DE102011053205A1

DE102011053205A1 - Verfahren zum herstellen eines bauteils in ablagerungstechnik

Info

Publication number: DE102011053205A1
Application number: DE102011053205A
Authority: DE
Inventors: Rainer Höchsmann; Alexander Müller
Original assignee: ProMetal RCT GmbH
Current assignee: ExOne GmbH
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-09-02
Also published as: DE102011053205B4

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in Ablagerungstechnik durch Aufbauen eines das Bauteil enthaltenden Schichtenverbunds aus einem Partikel aufweisenden Baumaterial. Das Baumaterial wird schichtweise unter Ausbildung aufeinanderliegender Schichten auf eine Bauplattform aufgebracht, wobei die aufeinanderliegenden Schichten eine poröse Schüttung bilden. Auf einen für die jeweilige Schicht vorbestimmten Teilbereich wird vor dem Aufbringen einer nächstfolgenden Schicht ein fließfähiges Bindemittel dosiert aufgetragen. Das Bindemittel trägt zu einer Verfestigung der vorbestimmten Teilbereiche bei, so dass die Partikel des Baumaterials in dem vorbestimmten Teilbereich vermittels des Bindemittels fest miteinander verbunden werden. Erfindungsgemäß wird dabei ein Spülgas durch die Bauplattform hindurch von unten in die poröse Baumaterial-Schüttung hinein eingeleitet, so dass die Baumaterial-Schüttung von unten nach oben von dem Spülgas durchströmt wird. Das Spülgas kann dabei insbesondere zu der Verfestigung und/oder Trocknung der vorbestimmten Teilbereiche beitragen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in Ablagerungstechnik gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein solches Verfahren ist z. B. aus der DE 10 2009 056 689 A1 bekannt.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung ein sog. Rapid-Prototyping-Verfahren, insb. ein 3D-Druckverfahren, zum schichtweisen Aufbau eines Bauteils bzw. Formkörpers durch Ausbilden übereinander liegender Schichten aus Baumaterial, aufweisend ein Partikelmaterial, auf einem Baufeld bzw. einer Bauplattform sowie durch selektives Verfestigen eines Teilbereichs der jeweiligen Baumaterial-Schicht.
Eine entsprechende Anlage, z. B. eine sog. Rapid-Prototyping-Anlage, kann einen horizontal verfahrbaren Beschichter aufweisen, mit dem gleichmäßige Schichten aus dem zu verfestigenden Baumaterial, z. B. ein Partikelmaterial oder ein Gemisch enthaltend Partikelmaterial, in mehrfacher Wiederholung auf das Baufeld aufgebracht werden können, wozu der Beschichter horizontal über das Baufeld hin verfahren wird.
Das Partikelmaterial der jeweiligen Schicht kann nach seiner Aufbringung in einem vorbestimmten Teilbereich der Schicht durch Auftragen bzw. Aufdrucken eines Bindemittels z. B. miteinander verbunden bzw. miteinander verklebt werden, um die Partikel in dem vorbestimmten Teilbereich letztendlich fest miteinander zu verbinden, so dass der Formkörper aus den selektiv verfestigten Teilbereichen aufgebaut werden kann. Z. B. kann der jeweilige Teilbereich noch vor dem Aufbringen der nächsten Schicht vollständig verfestigt werden. Alternativ kann die vollständige Verfestigung erst später erfolgen, z. B. nach dem Aufbauen des gesamten Schichtenverbunds. Zudem ist es möglich, die jeweils oberste Schicht bzw. deren Teilbereich vor dem Aufbringen einer nächsten Schicht in einer schichtweisen Vorverfestigung anzuhärten/anzutrocknen und nach dem Aufbauen des gesamten Schichtenverbunds eine finale Verfestigung durchzuführen, um das Bauteil abschließend zu härten/trocknen.
Das Bauteil bzw. dessen Teilbereiche können also zu unterschiedlichen Zeitpunkten und dabei in unterschiedlichen Ausmaßen verfestigt werden. Verschiedene derartige Vorgehensweisen sind z. B. in der EP 1 324 842 B1 beschrieben (siehe dort insbesondere die Beschreibungseinleitung).
Zum Auftragen des Bindemittels kann z. B. eine Druckvorrichtung mit einem entlang eines Druckkopf-Trägers in einer ersten Horizontalrichtung verfahrbaren Druckkopf eingesetzt werden, wobei der Druckkopf-Träger selbst in einer zweiten Horizontalrichtung verfahrbar ist, so dass der Druckkopf z. B. mäanderförmig über das Baufeld hin verfahrbar ist. Der Druckkopf weist eine Mehrzahl von Düsen auf, durch die ein geeignetes fließfähiges, insbesondere flüssiges Bindemittel gesteuert auf die selektiv zu verfestigende Schicht aufgegeben/aufgedruckt werden kann. Ggf. kann in dem Baumaterial eine weitere Komponente enthalten sein, die mit dem aufgedruckten Bindemittel reagiert bzw. dessen Härtung beeinflusst, z. B. ein Aktivator. Es kann auch das Bindemittel in dem Baumaterial enthalten sein und der Aktivator aufgedruckt werden. Daher kann im Sinne dieser Anmeldung unter dem aufzudruckenden/aufzutragenden Bindemittel auch ein Behandlungsmittel verstanden werden, das zu der selektiven Verfestigung des jeweiligen Teilbereichs zumindest beiträgt bzw. an dem gesamten Ablauf der Verfestigung zumindest vorrübergehend teilnimmt. Verschiedene Bindersysteme sind ebenfalls in der EP 1 324 842 B1 offenbart.
Verschiedene Bindersysteme beinhalten oder erzeugen eine große Menge an Feuchtigkeit. Diese Feuchtigkeit sollte ausreichend aus den vorbestimmten Teilbereichen ausgetrieben werden, da zu große in dem gefertigten Bauteil eingeschlossene Feuchtigkeitsmengen in der Regel unerwünscht sind und bei einem Gießkern oder einer Gussform z. B. zu Porosität im Gussteil führen können.
Z. B. sind Mehrkomponenten-Bindersysteme bekannt, deren Komponenten in einer Polykondensation miteinander reagieren. Das aus der Polykondensation stammende Reaktionswasser sollte ausreichend aus dem jeweiligen Teilbereich ausgetrieben werden, z. B. um die in dem Bauteil eingeschlossene Endfeuchte zu reduzieren. Der Wassergehalt in dem jeweiligen Teilbereich beeinflusst auch den Ablauf der Polykondensation. Ist bereits eine große Menge an Wasser (= Produkt der Reaktion) in dem Teilbereich enthalten, läuft die Reaktion vergleichsweise langsam ab. Hierdurch können Wartezeiten zwischen den einzelnen Schichten entstehen, die das Verfahren unrentabel machen. Heizvorrichtungen zum Bestrahlen der jeweils obersten Schicht können aufwendig und kostenintensiv sein. Auch können mit derartigen Heizvorrichtungen nur begrenzte Wassermengen ausgetrieben werden.
Zahlreiche Bindemittel enthalten Lösemittel, wie z. B. Wasser oder Alkohol, welches ebenfalls ausreichend aus dem jeweiligen Teilbereich ausgetrieben werden sollte.
Insbesondere anorganische Bindemittel (wie z. B. fließfähiges Wasserglas) enthalten in der Regel große Mengen an Feuchtigkeit, z. B. bis zu 60 Gew.-% Wasser. Aufgrund der großen Wassermengen sind derartige Bindemittel sehr schwer zu handhaben, da z. B. das Wasser und/oder das Bindemittel nach unten durch den Schichtenverbund laufen können.
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Rapid-Prototyping-Verfahren und eine Baubox zur Verwendung in einem solchen Verfahren, mit denen die Trocknung bzw. Härtung des Bauteils bzw. der vorbestimmten Teilbereiche davon und letztendlich die Qualität des gefertigten Bauteils verbessert werden kann. Hierdurch können auch solche Bindersysteme verarbeitet werden, die bislang wegen ihres hohen Feuchtigkeitsgehalts und/oder wegen ihrer großen Feuchtigkeitsproduktion nur schwer oder gar nicht handhabbar waren.
