用于成型件表面处理的设备和方法
文献发布时间:2023-06-19 11:27:38
技术领域
本发明涉及一种用于处理至少一个以3D打印方法制造的成型件的表面的方法、一种用于处理至少一个以3D打印方法制造的成型件的表面的设备以及一种以根据本发明的方法制造的成型件或一种其表面以根据本发明的方法处理的成型件。
背景技术
众所周知,成型件以3D打印方法制造。3D打印方法被理解为增材制造方法,其中,成型件被逐层地构造,尤其是在使用塑料的情况下。
这样的增材制造方法具有如下缺点,即,由此制造的成型件通常不具有封闭的表面,也就是说,具有与制造有关的粗糙的表面,这在许多情况下会对成型件的使用者的触觉印象产生负面影响。此外,这种成型件的粗糙表面倾向于相对快速地被污染,对该表面的清洁需要的花费很大。此外,这种成型件的表面具有与制造有关的大量的气孔。
为了对以3D打印方法制造的成型件的表面进行抛光,可以对所述表面进行机械加工,例如打磨和/或喷丸。然而,在这种情况下的缺点是,材料从成型件的表面移除,尽管其比较小,但通常要高于预定的公差值才能达到所需的表面光滑度,使得成型件的几何形状随着表面的抛光而发生不期望的改变。此外,打磨时不会进入小拐角或小凹槽,而这些小拐角或小凹槽保持未被加工,因此未被抛光。在柔性成型件的情况下,这种用于对表面抛光的机械方法只能非常困难地使用或根本不能使用。此外,被构造为极端凹陷的表面区域或具有底切的表面区域仅能在花费很大的条件下进行机械抛光或完全不能进行机械抛光。在表面结构非常精细的情况下,还存在在打磨或喷丸过程中损坏它们的风险。此外,存在于表面上的气孔即使在打磨或喷丸时也仅被不充分地封闭。
机械表面抛光的另一缺点在于,它们不适合于批量生产。
发明目的
因此,本发明的目的是提供一种解决方案,其允许对以3D打印方法制造的成型件的表面进行抛光或使该表面均匀化,而不会导致成型件的几何形状发生实质性的改变,并且其还可被有效地用于柔性成型件和具有机械加工困难的表面部分的成型件。
发明内容
根据本发明,该目的是通过根据独立权利要求的用于处理至少一个以3D打印方法制造的成型件的表面的方法以及用于处理至少一个以3D打印方法制造的成型件的表面的设备来实现。本发明的有利的设计方案和改进方案由相应的从属权利要求得出。3D打印方法被理解为纯粹的增材制造方法。
因此,提供一种用于处理至少一个以3D打印方法制造的成型件的表面的方法,其中:
(a)将成型件引入到压力密封容器的内腔中,
(b)在将所述成型件引入所述容器中之后,在所述容器的内腔中产生负压,优选地为很大程度上的真空,
(c)将溶剂加热到预定的溶剂温度,并且
(d)在将所述成型件引入到所述容器的内腔中之后,将加热后的溶剂从溶剂容器引入到具有负压的内腔中,
其中:
成型件的温度低于溶剂温度,以及
在将溶剂引入到内腔中时,使溶剂蒸发或者将溶剂作为溶剂蒸气引入到内腔中,其中,溶剂蒸气在成型件的表面上冷凝。
有利的是,在将成型件引入到容器中之后,在容器的内腔中产生小于10mbar的负压。
容器内腔中的负压或很大程度上的真空确保了溶剂以蒸气形式进入内腔,并且由于成型件的温度较低而在其表面上冷凝。借助于在所述成型件与所述溶剂蒸气之间的温度差和溶剂供应的持续时间以及必要时借助溶剂容器与压力密封容器内腔之间的压力差,可以非常精确地控制在成型件表面上形成的溶剂冷凝物,借此又能够控制表面的溶解度。这无法借助溶剂浴来实现,即,将处理的成型件放入其中。
可以有利的是,在步骤(a)之前或者在步骤(a)之后,使压力密封容器的内腔达到预定的第一内部温度。为此,在压力密封容器的内腔中可设置有温度传感器。
通过将溶剂引入到内腔中(步骤(d)),内腔的温度可以达到预定的第二内部温度,该第二内部温度可以低于或高于预定的第一内部温度,其中
将溶剂引入到内腔中,直到达到预定的第二内部温度为止,或者
在预定的时间段内将溶剂引入到内腔中,其中在预定的时间段之后达到预定的第二内部温度。
第一内部温度和第二内部温度可以是相同高的。
因此,第二内部温度可以高于、等于或低于第一内部温度。温度的降低可以由腔体的自然冷却或蒸发冷却引起,以及主动地通过冷却单元实现。
在本发明的一种实施方式中,可以有利的是,在1s至600s之间,优选在5s至300s之间的时间段内将溶剂引入内腔中(步骤(d))。
可以有利的是,在将成型件引入到内腔中之后(步骤(a))并且在将溶剂引入到内腔中之前(步骤(d)),使内部温度达到第三内部温度。
第三内部温度可以低于预定的第二内部温度,从而使成型件达到低于预定的第二内部温度的部分温度。在该方法的一种实施方式中,所述部分温度可以等于第三内部温度。
在本发明的一种实施方式中,可以:
-(e)在将溶剂引入到内腔中之后,将成型件干燥。
可以有利的是,将成型件在具有负压的内腔中进行干燥,尤其是真空干燥。
可以有利的是,将成型件在内腔中进行干燥,其中,在内腔中产生负压,优选为很大程度上的真空,其中负压的产生至少一次地通过输送运输气体而被中断。在输送运输气体后,可以继续产生负压。该过程可以重复多次。
在此可以有利的是,当内腔中的压力小于50mbar时,将运输气体输送到内腔中,其中通过输送运输气体将内腔中的压力提高到50mbar和100mbar之间的值。在压力达到50mbar到100mbar之间后,可以继续产生负压,直到内压再次小于50mbar。该过程可以重复多次。
根据本方法的一种有利的实施方式是,步骤(d)和(e)可以多次重复。
在此在重复过程中可以有利的是:
-在步骤(d)中,使内腔的温度达到比之前的步骤(d)的实施过程中的第二内部温度更高的第二内部温度,或者
-在步骤(d)中,使内腔的温度达到比之前的步骤(d)的实施过程中的第二内部温度更低的第二内部温度,
-在步骤(d)中,使内腔的温度达到与之前的步骤(d)的实施过程中的第二内部温度相同的第二内部温度,
-在重复过程中,在实施步骤(d)之前,可使内腔的温度达到比之前的步骤(d)的实施过程中的第二内部温度更高或更低的温度。
可以有利的是,在每次重复之后降低溶剂的温度。
在步骤(d)之后,可以将在内腔中蒸发的溶剂和/或在内腔的内壁上冷凝的溶剂抽吸出。
可以对被抽吸出的溶剂进行处理,特别是清洁和蒸馏,并且经过处理后的溶剂可以被引回到溶剂容器中。由此可以从本发明的一种特别有利的实施方式中得出一种方法,在该方法中可以如此使用该溶剂,即,该溶剂可以任意的频繁的使用,而不损害循环过程中的抛光结果的质量,在此也不产生溶剂垃圾或其他需要处置的产物。
根据本发明,内腔中的负压、溶剂温度和内部温度可以相互协调,使得在将溶剂引入到内腔时,内腔中的溶剂蒸发或作为溶剂蒸气到达内腔中。
在此,溶剂容器和压力密封容器的内腔之间的压力差可能导致在内腔中出现涡流,该涡流可以使溶剂均匀地分布在成型件周围,特别是在倒扣、腔、管和盲孔的区域中。由此即使在难以接近的表面区域上也保证均匀的抛光。
被证实有利的是,被引入的成型件在步骤(d)和/或(e)的过程中移动,特别是转动。以这种方式,可以防止在成型件表面上形成液滴或流挂。
