DE102020110289A1

DE102020110289A1 - Verfahren unter Verwendung eines anorganischen Binders für die Herstellung von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen

Info

Publication number: DE102020110289A1
Application number: DE102020110289.5A
Authority: DE
Inventors: Theodorus Johannes Kooijers; Hartmut Polzin; Tom Kooijers
Original assignee: PEAK DEUTSCHLAND GmbH
Current assignee: PEAK DEUTSCHLAND GmbH
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2021-10-21
Also published as: EP4135918A1; WO2021209423A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen aus einem feuerfesten Formgrundstoff mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm und die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend eine Alkalisilikatlösung zur Herstellung von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen aus einem feuerfesten Formgrundstoff mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm und die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend eine Alkalisilikatlösung zur Herstellung von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen.
Das Fertigungsverfahren Gießen ist ein Urformverfahren mit einer ganzen Reihe von Vorteilen, wie die weitgehende Gestaltungsfreiheit der hergestellten Gussteile, die Verfügbarkeit aller technisch wichtigen Metalle in Form von Gusslegierungen oder die Möglichkeit der Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil sowie die uneingeschränkte Recyclingfähigkeit der erzeugten Gussprodukte. Ein wesentlicher Nachteil des Verfahrens Gießen ist dagegen der relativ lange und zeitaufwendige Weg von der Idee der Konstrukteure über die Fertigung der Modelleinrichtung, die Herstellung der Formen und Kerne und letztendlich der Produktion des Gusserzeugnisses aus dem gewünschten Werkstoff.
Die schnelle Bereitstellung eines Prototyps aus einem Entwurf für ein Bauteil („Rapid Prototyping“) erfolgt durch generative Fertigungsverfahren umfassend die Generierung der Schichtgeometrie direkt aus 3D-rechnerunterstützten Konstruktion (computer-aided design, CAD)-Daten, insbesondere durch selektives Lasersintern (SLS), Stereolithographie (STL), Laminated Object Manufacturing (LOM), Formstoffdrucken oder direktes Formstofffräsen.
Bei dem Verfahren des Formstoffdruckens (auch bekannt als Generis-Verfahren®) wird ein furanharzgebundener Formstoff, genutzt. Die zum Einsatz kommenden Formstoffdrucker tragen schichtweise ein vorher hergestelltes Gemisch aus Formgrundstoff, insbesondere Quarzsand; und Härter, insbesondere Säure wie Paratoluolsulfonsäure; auf dem Arbeitstisch auf. Danach fährt der Druckkopf diese Fläche ab und besprüht die zur Verfestigung vorgesehenen Bereiche mit Furanharzbinder. Anschließend erfolgt die Auftragung einer neuen Schicht Sand-Härter-Gemischs und das Besprühen mit Binder, wodurch schichtweise ein aufgebautes Formteil aus furanharzgebundenem Formstoff entsteht. Das so hergestellte Formteil verfügt über eine niedrige Anfangsfestigkeit und muss nach dem „Bauprozess“ noch 10 bis 24 h bei Raumtemperatur nachhärten.