Hierzu stellt die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Baubox gemäß Anspruch 12 bereit. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechend ausgebildeten erfindungsgemäßen Baubox kann die Härtung bzw. Trocknung des Bauteils (z. B. eine Gussform oder ein Gießkern) beschleunigt werden. Es sind neue, effiziente Möglichkeiten zur Trocknung/Härtung des Bauteils bzw. der vorbestimmten Teilbereiche geschaffen, so dass auch vergleichsweise schwierig zu handhabende Bindersysteme eingesetzt und verarbeitet werden können. Insbesondere ermöglichen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Baubox ein effizientes schichtweises (An-)Trocknen/(An-)Härten der vorbestimmten Teilbereiche, d. h. ein (An-)Trocknen/(An-)Härten vor dem Aufbringen der nächsten Schicht. D. h., mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Baubox kann in den Teilbereichen enthaltene Feuchtigkeit, wie z. B. (Reaktions-)Wasser oder Lösemittel, effizient und zuverlässig aus dem Schichtenverbund ausgetrieben werden (selbst mit einer ausschließlich finalen Spülung). Hierdurch kann letztendlich die Qualität des Bauteils verbessert werden, z. B. die Endfestigkeit des Bauteils oder die Gießeigenschaften einer Gussform oder eines Gießkerns. Z. B. kann in einer bestimmten Zeitdauer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine höhere (schichtweise und/oder finale) Trocknung erreicht werden, d. h. eine größere Feuchtigkeitsabfuhr, so dass weniger Restfeuchte in dem Bauteil verbleibt. Anders ausgedrückt kann innerhalb einer kurzen Zeitspanne eine zweckmäßige schichtweise (An-)Trocknung/(An-)Härtung erreicht werden, so dass das Bauteil in vergleichsweise kurzer Zeit gefertigt werden kann. Auch kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren – bei einer vorgegebenen Zeitspanne, in der das Bauteil gefertigt werden soll – die Bindemittelmenge reduziert werden, d. h. das Verhältnis von Bindemittel zu Baumaterial, bei gleich bleibender Endfestigkeit des Bauteils. Eine reduzierte Bindemittelkonzentration hat Vorteile hinsichtlich der Gasemission der Gießkerne. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Baubox eignen sich aber auch gut für ein schichtweises und/oder finales chemisches (An-)Härten der vorbestimmten Teilbereiche mit einem Härtergas, da des Spülgas besonders gleichmäßig und großflächig in die Baumaterial-Schüttung eingebracht werden kann.
Wird ein Bindersystem verwendet, dessen Komponenten in einer Polykondensation miteinander reagieren, so kann durch das Zuführen von Spülgas, z. B. in Form von getrockneter Luft, Wasser abgeführt werden, um die Restfeuchte zu reduzieren. Zudem kann ein kontinuierliches Abführen des Produkts (Wasser) dazu führen, dass die Polykondensation und letztendlich die Aushärtung bzw. Verfestigung des Bereichs begünstigt ist. Daher kann die (An-)Härtung des jeweiligen Teilbereichs mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichsweise schnell und zuverlässig sowie mit reduzierter Bindemittelmenge erfolgen, selbst bei niedrigen Umgebungstemperaturen und hoher Umgebungsluftfeuchte.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Bauteil in Ablagerungstechnik durch Aufbauen eines das Bauteil enthaltenden Schichtenverbunds aus einem Partikel aufweisenden Baumaterial hergestellt. Das Bauteil kann z. B. eine Gussform oder ein Gießkern sein. Die Partikel können in diesem Fall Sandpartikel sein.
Das Baumaterial kann also z. B. Sandpartikel aufweisen, z. B. Sandpartikel, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus Quarzsandpartikeln, Aluminiumoxidsandpartikeln, Zirkonsandpartikeln, Olivinsandpartikeln, Silikatsandpartikeln, Chromitsanpartikeln und Kombinationen davon besteht. Es können aber auch andere Partikel verwendet werden, z. B. Metall- oder Kunststoffpartikel, so dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von Sandpartikeln eingeschränkt ist. Die Partikel können z. B. eine durchschnittliche Partikelgröße von 90 bis 250 μm haben, z. B. eine durchschnittliche Partikelgröße von 90 bis 200 μm, z. B. eine durchschnittliche Partikelgröße von 110 bis 180 μm.
Das Baumaterial wird schichtweise unter Ausbildung aufeinanderliegender Schichten auf eine Bauplattform aufgebracht. Hierzu kann ein horizontal verfahrbarer Beschichter verwendet werden, der das Baumaterial flächig und gleichmäßig auf die Bauplattform bzw. eine zuvor aufgebrachte Schicht aufbringt. Geeignete Beschichter sind z. B. in den beiden folgenden Dokumenten beschrieben: DE 10 2009 056 689 A1 und DE 10 2005 056 260 A1 . WO 0078485 A2 und WO 2005097476 A2 beschreiben weitere Beschichter. Die jeweilige Schichtdicke kann z. B. in dem Bereich von 0,09 bis 0,5 mm liegen, z. B. in dem Bereich von 0,1 bis 0,3 mm.
Auf einen für die jeweilige Schicht vorbestimmten Teilbereich wird vor dem Aufbringen einer nächstfolgenden Schicht das Bindemittel dosiert aufgetragen, z. B. aufgedruckt. Das fließfähige Bindemittel kann z. B. mit einem horizontal verfahrbaren Druckkopf, der eine Mehrzahl von Druckdüsen aufweist, selektiv und dosiert auf die jeweilige Schicht aufgedruckt werden. Geeignete Druckköpfe sind z. B. in den folgenden Dokumenten beschrieben: DE 10 2009 056 694 A1 und WO 2005097476 A2 . Das Bindemittel wird z. B. derart dosiert aufgetragen, dass das Baumaterial bzw. die Partikel in dem jeweiligen Teilbereich von dem Bindemittel zumindest oder lediglich benetzt wird/werden (unvollständig oder vollständig).
Das Bindemittel trägt zu einer Verfestigung der vorbestimmten Teilbereiche bei, infolge der die Partikel des Baumaterials in dem vorbestimmten Teilbereich fest miteinander verbunden werden. Die Verfestigung der Teilbereiche kann in mehreren Teilschritten erfolgen/ablaufen. Der Beitrag des Bindemittels zur Verfestigung der Teilbereiche kann dabei von unterschiedlicher Art sein. Im Folgenden werden einige Beispiele hierfür angegeben.
Gemäß einem ersten Beispiel kann das Bindemittel eine Flüssigkeit sein oder enthalten, die eine in dem Baumaterial enthaltene trockene, insb. feste, Komponente anlöst, wobei die Partikel in dem jeweiligen Teilbereich mittels der angelösten Komponente miteinander verbunden/verklebt werden. Anschließend kann die aufgedruckte, in der angelösten Komponente enthaltene Flüssigkeit wieder aus dem Teilbereich ausgetrieben werden, so dass die in dem Teilbereich enthaltene Komponente wieder getrocknet wird, wodurch der Teilbereich letztendlich ausreichend verfestigt wird, so dass die Partikel fest miteinander verbunden sind. Die Flüssigkeit bzw. das Bindemittel kann hierbei z. B. Wasser sein, und die trockene Komponente in dem Baumaterial kann z. B. trockenes Wasserglas sein. Der Beitrag des Bindemittels zur Verfestigung des jeweiligen Teilbereichs kann hierbei in dem Anlösen der trockenen Komponente in dem jeweiligen Teilbereich gesehen werden. Insbesondere läuft die Verfestigung der Teilbereiche gemäß diesem Beispiel mit den folgenden Teilschritten ab: Anlösen der trockenen Komponente, Verbinden/Verkleben der Partikel in dem jeweiligen Teilbereich mittels der angelösten Komponente, Trocknen der angelösten Komponente durch Austreiben der aufgetragenen Flüssigkeit.
