DE102005019699B3 - Production of 3-dimensional objects such as casting moulds, involves coating a surface with separate layers of water- and-or alcohol-soluble metal salt and binding particles and layers together by spraying with water or alcohol - Google Patents

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Abstract

A method for the production of 3-dimensional objects from metal salt involves (a) coating a target surface with a layer of particles consisting of water- and/or alcohol-soluble mono- or multi-valent metal salt (I), (b) spraying a selected part of the surface, corresponding to a cross-section of the object, with a jet of water and/or alcohol to bind the particles together in that part and (c) repeating steps (a) and (b) for several layers so that the bound parts of adjacent layers are bonded together to form the object. An independent claim is included for an object made up from separate layers of particles of (I) bonded together, as in the method described above.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus Metallsalz-Partikeln sowie einen damit hergestellten Gegenstand. Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus Sand-Partikeln ist z.B. aus der WO2004/112988 A2 bekannt.The The invention relates to a method for producing a three-dimensional An article of metal salt particles and an article produced therewith. A similar Method for producing a three-dimensional article from sand particles is e.g. known from WO2004 / 112988 A2.

Generative Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus Partikeln werden zunehmend zur Herstellung von Gussformen und Gusskernen eingesetzt. Dabei wird die Gussform aus Sandpartikeln aufgebaut, die mittels Bindermaterialien verbunden werden. Üblicherweise werden organische Binder eingesetzt. Diese zerfallen aufgrund der Hitzeeinwirkung beim Gießen, wodurch die Qualität des hergestellten Bauteils beeinträchtigt werden kann. Deshalb wird in der WO2004/112988 A2 vorgeschlagen, die Sandpartikeln mit Salzkristallbindermaterial und/oder Proteinbindermaterial zu verbinden. Dazu sollen die Sandpartikeln mit einer Binderlösung bedruckt werden oder mit Binder beschichtete Sandpartikeln mit einem Lösungsmittel bedruckt werden.generative Method for producing a three-dimensional object Particles are increasingly used to make molds and cores used. The mold is made up of sand particles, which are connected by means of binder materials. Usually, organic Binder used. These decay due to the effect of heat when casting, thereby the quality of the manufactured component can be impaired. Therefore is proposed in WO2004 / 112988 A2, the sand particles with Salt crystal binder material and / or protein binder material to connect. For this purpose, the sand particles should be printed with a binder solution or with Binder coated sand particles are printed with a solvent.

In der US-Patentschrift 5,787,965 wird ein generartives Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus Partikeln vorgestellt, bei dem das Partikelmaterial zunächst geschmolzen wird und dann in Tropfenform schichtweise auf eine Zielfläche aufgebracht und zu einem Gegenstand verbunden wird. Dabei kann auch Salz als nicht-zu verbindendes Unterstützungsmaterial eingesetzt werden, welches das gegenstandsbildende Partikelmaterial begrenzt.In US Pat. No. 5,787,965 describes a generative process for Preparation of a three-dimensional object presented from particles, in which the particulate material first is melted and then applied in droplets in layers on a target surface and connected to an object. It can also salt as non-zu connecting support material be used, which is the subject-forming particulate material limited.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein alternatives schichtaufbauendes Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes sowie einen damit hergestellten Gegenstand anzugeben, welche ausreichende Gussfestigkeit erreichen, ohne beim Gießen durch Ausgasen von Bindermaterial nicht tolerierbare Qualitätseinbußen zu bewirken.The The object of the present invention is to provide an alternative Layer-building method for producing a three-dimensional Indicate the object and an article made with it, which obtain sufficient cast strength without being poured Outgassing binder material to cause intolerable quality losses.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung von Partikeln, die aus ein- oder mehrwertigem, wasser- und/oder alkohol-löslichen Metallsalz bestehen, gelöst.These Task is through the use of particles that come from or polyvalent, water and / or alcohol-soluble Metal salt exist, solved.