可选地,在将成型件的表面引入到内腔中之前,可以对其进行机械加工,特别是打磨或喷丸处理。
可选的但仍然有利的是
在步骤(a)之前或步骤(d)之后对成型件进行染色,和/或
如果成型件是由基于粉末的方法打印的,则在步骤(a)之前对成型件清除残余粉末,和/或
在步骤(d)之后,使成型件失去光泽,特别是通过表面的喷丸和/或打磨处理,和/或
在步骤(d)之后对成型件进行浸渍和/或喷漆处理,和/或
在步骤(a)之前或步骤(d)之后,对成型件表面进行致密化处理,特别是通过用塑料丸对表面进行喷丸,和/或
在步骤(a)之前或步骤(d)之后,对成型件表面进行抛光,特别是通过打磨进行抛光。
可以在步骤(a)之前对成型件进行加热。这对于易于吸水的材料是特别有利的,因为不这样做的话这些材料在抛光期间由于结合水的蒸发(在高温和/或在负压下)易于附加地形成气泡。
溶剂(包括传统溶剂或高沸物)可以选自包括乙醛、乙酰胺、丙酮、乙腈、乙酮、乙炔、脂肪烃的组,特别是环己烷、环己烯、二异丁烯、正己烷、辛烷、正戊烷和特戊烯、醇类,特别是苯甲醇、丁二醇、丁醇、乙醇、乙二醇、甲醇、烯丙醇、正丙醇和异丙醇、乙酸戊酯、苯胺、苯甲醚、汽油、苯甲醛、苯、氯苯、癸醛、二恶烷、二甲酰胺、二甲基酰胺、乙醚、二甲基酰胺、二甲基硫醚、二甲基亚砜、乙苯、乙酸乙酯、甲醛、甲酰胺、糖醛、卤代烃,特别是氯甲烷、氯仿、二氯乙烷、二氯甲烷、四氯乙烯、四氯甲烷、三氯乙烷和三氯乙烯、薄荷酮、甲基叔丁基醚、甲基乙烯酮、硝基苯、苯酚、苯乙烯醇、丙醇、吡啶、苯乙烯、四氢呋喃、四氢化萘、甲苯、三乙醇胺及其组合的组中选择。
特别有利的是,溶剂是可蒸馏溶剂。
为了制造(打印)成型件,成型件的材料可以从包括聚酯、PA12(聚酰胺12)、PP(聚丙烯)、TPU(热塑性聚氨酯)、TPE(热塑性弹性体)、PA11(聚酰胺11)、PA6(聚酰胺6)、PA6.6(聚酰胺6.6)、玻璃填充的聚酰胺、陶瓷填充的聚酰胺、PU(聚氨酯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PEK(聚醚酮)、PEI(聚醚酰亚胺)、PPS(聚苯硫醚)和PLA(聚乳酸酯)、氰酸酯、基于(甲基)丙烯酸酯的材料及其组合的组中选择。
有利的是,成型件以基于粉末的3D打印方法制造,特别是在其过程中将各个层熔合在一起的基于粉末的分层制造方法制造,特别是SLS方法(选择性激光烧结)、MJF方法(多射流熔融)或HSS方法(高速烧结)来制造。
有利的是,将数升溶剂,优选地至少20升溶剂加热到预定的溶剂温度。
可能有利的是,将溶剂加热到高于100℃的预定的溶剂温度。
溶剂容器可以被构造为压力密封的,其中在将溶剂从溶剂容器引入到压力密封容器的内腔中之前在溶剂容器的内腔中产生负压。
在此,可能有利的是,在溶剂容器的内腔中产生很大程度上的真空。
特别有利的是,压力密封容器的内腔中的压力小于溶剂容器的内腔中的压力。
在本发明的一种实施方式中,可能有利的是,如此选择压力密封容器的内腔和溶剂容器的内腔之间的压力差,使得被引入到压力密封容器的内腔中的溶剂产生涡旋。
已经发现有利的是,使用食品级的溶剂或被批准加工用于食品的塑料的溶剂作为溶剂。
此外,特别是根据本发明的方法,提供一种用于处理至少一个以3D打印方法制造的成型件的表面的设备,其中该设备具有带有内腔的压力密封容器,在该内腔中容纳待处理的成型件,用于容纳溶剂的溶剂容器,和真空泵,其中
溶剂容器通过进料管线与压力密封容器连接,以便将溶剂从所溶剂容器输送到压力密封容器,
真空泵与压力密封容器连接,以便在压力密封容器中产生负压,优选地产生很大程度上的真空。
可能有利的是,溶剂容器具有加热装置,以便加热容纳在溶剂容器中的溶剂。
进一步可能有利的是,压力密封容器具有加热装置,以便加热内腔和/或容纳在内腔中的成型件。
在本发明的一种实施方式中,溶剂容器可以被构造为压力密封的。
在本发明的一种实施方式中,真空泵可以与溶剂容器连接,以便在溶剂容器中产生负压,优选地产生很大程度上的真空。
可能有利的是,溶剂容器和/或压力密封容器配有温度传感器和/或压力传感器。
设备可以具有控制/调节装置,利用该控制/调节装置
能够调节和/或控制压力密封容器的加热装置和/或真空泵,以便对压力密封容器内腔的压力和温度进行调节,和
能够调节和/或控制溶剂容器的加热装置,以便对溶剂的温度进行调节。
压力密封容器可以与抽吸装置相连接,以便抽吸出压力密封容器中存在的溶剂蒸气和/或溶剂冷凝物。
抽吸装置可以通过出料管线与溶剂容器相连接,以便将抽吸出的溶剂蒸气和/或抽吸出的溶剂冷凝物引回到溶剂容器中。
该设备可以具有清洁和/或蒸馏装置,其适配于清洁和/或蒸馏所抽吸出的溶剂蒸气和/或所抽吸出的溶剂冷凝物。
根据本发明的一种实施方式,该设备可以具有至少一个另外的溶剂容器,该至少一个另外的溶剂容器经由至少一个另外的进料管线与压力密封容器相连接,以便将至少一种另外的溶剂从至少一个另外的溶剂容器输送到所述压力密封容器中。这意味着可以使用不同的溶剂来进行表面处理,例如在第一处理循环中使用第一溶剂和在第二处理循环中使用第二溶剂。
溶剂容器可以是压力密封的。
此外,本发明还提供一种由塑料以3D打印方法制造的成型件,其表面由根据本发明的方法进行处理。
附图说明
本发明的更多细节和特征从以下结合附图的描述中得出。本发明示出:
图1示出了以3D打印方法制造的成型件的表面细节的放大示图,根据本发明的方法对成型件进行抛光;
图2示出了说明根据本发明的方法的流程图;
图3示出表面处理设备的内腔的内部温度的温度变化过程的第一示例,其中,在此溶剂被三次送入内腔;
图4示出表面处理设备的内腔的内部温度的温度变化过程的第二示例,其中,在此溶剂被三次送入内腔;
图5示出表面处理设备的内腔的内部温度的温度变化过程的第三示例,其中,在此溶剂被三次送入内腔;
图6示出表面处理设备的内腔的内部温度的温度变化过程的第四示例,其中,在此溶剂被三次送入内腔;
图7示出表面处理设备的内腔的内部温度的温度变化过程的第五示例,其中,在此溶剂被三次送入内腔;
图8示出了根据本发明的用于处理至少一个以3D打印方法制造的成型件的表面的设备的示意图。
具体实施方式
图1(a)示出了以3D打印方法生产的成型件10的表面11的放大的截面图。在此使用基于粉末的打印方法来制造成型件10。成型件10的表面11具有与制造相关的不平坦处,尤其是气孔,该气孔易于使污垢或杂质附着到成型件10的表面11上。此外,成型件10的粗糙的或多孔的表面11对成型件10的触感产生不利影响。图(a)中所示的表面尚未用根据本发明的方法进行处理。
根据本发明,对成型件10的表面11进行抛光,以便消除或封闭不平坦处,尤其是气孔。为此,在成型件10的表面11上施加溶剂蒸气形式的溶剂,所述溶剂蒸气在成型件的表面上冷凝。随后,将成型件干燥。参考图2至图6将对根据本发明的处理表面的方法进行详细描述。