Gemäß einem zweiten Beispiel kann das Bindemittel eine fließfähige Lösung mit einer in einer Flüssigkeit/in einem Lösemittel gelösten Komponente enthalten. Nach dem Auftragen bzw. Aufdrucken des Bindemittels werden die Partikel in dem jeweiligen Teilbereich mittels der Lösung unmittelbar bzw. selbstständig miteinander verbunden bzw. verklebt. Dem Baumaterial muss in diesem Fall nicht zwingend eine (weitere) Komponente zugegeben werden, die mit dem aufgedruckten Bindemittel zusammenwirkt oder reagiert. Die Lösung bzw. das Bindemittel kann hierbei z. B. fließfähiges Wasserglas, insb. wässriges Wasserglas, sein. Anschließend kann eine flüssige Komponente der Lösung, hier das Wasser der wässrigen Wasserglaslösung, aus dem Teilbereich ausgetrieben werden, so dass das in dem Teilbereich enthaltene Bindemittel getrocknet und dadurch der Teilbereich letztendlich ausreichend verfestigt wird. Der Beitrag des Bindemittels zur Verfestigung des jeweiligen Teilbereichs kann hierbei in dem „Verkleben” der Partikel des jeweiligen Teilbereichs gesehen werden. Insbesondere läuft die Verfestigung gemäß diesem Beispiel mit den folgenden Teilschritten ab: Verbinden/Verkleben der Partikel in dem jeweiligen Teilbereich mittels der aufgedruckten/aufgetragenen Flüssigkeit bzw. Lösung und anschließendes Trocknen der aufgetragenen Lösung bzw. der darin enthaltenen/gelösten Komponente (hier beispielhaft Wasserglas).
Gemäß einem dritten Beispiel kann das Bindemittel eine Komponente eines Mehrkomponentengemischs enthalten. Eine weitere Komponente des Mehrkomponentengemischs kann z. B. anfänglich (d. h. vor dessen Aufbringung auf die Bauplattform) in dem Baumaterial enthalten sein. Alternativ kann die weitere Komponente z. B. vor oder nach dem Auftragen des Bindemittels separat auf die zuletzt aufgebrachte Schicht aufgetragen/aufgebracht werden. Ferner alternativ kann der gesamte Schichtenverbund nach seiner Fertigstellung z. B. mit der weiteren Komponente gespült werden. Die Komponenten des Mehrkomponentengemischs reagieren miteinander in dem jeweiligen Teilbereich, z. B. in einer Polymerisationsreaktion, z. B. in einer Polykondensationsreaktion oder einer Polyadditionsreaktion, wobei das Produkt bzw. des Polymer der Reaktion entweder eine feste Komponente bzw. Substanz, welche die Partikel fest miteinander verbindet, oder eine (zäh)flüssige Komponente bzw. Substanz sein kann, welche die Partikel nach einer Trocknung fest miteinander verbindet. Bei einer derartigen Reaktion können flüssige Nebenprodukte, wie z. B. Reaktionswasser aus einer Polykondensation, in dem jeweiligen Teilbereich entstehen. Zudem kann der jeweilige Teilbereich Lösemittelrückstände enthalten, z. B. Lösemittelrückstände des aufgedruckten Bindemittels. Die flüssigen Nebenprodukte oder Lösemittelrückstände sollten zumindest teilweise aus dem jeweiligen Teilbereich ausgetrieben werden, da zu große Mengen an Restfeuchtigkeit in dem Bauteil in der Regel unerwünscht sind. Unter einer Komponente des Mehrkomponentengemischs ist dabei auch ein Aktivator oder Katalysator für die in dem jeweiligen Teilbereich stattfindende Reaktion zu verstehen. Gemäß dem dritten Beispiel kann der Beitrag des Bindemittels zur Verfestigung des jeweiligen Teilbereichs also in der Bereitstellung eines Edukts bzw. Reaktionspartners gesehen werden und/oder in der Bereitstellung eines Aktivators oder Katalysators für die in dem jeweiligen Teilbereich stattfindende Reaktion, wobei ein Produkt der Reaktion die Partikel in dem jeweiligen Teilbereich fest miteinander verbindet.
Erfindungsgemäß wird ein Spülgas durch die Bauplattform hindurch (insbesondere in vertikaler Richtung durch die Bauplattform hindurch) von unten in die poröse Baumaterial-Schüttung hinein eingeleitet, so dass die Baumaterial-Schüttung von unten nach oben von dem Spülgas durchströmt wird.
Das Spülgas, mit dem die Baumaterial-Schüttung von unten nach oben gespült bzw. geflutet wird, trägt insbesondere zu der oben beschriebenen Verfestigung und/oder einer Trocknung (= Reduzierung der Feuchtigkeit in dem jeweiligen Teilbereich) der vorbestimmten Teilbereiche bei.
Z. B. kann mit dem Spülgas eine flüssige Komponente aus dem vorbestimmten Teilbereich der jeweiligen Schicht abgeführt/ausgetrieben werden, um den jeweiligen vorbestimmten Teilbereich zumindest anzutrocknen.
Dabei kann mit dem Spülgas in dem ersten Beispiel z. B. die angelöste Komponente getrocknet werden, d. h. die aufgetragene Flüssigkeit (z. B. aufgedrucktes Wasser) aus dem jeweiligen Teilbereich (zumindest teilweise) ausgetrieben werden. Z. B. kann mit dem Spülgas in dem zweiten Beispiel die aufgetragene Lösung bzw. die darin enthaltene Komponente (z. B. Wasserglas) getrocknet werden, d. h. eine in der aufgetragenen Lösung enthaltene flüssige Komponente (insb. ein Lösemittel wie z. B. Wasser) aus dem jeweiligen Teilbereich (zumindest teilweise) ausgetrieben werden. Z. B. können mit dem Spülgas in dem dritten Beispiel ein Lösemittel des aufgedruckten Bindemittels und/oder ein flüssiges Nebenprodukt (z. B. Wasser im Falle einer Polykondensation) aus dem jeweiligen Teilbereich ausgetrieben werden, um den jeweiligen Teilbereich (zumindest teilweise) zu trocknen und den Einschluss von Feuchtigkeit in dem Bauteil zu reduzieren/vermeiden.
In dem ersten Beispiel und zweiten Beispiel führt eine derartige (An-)Trocknung des jeweiligen Teilbereichs gleichzeitig auch zu einer (vollständigen oder unvollständigen bzw. teilweisen) Verfestigung des jeweiligen Teilbereichs, also einem Anstieg der Festigkeit in dem jeweiligen Teilbereich. Mit anderen Worten trägt das Spülgas sowohl zu der Verfestigung als auch zu einer Trocknung der vorbestimmten Teilbereiche bei. Das Spülgas muss nicht zwingend während der gesamten Trocknung eingesetzt werden, d. h. der Einsatz des Spülgases muss z. B. nicht zwingend zur vollständigen Trocknung bzw. Erreichung der Endfestigkeit des Bauteils führen. Es ist ausreichend, wenn ein Teil der Trocknung bzw. Verfestigung mit dem Spülgas erfolgt. Z. B. kann der jeweilige Teilbereich mit dem Spülgas lediglich vorgetrocknet werden, insb. während dem Aufbau des Schichtenverbunds, wobei eine finale Verfestigung auf die gewünschte Endfestigkeit z. B. später außerhalb der Rapid-Prototyping-Anlage erfolgen kann. Eine solche finale Verfestigung kann z. B. in einem Umluftofen oder einem Mikrowellenofen erfolgen. Ebenso kann während des Aufbaus des Schichtenverbunds eine Antrocknung mittels Infrarotstrahlung erfolgen, wobei eine finale Trocknung mittels Spülgas durchgeführt wird. Im Sinne dieser Anmeldung ist unter einer Verfestigung mit dem Spülgas daher nicht nur eine vollständige Verfestigung auf die gewünschte Endfestigkeit des Bauteils, bei welcher die Partikel des Baumaterials in dem vorbestimmten Teilbereich fest miteinander verbunden sind, zu verstehen, sondern auch eine unvollständige Verfestigung bzw. eine Vorverfestigung, durch die der Zusammenhalt der Partikel in dem Teilbereich ansteigt. Zudem muss die Verfestigung bzw. Trocknung des jeweiligen Teilbereichs nicht zwingend ausschließlich mit Spülgas erfolgen. Vielmehr kann die Spülgas-Trocknung mit weiteren Trocknungstechniken kombiniert werden, z. B. mit einer schichtweisen Antrocknung von oben mittels Infrarotstrahlung und/oder einer finalen Ofentrocknung und/oder einer Beheizung der Baubox-Umfangswandung.
