchengröße 30 - 130 μηι.
Die isotherme Kristallisationszeit wurde mittels DSC nach der DIN 53765 bestimmt. Die Molmasse (Zahlenmittel Mn und Gewichtsmittel Mw) wurde durch Größe- nausschlusschromatographie in Hexafluorisopropanol und 0,05% Trifluoressigsäure- Kaliumsalz als Lösungsmittel bestimmt, wobei mit PMMA-Standards kalibriert wurde. Die MVR (Schmelzevolumenrate) wurde bei 190°C für 2,16 kg ermittelt gemäß ISO 1 133. Die Teilchengröße wurde durch ein Laserbeugungsspektrometer ermittelt. Bevorzugt weist das erfindungsgemäße POM-Pulver ein Gewichtsmittel Mw von 85000 - 105000 g/mol. Das Verhältnis Mw/Mn beträgt bevorzugt 3,7 bis 4,5. Die MVR beträgt bevorzugt 30 - 50 [cm3/10 min]. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Teilchengröße des Pulvers 40 bis 100 μηη, besonders bevorzugt 60 bis 80 μηη, beträgt. Die isotherme Kristallisationszeit bei 152°C ist im Allgemeinen größer 3 Minuten und bevorzugt größer 5 Minuten.
Das erfindungsgemäße Pulver kann gegebenenfalls Additive wie zumindest einen Hilfsstoff, zumindest einen Füllstoff und/oder zumindest ein Pigment aufweisen. Solche Hilfsstoffe können z.B. Rieselhilfsmittel, wie z.B. pyrogenes Siliziumdioxid oder auch gefällte Kieselsäure sein. Pyrogenes Siliziumdioxid (pyrogene Kieselsäure) wird zum Beispiel unter dem Produktnamen Aerosil®, mit unterschiedlichen Spezifikationen, durch die Degussa AG angeboten. Vorzugsweise weist erfindungsgemäßes Pulver weniger als 3 Massen-%, vorzugsweise 0,001 bis 2 Massen-% und ganz besonders bevorzugt 0,05 bis 1 Massen-% solcher Zusatzstoffe bezogen auf die Gesamtsumme des Polyoxymethylens auf. Die Füllstoffe können z.B. Glas-, Metall-, insbesondere A- luminium- oder Keramikpartikel, wie z.B. massive oder hohle Glaskugeln, Stahlkugeln, Aluminiumkugeln oder Metallgrieß oder auch Buntpigmente, wie z.B. Übergangsmetalloxide sein. Weitere Zusatzmittel können Stabilisatoren, Absorber oder Flammschutzmittel sein.
Die Füllstoffpartikel weisen dabei vorzugsweise eine kleinere oder ungefähr gleich große mittlere Korngröße wie die POM-Partikel auf. Vorzugsweise sollte die mittlere Korngröße d50 der Füllstoffe die mittlere Korngröße d50 des POM um nicht mehr als 20 %, vorzugsweise um nicht mehr als 15 % und ganz besonders bevorzugt um nicht mehr als 5 % unterschreiten. Die Partikelgröße ist nach oben insbesondere durch die Schichtdicke und nach unten durch das Herstellverfahren sowie bei zu kleinen Partikeln die zu hohe adhäsive Wechselwirkung und somit geringe Rieselfähigkeit limitiert.
Die Additive werden durch Mischen in das POM-Pulver eingebracht. Grundsätzlich sind dazu alle Arten von Mischern geeignet; bevorzugt wird ein Schnellmischer verwendet, der eine hohe Scherung während der Mischung ermöglicht und somit die Mischdauer (weniger als 45 Minuten) erheblich verkürzt.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungs gemäßen Pulvers, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Polyoxymethylen formmasse, charakterisiert durch die folgenden Parameter: isotherme Kristallisationszeit (bei 152 °C) > 3 min
Mn 22000 - 25000 g/mol
Mw 60000 - 140000 g/mol
Mw/Mn 3 - 5
MVR 15 - 70 [cm3/10 min]; zunächst einer Kaltmahlung unterzogen wird,
dann von dem erhaltenen POM-Mahlgut der Grob- und Feinanteil abgetrennt und der POM-Nutzanteil von Teilchen der Größe 30 - 130 μηη erhalten wird.