表面11的处理可包括多个循环,其中在每个循环中将溶剂即溶剂蒸气施加到表面上,然后将成型件10干燥。根据在3D打印方法中用于制造成型件的材料和根据需要达到的表面光滑度的要求,单次循环可能就足够了。然而,多次循环是有利的。
图(b)示出了在第一处理循环之后的成型件10的表面11,其中,溶剂以溶剂蒸气的形式被施加到表面11上并且随后进行干燥。在此可以清楚地看到,表面11与在图(a)中示出的表面相比明显更光滑,尤其是几乎没有气孔。
为了实现对表面进一步的抛光,可以进行进一步的处理循环,在该处理循环中再次将溶剂以溶剂蒸气的形式施加到成型件10的表面11上,并且随后将成型件10干燥。
图(c)示出了成型件10在第二处理循环之后的表面11。在此可以看出,与图(b)中所示的表面相比,表面11已经被进一步抛光。此外可以看出,抛光方法几乎不会导致成型件的几何形状改变。与机械表面处理不同,在此几乎不发生材料削除,因为利用施加在表面11上的溶剂成型件的表面仅被略微溶解,从而消除了不平坦处。然而,一个重要的优点在于,将存在于表面的气孔封闭。
以这种方式处理的成型件在表面抛光度方面具有特别高的质量,从而在许多情况下可以弃用表面浸渍。
图2示出了按照本发明方法的实施例的流程图。
为了实施该方法,提供了一种设备,该设备具有在其中包含有溶剂的容器和压力密封的、具有内腔的容器,在该内腔中对成型件的表面进行处理。这两个容器通过管线彼此连接,其中,通过阀门来控制溶剂到容器中的输送,在该容器中对成型件进行处理。在其中处理成型件的容器被构造为压力密封的。容纳溶剂的容器优选地也被构造为压力密封的。
在步骤S1中,将以3D打印方法制造的成型件置入到压力密封容器的内腔中。
在将成型件引入到压力密封容器中之前,可以将成型件加热到一定温度,例如加热到大约90℃和120℃之间。成型件能够被加热到何种程度,基本上取决于所使用的材料或塑料,成型件以该种材料通过3D打印方法制造。因此,根据所使用的材料,成型件可以被加热到120℃以上或仅被加热到90℃以下的温度。在任何情况下,材料加热到的最大温度必须如此设置,即该成型件不会由于该温度而变形。此外,成型件被加热到的最高温度可以如此设置,即在随后的加工过程中,成型件的温度由于流入压力密封容器的内腔中的溶剂蒸气可进一步升高,而在此不会导致成型件的变形。
作为在将成型件引入到压力密封的容器中之前加热成型件的替代方案,成型件也可以在引入到压力密封的器中之后被加热,也就是说在压力密封容器中加热。
为此,在步骤S1之前实施的步骤S0中,可以将压力密封容器的内腔加热到预定的温度,例如130℃。压力密封容器的内腔的加热可以利用加热装置、例如借助于加热套管来施行。加热可以借助于温度传感器来控制,该温度传感器设置在压力密封容器的内腔中。
在内腔达到预定的温度之后,成型件可以被引入到压力密封容器的内腔中(步骤S1)。被引入的成型件因此被加热到一定的温度,其中,内腔的内部温度同时稍微冷却,因为成型件在被加热过程中吸收一定量的热量或压力密封容器将一定量的热量释放到周围环境中。例如,压力密封容器的内腔能够冷却到大约108℃,并且将成型件加热到大约108℃,优选地加热到最大108℃。
借助加热装置,可以在需要时确保内部温度在将成型件引入到内腔中之后不降低到确定的温度之下或者完全不降低。如果例如将内腔加热到130℃,则可以确保内腔的温度在引入成型件之后保持在大约130℃或者不降低到例如108℃以下。
可替换地,也可以在步骤S1之后实施步骤S0。也就是说,在将成型件引入到压力密封容器的内腔中之后,将压力密封容器的内腔加热,例如加热到大约108℃。
在引入成型件之后,在压力密封容器内腔中产生负压,优选地为很大程度上的真空。在此,负压意味着低于大气压的压力。在本发明中,真空表示低于300mbar的压力。
有利的是,在将成型件引入内腔中之后直接在压力密封容器的内腔中产生负压或真空,以防止成型件在加热期间变黄或其它方式的变色。已经表明,如果成型件不或几乎不在氧气中暴露,则可以防止成型件在加热过程中变黄。因此有利的是,在将成型件引入到压力密封容器中之后,直接在压力密封容器之中产生负压或真空,更确切地说,与步骤S0在步骤S1之前还是在步骤S1之后实施无关。
在步骤S3中,将储存在溶剂容器中的溶剂加热到预定的溶剂温度,例如加热到130℃。溶剂容器优选地被构造为压力密封的。
已经发现特别有利的是,加热的溶剂的量为多升,优选至少20升。因此可以确保,在适当的温度下有足够的溶剂可供用于该过程。这能够实现特别稳定的并且因此可复现的过程,该过程也可以不依赖于待加工的零件数量或其表面施行,而这不会对抛光结果产生任何影响。
溶剂容器中的溶剂的加热可以例如通过套管加热或外套式加热装置加热或直接通过加热棒来实现。
对于许多应用而言,已证实超过100℃的溶剂温度是特别有利的,因为借此可确保在整个过程中待抛光的零件与溶剂蒸气之间存在足够的温差。由此确保了溶剂在表面上的冷凝。同时,溶剂温度的升高对于溶剂冷凝物的温度起决定性作用,其继而又对溶剂的溶解度产生决定性的影响并且因此对抛光结果也产生决定性地影响。
步骤S3在此可以在步骤S0至S2之前或者与步骤S0至S2并行地施行,仅须确保在实施步骤S4之前溶剂已经达到了预定的溶剂温度。这可以借助于温度传感器在优选的压力密封的溶剂容器中进行检测。
在溶剂已经到达预定的溶剂温度并且压力密封容器的内腔或者被引入内腔中的成型件已经达到所期望的温度之后,在步骤S4中将被加热的溶剂引入压力密封容器的具有负压的内腔中。这例如可以通过打开阀门来实现,该阀门将压力密封容器的内腔与溶剂容器的内腔分开。
通过打开该阀门并且由于压力密封容器的内腔与溶剂容器之间的压力差,一定量的溶剂到达压力密封容器的无气体的并且被加热的内腔中并且在那里突然地蒸发。对此可替代地,溶剂蒸气已经到达无气体的并且被加热的压力密封容器的内腔中。
溶剂蒸气是否到达内腔中或者溶剂是否到达内腔中并且在那里突然蒸发最终取决于内腔中和溶剂容器中的温度和压力情况。然而,有利的是,溶剂作为溶剂蒸气已经到达内腔中。在此特别有利的是,溶剂容器也具有负压,特别优选的是具有很大程度上的真空。这使得高沸点溶剂能够在足够低的温度下蒸发而不会破坏成型件,例如,由具有相对较低熔点的聚合物制成的成型件。对于作为溶剂的苯甲醇,例如在约140℃的溶剂温度下在溶剂容器中100mbar至150mbar的压力被证实是有利的。因此,即使对于高沸点溶剂,也可以达到适合于加工成型件的蒸气温度,而不会由于热应力或溶解或完全溶解破坏成型件。溶剂容器中的负压此外还具有非常安全的过程的优势,因为产生的负压使溶剂逸出是不可能的,并且在发生泄漏的情况下,仅会吸入空气。溶剂容器中的压力可以借助于压力传感器来监测。
压力密封容器的内腔的温度和在内腔中产生的负压和溶剂温度应彼此相协调,使得引入内腔中的溶剂可以突然地蒸发,除非已经将溶剂蒸气输送到压力密封容器的内腔中。被证实为特别有利的是,在压力密封容器的内腔中的压力低于10mbar。