In dem dritten Beispiel muss die (An-)Trocknung des jeweiligen Teilbereichs nicht zwangsweise auch zu einer Verfestigung des jeweiligen Teilbereichs beitragen. So können zweckmäßige Festigkeiten auch dann erreicht werden, wenn gewisse Feuchtigkeitsmengen in dem Bauteil bzw. den Teilbereichen eingeschlossen sind. D. h., bei einer bestimmten Restfeuchte muss eine (weitere) Trocknung der Teilbereiche nicht zwingend mit einer Steigerung der Festigkeit einhergehen. Allerdings kann eine zu hohe Restfeuchte im Bauteil unerwünscht sein, z. B. wenn das Bauteil als Gussform oder Gießkern verwendet wird.
Zusätzlich oder alternativ kann das Spülgas eine Komponente (insb. ein Härtergas) enthalten, welche an einer chemischen Reaktion in dem jeweiligen vorbestimmten Teilbereich teilnimmt, um den jeweiligen Teilbereich zu verfestigen bzw. auszuhärten.
Z. B. kann das Spülgas ein Härtergas enthalten, welches Bestandteil eines Mehrkomponentengemischs (siehe drittes Beispiel) ist, also eine gasförmige Komponente, die mit einer anderen Komponente (z. B. einer Bindemittel-Komponente) in dem vorbestimmten Bereich chemisch reagiert, um den jeweiligen vorbestimmten Teilbereich mittels des Reaktionsproduktes (z. B. einem Polymer) zu verfestigen bzw. auszuhärten.
Das Spülgas kann aber auch in dem ersten und dem zweiten Beispiel ein Härtergas enthalten (insb. in geringen Mengen), welches die oben beschriebene Verfestigung des jeweiligen Teilbereichs durch Trocknung unterstützt. Z. B. kann das Spülgas CO₂ enthalten, das mit einem Teil des Wasserglases reagiert, wodurch der Teilbereich zusätzlich gehärtet wird. D. h., das CO₂-Gas kann in dem ersten und dem zweiten Beispiel unterstützend eingesetzt werden. Es ist allerdings auch möglich, in dem ersten und zweiten Beispiel die Aushärtung des Teilbereichs ausschließlich durch chemische Härtung mit CO₂-Gas durchzuführen.
Zusammenfassend wird das Spülgas zur zumindest teilweisen Verfestigung (Erhöhung der Festigkeit durch Trocknung und/oder chemische Härtung) des jeweiligen Teilbereichs und/oder zur Entfeuchtung des jeweiligen Teilbereichs eingesetzt.
Das Einleiten von Spülgas durch die Bauplattform hindurch ermöglicht dabei auf einfache und zuverlässige Art ein gleichmäßiges und großflächiges Durchfluten bzw. Durchströmen der gesamten porösen Baumaterial-Schüttung bzw. des gesamten Schichtenverbunds mit Spülgas. Dadurch können z. B. die jeweiligen Teilbereiche zuverlässig und effizient getrocknet und/oder verfestigt werden.
Des erfindungsgemäße Verfahren schafft somit eine kosteneffiziente, einfache und zuverlässige Möglichkeit, die jeweiligen Teilbereiche effizient zu trocknen und/oder zu verfestigen.
Zudem kann das Spülgas mit dem erfindungsgemäßen Verfahren problemlos zu jeder Zeit während des Aufbauens des Bauteils in die poröse Schüttung eingeleitet werden. Hiermit kann z. B. die jeweils zuletzt aufgebrachte Schicht in ihrem Teilbereich (zumindest teilweise) verfestigt und/oder (an)getrocknet werden. Dies kann als „schichtweises” Einleiten von Spülgas bezeichnet werden. Das schichtweise Einleiten von Spülgas kann kontinuierlich bzw. ununterbrochen während des gesamten Aufbaus erfolgen oder für ein gewisses Zeitintervall je Schicht.
Des Spülgas kann aber auch lediglich oder zusätzlich nach dem Aufbauen des Bauteils in die poröse Schüttung eingebracht werden, was als „finales” Einleiten von Spülgas bezeichnet werden kann. Das finale Einleiten von Spülgas kann innerhalb oder außerhalb der Rapid-Prototyping-Anlage, in der das Bauteil aufgebaut wird, erfolgen, z. B. in einer separaten Spülkammer oder einem Ofen.
Z. B. kann in der Anlage bzw. der Spülkammer ein hoher Luft/Gas-Wechsel eingestellt werden, insbesondere feuchte gesättigte Luft/Gas abgesaugt bzw. abgezogen werden.
Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Einleiten von Spülgas mit anderen Trocknungstechniken kombiniert werden. Es stehen also insgesamt mehr Trocknungsmöglichkeiten zur Verfügung, welche sich jeweils miteinander kombinieren lassen, so dass die Trocknung optimiert und die Trocknungszeit erheblich verkürzt werden kann. Es hat sich aber gezeigt, dass allein mit dem erfindungsgemäßen Einleiten von Spülgas, also ohne den Einsatz weiterer Trocknungstechniken, bereits zufriedenstellende Festigkeiten und Trockengehalte mit zumutbarem Zeitaufwand erzielen lassen.
Die Bauplattform, durch welche hindurch das Spülgas nach oben in die Schüttung geleitet wird, kann z. B. in einer Baubox aufgenommen sein. Die Baubox kann z. B. wie in der DE 10 2009 056 696 A1 beschrieben ausgebildet sein. Insbesondere kann die Bauplattform höhenverstellbar in der Baubox aufgenommen sein. Z. B. kann die Baubox einen eigenen Bauplattform-Hubantrieb und/oder einen eigenen Baubox-Fahrantrieb aufweisen. Mit letzterem kann die Baubox in und aus der Rapid-Prototyping-Anlage gefahren werden, z. B. zu einer Spülkammer bzw. einem Ofen und anschließend zu einer Entpackungsstation, in der das Bauteil aus der Schüttung insb. automatisiert entnommen und von den losen Partikeln befreit wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Bauplattform porös ausgebildet, wobei das Spülgas von der Bauplattform-Unterseite aus durch die Poren der Bauplattform hindurch in die Baumaterial-Schüttung hinein eingeleitet wird. Z. B. kann gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung für die Bauplattform eine poröse Platte verwendet werden. Die poröse Platte kann z. B. eine poröse Sinterplatte sein, d. h. eine durch Sintern hergestellte poröse Platte. Hierbei wird das Spülgas z. B. von der Plattenunterseite (die der Baumaterial-Schüttung abgewandte Seite der Platte) aus durch die Poren der porösen Platte hindurch in die Baumaterial-Schüttung hinein eingeleitet. Das Spülgas durchströmt die Bauplattform bzw. Platte also in vertikaler Richtung bzw. in Dickenrichtung der Platte. Die Porosität einer solchen Bauplattform bzw. Platte kann z. B. in dem Bereich von 20 bis 45% liegen, z. B. in dem Bereich von 25 bis 40%. Die Bauplattform bzw. Platte kann z. B. eine Stärke von 5 bis 20 mm haben, z. B. eine Stärke von ca. 10 mm. Die poröse Platte kann z. B. im Wesentlichen aus Chrom, Nickel und Stahl bestehen bzw. im Wesentlichen Chrom, Nickel und Stahl enthalten/aufweisen. Generell ist es bevorzugt, für die Bauplattform bzw. Platte Materialien von hoher chemischer Beständigkeit (dies gilt auch für die zweite Ausführungsform) einzusetzen, die zudem eine hohe thermische Leitfähigkeit haben. Die mittlere Porengröße kann z. B. 3 bis 60 μm betragen, z. B. 3 bis 50 μm, z. B. 3 bis 40 μm, z. B. 3 bis 30 μm, z. B. 3 bis 20 μm, z. B. 3 bis 15 μm, z. B. 3 bis 10 μm. Insbesondere wird die mittlere Porengröße kleiner gewählt als die mittlere Partikelgröße. Eine geeignete Sinterplatte ist z. B. erhältlich von der Firma Reichelt unter dem Produktnamen THOMAPOR^®.