Unter Polyoxymethylen ist ein Polyoxymethylenhomo oder -copolymerisat zu verstehen. Derartige Polymerisate sind dem Fachmann an sich bekannt und in der Literatur beschrieben.
Ganz allgemein weisen diese Polymere mindestens 50 mol-% an wiederkehrenden Einheiten -CH20- in der Polymerhauptkette auf. Die Homopolymeren werden im Allgemeinen durch Polymerisation von Formaldehyd oder Trioxan hergestellt, vorzugsweise in der Gegenwart von geeigneten Katalysatoren. Im Rahmen der Erfindung werden Polyoxymethylencopolymere bevorzugt, insbesondere solche, die neben den wiederkehrenden Einheiten -CH20 noch bis zu 50, vorzugsweise 0,1 bis 20, insbesondere 0,3 bis 10 mol-% und ganz besonders bevorzugt 0,2 bis 2,5 mol-% an wiederkehrenden Einheiten aufweisen,
RJ
I
O c (R5)n-
R1 R wobei R1 bis R4 unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, eine CrC4-Alkylgruppe oder eine halogensubstituierte Alkylgruppe mit 1 bis 4 C-Atomen und R5 eine -CH2-, CH20-, eine d-C4-Alkyl- oder Ci-C4-Haloalkyl substituierte Methylengruppe oder eine entsprechende Oxymethylengruppe darstellen und n einen Wert im Bereich von 0 bis 3 hat. Vorteilhafterweise können diese Gruppen durch Ringöffnung von cyclischen Ethern in die Copolymere eingeführt werden. Bevorzugte cyclische Ether sind solche der Formel
Figure imgf000006_0001
wobei R1 bis R5 und n die oben genannte Bedeutung haben. Nur beispielsweise seien Ethylenoxid, 1 ,2-Propylenoxid, 1 ,2-Butylenoxid, 1 ,3-Butylenoxid, 1 ,3-Dioxan, 1 ,3- Dioxolan und 1 ,3-Dioxepan als cyclische Ether genannt sowie lineare Oligo- oder Polyformale wie Polydioxolan oder Polydioxepan als Comonomere genannt.
Ebenfalls geeignet sind Oxymethylenterpolymerisate, die beispielsweise durch Umsetzung von Trioxan, einem der vorstehend beschriebenen cyclischen Ether mit einem dritten Monomeren, vorzugsweise bifunktionellen Verbindungen der Formel
Figure imgf000007_0001
und/oder
Figure imgf000007_0002
wobei Z eine chemische Bindung, -O-, -ORO- (R = Crbis C8-Alkylen oder C3-bis C8- Cycloalkylen) ist, hergestellt werden.
Bevorzugte Monomere dieser Art sind Ethylendiglycid, Diglycidylether und Diether aus Glycidylen und Formaldehyd, Dioxan oder Trioxan im Molverhaltnis 2 : 1 sowie Diether aus 2 mol Glycidylverbindung und 1 mol eines aliphatischen Diols mit 2 bis 8 C-Atomen wie beispielsweise die Diglycidylether von Ethylenglykol, 1 ,4-Butandiol, 1 ,3-Butandiol, Cyclobutan-1 ,3-diol, 1 ,2-Propandiol und Cyclohexan-1 ,4-diol, um nur einige Beispiele zu nennen.
Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Homo- und Copolymerisate sind dem Fachmann bekannt und in der Literatur beschrieben, so dass sich hier nähe- re Angaben erübrigen.