对于溶剂已经在压力密封的溶剂容器中蒸发的情况,并且尤其对于这种情况,即这只能通过在溶剂容器中产生负压实现(例如当苯甲醇应在140℃的最大溶剂温度下蒸发时),通过在压力密封容器的内腔中低于10mbar的特别低的压力还得到如下技术优点,即存在足够大的(在压力密封容器的内腔和压力密封的溶剂容器的内腔之间的)压力梯度,以便将蒸发的溶剂有效地输送到压力密封的内腔中。
对于蒸发温度低的溶剂,压力密封容器的内腔温度可以选择得较低和/或在压力密封容器的内腔中可以产生较低的负压。已经显示出,非常高的负压,例如几乎完全的真空,有利于所引入的溶剂的蒸发,特别是因为其目的是防止在加热成型件的过程中所引入的成型件变黄,无论如何都应产生很大程度上的真空。
由于被引入到压力密封容器的内腔中的成型件和被引入到该内腔中的溶剂蒸气之间的温度差(成型件起初具有比被引入的溶剂更低的温度),溶剂蒸气在成型件的表面上冷凝。在成型件表面上冷凝的溶剂易于溶解成型件表面,从而封闭表面上的气孔,并由此对表面进行抛光。蒸气在成型件表面上冷凝的多少基本上取决于成型件和引入的溶剂蒸气之间的温度差。此外,在成型件表面上形成的冷凝物的量对溶解度和由此对于表面有效实现的抛光起决定性作用。
因此,在根据本发明的方法中,重要的是,一方面达到溶剂的正确的蒸气温度,因为在温度过低时无法形成足够的蒸气,并且因此成型件的表面仅被不充分的溶解。此外,如果蒸气温度过低,则溶剂冷凝物可能沉积在成型件的表面上,但冷凝物的温度可能过低而不能确保表面的溶解。因此,对于许多成型件材料/溶剂组合,特别有利的是,将溶剂加热到超过100℃的温度。
相反,过高的蒸气温度会导致成型件表面的过分溶解,这会导致成型件几何形状的改变,或者由此促使液滴或流挂的形成。此外,表面的过分溶解可能在随后的真空干燥中导致在表面形成气泡。
另一方面,被引入到内腔中的成型件在引入经加热的溶剂之前必须具有一定的温度,以便成型件和被引入的溶剂蒸气之间的温度差使得在成型件的表面上产生一定量的冷凝物。
最终,参数(压力密封容器内腔的内部温度或成型件的温度、溶剂温度和压力密封容器内腔的压力以及如有必要还有溶剂容器内腔的压力)必须依赖于所使用的溶剂和成型件的材料彼此相互协调,在待处理的成型件的表面上形成一定量的溶剂冷凝物,该冷凝物实现所期望的抛光效果。在任何情况下,成型件的温度都低于溶剂或溶剂蒸气的温度。同时,压力密封容器内腔的压力低于溶剂或溶剂蒸气的温度。同时,压力密封容器内腔中的压力小于溶剂容器内腔中的压力,其中,两者都可以具有负压或很大程度上的真空。
通过将溶剂引入到压力密封容器的具有负压的内腔中和溶剂的突然蒸发或者通过将溶剂蒸气引入到压力密封容器的具有负压的内腔中,压力密封容器的内腔中的温度持续地升高。通过溶剂蒸气的冷凝引起压力密封容器的内腔中的压力降低,借此持续地将另外的溶剂引入到内腔中并突然地蒸发或者持续地将另外的溶剂蒸气引入到内腔中。
阀门保持打开状态,直至在压力密封容器的内腔中达到预定的温度。在压力密封容器的内腔中达到的温度(应到温度或者预定的第二温度)这样选择,即,使得在成型件的表面上形成对于所期望的抛光效果足够的冷凝物。
如果阀门保持打开时间过长,密封容器内腔的温度可能会升高到所期望的应到温度之上,这可能导致成型件表面上的冷凝物量过多,从而导致成型件表面的过度溶解。由于溶剂冷凝物对成型件表面的过度溶解,在随后的真空干燥(步骤S5)过程中可能形成材料气泡,因为在表面上形成的溶剂-塑料混合物可能开始沸腾。在表面硬化的同时可能形成气泡或凹陷。
已证明有利的是,阀门保持打开时间在1s和600s之间。特别有利的是,阀门打开的时间是5s至300s。然而,应当注意的是,阀门的开启时间取决于阀门的设计,必要时阀门的开启时间必须与阀门的直径相匹配。
已经发现有利的是,在气相沉积阶段期间,被引入到压力密封容器中的成型件在内腔中旋转,或者可替代地,在内腔中刚性布置的成型件分别与内腔或者压力密封容器一起旋转。由此可以显着减少液滴的形成。
替代地或附加地,借助于布置在压力密封容器内腔中的涡旋单元,比如通风机,能够避免或者显著减少液滴形成,该涡旋单元使被引入的溶剂蒸气涡旋。被引入的溶剂蒸气的这种涡流也可以通过溶剂容器的内腔和压力密封容器的内腔之间的压力差引起或促进。
在步骤S4中引入加热的溶剂之后,在步骤S5中将成型件干燥。在本发明的一种实施方式中,成型件可以从压力密封容器中取出以进行干燥。
在本发明的一种可替代的已经发现有利的实施方式中规定,在压力密封容器的具有负压的内腔中对成型件进行干燥。这具有的优点是,在负压或真空的情况下,干燥过程明显进行的更快。特别有利的是,在步骤S4.1中,在成型件干燥之前立即将位于压力密封容器的内腔中的溶剂蒸气和必要时在内壁上形成的且聚集在内腔的底部上的溶剂冷凝物抽吸出。溶剂的抽吸也可以在整个干燥过程中进行。这具有的优点是,已经冷凝的溶剂可以直接流出并且不必在从腔体中去除之前再次蒸发。由此,成型件可在几秒内被干燥。
然后,必要时可以将吸出的溶剂蒸气或溶剂冷凝物过滤和清洁,然后输送回溶剂容器中。因此溶剂可以循环使用。这带来的技术优点在于,在处理过程中不产生任何需要处置的材料或其他垃圾。因此,该过程是一种节约资源的有效方法。此外,通过抽吸出溶剂确保使用者绝不会与溶剂直接接触。
如果在压力密封的内腔体中的负压/真空的产生被运输气体的受控流入所中断,则可以实现特别有效的真空干燥(或负压干燥)。在本发明的一个实施方案中,这种运输气体可以循环地施行,也就是说负压/真空的产生被循环地中断。这带来的技术优点是,即使是具有较低吸力的真空泵也可以完全清除压力容器内腔中的溶剂残留。
为了防止由于运输气体的输送而导致的压力密封容器内腔中的压力上升导致溶剂重新在成型件的表面上冷凝,在此特别有利的是,控制运输气体的流入量并且在此在不过强地升高压力密封内腔中的压力。在此已证实特别有利和有效的是,压力从8mbar的压力上升至大约50mbar至100mbar之间并且随后重新抽真空至8mbar。对于使用含氧气体,例如空气,作为运输气体的情况,“保持低”的压力(即压力保持在低于100mbar的值上)此外带来这样的技术优点,即防止零件由于氧化而变黄。如果在干燥过程中大量氧气渗透到腔室中,因为成型件此时仍处于高温状态,因此对氧化非常敏感,例如在成型件由聚酰胺制成的情况下。
在对成型件进行真空干燥之后,可以在最后步骤中将其从压力密封容器中取出,其中,在取出成型件之前,可以将压力密封容器的内腔可选地冷却到确定温度。特别是在取出成型件之前直接进行真空干燥的情况下,上述的在输送运输气体的情况下的有效的真空干燥比在不输送运输气体的情况下的干燥更好。
步骤S4、S5和可能的S4.1被统称为一个循环(处理循环)。
在本发明的一个实施例中可以规定,多次重复该循环,也就是说,步骤S4和S5以及必要时的步骤S4.1重复多次。这尤其在如下情况下被证实为是有利的,即,通过在步骤S4中引入溶剂蒸气所引起的表面的溶解不能实现足够的抛光效果。例如,如果由于成型件材料和所使用的溶剂而导致气相沉积时间仅非常短而无法损坏成型件,则可能是这种情况。