DE 10 2017 112 681 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensional geschichteten Formkörpern aus einem feuerfesten Formgrundstoff und einem Bindemittel umfassend eine Harzkomponente, insbesondere einem Furanharz, und einer Säure als Katalysatorkomponente, insbesondere para-Toluolsulfonsäure, Schwefelsäure oder Milchsäure oder eine Mischung davon. Die Harzkomponente umfasst bevorzugt ein organisches Lösemittel, besonders bevorzugt einen Alkohol, insbesondere Ethanol.
Nachteilig, kann bei dem Formstoffdrucken mit furanharzgebundenem Formstoff der anfallende nicht verfestigte Formstoff nicht ohne weiteres wieder in den Prozess zurückgeführt und wiederverwendet werden. Das teilweise noch feuchte Gemisch aus Sand und Härter würde eine weitere Härterzugabe notwendig machen, wodurch die Verfestigung hinsichtlich der Verarbeitungszeiten und der Endfestigkeiten nicht optimal ablaufen würde. Weiterhin wäre bei so hergestellten Formteilen mit einer erhöhten Gasentwicklung und damit verbundener höherer Gasblasenneignung in den erzeugten Gussteilen zu rechnen.
Eine mögliche Alternative bietet die Verwendung von anorganischen Formstoffsystemen. Vorteilhaft entstehen durch die Verwendung von anorganischen Bindemitteln während der Herstellung der Gießformen sowie während des Gießens und Abkühlens möglichst keine Emissionen in Form von Kohlenstoffdioxid oder Kohlenwasserstoffen, um die Umwelt zu schonen und die Geruchsbelästigung der Umgebung durch Kohlenwasserstoffe, insbesondere durch aromatische Kohlenwasserstoffe, zu verringern.
DE 10 2011 105 688 A1 beschreibt ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Festkörpern, wobei ein partikelförmiges Material, bevorzugt Sand; aufweisend sprühgetrocknete Alkalisilikatlösung und bevorzugt einen anorganischen Härter, schichtweise aufgetragen und selektiv mit einer Wasser-umfassenden Lösung gehärtet wird und anschließend getrocknet wird.
DE 10 2014 118 577 A1 offenbart ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formen und Kernen mit einem wasserglashaltigen Bindemittel, wobei eine dünne Schicht eines feuerfesten Formgrundstoffes ausgebreitet wird und mit einer Schicht eines Bindemittels, umfassend Wasserglas in Form einer Alkalisilikat-Lösung und zumindest ein Phosphat und/oder ein Borat, bedruckt wird. Bevorzugt erfolgt die anschließende Aushärtung durch eine Temperaturerhöhung durch Mikrowellen und/oder Infrarotlicht. Nachteilig erfolgt die Aushärtung durch eine Temperaturerhöhung, Mikrowellen und/oder Infrarotlicht, wobei ein Wärmeverzug der Formkörper auftreten kann.
Eine Alternative bietet das Wasserglas-Ester-Verfahren. Das Wasserglas-Ester-Verfahren wird zur Herstellung von Formen und Kernen aus feuchten, schüttfähigen Formstoffen angewendet. Vorteilhaft weisen Wasserglas-Ester-Formstoffmischungen gute Verarbeitungseigenschaften, insbesondere eine hohe Fließfähigkeit und leichte Verdichtbarkeit, auf.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren für die Herstellung von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen umfassend die Schritte