Das Molekulargewicht der vorstehend beschriebenen Homo- und Copolymerisate lässt sich durch Einsatz von Acetalen des Formaldehyds (Kettenüberträger) einstellen. Diese führen auch zum Entstehen von veretherten Endgruppen des Polymeren, so dass eine separate Umsetzung mit Verkappungsreagenzien entbehrlich ist.
Als Kettenüberträger werden monomere oder oligomere Acetale des Formaldehyds eingesetzt. Bevorzugte Kettenüberträger sind Verbindungen der Formel R1-(0-CH2)q-0-R2, worin R1 und R2 unabhängig voneinander einwertige organische Reste, vorzugsweise Alkylreste, wie Butyl, Propyl, Ethyl und Methyl, und q eine ganze Zahl von 1 bis 100 bedeuten. Besonders bevorzugte Kettenüberträger sind Verbindungen der vorgenannten Formel, worin q = 1 ist, ganz besonders bevorzugt sind Butylal, Propylal, Ethylal und Methylal,.
Die Kettenüberträger werden üblicherweise in Mengen von bis zu 5.000 ppm, vor- zugsweise von 100 bis 3.000 ppm, bezogen auf das Monomer(gemisch), eingesetzt.
Das POM kann bis zu 50 Gew.-% (bezogen auf 100 Gew.-% POM) sonstiger Additive enthalten. Geeignete Additive sind beispielsweise:
Talkum,
Polyamide, insbesondere Mischpolyamide,
Erdalkalisilikate und Erdalkaliglycerophosphate,
Ester oder Amide gesättigter aliphatischer Carbonsäuren,
- Ether, die sich von Alkoholen und Ethylenoxid ableiten,
unpolare Polypropylenwachse,
Nukleierungsmittel,
Füllstoffe wie Glasfasern, Nanotubes, Wollastonit, Kreide, vorzugsweise mit Borsäure oder deren Derivaten als Synergisten,
- schlagzäh modifizierende Polymere, insbesondere solche auf Basis von Ethylen- Propylen (EPM)- oder Ethylen-Propylen-Dien (EPDM)-Kautschuken oder thermoplastischen Polyurethanen,
Flammschutzmittel,
Weichmacher,
- Haftvermittler,
Farbstoffe und Pigmente,
weitere Formaldehyd-Fänger, Zeolithe oder Polyethylenimine, oder Melamin- Formaldehyd-Kondensate,
Antioxidantien, insbesondere solche mit phenolischer Struktur, Benzophenonde- rivate, Benzotriazolderivate, Acrylate, Benzoate, Oxanilide und sterisch gehinderte Amine (HALS = hindered amine light stabilizers).
Diese Zusatzstoffe sind bekannt und beispielsweise in Gächter/Müller, Plastics Additives Handbook, Hanser Verlag München, 4. Auflage1993, Reprint 1996 beschrieben.
Die Menge der Additive hängt vom verwendeten Additiv und der gewünschten Wirkung ab. Dem Fachmann sind die üblichen Mengen bekannt. Die Additive werden, falls mitverwendet, in üblicher Weise zugefügt, beispielsweise einzeln oder gemeinsam, als solche, als Lösung bzw. Suspension oder bevorzugt als Masterbatch. Man kann die POM-Formmasse in einem einzigen Schritt herstellen, indem z.B. man das POM und gegebenenfalls die Additive in einem Extruder, Kneter, Mischer oder einer anderen geeigneten Mischvorrichtung unter Aufschmelzen des POM vermischt, die Mischung austrägt und anschließend üblicherweise granuliert. Jedoch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einige oder alle der Komponenten zunächst in einem Trockenmischer oder einem anderen Mischapparat„kalt" vorzumischen und die erhaltene Mischung in einem zweiten Schritt unter Aufschmelzen des POM - ggf. unter Zugabe weiterer Komponenten - in einem Extruder oder sonstigen Mischvorrichtung zu homogenisieren. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, zumindest das POM und das Antio- xidans (falls mitverwendet) vorzumischen.