在第一循环之后,即在对成型件进行第一次气相沉积和第一次真空干燥之后,成型件的温度高于在第一循环开始时的温度,因为引入溶剂蒸气会使压力密封容器的内腔中的温度升高并且也因此使成型件的温度升高。这意味着在下一个循环中,必须将蒸气输送到压力密闭容器的内腔中,直到内腔或成型件达到一定温度,在该温度下,足够的冷凝物沉积在成型件的表面上,以达到所期望的抛光效果(示例性地在图3中示出)。由于成型件的温度在第二循环开始时高于在第一循环开始时(除非成型件在两个循环之间被冷却),成型件的温度与溶剂温度之间的温差大小不足以在与第一循环中添加相同量的溶剂时使成型件的表面上产生足够的冷凝物。
原则上,该循环可以任意多次重复。然而,对于重复的次数是有限制的,其中由于重复而使成型件的温度达到将成型件破坏的值。参照图3至图6更详细地描述了压力密封容器内腔的内部温度的示例性的温度变化曲线。
为了补偿在每个循环之后成型件和引入的溶剂之间的较小的温度差,也可以规定,在每个循环之后相应地进一步加热溶剂,以便对于下一循环可以再次达到在成型件的温度和溶剂温度之间期望的温度差。
在该方法的替代实施例中,可以在下一个循环中在引入加热的溶剂之前降低压力密封容器的内腔的温度,优选地直到再次达到在成型件的温度和溶剂温度之间期望的温度差。例如,内腔的温度可以降低到在第一循环中将溶剂引入内腔的温度(如图4所示)。在此,冷却可以已经间接地通过在产生负压或真空期间的蒸发冷却来实现。在该方法的替代实施方案中,可以对成型件进行任意次数的气相沉积,即,可重复任意数量的循环。然而,已经表明,根据成型件的材料和所使用的溶剂,三至六个循环之间就足以实现最佳的抛光效果。
本发明的方法特别适用于以SLS(选择性激光烧结)、MJF(多射流熔融)、HSS(高速烧结)、FDM(熔融沉积成型)和SLA(立体光固化成型)方法制造的成型件。根据本发明的方法,对于基于粉末的层构造方法(其中将各个层熔合在一起,例如SLS方法、MJF方法或HSS方法)生产的成型件是特别有利的,因为在基于粉末的方法中表面是特别粗糙的,并具有气孔。
为了生产成型件,可以使用聚合物,尤其是使用以下提及的材料,这些材料特别好地适用于由此制造的成型件表面的根据本发明的抛光:
聚酯、PA12(聚酰胺12)、PP(聚丙烯)、TPU(热塑性聚氨酯)、TPE(热塑性弹性体)、PA11(聚酰胺11)、PA6(聚酰胺6)、PA6.6(聚酰胺6.6)、玻璃填充的聚酰胺、陶瓷填充的聚酰胺、PU(聚氨酯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PEK(聚醚酮)、PEI(聚醚酰亚胺)、PPS(聚苯硫醚)和PLA(聚乳酸酯)、氰酸酯、基于(甲基)丙烯酸酯的材料及其组合的组中选择。
然而,也可以使用其它材料,只要它们适合于3D打印方法,并且由此制造的成型件的表面可以借助于溶剂蒸气被溶解。
作为溶剂,下面提及的溶剂(在本发明的意义上,也包括高沸物)已被证明是有利的,其中也可以使用在此未提及的其它溶剂:
乙醛、乙酰胺、丙酮、乙腈、乙酮、乙炔、脂肪烃的组,特别是环己烷、环己烯、二异丁烯、正己烷、辛烷、正戊烷和特戊烯、醇类,特别是苯甲醇、丁二醇、丁醇、乙醇、乙二醇、甲醇、烯丙醇、正丙醇和异丙醇、乙酸戊酯、苯胺、苯甲醚、汽油、苯甲醛、苯、氯苯、癸醛、二恶烷、二甲酰胺、二甲基酰胺、乙醚、二甲基酰胺、二甲基硫醚、二甲基亚砜、乙苯、乙酸乙酯、甲醛、甲酰胺、糖醛、卤代烃,特别是氯甲烷、氯仿、二氯乙烷、二氯甲烷、四氯乙烯、四氯甲烷、三氯乙烷和三氯乙烯、薄荷酮、甲基叔丁基醚、甲基乙烯酮、硝基苯、苯酚、苯乙烯醇、丙醇、吡啶、苯乙烯、四氢呋喃、四氢化萘、甲苯、三乙醇胺及其组合。
被认为特别有利的是,被批准用于加工食品塑料的溶剂是特别有利的(例如根据2011年1月14日欧盟委员会第10/2011号法规,通过由塑料制成的旨在与食品接触的材料和物品),因为这些应用特别地受益于成型件的被抛光的表面。根据本发明的被抛光的表面是疏水的,因此有效地抑制了可能的细菌生长。这类溶剂包括但不限于苯甲醇。
此外,苯甲醇的使用还具有防止溶剂扩散的优点,并且由于其是难挥发性物质,因此可以容易地有效清除由于处理错误而逸出的任何溶剂。此外,苯甲醇具有非常低的气味限制,这意味着可以在远低于最大工作场所浓度或危害健康的水平以及低于爆炸极限的水平下注意到可能的溶剂污染。
在处理以3D打印方法生产的成型件的表面之前,可以对成型件进行机械处理,例如喷丸,以便例如去除多余的粉末。这是特别有利的,因为粉末残余物同样会部分溶解并随后在表面上硬化。当表面上剩余粉末过多时,抛光结果可能受到不利影响。
此外,可以在抛光之前或之后用塑料丸对成型件进行喷丸处理,以便由此实现表面的致密化。在此有利的是,塑料丸具有比成型件的材料更小的硬度,由此确保表面的致密化,而不损伤表面。
在本发明的一个实施例中,成型件可以在抛光之前或之后被着色和/或可以在抛光之后被浸渍或被喷漆。
图3示出了在实施根据本发明的方法的过程中压力密封容器的内腔的或者被引入到该内腔中的成型件的温度变化曲线,在该方法中施行了三个循环(步骤4至步骤5),其中在每个循环之后成型件的温度或者内腔的内部温度升高。
然而,一个循环也可以包括用蒸气溶剂对表面进行多次气相沉积,其中可以在每次表面气相沉积之间调节内部温度。在图3所示的温度变化曲线中,三个示出的和下面描述的循环也可以是单个循环的组成部分。这也适用于其他参照图4至图7所示的温度变化曲线。
对于图3所示的示例,使用材料PA12来制造成型件。使用苯甲醇作为溶剂。
首先使压力密封容器的内腔达到大约130℃的第一内部温度。在时间点t1,将成型件放置在内腔中并且将压力密封容器压力密封地封闭以及在内腔中产生很大程度上的真空。置于内腔中的成型件通过内腔的辐射热加热,由此第一内部温度同时降低到大约108℃的第三内部温度。在时间点t2,成型件的温度在很大程度上与第三内部温度相对应。
在时间点t3,该时间点可以直接位于时间点t2之后,向其中添加加热到130℃的溶剂,该溶剂突然蒸发或者作为溶剂蒸气进入压力密封容器的内腔中。然后,由于成型件的温度与溶剂蒸气的温度之间的温度差约为22℃,因此溶剂蒸气在成型件的表面上冷凝。
通过添加溶剂,内部温度升高大约2℃至第二内部温度(在此大约110℃)。在达到该第二内部温度之后,停止溶剂的输送并对成型件施行真空干燥。还位于内腔中的溶剂蒸气可以被抽吸出。存在于内腔内壁上的或内腔的底部的溶剂冷凝物同样可以被抽吸出。然后,干燥过程需要几秒钟。
在成型件干燥之后,在时间点t4再次添加具有仍约130℃的温度的溶剂。因为成型件和被引入的溶剂之间的温度差现在小于时间点t3时的温度(在此为大约20℃),因此必须通过添加溶剂进一步提高第二内部温度进而提高成型件的温度(在此提高到大约115℃),因此在成型件的表面上能够冷凝足够的溶剂蒸气以用于期望的抛光效果。随后再次对成型件进行真空干燥。