Mit dieser Ausführungsform kann das Spülgas besonders gleichmäßig und großflächig in das Partikelmaterial bzw. das Baumaterial eingeleitet werden, d. h. gut über den gesamten Querschnitt/horizontalen Schnitt des Schichtenverbunds hinweg verteilt werden. Darüber hinaus lässt sich das Spülgas aufgrund der feinen Strömungskanäle während dem Durchtritt durch die Platte gut aufheizen (siehe unten), d. h. mit dieser Ausführungsform kann ein hoher Wärmeübergang von der Platte auf das Spülgas erreicht werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist die Bauplattform eine Vielzahl von Düsen auf, wobei das Spülgas mittels der Düsen insb. von der Bauplattform-Oberseite aus in die Baumaterial-Schüttung hinein eingeleitet wird. Z. B. kann gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung für die Bauplattform eine Platte verwendet, in der eine Vielzahl von Düsen aufgenommen ist. Die Düsen sind bevorzugt über die gesamte Oberseite der Bauplattform hinweg verteilt, insbesondere mit regelmäßigem Abstand zueinander. Insbesondere sind die Düsen derart ausgebildet, dass Spülgas nach oben durch die Platte geleitet werden kann (in vertikaler Richtung durch die Platte), jedoch kein Baumaterial in die Düsen-Austrittsöffnungen gelangen bzw. diese verstopfen kann. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Platte z. B. als massive Platte ausgebildet sein. Z. B. kann die Platte eine Stahlplatte sein. In der Platte sind zahlreiche Aussparungen ausgebildet, in denen die Düsen aufgenommen sind bzw. in die die Düsen eingesetzt sind. Die Düsen können z. B. Schlitzdüsen sein. Geeignete Düsen sind z. B. erhältlich von der Firma Ludwig Föbus GmbH & Co. KG. Die Austrittsöffnungen der Düsen münden an der Plattenoberseite, d. h. sie düsen das Spülgas an der Plattenoberseite in die Baumaterial-Schüttung hinein. Insbesondere können die Düsen mit der Plattenoberseite fluchten, d. h. zusammen mit der Plattenoberseite eine plane Ebene bilden. Zur Herstellung einer solchen Platte können Löcher in einer massiven Platte geformt werden und die Düsen anschließend in die Löcher eingebracht werden. Die Austrittsöffnungen der Düsen, z. B. die Schlitze der Düsen, haben z. B. eine Weite von kleiner gleich 60 μm, z. B. kleiner gleich 50 μm. Insbesondere ist die Weite kleiner als die mittlere Partikelgröße.
Die zweite Ausführungsform kann unter Umständen preiswerter sein als die erste Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn ein Aufheizen des Spülgases während des Durchtritts durch die Platte nicht erwünscht/erforderlich ist. Die Bauplattform kann aber auch in dieser Ausführungsform beheizbar ausgebildet sein. Zudem hat die zweite Ausführungsform den Vorteil, dass Spülgas gesteuert lokal begrenzt in den Baubereich eingebracht werden kann, indem die Düsen selektiv geschlossen bzw. geöffnet werden.
Es kann vorteilhaft sein, das Spülgas vor dem Eintritt in die Baumaterial-Schüttung aufzuheizen. Dies kann z. B. während des Durchtritts des Spülgases durch die Bauplattform hindurch geschehen, was den Vorteil hat, dass die Temperatur des Spülgases bei seinem Eintritt in die Baumaterial-Schüttung sehr genau eingestellt werden kann. Das Spülgas kann hierbei zusätzlich vorgewärmt werden, d. h. vor seinem Eintritt in die Bauplattform.
Ein erwärmtes/aufgeheiztes Spülgas kann zum einen mehr Flüssigkeit aus den Teilbereichen abführen und zum anderen die Reaktionsgeschwindigkeit in dem jeweiligen Teilbereich erhöhen.
Wird die Bauplattform beheizt, um das durchströmende Spülgas zu erwärmen, so kann die Bauplattform z. B. mit einem oder mehreren Temperatursensoren versehen sein, um die Temperatur der Bauplattform zu detektieren und ggf. einer Steuerung oder Regelung zugängig zu machen. Ferner kann z. B. eine Temperaturregelung vorgesehen sein, d. h. die Temperatur der Bauplattform kann auf einen bestimmten Sollwert geregelt werden, z. B. unter Verwendung eines PID-Reglers.
Die Bauplattform kann insbesondere elektrisch beheizt werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Heizleistung zu pulsen, um ein Überhitzen an der Gasaustrittsstelle zu vermeiden und eine gleichmäßige Erwärmung des Baumaterials zu realisieren (vor allem in Höhenrichtung der Baubox).
Das Beheizen der Bauplattform kann insbesondere mit ein oder mehreren elektrischen Heizelementen erfolgen. Die Heizelemente können z. B. als Heizpatronen ausgebildet sein, z. B. in Form von Heizstäben bzw. Heizstiften (z. B. mit einem Durchmesser von kleiner gleich 5 mm, z. B. kleiner gleich 4 mm), und in entsprechend ausgebildete Löcher der Platte eingesteckt sein. Geeignete Heizpatronen sind z. B. erhältlich von der Firma Watlow.
Zum Beispiel können in die poröse Bauplattform nach der ersten Ausführungsform horizontal verlaufende Löcher eingebracht werden, in die anschließend die Heizpatronen eingesetzt werden.
Wird die Baubox bzw. das darin aufgenommene Baumaterial mit Spülgas geflutet, so sollte der Druck des Gasstroms derart eingestellt werden, dass es zu keiner Auflockerung bzw. Fluidisierung des Partikelmaterials kommt. Das Spülgas wird in einer als Beispiel dienenden Ausführungsform daher z. B. mit einem Überdruck von 0,1 bar oder weniger in die Baumaterial-Schüttung eingespeist, z. B. mit einem Überdruck von 0,01 bar oder weniger. D. h., die Druckdifferenz zwischen dem Spülgasdruck bei Eintritt in die Baumaterial-Schüttung und dem Druck in der Anlage ist bevorzugt kleiner gleich 0,1 bar. D. h., wenn in der Anlage bzw. über der Baumaterial-Schüttung ein Druck von 1 bar vorliegt, so tritt das Gas mit max. 1,1 bar aus den Düsen oder Poren aus. Zudem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Überdruck an die Füllhöhe der Baubox anzupassen, d. h. an die Anzahl von übereinander liegenden Baumaterial-Schichten. D. h., wenn die Baubox in Höhenrichtung nur anteilig gefüllt ist, so kann der Druck anteilig reduziert werden, um eine Partikelauflockerung durch einen zu hohen Gasspüldruck zu vermeiden. Mit anderen Worten kann bei einer schichtweisen Spülung des Baumaterials der Druck des Spülgases zum Ende des Verfahrens hin angehoben werden.
Das Spülgas kann z. B. Luft, insbesondere trockene und/oder heiße Luft, ein Inertgas, z. B. Argon, CO₂-Gas oder ein Gasgemisch enthaltend CO₂, ein Amingas oder eine Kombinationen davon enthalten bzw. sein.
Das Bindemittel kann z. B. Wasser, fließfähiges Wasserglas, insb. wässriges Wasserglas, Phenolharz, Furanharz, Polyisocyanat oder eine Kombination davon enthalten bzw. sein.
Die Erfindung stellt neben dem oben beschriebenen Verfahren zudem eine Baubox bereit. Die Baubox kann z. B. in dem obigen Verfahren verwendet werden. Die erfindungsgemäße Baubox kann aber auch in einem alternativen Rapid-Prototyping-Verfahren verwendet werden, z. B. beim selektiven Lasersintern, bei dem die vorbestimmten Teilbereiche mittels eines Lasers verfestigt werden. Dabei kann das eingeleitete Spülgas z. B. zum Vorwärmen bzw. Aufheizen des Baumaterials, zur Oxidationsverhinderung bzw. Einstellung einer bestimmten Atmosphäre/Reaktionsumgebung (z. B. mittels eines Inertgases), zur Kühlung bzw. Wärmeabfuhr aus der Schüttung eingesetzt werden oder um störende Komponenten abzuführen.