Dabei weist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes folgende Schritte auf:

  • – Auftragen einer Schicht aus Partikeln, die aus mindestens einem ein- oder mehrwertigen, wasser- und/oder alkohol-löslichen Metallsalz bestehen, auf eine Zielfläche,
  • – Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Schicht, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, mit einem Flüssigkeitsstrahl, der Wasser und/oder Alkohol enthält, so dass die Partikeln im ausgewählten Teil verbunden werden,
  • – Wiederholen der Schritte des Auftragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten, so dass die verbunden Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden.
In this case, the method according to the invention for producing a three-dimensional object has the following steps:
  • Applying a layer of particles consisting of at least one mono- or polyvalent, water and / or alcohol-soluble metal salt to a target surface,
  • Irradiating a selected part of the layer, corresponding to a cross-section of the object, with a liquid jet containing water and / or alcohol, so that the particles in the selected part are connected,
  • Repeating the steps of applying and irradiating for a plurality of layers so that the joined portions of the adjacent layers combine to form the article.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also im Gegensatz zur WO2004/112988 A2 vollständig auf Sandpartikeln verzichtet, die dort das wesentliche strukturbildende Element darstellen. Überraschend hat sich nämlich gezeigt, dass Partikeln aus ein- oder mehrwertigen, wasser- und/oder alkohol- löslichen Metallsalzen nach entsprechender Bestrahlung bereits ausreichende Strukturfestigkeit ausbilden können, um den Anforderungen einer Vielzahl von Gussanwendungen zu genügen.at the method according to the invention Thus, in contrast to WO2004 / 112988 A2 completely Sand particles omitted, there the essential structure-forming Represent element. Surprised has become shown that particles of mono- or polyvalent, water and / or alcohol-soluble Metal salts after appropriate irradiation already sufficient Can form structural strength, to meet the requirements of a variety of casting applications.

Darüber hinaus bietet die Wasser- und/oder Alkohollöslichkeit der gesamten Partikel im Gegensatz zu einer entsprechenden Löslichkeit lediglich eines geringen Binderanteils den Vorteil, dass die Lösungsmitteldrift in das umgebende Partikelbett vermindert oder gar gänzlich verhindert wird, woraus eine wesentlich schärfere Abgrenzung von bestrahlten und unbestrahlten Bereichen resultiert und somit evtl. Nachbearbeitungsaufwand erheblich reduziert wird.Furthermore provides the water and / or alcohol solubility of all particles in contrast to a corresponding solubility only a small one Binderanteils the advantage that the solvent drift in the surrounding Particle bed is reduced or even completely prevented, resulting in a much sharper Delimitation of irradiated and unirradiated areas results and thus possibly reworking effort is significantly reduced.

Vorteilhaft ist die Verwendung von niederen Alkoholen (Kettenlänge ≤ 4), da sie einfacherer zu handhaben sind, insbesondere Ethanol wegen seiner besseren Umweltverträglichkeit.Advantageous is the use of lower alcohols (chain length ≤ 4), as they are easier to handle, especially ethanol because of its better Environmental compatibility.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist mindestens ein Metallsalz Kristallwasser und/oder mindestens ein Metallsalz kondensierbare Anionen auf.According to one advantageous embodiment of the method according to the invention has at least a metal salt, water of crystallization and / or at least one metal salt condensable anions on.

Metallsalze mit Kristallwasser zeichnen sich durch gute Wasserlöslichkeit aus, z.B. NaCl, CuSO4, Al2(SO4)3 oder K2SO4.Metal salts with water of crystallization are characterized by good solubility in water, eg NaCl, CuSO 4 , Al 2 (SO 4 ) 3 or K 2 SO 4 .

