МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СПОСОБОМ ПОСЛОЙНОГО СИНТЕЗА
MATERIALS BASED ON POLYMERS FOR TREATMENT BY LAYER-BY-LAYER SYNTHESIS

Изобретение относится к материалу для обработки способом послойного синтеза, в частности, для обработки в процессе селективного лазерного спекания (SLS).
Способ селективного лазерного спекания является способом на основе порошка и излучения, с помощью которого можно послойно создать пластмассовое изделие почти любой геометрии без инструментов и формования. Качество поверхности и зависимость механических свойств в направлении z лучше, чем в способе FDM (fused deposition modeling=моделирование методом наплавления), при котором деталь образуют послойно из плавящегося полимера. Как правило, детали, полученные способом SLS, имеют менее выраженную анизотропию механических свойств.
В способе селективного лазерного спекания (SLS) продукты получают путем послойного локального сплавления селективным лазерным излучением слоев порошкообразных материалов, имеющих самые разные свойства и разработанных специально для этого способа. По сравнению с другими аддитивно обрабатываемыми синтетическими материалами детали, полученные лазерным спеканием, помимо очень высокой механической прочности и/или химической стойкости, обладают также очень высокой теплостойкостью. SLS-способ характеризуется, в частности, различием между температурой плавления кристаллитов и температурой кристаллизации частично кристаллических синтетических материалов. Температурный интервал между указанными двумя температурами определяет процесс плавления и застывания и, тем самым, фазу нагревания и охлаждения.
До настоящего времени способом SLS обрабатывали частично кристаллические полиамиды, полиарилэфиркетоны и полимеры на основе уретана. С этими синтетическими материалами способом SLS можно получить детали, которые еще не имеют достаточно хороших огнезащитных свойств, чтобы их можно было применять, в частности, в качестве деталей в секторе электротехники и электроники (E&E). Поэтому способ SLS до сих пор не применялся для получения компонентов для сектора E&E.
Поэтому задачей настоящего изобретения является предложить синтетический материал для обработки способом SLS, который наряду с достаточной для применения в секторе E&E стойкостью к токам утечки имеет огнезащитные свойства, в частности, является огнестойким по своей природе.
Итак, решением поставленной задачи и объектом настоящего изобретения является смесь по меньшей мере одного аморфного жаропрочного термопласта и/или жидкокристаллического полимера, как PEI, PEEK и/или PPS, с по меньшей мере одним частично кристаллическим материалом, таким как полифениленсульфид (PPS), отличающаяся тем, что смесь наряду с температурой стеклования имеет по меньшей мере одну температуру плавления кристаллитов, так что смесь позволяет осуществить аддитивное изготовление посредством SLS.
Под "смесью" или "полимерной смесью" понимаются смеси двух или более разных полимеров. Свойства полученных таким образом синтетических материалов отличаются от свойств исходных полимеров. Тем не менее, эта смесь является преимущественно чисто физической смесью без образования новых химических связей, как предполагается, например, в случае сополимеров.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, температура плавления кристаллитов у частично кристаллического компонента лежит в том же температурном диапазоне, что и температура стеклования аморфного компонента смеси. Например, температура стеклования смеси отличается от точки плавления кристаллитов в смеси не более чем нам 25°C. В частности, предусматривается, что разница этих двух температур составляет от 5°C до 20°C.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, обе температуры, то есть температура стеклования смеси, с одной стороны, и температура плавления кристаллитов, с другой стороны, различаются до 100°C. В отдельных случаях это может приводить к деталям, по своей природе являющимся особо огнестойкими и одновременно стойкими к токам утечки.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, предусмотрено, что соотношение между первым компонентом, т.е. аморфным термопластом, и вторым компонентом, т.е. частично кристаллическим полимерным материалом, составляет от 0,5 частей аморфного термопласта к 1,5 частям частично кристаллического полимерного материала до 1,5 частей аморфного термопласта к 0,5 частям частично кристаллического полимерного материала. Например, эти два компонента находятся в смеси в соотношении 1:1 или от 0,8 до 1,2 или от 0,9 до 1,1.
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения, предусмотрено, что порошок содержит смесь, у которой температура стеклования аморфного термопласта и точка плавления кристаллитов частично кристаллического полимерного материала различаются не более чем на 25°C, в частности, разница составляет от 5°C до 20°C.
Объектом настоящего изобретения является также деталь для применения в секторе электротехники/электроники, обладающая достаточными огнезащитными свойствами, чтобы ее можно было получить способом SLS с использованием порошка со смесью согласно изобретению.
Подходящие аморфные синтетические материалы, в частности, термостойкие полимеры, такие как полиэфиримид (PEI), полиэфирсульфон (PES), полифенилсульфон (PPSU), полисульфон (PSU), отличаются по своей природе огнестойкостью и, как правило, характеризуются температурой стеклования.