Die erfindungsgemäße Baubox hat eine sich in vertikaler Richtung erstreckende Umfangswandung, welche aus einer oder mehreren vertikalen Bauboxwänden gebildet sein kann. Die Umfangswandung begrenzt einen nach oben offenen Baubox-Innenraum. In diesem Baubox-Innenraum ist eine Bauplattform angeordnet, welche eine untere Begrenzung eines Baubereichs bildet, in dem das Bauteil aufgebaut werden kann, und durch welche hindurch ein Spülgas von unten in den Baubereich (bzw. in die poröse Baumaterial-Schüttung) hinein eingeleitet werden kann, so dass der Baubereich bzw. eine darin aufgenommene Baumaterial-Schüttung von unten nach oben von dem Spülgas durchströmt werden kann. Hierzu hat die Bauplattform an ihrer dem Baubereich zugewandten Oberseite eine Vielzahl von Austrittsöffnungen, welche insbesondere gleichmäßig über die gesamte Oberseite der Bauplattform hinweg verteilt sind, so dass das Spülgas durch die Bauplattform hindurch aus den Austrittsöffnungen heraus großflächig in den Baubereich eingeleitet werden kann. Diese Austrittsöffnungen können z. B. von Poren der Bauplattform oder von in der Bauplattform aufgenommenen Düsen gebildet sein. D. h., die insbesondere höhenverstellbare Bauplattform kann z. B. eine poröse Bauplattform bzw. Platte aufweisen (gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform), oder eine Bauplattform bzw. Platte, in der eine Vielzahl von Düsen aufgenommen ist (gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform).
Wird eine poröse Bauplattform verwendet, so kann die Baubox ferner eine Bodenwand aufweisen, die einen Gaszufuhr-Zwischenraum begrenzt, der sich zwischen der Bauplattform-Unterseite und der Bodenwand sowie der vertikalen Umfangswandung erstreckt.
Insbesondere wenn eine poröse Bauplattform verwendet wird, aber auch bei der mit den Düsen versehenen Bauplattform, kann die Bauplattform ein oder mehrere insbesondere elektrische Heizelemente zum Aufheizen der Bauplattform aufweisen. Die elektrischen Heizelemente können dabei z. B. als Heizpatronen ausgebildet und in entsprechend ausgebildeten Löchern der Platte aufgenommen sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand verschiedener Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 in vereinfachter, schematischer Form eine Baubox gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
2 in vereinfachter, schematischer Form eine Baubox gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die in 1 gezeigte Baubox hat eine sich in vertikaler Richtung erstreckende Umfangswandung 1, die hier von vier vertikalen Bauboxwänden gebildet ist, d. h. zwei stirnseitigen Wänden sowie zwei Seitenwänden. Die Baubox ist gemäß dieser Ausführungsform in der Draufsicht rechteckig ausgebildet. Die stirnseitigen Wände sind dabei kürzer bzw. schmäler ausgebildet als die beiden Seitenwände. Die vier vertikalen Bauboxwände begrenzen einen nach oben offenen Baubox-Innenraum, in dem eine höhenverstellbare Bauplattform 2 aufgenommen ist, welche eine untere Begrenzung eines Bauraums bildet, in dem ein Bauteil, z. B. eine Gussform oder ein Gießkern, mittels eines 3D-Druckverfahrens aufgebaut werden kann. Der Bauraum wird ferner von der Umfangswandung 1 begrenzt.
Während des 3D-Druckverfahrens wird Baumaterial 4, z. B. Sandpartikel, schichtweise unter Ausbildung aufeinanderliegender Schichten auf die Bauplattform 2 aufgebracht, wobei die aufeinanderliegenden Schichten eine poröse Schüttung bilden.
Eine geeignete Baubox ist im Detail in der DE 10 2009 056 696 A1 beschrieben, auf die insofern Bezug genommen wird.
In DE 10 2009 056 696 A1 ist zudem ein geeignetes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in Ablagerungstechnik beschrieben. Dabei wird die Bauplattform 2 zunächst in eine vertikal obere Position verfahren, eine erste Baumaterial-Schicht auf die Bauplattform 2 aufgebracht, ein fließfähiges Bindemittel dosiert auf einen vorbestimmten Teilbereich der Schicht dosiert aufgetragen, die Bauplattform 2 anschließend um eine Schichtdicke abgesenkt, eine neue Baumaterial-Schicht aufgetragen, etc.
Die Bauplattform 2 ist gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung als poröse Sinterplatte ausgebildet. Die poröse Sinterplatte hat eine Porosität von 25 bis 40% und ist aus einem Gemisch enthaltend Chrom, Nickel und Stahl, basierend auf der Werkstoffart Nr. 1.4404, hergestellt. Die mittlere Porengröße bzw. Feinheit der Poren kann z. B. 7 bis 20 μm betragen. Die Plattenstärke beträgt gemäß dieser Ausführungsform ca. 10 mm.
Die Bauplattform 2 ist gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ferner mit mehreren zylinderförmigen Heizpatronen 3 versehen, um die Bauplattform 2 elektrisch aufzuheizen. Hierzu sind horizontal verlaufende, zylinderförmige Löcher in die Bauplattform 2 eingebracht, in welche die Heizpatronen eingesetzt sind. Gemäß dieser Ausführungsform haben die Heizpatronen 3 einen Durchmesser von ca. 4 mm.
Ferner ist die Bauplattform 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung mit mehreren in der Zeichnung nicht gezeigten Temperatursensoren ausgestattet. Die mit den Temperatursensoren gemessene Bauplattform-Temperatur wird für eine Regelung der Bauplattform-Temperatur verwendet.
Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform hat die Baubox ferner eine horizontale Bodenwand. In der Bodenwand ist ein Spülgas-Zuführloch ausgebildet. Die Bodenwand, die Umfangswandung 1 und die Unterseite der Bauplattform 2 begrenzen einen Gaszufuhr-Zwischenraum, in den Spülgas 5 durch das Spülgas-Zuführloch eingeleitet werden kann. Das in den Gaszufuhr-Zwischenraum eingeleitete Spülgas 5 durchströmt die poröse Platte 2 in vertikaler Richtung (siehe den Pfeil mit dem Bezugszeichen 6), tritt an der Oberseite der Platte 2 aus und durchströmt dann das in dem Bauraum aufgenommene Baumaterial 4 großflächig und gleichmäßig von unten nach oben (siehe den Pfeil mit dem Bezugszeichen 7).
Im Folgenden werden beispielhaft zwei Bindersysteme angegeben, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der oben beschriebenen Baubox durchführbar ist. Die Erfindung ist allerdings nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt, sondern kann auch mit anderen Bindersystemen durchgeführt werden.
Erstes Bindersystem (anorganisches Bindersystem, insb. Wasserglas-Verfahren)
Z. B. kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Trocknen eines in dem jeweiligen Teilbereich befindlichen anorganischen Bindemittels, wie z. B. (zäh)flüssiges oder angelöstes Wasserglas, verwendet werden.
Das Wasserglas kann dabei z. B. als wässrige Lösung (Wasserglas gelöst in Wasser) mittels eines Druckkopfes dosiert auf einen vorbestimmten Teilbereich der jeweils obersten Schicht aufgetragen werden, so dass die Partikel in dem jeweiligen Teilbereich mittels des wässrigen Wasserglases miteinander verbunden/verklebt werden.
In einem alternativen Wasserglas-Verfahren kann Wasser mittels eines Druckkopfes dosiert auf einen vorbestimmten Teilbereich der jeweils obersten Schicht aufgetragen werden, wobei das Baumaterial trockenes Wasserglas enthält, welches von dem aufgedruckten Wasser angelöst wird, so dass die Partikel in dem jeweiligen Teilbereich mittels des angelösten Wasserglases miteinander verbunden/verklebt werden.