Metallsalze mit kondensierbare Anionen (z.B. mit OH- oder Ethanol-Gruppen) zeichnen sich durch erhöhte Braunfestigkeit aus, z.B. Al(H2PO4)3, K2SiO3, Na2SiO3, Na2(HPO4) oder Na3(HPO4). Zunächst nehmen sie Lösungsmittel auf und zeigen eine gute Grünfestigkeit. Bei Erwärmung erfolgt eine Kondensationsreaktion, deren Reaktionsprodukte ausgasen und beim Guss fehlerhafte Oberflächen oder Gaseinschlüsse bewirken könnten.Metal salts with condensable anions (eg with OH or ethanol groups) are characterized by increased brown strength, for example Al (H 2 PO 4 ) 3 , K 2 SiO 3 , Na 2 SiO 3 , Na 2 (HPO 4 ) or Na 3 (HPO 4 ). First, they pick up solvents and show good green strength. Upon heating, a condensation reaction takes place, the reaction products of which outgas and which could cause faulty surfaces or gas inclusions during casting.

Daher ist – ebenso wie bei den Metallsalzen mit Kristallwasser – zunächst eine Entfernung des Lösungsmittels durch Erwärmung erforderlich, aus welcher der Braunkörper resultiert.Therefore is - as well as with the metal salts with water of crystallization - first a removal of the solvent by heating required, from which the brown body results.

Die Kondensationsreaktion lässt sich durch Anwesenheit von Oxiden (z.B. CuO, Cu2O, Al2O3, MgO) oder Hydroxiden (z.B. Al(OH)3) beschleunigen.The condensation reaction can be accelerated by the presence of oxides (eg CuO, Cu 2 O, Al 2 O 3 , MgO) or hydroxides (eg Al (OH) 3 ).

Na2(HPO4) oder Na3(HPO4) sind wasser- und alkohol-löslich.Na 2 (HPO 4 ) or Na 3 (HPO 4 ) are water- and alcohol-soluble.

Vorteilhaft ist es auch, Zusätze zur Modifizierung der Oberflächenspannung der Schmelze den Partikeln beizugeben, z.B. Kalziumphosphatsalz, welches die Oberflächenspannung einer Aluminiumschmelze erhöht und dadurch für eine glatte Oberfläche der Gussteile sorgt.Advantageous it is also, additives for modifying the surface tension to add the melt to the particles, e.g. Calcium phosphate salt, which the surface tension an aluminum melt increased and thereby for a smooth surface the castings provides.

Ein Gegenstand aus miteinander verbundenen Partikeln aus mindestens einem ein- oder mehrwertigen, wasser- und/oder alkohol-löslichen Metallsalz, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einzelnen Schichten hergestellt wurde, eignet sich besonders für den Einsatz als Gießform oder Gießkern oder auch als Werkzeug oder Einlegeteil für die Kunststoff- oder Keramik-Formgebung.One Object of interconnected particles of at least a mono- or polyvalent, water and / or alcohol-soluble Metal salt, by means of the method of the invention from individual Layers was made, is particularly suitable for use as a mold or casting core or as a tool or insert for the plastic or ceramic molding.

Insbesondere Gießkerne oder Einlegeteile lassen sich durch ihre Wasser- und/oder Alkohollöslichkeit leicht durch Bestrahlung mit ihrem Lösungsmittel zerstören und danach entfernen.Especially cores or inserts can be due to their water and / or alcohol solubility easily destroy by irradiation with their solvent and then remove.

Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Verfahren und der damit hergestellte Gegenstand näher erläutert:
Mit einer handelsüblichen 3D-Druck-Vorrichtung wird aus einem Gemisch aus NaCl (65 Gew.-%) und MgSO4 (35 Gew.-%) Partikeln mit Durchmessern zwischen 30 und 100 μm ein Gusskern durch Bestrahlung mit dem Lösungsmittel Wasser nach einem üblichen 3D-Druckverfahren aufgebaut. Die Dicke der einzelnen Druckschichten beträgt circa 125 μm.The method according to the invention and the object produced therewith will be explained in more detail on the basis of an exemplary embodiment.
With a commercially available 3D printing device from a mixture of NaCl (65 wt .-%) and MgSO 4 (35 wt .-%) particles with diameters between 30 and 100 microns a casting core by irradiation with the solvent water after a conventional 3D printing process built. The thickness of the individual printed layers is approximately 125 μm.

