Kottlorz, Christoph (2014)
3D-Druckverfahren für kompakte und mechanisch stabile Formkörper.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Computer hat die Strategie der Entwicklung neuer Produkte revolutioniert. Mit dem CAD-Verfahren (computer-aided design), können heute virtuelle Modelle in nahezu uneingeschränkter Formvielfalt entworfen werden. Produkteigenschaften müssen aber noch immer an realen Formkörpern evaluiert werden. Dies hat einen Bedarf an schnellen Formgebungsmethoden erzeugt, mit denen Prototypen hergestellt werden können (RP: rapid prototyping).

Diese Arbeit befasste sich mit dem generativen Fertigungsverfahren des 3D-Druck, bei dem werkzeugfrei CAD-Modelle direkt in reale Kunststoffkörper überführt werden. Bei diesem 3D-Druck werden einzelne Querschnitte eines Körpers mit einem computergesteuerten Druckkopf Schicht für Schicht mit einer Tinte in ein Pulverbett eingeschrieben, das von der Tinte verfestigt wird. Die gedruckten Formkörper sind aber noch nicht konkurrenzfähig, da hoch porös und entsprechend instabil. Ziel dieser Arbeit war, mit viel Tinte zu arbeiten, um die Poren im Pulver möglichst zu füllen und die Tinte dann durch Polymerisation im Formkörper zu halten. Mit diesem neuen Verfahren des kompakten 3D-Drucks waren porenarme und stabile Formkörper zu erwarten. Erprobt wurden Tinten auf der Basis von radikalisch polymerisierbaren Monomeren. Zu deren Polymerisation wurde ein zweikomponentiges Initiatorsystem bestehend aus Barbitursäure/Kupfer(II) auf die Anforderungen des kompakten Drucks eingestellt. Vor allem wurden aber neue Pulvertypen mit neuartigen, substruktierten Körnern entwickelt. Die neuen Pulver sollten sich rasch in der Tinte lösen und diese dabei so verdicken, dass sie ortstreu festgehalten wird. Zunächst wurden Aggregatkörner aus sehr viel kleineren Primärkörnern aufgebaut, wobei es darauf ankam, mit speziellen Präparationsmethoden den Aggregatkörnern die Kugelform zu verleihen, die sie beim Rakeln von dünnen Schichten unbedingt brauchen. Diese hochporösen Aggregatpulver nahmen die Tinte sehr schnell auf, die Körner an sich waren aber noch zu instabil. Als zielführender stellten sich Pulverkörner aus zwei Polymeren heraus, wobei dem üblichen Thermoplast ein Elastomer zugesellt wurde. Solche Mikroblend-Körner wurden mit Techniken der Suspensionspolymerisation durch Verfahren der in-situ Copolymerisation hergestellt. Die Körner bestanden zum größeren Teil aus einem weichen Elastomer, einem Polymethylacrylat-co-butylacrylat (PMMAcoPBA). Es nahm die Tinte schnell auf und führte zudem zur Schlagzähigkeit der gedruckten Formkörper. Wunschgemäß konnte mit einer hohen Tintenmenge gearbeitet werden, so verblieben nach dem Druck nur wenige Poren. Formkörper aus dem neuen, kompakten Druckprozess waren erstmals so stabil und dehnbar wie vergleichbare industrielle Kunststoffe.

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