Zum Verfestigen der Teilbereiche wird das wässrige/angelöste Wasserglas anschließend wieder getrocknet, indem die Teilbereiche mit Spülgas durchströmt werden, z. B. mit vorgewärmter und trockener Luft, wodurch das aufgedruckte Wasser ausgetrieben wird. Dies erfolgt schichtweise und/oder in einer zusätzlichen finalen Trocknung nach dem Aufbauen des vollständigen Bauteils, z. B. außerhalb des Bauraums. Ggf. kann der Baubereich zusätzlich beheizt werden, z. B. durch Infrarotstrahlung von oben und/oder durch ein Beheizen der Baubox-Umfangswandung 1. Bevorzugt wird schichtweise getrocknet und ggf. eine finale Trocknung durchgeführt. Dabei kann die Bauplattform mittels der Heizelemente 3 z. B. auf eine Temperatur von ca. 200°C aufgeheizt werden und trockene, kalte Luft zur Unterseite der Bauplattform 2 hin geleitet werden. Die kalte Luft strömt durch die Poren der Bauplattform 2, welche Luftstromkanäle bilden, wobei sich die Luft auf ca. 120°C erwärmt und gleichmäßig und großflächig in den darüber liegenden Baubereich eintritt. Die warme trockene Luft durchspült somit gleichmäßig die gesamte Baumaterial-Schüttung. Die warme Luft trocknet dabei das Wasserglas und führt Feuchtigkeit, insbesondere Wasser, aus den Teilbereichen nach oben aus der Baubox ab. Dadurch kommt es zu einer Verfestigung der Teilbereiche, in denen die Partikel, z. B. Quarzsandpartikel, mittels des trockenen Wasserglases fest miteinander verbunden sind. Das trockene Wasserglas kann dabei feste Wasserglas-Hälse oder Wasserglas-Stege ausbilden, über die die Sandpartikel miteinander verbunden sind. Die verfestigten Teilbereiche, in denen die Partikel mittels der Wasserglasstege fest miteinander verbunden sind, können eine gewisse Restporosität aufweisen. Daher wird das Spülgas nicht daran gehindert, in die nächstfolgenden Schichten zu strömen.
Die Erfinder haben in Versuchsreihen festgestellt, dass – im Vergleich zu einer ausschließlich von außen beheizten Baubox – das Durchströmen der Baumaterial-Schüttung mit trockener, warmer Luft den Vorteil hat, dass die Beheizungszeit bzw. Trocknungszeit erheblich verkürzt werden kann.
Zunächst wurde eine als Beispiel dienende Baubox ausschließlich von außen beheizt, ein erstes Mal in einem Umluftofen und ein zweites Mal mittels an der Baubox-Umfangswandung angebrachter Heizpads. Beide Male wurden ca. 12 Stunden benötigt, um die Teilbereiche bzw. das Bauteil ausreichend zu verfestigen bzw. zu trocknen. Hierzu wurde die Baubox nach dem Aufbauen des kompletten Schichtenverbunds mit Raumtemperatur aus der Rapid-Prototyping-Anlage entnommen und auf 120°C aufgeheizt.
Anschließend wurde die Baubox nach dem Aufbauen des kompletten Schichtenverbunds in einer finalen Trocknung mit trockener, warmer Luft gespült, d. h. es wurde trockene Luft durch die beheizte Bauplattform hindurch von unten in den Bauraum eingeleitet. Dadurch konnte die Beheizungszeit bzw. Trocknungszeit auf 6 Stunden verkürzt werden.
Ein weiterer Vorteil bei dem beschriebenen Verfahren liegt darin, dass bereits während des schichtweisen Aufbaus des Bauteils auf einfache und zuverlässige Weise Feuchtigkeit aus dem Partikelmaterial abgeführt werden kann, um die Teilbereiche zumindest anzutrocknen. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von anorganischen Bindersystemen von Vorteil, da diese in der Regel vergleichsweise viel Wasser als Lösemittel enthalten. Durch das schichtweise Antrocknen kann ein nach unten Laufen des Wassers oder des Wasserglases vermieden werden.
Wird die Baubox nur von außen beheizt, so kann zudem Feuchtigkeit, insb. Wasser, in dem Bauteil verbleiben bzw. eingeschlossen werden. Dies hat Nachteile bei der Verwendung der Bauteile als Gussformen oder Gießkerne, z. B. aufgrund von Gasporen im Gussteil, sowie Nachteile bei der Reinigung der Bauteile durch Anhaftungen.
Zweites Bindersystem (organisches Bindersystem, insb. Phenolharz-Verfahren)
Z. B. ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Partikel in dem jeweiligen Teilbereich mit einem vernetzten bzw. polymerisierten Phenolharz (oder alternativ mit einem Furanharz) zu verbinden/verkleben. Hierzu werden die benötigten Komponenten, wie Edukt(e) und ggf. Aktivator und/oder Katalysator, auf das aufzudruckende Bindemittel und das Baumaterial verteilt. Z. B. wird Sand mit einem Aktivator vorgemischt und das Gemisch mit dem Beschichter schichtweise aufgebracht und Phenolharz mittels des Druckkopfes schichtweise selektiv eindosiert. Die Aushärtung/Polymerisierung des Phenolharzes kann z. B. überwiegend zum Zeitpunkt eines finalen Spülens der Schüttung mit vorgewärmter Luft erfolgen, z. B. bei einer Lufttemperatur von größer gleich 100°C, vorzugsweise größer gleich 150°C. Dabei kommt es in dem jeweiligen Teilbereich zu einer Polymerisierung, insb. zu einer Polykondensation, bzw. zu einer Vernetzung des Phenolharzes, wobei die Partikel mittels des entstehenden Polymers bzw. mittels des vernetzten Phenolharzes fest miteinander verbunden werden. Dabei entsteht als Reaktionsproduktion der Polykondensation Wasser. Zudem kann in den Teilbereichen Lösungsmittel (z. B. ein Alkohol) verbleiben, welches in dem aufgedruckten Bindemittel enthalten ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann hierbei zum Verfestigen und Trocknen der jeweiligen Teilbereiche verwendet werden, insb. zum Bereitstellen der erhöhten Reaktionstemperatur und zum Austreiben des Reaktionswassers und des Lösemittels. Dies kann während des Bauprozesses Schicht für Schicht und/oder nach Fertigstellung des Bauteils, z. B. außerhalb der Rapid-Prototyping-Anlage, erfolgen. Als Spülgas wurde erneut vorgewärmte, trockene Luft verwendet. Alternativ könnte aber z. B. auch ein Inertgas verwendet werden.
Im Vergleich zu einer nur von außen beheizten Baubox konnte die Verfestigung bzw. Aushärtung eines derart hergestellten organisch-gebundenen Bauteils mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschleunigt werden. Zudem kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden, dass unzweckmäßige Mengen an Feuchtigkeit, z. B. in Form von Lösemittelrückständen oder Reaktionswasser aus der Polykondensation, in dem Bauteil eingeschlossen werden. Wird die Baubox ausschließlich von außen beheizt, so kann es dazu kommen, dass die Bauteile infolge der Polykondensation zwar ausreichend aushärten (nach ausreichend langer Wartezeit), jedoch zu viel Feuchtigkeit in dem Bauteil verbleibt, was Nachteile bei der Verwendung der Gegenstände als Gießkerne oder Gussformen mit sich bringt. Zudem kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Bindemittelkonzentration durch Zuführung von warmer, trockener Luft während der Polykondensation reduziert werden. So wurde festgestellt, dass, wenn während der Polykondensation warme, trockene Luft durch die Bauplattform eingeleitet wird, die Bindemittelkonzentration von 1,9% auf 1,4% bei gleicher Endfestigkeit reduziert werden kann. Eine reduzierte Bindemittelkonzentration hat z. B. Vorteile dahingehend, dass es beim Gießen zu geringeren Gasemissionen kommt.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 2 eine Baubox gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Auf eine Wiederholung von Gemeinsamkeiten mit der ersten Ausführungsform wird verzichtet.
Wie in der ersten Ausführungsform hat die Baubox eine sich in vertikaler Richtung erstreckende Umfangswandung 1, die erneut von vier vertikalen Bauboxwänden gebildet ist. Die Baubox ist in der Draufsicht rechteckig ausgebildet, mit zwei kurzen, stirnseitigen Wänden und zwei langen Seitenwänden. In dem nach oben offenen Baubox-Innenraum ist eine höhenverstellbare Bauplattform 2' aufgenommen, welche den Bauraum nach unten hin begrenzt.