在时刻t5开始第三循环,在其中重新添加加热到130℃的溶剂。因为在时间点t5,成型件的温度和所添加的溶剂之间的温度差再次小于(在此为大约15℃)在时间点t4时的温度差,必须通过添加溶剂进一步提高第二内部温度和成型件的温度,在此提高到大约120℃。这确保即使在第三循环中,也有足够的溶剂蒸气可以在成型件的表面上冷凝以用于期望的抛光效果。随后对成型件进行真空干燥。
随后,在时间点t6,开始冷却内腔,进而开始冷却成型件。在达到确定的内腔温度之后,当前在大约105℃和110℃之间,可以将成型件从内腔中取出。该冷却过程仅是可选的,也就是说,成型件在干燥之后能够立即取出。然而,冷却过程具有的优点是,由于冷却过程是在负压或真空下进行的,因此防止取出的成型件变黄,
当然,在取出成型件之前,必须使压力密封容器的内腔达到大气压。
如果相应地增加第二循环和第三循环的溶剂温度,则可以降低第二循环和第三循环中要达到的第二内部温度。因此,例如在第二循环中将溶剂温度从130℃提高到135℃就足以使在第二个循环中仅须将第二内部温度从110℃升高到112℃,因为在这种情况下,在时间点t4处成型件的温度和溶剂温度之间的温度差大致与在时间点t3处相同。然而,仅当溶剂温度升高不会导致过度溶解或损坏成型将件的表面时,才有可能使溶剂温度升高。
图4示出了内腔的内部温度的温度变化曲线,其中,在此在每个循环之后将内腔的内部温度和与此同时将成型件的温度冷却到确定的值。
为了制造成型件,这里也使用PA12。在此也使用苯甲醇作为溶剂。
首先,使压力密封容器的内腔达到约130℃的第一内部温度。在时间点t1处,将成型件放置于内腔中并且将内腔压力密封地封闭。然后在内腔中产生很大程度的真空。成型件的温度和第一内部温度之间的温度差在此导致第一内部温度在时间点t2之前下降到第三内部温度,并且成型件的温度升高到该第三内部温度(在此大约108℃)。
在达到该第三内部温度之后,在时间点t3处添加加热到130℃的溶剂,该溶剂突然蒸发或者作为溶剂蒸气进入压力密封容器的内腔中。溶剂蒸气在成型件的表面上冷凝。并且由此引起所期望的抛光。通过添加溶剂,内腔的内部温度升高进而成型件的温度也从第三内部温度升高到第二内部温度(在此为大约110℃)。一旦达到该第二内部温度,就停止引入溶剂。随后对成型件进行真空干燥。
在干燥过程结束之后,将内腔冷却,优选冷却到第三内部温度,如在时间点t2处(在此即冷却到大约108℃)。由此实现,在下一循环中,成型件的温度与溶剂的温度之间的温度差与在时间点t3时大小相同。
在对内腔或成型件进行冷却之后,在时间点t4再次向其中加入加热至130℃的溶剂。与图3中所示的温度变化曲线不同,在时间点t4之后要达到的第二内部温度不必在该第二周期中比在第一周期中更高。通过将溶剂添加到内腔中,足以使第二循环中的第二内部温度达到与第一循环中相同的第二内部温度(即,达到约110℃)。由于在第二个循环开始时成型件的温度和溶剂的温度之间存在温差,因此足够的蒸气可以在成型件的表面上冷凝,以获得所需的抛光。随后,再次对成型件进行真空干燥,并再次降低内腔的内部温度,优选地降低至如在时间点t2时的第三内部温度。
第三循环与第二循环相同,并在时间点t5通过添加加热到130℃的溶剂开始。
在时间点t6处,第三循环完成,并且内腔可以被冷却到预定温度。随后,可以从压力密封容器中取出成型件。然而,也可以省略该冷却过程,并且在干燥之后直接将成型件取出。冷却过程在此也具有参照图3所述的优点。
图5示出内腔的内部温度的温度变化曲线,其中,在此在每个循环之后将内腔的内部温度并且同时将成型件的温度冷却到确定的值。
此处,PA12也用于制造成型件。苯甲醇在这里也用作溶剂。
首先,使压力密封容器的内腔达到大约130℃的第一内部温度。在时间点t1,成型件被置于内腔中并将内腔压力密封地封闭。然后在内腔中产生很大程度的真空。成型件的温度和第一内部温度之间的温度差在此使得第一内部温度直至时间点t2下降到第三内部温度,并且成型件的温度升高到该第三内部温度(在此大约115℃)。
在达到该第三内部温度之后,在时间点t3添加加热到130℃的溶剂,该溶剂在内部突然蒸发或已经作为溶剂蒸气到达内腔中。溶剂蒸气在成型部件的表面上冷凝,从而实现所需的抛光。通过添加溶剂,内腔的内部温度升高进而成型件的温度从第三内部温度(在此大约为115℃)升高到第二内部温度(在此大约为117、5℃),即升高了大约2.5℃。一旦达到该第二内部温度,就停止引入溶剂。随后,将成型件真空干燥。
在干燥过程结束之后,冷却内腔。在图4所示的示例中,内腔的温度降低到如时间点t2处的温度,而在图5所示的示例中,内腔的温度降低到如时间点t2处以下的温度(在此约5℃降低到112,5℃)。由此实现,在下一循环开始,成型件的温度与溶剂的温度之间的温度差比在上一循环开始时(在时间点t3)更大。
在内腔或成型件冷却之后,在时间点t4处再次向其中添加加热至130℃的溶剂。与图4中所示的温度变化曲线不同,在时间点t4之后要达到的第二内部温度在该第二循环中可以比在第一循环中更低(在此约为115℃)。由于在时间点t4处成型件的温度与溶剂温度之间的温差更大,因此,仍可在成型件的表面上冷凝足够的蒸气以进行所需的抛光。然后将成型件再次进行真空干燥,并再次降低内腔的内部温度(在此降至约110℃)。
第三循环与第二循环相同,并且在时间点t5处通过添加加热至130℃的溶剂而开始,由此使第二内部温度升高至约112℃。
第三循环在时间点t6处完成,并且内腔可以被冷却到预定的温度。随后,可以从压力密封容器中取出成型件。然而,也可以省略该冷却过程,并且在干燥之后直接将成型件取出。然而,冷却过程也具有这里参照图3提到的优点。
在此有利的是,由于不断冷却,成型件的表面在每个循环中的溶解都不太强烈,由此实现了较温和的抛光。在第一循环中的更高的温度具有以下优点,即,实现快速的第一抛光。
也可以有利的是,在每个循环之后降低溶剂的温度,例如降低2℃至5℃。这也适用于参照图3、图4、图6和图7所示的变型。
图6示出了内腔的内部温度的温度变化曲线,其中,在此在每个循环之后,内腔的内部温度以及同时成型件的温度被冷却到确定的值,与图5中所示的温度变化曲线不同,每个循环中的第二内部温度比前一周期中的高。
此处,PA12也用于制造成型件。苯甲醇在这里也用作溶剂。
首先,使压力密封的容器的内腔达到大约130℃的第一内部温度。在时间点t1,成型件被置于内腔中并将内腔压力密封地封闭。然后在内腔中产生很大程度的真空。成型件的温度和第一内部温度之间的温度差在此使得第一内部温度直至时间点t2下降到第三内部温度,并且成型件的温度升高到该第三内部温度(在此大约111℃)。
在达到该第三内部温度之后,在时间点t3处添加加热到130℃的溶剂,该溶剂在内部突然蒸发或已经作为溶剂蒸气到达内腔中。溶剂蒸气在成型件的表面上冷凝并且由此引起所期望的抛光。通过添加溶剂,内腔的内部温度升高进而成型件的温度从第三内部温度(在此大约111℃)升高到第二内部温度(在此大约113℃),即大约2℃。一旦达到该第二内部温度,就停止引入溶剂。随后,将成型件真空干燥。