Der Gusskern besitzt eine Grünfestigkeit von circa 0,75 MPa. Er wird für circa 2 Stunden bei 400°C erwärmt und weist danach eine Braunfestigkeit von 0,62 MPa auf. Dies reicht für den Einsatz als Gusskern aus. Der Finishing-Aufwand ist gering. Ein einfaches Abblasen des losen Partikelmaterials mit einem schwachen Druckluftstrahl ist ausreichend.Of the Cast core has a green strength of about 0.75 MPa. He will for warmed at 400 ° C for about 2 hours and then has a brown strength of 0.62 MPa. This is enough for the Use as casting core. The finishing effort is low. One simply blow off the loose particulate material with a weak one Compressed air jet is sufficient.

Der Test des auf Raumtemperatur temperierten Gusskerns beim Guss mit der Aluminiumlegierung A356 bei einer Gusstemperatur von 730°C liefert ein gutes Gussergebnis mit guter Oberfläche. Der Kern selbst ist durch Auflösen in Wasser in kurzer Zeit leicht zu entfernen.Of the Test of the temperature controlled casting core at casting with aluminum alloy A356 at a casting temperature of 730 ° C a good casting result with a good surface. The core itself is through Dissolve easy to remove in water in a short time.

Das erfindungsgemäße Verfahren und der damit hergestellte Gusskern erweisen sich in der Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für den metallischen Guss, insbesondere für den Aluminium-Feinguss, in der Automobilindustrie.The inventive method and the casting core made therewith are found in the embodiment of the example described above is particularly suitable for the metallic Casting, especially for the aluminum investment casting, in the automotive industry.

Insbesondere können so erhebliche Vorteile bezüglich der Qualität innerer Oberflächen erzielt werden.Especially can so significant benefits regarding the quality inner surfaces be achieved.

Die Erfindung ist nicht nur auf das zuvor geschilderte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.The Invention is not limited to the previously described embodiment limited, but rather transferable to others.

So kann die Oberflächenqualität z.B. durch den Zusatz von Kalziumphosphatsalz weiter verbessert werden.So if the surface quality can be e.g. through the Addition of calcium phosphate salt can be further improved.

Claims (5)

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus Metallsalz aufweisend folgende Schritte: – Auftragen einer Schicht aus Partikeln, die aus mindestens einem ein- oder mehrwertigen, wasser- und/oder alkohol-löslichen Metallsalz bestehen, auf eine Zielfläche, – Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Schicht, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, mit einem Flüssigkeitsstrahl, der Wasser und/oder Alkohol enthält, so dass die Partikeln im ausgewählten Teil verbunden werden, – Wiederholen der Schritte des Auftragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten, so dass die verbunden Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden.Method of making a three-dimensional The article of metal salt comprising the following steps: - Instruct a layer of particles consisting of at least one on or polyvalent, water- and / or alcohol-soluble metal salt, on a target surface, - Irradiate a selected one Part of the layer, corresponding to a cross section of the article, with a liquid jet, contains water and / or alcohol, so that the particles in the selected part get connected, - To repeat the steps of applying and irradiating for a plurality of layers, so that the connected parts of the adjacent layers join together to form the object. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metallsalz Kristallwasser und/oder mindestens ein Metallsalz kondensierbare Anionen aufweist.Method according to claim 1, characterized in that at least one metal salt contains water of crystallization and / or at least a metal salt has condensable anions. Gegenstand aus miteinander verbundenen Partikeln aus mindestens einem ein- oder mehrwertigen, wasser- und/oder alkohol-löslichen Metallsalz, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, aufgebaut aus einzelnen Schichten.Object of interconnected particles from at least one mono- or polyvalent, water and / or alcohol-soluble Metal salt prepared by a process according to any one of claims 1 to 2, composed of individual layers. Gegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er als Gießform oder Gießkern ausgestaltet ist.Article according to claim 3, characterized that he as a casting mold or casting core configured is. Gegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er als Werkzeug oder Einlegeteil für die Kunststoff- oder Keramik-Formgebung ausgestaltet ist.Article according to claim 3, characterized that he as a tool or insert for the plastic or ceramic molding is designed.
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