Anders als in der ersten Ausführungsform ist die Bauplattform 2' gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung als massive Platte ausgebildet, insbesondere als massive Stahlplatte. Auf der Oberseite der Stahlplatte sind mehrere Aussparungen ausgebildet, in denen jeweils eine Düse 8, hier eine Schlitzdüse, aufgenommen ist. Die Düsen 8 sind gleichmäßig über die gesamte Oberseite der Stahlplatte hinweg verteilt. Die Düsen 8 können über einen jeweiligen Stutzen 9 mit Spülgas versorgt werden. Die Stutzen 9 können z. B. mit einer gemeinsamen Anschlussplatte in Fluidverbindung stehen, welche mit dem Spülgas gespeist wird. Das Spülgas kann so mittels der Düsen 8 gleichmäßig und großflächig in den Bauraum eingebracht werden, wobei das Spülgas zunächst durch die Bauplattform 2' hindurch und aus den Düsen 8 heraus strömt (Pfeil 6) und anschließend die Baumaterial-Schüttung durchströmt (Pfeil 7).
Die in 2 gezeigte Bauplattform 2' ist nicht beheizbar ausgebildet. Die Bauplattform 2' eignet sich daher insbesondere für Gashärteverfahren, bei denen ein Härtergas in den Schichtenverbund eingeleitet wird, um die Teilbereiche chemisch zu härten, wobei das Härtergas chemisch mit einer in dem jeweiligen Teilbereich enthaltenen Komponente (z. B. eine Bindemittel-Komponente) reagiert. Geringe Mengen an Feuchtigkeit, wie z. B. Lösemittel des Bindemittels, können mit dem Härtergas abgeführt werden.
Es ist bekannt, die Partikel in dem jeweiligen Teilbereich mit Polyurethan zu verbinden. Erfindungsgemäß kann während des Bauprozesses dabei Schicht für Schicht oder nach Fertigstellung der letzten Schicht gasförmiges Härtemittel, z. B. Amingas, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Bauplattform in den jeweiligen Teilbereich eingeleitet werden. Das Spülgas kann als ein Reaktionspartner fungieren bzw. an der chemischen Reaktion teilnehmen. Eine Vorheizung ist für die Reaktion nicht zwingend notwendig.
Z. B. kann dem Partikelmaterial Phenolresol zugemischt werden (z. B. 0,5–1,0 Gew.-% Phenolresol bezogen auf das Baumaterial) und Polyisocyanat (0,5–1,0 Gew.-% bezogen auf das Baumaterial) mittels des Druckkopfes selektiv eindosiert werden. Die Aushärtung kann mittels einer Amingas-Spülung (insb. einer finalen Amingas-Spülung) erfolgen bzw. beschleunigt werden. Das Phenolresol dient als Binder, Polyisocyanat ist ein Aktivator und Amingas wirkt als Katalysator.
Wird dennoch warmes Spülgas benötigt, so kann das Spülgas z. B. vor dem Eintritt in die Bauplattform 2' bzw. die Düsen 2' aufgeheizt werden. Jedoch kann auch die in 2 gezeigte Bauplattform 2' zusätzlich oder alternativ mit Heizelementen versehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009056689 A1 [0001, 0017]
EP 1324842 B1 [0005, 0006]
DE 102005056260 A1 [0017]
WO 0078485 A2 [0017]
WO 2005097476 A2 [0017, 0018]
DE 102009056694 A1 [0018]
DE 102009056696 A1 [0039, 0062, 0063]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in Ablagerungstechnik durch Aufbauen eines das Bauteil enthaltenden Schichtenverbunds aus einem Partikel aufweisenden Baumaterial, indem das Baumaterial schichtweise unter Ausbildung aufeinanderliegender Schichten auf eine Bauplattform aufgebracht wird, wobei die aufeinanderliegenden Schichten eine poröse Schüttung bilden, und indem auf einen für die jeweilige Schicht vorbestimmten Teilbereich vor dem Aufbringen einer nächstfolgenden Schicht ein fließfähiges Bindemittel dosiert aufgetragen wird, welches zu einer Verfestigung der vorbestimmten Teilbereiche beiträgt, so dass die Partikel des Baumaterials in dem vorbestimmten Teilbereich fest miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spülgas durch die Bauplattform hindurch von unten in die poröse Baumaterial-Schüttung hinein eingeleitet wird, so dass die Baumaterial-Schüttung von unten nach oben von dem Spülgas durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bauplattform in einer Baubox aufgenommen und insbesondere höhenverstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bauplattform porös ausgebildet ist und das Spülgas von der Bauplattform-Unterseite aus durch die Poren der Bauplattform hindurch in die Baumaterial-Schüttung hinein eingeleitet wird, wobei für die Bauplattform z. B. eine poröse Platte, insb. eine poröse Sinterplatte, verwendet wird, deren Poren von dem Spülgas durchströmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bauplattform eine Vielzahl von Düsen aufweist und das Spülgas mittels der Düsen in die Baumaterial-Schüttung hinein eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Spülgas vor dem Eintritt in die Baumaterial-Schüttung aufgeheizt wird, insbesondere während dem Durchtritt durch die Bauplattform hindurch.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Spülgas zu der Verfestigung und/oder einer (An-)Trocknung der vorbestimmten Teilbereiche beiträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mit dem Spülgas eine flüssige Komponente, insbesondere eine flüssige Komponente des Bindemittels und/oder ein flüssiges Reaktionsprodukt, z. B. Wasser und/oder ein Lösemittel, aus dem vorbestimmten Teilbereich der jeweiligen Schicht abgeführt wird, um den jeweiligen vorbestimmten Teilbereich zumindest anzutrocknen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Spülgas eine Komponente enthält, welche an einer chemischen Reaktion in dem jeweiligen vorbestimmten Teilbereich teilnimmt, um den jeweiligen Teilbereich zu verfestigen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Spülgas aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Luft, insbesondere trockene und/oder heiße Luft, einem Inertgas, z. B. Argon, CO₂-Gas oder ein Gasgemisch enthaltend CO₂, Amingas und Kombinationen davon besteht, und/oder wobei das Bindemittel aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Wasser, fließfähigem Wasserglas, insb. wässrigem Wasserglas, Phenolharz, Furanharz, Polyisocyanat und Kombinationen davon besteht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Spülgas mit einem Überdruck von 0,1 bar oder weniger in die Baumaterial-Schüttung eingespeist wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Spülgas während des schichtweisen Aufbaus des Bauteils in die Baumaterial-Schüttung eingebracht wird und/oder wobei das Spülgas nach dem Aufbauen des kompletten Schichtenverbunds in die Baumaterial-Schüttung eingeleitet wird.
Baubox zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, sofern auf Anspruch 2 rückbezogen, aufweisend: eine vertikale Umfangswandung, welche einen nach oben offenen Baubox-Innenraum begrenzt, und eine Bauplattform, welche in dem Baubox-Innenraum angeordnet ist und eine untere Begrenzung eines Baubereichs bildet, in dem das Bauteil aufgebaut werden kann, wobei die Bauplattform an ihrer dem Baubereich zugewandten Oberseite mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen versehen ist, welche insbesondere gleichmäßig über die gesamte Oberseite der Bauplattform hinweg verteilt sind, so dass Spülgas durch die Bauplattform hindurch aus den Austrittsöffnungen heraus großflächig in den Baubereich eingeleitet werden kann.
Baubox nach Anspruch 12, sofern auf Anspruch 3 rückbezogen, wobei die poröse Platte eine Porosität von 20 bis 45% hat, z. B. eine Porosität von 25 bis 40%.
Baubox nach Anspruch 12, sofern auf Anspruch 3 rückbezogen, oder Anspruch 13, wobei die Baubox ferner eine Bodenwand aufweist, die einen Gaszufuhr-Zwischenraum begrenzt, der sich zwischen der Bauplattform-Unterseite und der Bodenwand sowie der vertikalen Umfangswandung erstreckt.
Baubox nach einem der Ansprüche 12 bis 14, sofern auf Anspruch 5 rückbezogen, wobei die Bauplattform mit ein oder mehreren insbesondere elektrischen Heizelementen zum Aufheizen der Bauplattform versehen ist.
Baubox nach Anspruch 15, wobei die elektrischen Heizelemente als Heizpatronen ausgebildet und in entsprechend ausgebildeten Löchern der Platte aufgenommen sind.