在干燥过程结束之后,将内腔冷却(在此,约2℃到约111℃)。由此实现了在下一循环开始时,成型件的温度和溶剂的温度之间的温度差大致与之前循环开始时(在时刻t3)的温度差相同。
在内腔或成型件冷却之后,在时间点t4处再次向其中添加加热至130℃的溶剂。与图5中所示的温度变化曲线不同,在该第二循环中,在时间点t4之后要达到的第二内部温度可以比第一循环中更高(在此约为115℃)。随后,再次将成型件真空干燥并再次降低内腔的内部温度(在此约2℃降低至约113℃)。
第三循环与第二循环相同,并且在时间点t5处通过添加加热至130℃的溶剂而开始,由此使第二内部温度升高至约117℃。
第三循环在时间点t6处完成,并且内腔可以被冷却到预定的温度。随后,可以从压力密封容器中取出成型件。然而,也可以省略该冷却过程,并且在干燥之后直接将成型件取出。然而,冷却过程也具有这里参照图3提到的优点。
图7示出了内腔的内部温度的温度变化曲线,其中,在此在每个循环之后,进一步加热内腔的内部温度并且同时进一步加热成型件的温度。
此处,PA12也用于制造成型件。苯甲醇在这里也用作溶剂。
首先,使压力密封容器的内腔达到大约130℃的第一内部温度。在时间点t1,成型件被置于内腔中并将内腔压力密封地封闭。然后在内腔中产生很大程度的真空。成型件的温度和第一内部温度之间的温度差在此使得第一内部温度直至时刻t2下降到第三内部温度,并且成型件的温度升高到该第三内部温度(在此大约111℃)。
在达到该第三内部温度之后,在时间点t3处添加加热到130℃的溶剂,该溶剂在内部突然蒸发或已经作为溶剂蒸气到达内腔中。溶剂蒸气在成型件的表面上冷凝并且由此引起所期望的抛光。通过添加溶剂,内腔的内部温度升高进而成型件的温度从第三内部温度(在此大约111℃)升高到第二内部温度(在此大约113℃),即大约2℃。一旦达到该第二内部温度,就停止引入溶剂。随后,将成型件真空干燥。
在干燥过程结束之后,将内腔(进而将成型件)进一步加热(在此约2℃到约115℃)。
在加热内腔或成型件之后,在时间点t4处再次向其中加入加热至130℃的溶剂。第二内部温度由此升高大约3℃到大约118℃。随后,再次将成型件真空干燥,并且再次进一步加热内腔的内部温度(在此约2℃至约120℃)。
第三循环与第二循环相同,并且在时间点t5处通过添加加热至130℃的溶剂而开始,由此使第二内部温度升高至约123℃。
第三循环在时间点t6处完成,并且内腔可以被冷却到预定的温度。随后,可以从压力密封容器中取出成型件。
在参照图3至图7示出的温度变化过程的示例中,分别施行三个循环(表面的气相沉积和随后的干燥)。根据所期望的抛光度并且根据成型件的材料以及所使用的溶剂,也可以施行多于三个或少于三个循环。
在参照图3至图7示出的温度变化曲线的示例中,在将(冷的)成型件引入到内腔中之前(在时间点t1),首先使压力密封容器的内部温度达到预定的第一内部温度(在此为130℃)。
然而,对此可替代地,还可以将成型件引入“冷的”内腔中,然后可以使内腔达到所需的第一内部温度(例如至130℃)。在参照图3至图7所示的示例中,在此足够的是,使内腔(连同被引入其中的冷的成型件)达到第一内部温度,在该第一内部温度下不再需要随后降低到第三内部温度。因此,例如在图3所示的示例中,内腔连同放置在其中的成型件可以被加热,直至达到约108℃的温度。然后,可以直接加入溶剂。在此有利的是,在真空下施行对内腔的加热并且与此同时施行对成型件的加热。
在参照图3至图7示出的实例中,在每个循环中添加相同的溶剂。在此可替代地,可以在至少一个循环中添加与在其它循环中不同的溶剂。因此,例如成型件在具有特别粗孔的表面的情况下,在第一循环中可以添加溶剂,该溶剂引起表面的快速和/或更剧烈的溶解。因此,这也可以封闭较大的气孔。在随后的循环中,可以每次添加溶剂,然后借助该溶剂仅能轻微和/或缓慢的地溶解表面。
在参照图3、图6、图7示出的实例中,第二内部温度随着每个循环而逐渐升高。在图4所示的示例中,第二内部温度在多个循环中保持恒定。在图5所示的示例中,第二内部温度在每个循环中逐渐降低。
图3至图7所示的温度变化曲线也可以组合。也就是说,本发明的方法也可以以如下方式施行,即,第二内部温度在两个或更多个连续的循环中升高或降低,并且在这些循环之后的循环中降低或升高。因此,温度变化曲线能够依赖于成型件的材料和所使用的溶剂最佳地与要实现的表面光滑度相匹配,尤其是当使用两种或更多种不同的溶剂时。
重复以上参照图3至图7描述的试验以用于
-作为成型件材料的TPU和作为溶剂的苯甲醇,和
作为成型件材料的PA12和作为溶剂的二氯甲烷。
示例:以TPU作为成型件的材料,以苯甲醇作为溶剂:
由于TPU具有比PA12更低的熔点,因此在图3至图7中所示的温度必须分别降低约15℃。
示例:PA12作为成型件的材料,二氯甲烷作为溶剂:
在图3至图7中示出的温度变化曲线的温度在此约在20℃与40℃之间。具体而言,在试验中施行了具有图3所示的温度变化的由PA12制成的成型件,其中,在时间点t2处的温度约为20℃,并且第二内部温度在第一循环中约为23℃,在第二循环中约为29℃,并且在第三循环中约为35℃。将压力密封容器的内腔中的压力调节到低于大气压(具体地调节到大约450hPa)。该轻微的负压足以使二氯甲烷在内腔中在约20℃时已经蒸发。
下面描述两个进一步的试验。
试验1:
成型件由聚酰胺PA2200以3D打印方法制造。
压力密封容器的内腔21被加热到135℃的温度(步骤S1,第一内部温度)。
将成型件引入到内腔21中(步骤S2)并且在内腔21中产生很大程度上的真空(大约7mbar)。
通过在将成型件引入到内腔的过程中打开和关闭过程腔体,内腔再次稍微冷却(冷却到约125℃,第三内部温度)。
溶剂容器中装有苯甲醇作为溶剂。在步骤S1和S2之前或期间,将溶剂加热到约140℃的温度(步骤S3),其中在溶剂容器中达到130mbar的压力。根据苯甲醇的蒸气压力曲线,由此实现一部分溶剂的蒸发。
通过将阀门50打开大约16s的持续时间并通过内腔21与溶剂容器40之间的压力差,在步骤S4中,溶剂流入内腔21中并且在成型件上冷凝,因为这些成型件具有比流入的蒸气更低的温度。在此,溶剂容器40中的压力下降到大约100mbar,而内腔21中的压力升高到大约80mbar.。同时,内腔21中的温度升高到大约126℃(第二内部温度)。
随后,将溶剂从内腔21中抽吸出(步骤S4.1)并且将成型件在真空中干燥(步骤S5)。在此,内腔21中的温度由于溶剂的蒸发而下降到低于第二内部温度(<126℃),其中该温度也下降到低于第三内部温度(<125℃)。由此确保,溶剂蒸气的温度总是高于内腔21的温度,并且因此也高于待抛光的成型件的温度。因此,在随后的气相沉积循环中也可以确保,溶剂在成型件的表面上冷凝并且进一步对这些成型件进行抛光。