Die POM-Formmasse kann als Chips, Pulver, Perlen, Linsen, bevorzugt als Granulat eingesetzt werden. Die für die Kaltmahlung als Aufgabegut verwendete POM-Formmasse wird bevorzugt in Granulatform eingesetzt. Die Kaltmahlung als solche, auch Kryogenmahlung, genannt, ist bekannt (z.B. DE 4421454 A1 ). Erfindungsgemäß wird bei Temperaturen von -20 bis -80 °C, vorzugsweise bei -30 bis -60 °C, gearbeitet. Die Kühlung kann beispielsweise mit Hilfe von flüssigem Stickstoff erfolgen. Dabei ist es vorteilhaft bereits das Aufgabegut beispielsweise auf Temperaturen von -130 bis -1 10°C zu kühlen, wodurch eine homogene Kühlung auch in der Mühle erreicht wird.
Die Kaltmahlung der POM-Formmasse erfolgt im Allgemeinen mit einer Rotormühle, wobei zur Erzielung von einer mittleren Teilchengröße von 60 μηη eine gegenläufige Stiftmühle bevorzugt eingesetzt wird. Bei der gegenläufigen Stiftmühle handelt es sich um eine Rotormühle, deren Mahlscheiben mit konzentrisch angeordneten Stiften besetzt sind. Da beide Scheiben rotieren, sind Umdrehungsgeschwindigkeiten von mindestens 200 bis zu 250 m/s zu erzielen. Eine geeignete Stiftmühle ist zum Beispiel das Modell Contraplex 160 C der Firma Hosokawa Alpine GmbH. Nach der Kaltmahlung hat das Mahlgut im Allgemeinen eine mittlere Teilchengröße d50 von 60 μηη. Von dem Mahlgut werden Teilchen mit einer Größe von kleiner 30 μηη (Feinanteil) und Teilchen mit einer Größe von größer 130 μηη (Grobanteil) abgetrennt, wobei im Allgemeinen in 2 Schritten zunächst der Grob- und dann der Feinanteil abgetrennt wird. Die Fraktionierung des Mahlguts kann beispielsweise durch eine Siebung mit einer Taumelsiebma- schine (nur für Grobanteil geeignet) oder vorzugsweise durch Windsichtung mit einem Abweiserad-Windsichter erfolgen. Geeignet ist zum Beispiel ein Micron Windsichter des Typs MS-1 der Firma Hosokawa. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Pulvers zur Herstellung von Formkörpern durch selektives Lasersintern sowie Formkörper, hergestellt durch ein SLS-Verfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen POM- Pulvers.
Die selektiven Laser-Sinter-Verfahren sind hinlänglich bekannt und beruhen auf dem selektiven Sintern von Polymerpartikeln, wobei Schichten von Polymerpartikeln kurz einem Laserlicht ausgesetzt werden und so die Polymerpartikel, die dem Laserlicht ausgesetzt waren, verschmolzen werden. Während des Fertigungsprozesses wird schichtweise das Polymerpulver aufgetragen, das innerhalb der Schnittfläche mit dem Bauteil liegende Pulver mit dem Laserstrahl selektiv aufgeschmolzen und mit der darunter liegenden Schmelzeschicht fest verbunden. Das nicht aufgeschmolzene Pulver stützt die erzeugte Schmelze ab. Es bildet so die Form für das schmelzeförmige Bau- teil. Durch die aufeinanderfolgende Versinterung von Schichten von Polymerpartikeln werden dreidimensionale Objekte hergestellt. Wenn alle Schichten des Bauteils erzeugt sind, wird der Pulverkuchen mit den innen liegenden Bauteilen abgekühlt und die Bauteile erstarren. Nach dem Bauprozess kann das umliegende Pulver entfernt werden und das Bauteil Nachbehandlungsschritten wie z. B. dem Glaskugelstrahlen, Tro- walisieren und Lackieren zugeführt werden. Einzelheiten zum Verfahren des selektiven Laser-Sinterns sind z.B. den Schriften US 6,136,948 und WO 96/06881 zu entnehmen.