Напротив, частично кристаллические полифениленсульфидные системы, такие как материалы на основе полифениленсульфида, в основном промышленно применяющиеся до сих пор в процессе SLS, не имеют достаточно хорошей огнестойкости. SLS-способ характеризуется, в частности, разницей температур между температурой плавления кристаллитов и температурой кристаллизации частично кристаллических синтетических материалов. Температурный интервал между указанными двумя температурами определяет процесс плавления и застывания и, тем самым, фазу нагревания и охлаждения.
В результате получения полимерных смесей из аморфных термостойких материалов, как, например, PEI, и частично кристаллических материалов, в частности, полифениленсульфида, можно с пользой использовать свойства обоих полимерных компонентов. Благодаря регулированию температуры стеклования и температуры плавления кристаллитов и/или температуры кристаллизации становится возможной обработка способом SLS.
Благодаря использованию смеси можно, в дополнение к локально ограниченному спеканию полимерных частиц частично кристаллического компонента, путем выбора аморфного компонента и его температуры стеклования использовать дополнительный технологический параметр для операций нагревания и охлаждения в способе SLS для улучшения свойств, в частности, для повышения огнестойкости. Например, применение PEI в смеси повышает огнестойкость смеси, а, например, PA-6 повышает величину CTI (стойкость к токам утечки).
Далее изобретение подробнее поясняется на избранных примерах осуществления.
Пример 1
Получали полимерную смесь из PEI и PA в примерно равном отношении. Смесь имела характеристики, представленные на фигуре 1.
Фигура 1 показывает кинетику реакции смеси согласно примеру 1 с отношением PEI к PA 1:1. На графике по оси y отложен тепловой поток в мВт, а по оси x температура в °C.
Пик плавления частично кристаллического PA при 220°C перекрывается с переходом PEI в стеклообразное состояние при примерно 217°C. При выраженном уступе 1 в этом температурном диапазоне протекает также стеклование PEI. В процессе SLS лазер нагревает порошок полимерной смеси выше температуры плавления частично кристаллического компонента.
При обработке смеси по примеру 1 способом SLS температура стеклования PEI перекрывается с температурой плавления кристаллитов PA в интервале примерно от 217°C до 220°C. Частицы полимерной смеси в температурном диапазоне примерно от 230-270°C, например, при примерно 260°C, будут сплавляться друг с другом и с предыдущим слоем.
При этом нерасплавленный порошок, уже начиная с температуры ниже 217°C, поддерживает образованный расплав. При выборе PA предпочтительно использовать компонент, рекристаллизация которого происходит при температуре не ниже 190°C.
При температуре рекристаллизации PA 190°C компонент PEI находится в твердом состоянии. Смесь по примеру 1, состоящая из PEI и PA в отношении 1:1, во время рекристаллизации имеет кинетику реакции, показанную на фигуре 2. Преимуществом смеси по примеру 1 является, как видно из фигуры 2, широкий переход от расплава к твердому состоянию, что при подходящем температурном режиме в процессе SLS можно использовать в конструкционном пространстве для снятия напряжений.
В случае смеси, полученной в соответствии с примером 1, можно влиять на кинетику кристаллизации, в отличие от чисто частично кристаллических синтетических материалов.
Пример 2
Получали полимерную смесь из PEI и PPS примерно в равном отношении. Смесь имела характеристики, представленные на фигуре 3.
Фигура 3 показывает кинетику реакции смеси согласно примеру 2 с отношением PEI к PPS 1:1. На графике по оси y отложен тепловой поток в мВт, а по оси x температура в °C.
Пик плавления PPS при 277,5°C не перекрывается с переходом PEI в стеклообразное состояние, которое происходит при примерно 217°C.
При обработке этих двух жаропрочных полимерных систем при температурах выше 300°C, предпочтительно еще выше, например, при 320°C, оба порошка сплавляются друг с другом. Благодаря подходящему охлаждению окружение остается при температуре ниже температуры кристаллизации и/или температуры стеклования.
Предлагаемое изобретением сочетание аморфного и частично кристаллического синтетических материалов ведет, кроме того, к дополнению или комбинации профиля свойств. Помимо хороших динамических характеристик, благодаря аморфному состоянию должны улучшаться демпфирующие свойства. Истирание должно снижаться благодаря частично кристаллическому компоненту, а образование напряжений улучшаться по сравнению с чисто аморфным синтетическим материалом. Частично кристаллический компонент обеспечивает хорошую текучесть, а аморфный компонент более низкую усадку.
Путем изменения соотношений между отдельными компонентами смеси, то есть состава компаунда, можно по мере надобности корректировать профиль свойств и/или параметры процесса.
Изобретение впервые описывает порошок для обработки способом SLS, который сочетает в себе свойства частично кристаллического полимерного компаунда со свойствами аморфного полимерного компаунда. Так, впервые способом SLS можно получить детали, которые имеют достаточную огнестойкость, позволяющую применять их в секторе E&E.