随后,在成型件最终干燥之前,将步骤S4、S4.1和S5重复18次。
试验2:
成型件由热塑性聚氨酯(TPU)以3D打印方法制造。
压力密封容器的内腔21被加热到大约130℃的温度(步骤S1,第一内部温度)。
将成型件引入到内腔21中(步骤S2)并且在内腔21中产生很大程度上的真空(大约8mbar)。通过打开和关闭过程腔体20,又将内腔21在这个过程步骤中稍微冷却。
然后,将成型件在预热后的真空室内滞留30分钟。这具有的优点是,成型件被缓慢加热,从而可以将热溶剂蒸气流入时引起的热应力降低至最低。同时,这使得可能结合在材料中的水均能缓慢的逸出,并且在随后的气相沉积期间减少冷凝的溶剂的量。由此防止由于表面沸腾而形成的气泡。在该时间之后,内腔21被冷却到105℃的温度(第三内部温度)。
溶剂容器40中填充有苯甲醇作为溶剂。在步骤S1和S2之前或期间,将溶剂加热到约135℃的温度(步骤S3),其中,使在内腔70中的压力达到约120mbar。根据苯甲醇的蒸气压力曲线,由此实现一部分溶剂的蒸发。
通过将阀门50打开大约25s的持续时间并通过内腔21与溶剂容器70之间的压力差,在步骤S4中,溶剂流入内腔21中并且在成型件上冷凝,因为这些成型件具有比流入的蒸气更低的温度。在此,溶剂容器40中的压力下降到大约90mbar,而内腔21中的压力升高到大约70mbar。同时,内腔21中的温度升高到大约110℃(第二内部温度)。
随后,将溶剂从内腔21中抽吸出(步骤S4.1)并且将成型件在真空中进行干燥(步骤S5)。在此,内腔21中的温度由于溶剂的蒸发而下降到低于第二内部温度(<110℃)的温度。
随后将内腔21中的温度降低,这例如可以通过短时间打开容器20,随后重新关闭容器20并且对内腔21抽真空来实现。由此使温度达到低于第二内部温度的温度,优选地正好为第三内部温度。
随后,在成型件最终干燥之前,重复步骤S4、S4.1和S5两次。
图8以示意性的方式示出了根据本发明的用于处理至少一个以3D打印方法制造的成型件的表面的设备。
该设备基本上包括压力密封容器20,在该容器的内腔21中引入待处理的成型件。压力密封容器20可以如此构造,即,在内腔21中可产生负压、尤其很大程度上的真空。
此外,该设备包括溶剂容器40,该溶剂容器40用于储存要引入到内腔21中的溶剂70。溶剂容器40也可以被构造为压力密封的,特别是在内腔70中可以产生负压。
溶剂容器40和压力密封容器20通过进料管线25彼此相连接,其中,在所述进料管线中可以设置一阀门50,利用该阀门可以控制溶剂从溶剂容器40到容器20的内腔21中的供应。
压力密封容器20和所述溶剂容器40分别被如此构造,即,一方面使得压力密封容器20的内腔21和另一方面位于溶剂容器40中的溶剂70能够分别被加热到预定的温度。对此,例如可以在各容器20、40上布置加热套管(在图8中未示出)或外套式加热装置。其他加热装置是可能的。
为了对内腔和溶剂中的温度进行控制,可以设置相应的温度传感器TS,所述温度传感器与控制/调节装置60连接。根据所检测到的温度测量值,控制/调节装置60可以控制热量的输送,以用于加热内腔21或用于加热溶剂70。
此外,压力密封容器20可以具有压力传感器DS,利用该压力传感器可以监测内腔21中的压力状态。该压力传感器DS同样与控制/调节装置60相连接。
此外,控制/调节装置60可以控制真空泵30,利用该真空泵可以在压力密封容器20的内腔21中产生负压或真空。
此外,控制/调节装置60与阀门50连接,从而使得控制/调节装置60可以根据内腔21中的温度来控制阀门50。
在根据本发明的设备的特别的实施例中,所述设备可以具有一个或多个另外的溶剂容器40’,该溶剂容器分别通过进料管线25’连接到压力密封容器20',并且该容器也可以被构造为压力密封的。进料管线25'可以分别具有阀门50',利用该阀门可以控制从相应的溶剂容器40'到容器20的内腔21中的溶剂的输送。
此外,溶剂容器40、40'可以分别具有压力传感器DS(图8中未示出),利用该压力传感器DS可以监测相应的内腔70、70'中的压力状态。这些压力传感器DS也与控制/调节装置60相连接。
可以在每个溶剂容器40、40'中储存不同的溶剂,当在一个循环中使用不同于其他循环的溶剂时是特别有利的。
然而,相同的溶剂也可以储存在溶剂容器40、40'中。例如,当该溶剂以不同的温度在两个不同的循环中被供给到内腔21中时,这是有利的。因此,可以将溶剂容器40中的溶剂加热到与储存在溶剂容器40'中的溶剂不同的温度。
特别有利的是,压力密封容器21与抽吸装置90连接,该抽吸装置又通过出料管线27与溶剂容器40连接。抽吸装置90适于抽吸存在于内腔21中的溶剂蒸气和/或存在于内腔的内壁上的溶剂冷凝物,并将其经由出料管线27送回到溶剂容器40中。由此可以最佳地利用溶剂,这一方面降低了根据本发明的抛光的成本,另一方面保护了环境。
被抽吸出的溶剂蒸气或被抽吸出的溶剂冷凝物可以在被输送到溶剂容器40中之前被处理,特别是清洁和/或蒸馏。为此,清洁和/或蒸馏装置80可以设置在出料管线27中。已被证明对被抽吸出的溶剂蒸气或被抽吸出的溶剂冷凝物进行蒸馏是特别有利的,因此根据本发明,使用可蒸馏的溶剂是特别有利的。
同样地,可以为另外的溶剂容器40'设置具有清洁和/或蒸馏装置的相应的出料管线,其在图8中未示出。
根据本发明的方法和根据本发明的用于实施该方法的设备具有的优点是,可以以特别节省时间的方式对成型件的表面进行抛光,因此该方法也适用于工业标准的表面抛光。在各个循环中的气相沉积仅持续几秒钟,因为该时间段足以使足够的溶剂蒸气流入压力密封容器的内部,从而在一个循环中获得所需的抛光效果。真空干燥也同样仅持续几秒钟,尤其是当溶剂蒸气仍然存在于内部并且形成在内壁和内腔底部上的溶剂冷凝物被抽吸出时。这意味着可以在几秒钟内施行一个循环。
此外,根据本发明的方法还特别适用于其表面不能被机械抛光或仅在花费相当大的情况下才能进行机械抛光的柔性成型件。
试验表明,通过根据本发明的方法可以产生光滑的表面,该表面实际上与通过注射成型生产的成型件的表面没有区别。
然而,本发明的基本优点是,根据本发明的抛光使得成型件具有高度均匀的表面,这在随后对成型件进行着色时是特别有利的。通过根据本发明的方法实现的成型件的均匀表面使得颜色在整个表面上被均匀地吸收,从而得到均匀的彩色外观。特别地,有效地防止了污染。
附图标记:
10 成型件
11 成型件10的表面
20 压力密封容器
21 压力密封容器20的内腔
25、25' 进料管线
27 出料管线
30 真空泵
40、40' 溶剂容器,优选为压力密封的
50、50' 阀门
60 控制/调节装置
70、70' 溶剂或溶剂容器40、40'的内腔
80 清洁/蒸馏装置
90 抽吸装置
DS 压力传感器
S1–S6 方法的步骤
TS 温度传感器
- 用于成型件表面处理的设备和方法
- 用于成型件单元的塑料成型件,相应的成型件单元以及用于制造成型件单元的方法