Üblicherweise wird für das SLS- Verfahren ein C02-Laser verwendet, welcher auch vorteilhaft zur Herstellung der erfindungsgemäßen Formkörper aus POM eingesetzt wird, da POM bei der Wellenlänge des C02-Lasers (λ = 10,6 μηη) einen Großteil der eingebrachten Energie absorbiert. Die Schichtdicke des erfindungsgemäßen POM- Pulvers beträgt bevorzugt 0,08 bis 0,20 mm. Die zum SLS des erfindungsgemäßen POM-Pulvers eingesetzte Laserleistung beträgt vorzugsweise 7-10 W. Die Scanweite, d.h. der Linienabstand des Lasers, beträgt vorzugsweise 0,08 bis 0,15 mm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der SLS-Prozess isotherm, das heißt Schmelze und Pulver können nebeneinander vorliegen, durchgeführt, das heißt der Bauprozess findet in einem Zweiphasenmischzustand statt. Dabei wird dem erfindungsgemäßen POM-Pulver lediglich die zum Überschreiten des Phasenübergangs fest-flüssig notwendige Energie zugeführt Die geeignete Bauraumtemperatur für das erfindungsgemäße POM-Pulvers beträgt 152 bis 154°C. Die so mittels SLS aus dem erfindungsgemäßen POM-Pulver erhaltenen Formkörper erreichen ähnliche mechanische Eigenschaften bezüglich der Festigkeit und dem E-Modul wie spritzgegossene Probekörper. Diese Formkörper finden insbesondere Verwendung als Prototypen von Bauteilen. Beispiele
Beispiel 1
Pulverherstellung
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Pulvers wurde ein copolymeres Polyoxy- methylengranulat (Schüttdichte von ca. 850 g/l), aufweisend eine MVR (bei 190°C, 2.16 kg gemäß ISO 1 133) von 42 cm3, Mn = 23000 g/mol, Mw = 97000 g/mol, Mw/Mn = 4.2 und eine isotherme Kristallisationszeit von 3.5 Minuten bei 152°C, eingesetzt. Das POM-Granulat wurde über eine Dosier- und Förderstrecke auf -120 °C gekühlt und dann bei tiefen Temperaturen (-50 °C) in einer gegenläufigen Stiftmühle des Typs Ho- sokawa Alpine Contraplex 160 C mit einer Rotorgeschwindigkeit von 202 m/s auf eine Teilchengröße von maximal 250 μηη vermählen. Das Mahlgut wurde dann zur Grob- und Feingutabtrennung einer Windsichtung mit einem Abweiserad-Windsichter des Typs MS-1 der Firma Hosokawa unterzogen.
Die Teilchengröße wurde durch ein Laserbeugungsspektrometer des Typs Mastersizer S von Malvern Instruments Ltd. ermittelt.
Der Anteil des Nutzguts, das heißt der gewünschten Fraktion von Teilchengrößen von 30 bis 130 μηι bzw. 40 bis 100 μηι, betrug 94% bzw. 82%. Das so erhaltene Pulver wies eine mittlere Teilchengröße von 60 μηη auf. Herstellung von Zugstäben
Ein 20x20 cm oben offener Kasten wurde mit einem Boden versehen, der über eine Spindel verstellbar ist. Der Boden wurde bis auf einen halben Zentimeter an die obere Kante bewegt; der verbliebene Raum wurde mit dem erfindungsgemäßen POM-Pulver gefüllt und mit einem Rakel glattgestrichen. Die Schichtdicke betrug 0,1 mm. Die Apparatur wurde in den Bauraum einer C02-Lasersinteranlage der Firma 3DSystems gestellt, und es wurden die Konturen von 3 liegend gebauten Zugstäben (Schulterstäbe nach DIN EN ISO 3167 Typ A) pro Schicht in die Pulverschicht gelasert. Die Bauraumtemperatur betrug 154°C. Es wurden Versuchsreihen V1 bis V4 mit verschiedener La- serleistung und Scanweite des Lasers durchgeführt (siehe Figur 1 ). Die nächsten Schritte, Drehung der Spindel zum Absenken des Bodens um 0,1 mm sowie Auftrag der nächsten Pulverschicht, glatt streichen und anschließend erneutes Belichten durch den C02-Laser zum Aufschmelzen des Pulvers, wurden einige Male wiederholt. Nach dem Abkühlen der Versuchsanordnung konnten die Zugstäbe für die nachfolgenden Zugversuche verwendet werden. Bauteilprüfung
Die Zugversuche wurden nach DIN EN ISO 527-1 , -2 durchgeführt. Die Abzugsge schwindigkeit betrug 5 mm/min.
Figur 1 zeigt die mechanischen Eigenschaften der Zugstäbe, die aus dem lasergesin terten POM-Pulver gemäß Beispiel 1 hergestellt wurden.
Die Laserleistung (P|aSer [W], P0Ut[W]) und der Linienabstand des Lasers (zscan [mm]) betrug in den Beispielen V1 bis V4:
Piaser [W], Pout[W], zscan [mm]
V1 : 2x5 W; 4,5 W; 0,15 mm
V2: 9 W; 4,5 W; 0,08 mm
V3: 9 W; 4,5 W; 0,15 mm
V4: 10 W; 4,5 W; 0,08 mm
Figur 1 zeigt, dass Zugstäbe aus dem erfindungsgemäßen POM-Pulver eine deutlich verbesserte Bruchdehnung gegenüber POM-Proben gemäß dem Stand der Technik [Rietzel et al. (Kunststoffe 2/2008, S. 67)] aufweisen. Die Bruchdehnung von Zugstäben gemäß V3 liegt mit ca. 5 % etwa doppelt so hoch.

Claims

BASF SE PF 0000062679/Sch 2011/051250 12 PCT/EP2010/066107 Patentansprüche
1 . Pulver aus Polxoxymethylen für selektives Lasersintern, dadurch gekennzeich net, dass das Pulver die folgenden Parameter aufweist: isotherme Kristallisationszeit (bei 152 °C) > 3 min
Mn 22000 - 25000 g/mol
Mw 60000 - 140000 g/mol
Mw/Mn 3 - 5
MVR 15 - 70 [cm3/10 min]
Mittlere Teilchengröße d50 60 μηη
Teilchengröße 30 - 130 μηη.
2. Pulver nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die MVR 30 - 50 [cm3/10 min] beträgt.
3. Pulver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengröße des Pulvers 40 bis 100 μηη beträgt.
4. Pulver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mw 85000 bis 105000 g/mol ist und das Verhältnis Mw/Mn 3,7 bis 4,5 beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung des Pulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Polyoxymethylenformmasse, charakteri- siert durch die folgenden Parameter: isotherme Kristallisationszeit (bei 152 °C) > 3 min
Mn 22000 - 25000 g/mol
Mw 60000 - 140000 g/mol
Mw/Mn 3 - 5
MVR 15 - 70 [cm3/10 min]; zunächst einer Kaltmahlung unterzogen wird,
dann von dem erhaltenen POM-Mahlgut der Grob- und Feinanteil abgetrennt und der POM-Nutzanteil von Teilchen der Größe 30 - 130 μηη erhalten wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltmahlung mit einer gegenläufigen Stiftmühle und die Abtrennung des Grob- und Feinanteils von dem erhaltenen Mahlgut durch Windsichtung mit einem Abweiserad- Windsichter erfolgen. BASF SE PF 0000062679/Sch 2011/051250 PCT/EP2010/066107
13
Verwendung des Pulvers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung von Formkörpern durch selektives Lasersintern.
Formkörper, hergestellt durch ein SLS-Verfahren unter Verwendung des POM- Pulvers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
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