a) Bereitstellen eines feuerfesten Formgrundstoffes mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm enthaltend mindestens einen Härter, wobei der Härter aus mindestens einem organischen Ester besteht,
b) Ausbringen einer Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mittels 3D-Formstoffdrucker,
c) Kontaktieren und Aushärten zumindest eines Teils der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit einem anorganischen Binder mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers, wobei der anorganische Binder Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, enthält; und
d) Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff,

Unter „3D-Formstoffdrucker“ werden Fertigungsgeräte verstanden, bei denen ein Material, insbesondere ein Formgrundstoff, Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände, insbesondere Formkörper, erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren Formgrundstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung des anorganischen Binders umweltfreundlich, unter anderem da bei der Verwendung der Formkörper als Gießereikeme und -formen, bevorzugt für den Metallguss; keine umwelt- und/oder gesundheitsschädlichen Emissionen beim Abguss der Metallschmelze erzeugt werden. Weiterhin vorteilhaft ist die Verarbeitungscharakteristik anpassbar und weist gute Verarbeitungseigenschaften, auch bei der Herstellung komplexer Gießereikeme und -formen; auf. Weiter vorteilhaft erfolgt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung anorganischer Binder eine verringerte Gasentwicklung und dadurch eine verringerte Bildung von Fehlern aufgrund von Gaseinschlüssen.
Vorteilhaft tritt aufgrund der Aushärtung mit dem anorganischen Binder in Schritt c) kein Wärmeverzug der dreidimensional geschichteten Formkörper auf.
Weiterhin vorteilhaft lässt sich der in Schritt d) entfernte nicht ausgehärtete Formgrundstoff mit herkömmlichen Methoden regenerieren, d.h. eine Wiederaufbereitung durch Auswaschen des Härters.
In Ausführungsformen ist der ausgehärtete dreidimensional geschichtete Formkörper eine Form, ein Formteil oder ein Kern.
Zweckmäßig ist der feuerfeste Formgrundstoff aus Quarzsand, Chromitsand, Zirkonsand, Olivinsand, Mullitsand, Bauxitsand, Korundsand, Rutilsand, Schamotte, Siliziumcarbid und deren Mischungen ausgewählt. Bevorzugt ist der feuerfeste Formgrundstoff Quarzsand.
In Ausführungsformen weist der feuerfeste Formgrundstoff eine mittlere Korngröße im Bereich von 0,15 mm bis 0,5 mm; und/oder eine Kornform ausgewählt aus splittrig, kantig, kantengerundet oder gerundet, bevorzugt kantengerundet oder gerundet; auf.
Unter dem Begriff „mittlere Korngröße“ wird die Größe bzw. der Durchmesser einzelner Partikel, auch Körner genannt, des feuerfesten Formgrundstoffs verstanden.
Unter dem Begriff „Härter“ wird ein Stoff zur Vernetzung des Binders und/oder des feuerfesten Formgrundstoffes als Grundlage des Entstehens eines festen Kornverbundes verstanden.
In Ausführungsformen umfasst der mindestens eine Härter mindestens einen organischen Ester ausgewählt aus Monoacetin, Diacetin, Triacetin, Propylenkarbonat und Butylenkarbonat.
Vorteilhaft unterscheiden sich die Hydrolysegeschwindigkeiten der organischen Ester, wodurch eine Variation der Aushärtungszeit durch die entsprechende Auswahl des organischen Esters möglich ist. Monoacetin reagiert sehr schnell, wohingegen die Reaktion mit Triacetin wesentlich langsamer abläuft.
Bevorzugt ist der Härter eine wässrige Lösung eines organischen Esters.
In Ausführungsformen weist der Härter eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 0,5 mPa·s bis 50 mPa·s, bevorzugt im Bereich von 1 mPa·s bis 10 mPa·s; auf.
In weiteren Ausführungsformen umfasst der Härter eine Mischung von mindestens zwei organischen Estern. Vorteilhaft ist durch den Einsatz von Mischungen von mindestens zwei organischen Estern eine Anpassung der Aushärtung entsprechend der Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit möglich.
In weiteren Ausführungsformen weist der feuerfeste Formgrundstoff mindestens einen Härter mit einem Gehalt im Bereich von 5 Vol.-% bis 20 Vol.-% bezogen auf den anorganischen Binder, bevorzugt 8 Vol.-% bis 12 Vol.-%; und/oder mit einem Gehalt im Bereich von 0,1 Vol.-% bis 2 Vol.-% bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff, bevorzugt 0,16 Vol.-% bis 1,2 Vol.-%; auf.
In Ausführungsformen des Verfahrens wird die Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes in Schritt b) mit einer Schichtdicke einer Kornlage, bevorzugt mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm; ausgebracht.
In Ausführungsformen des Verfahrens wird die Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes in Schritt b) mittels eines Sandschiebers ausgebracht.
In Ausführungsformen des Verfahrens wird der zumindest eine Teil der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit anorganischen Binder mit einem Gehalt im Bereich von 2 Vol.-% bis 10 Vol.-% bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff kontaktiert.
In Ausführungsformen erfolgt die Kontaktierung zumindest eines Teils der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit dem anorganischen Binder mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers durch Aufsprühen.
Unter dem Begriff „Druckkopf“ wird ein Bauteil aus einem 3D-Formstoffdrucker verstanden, mit dem der anorganische Binder und/oder Härter gleichmäßig aus der formgebenden Öffnung gepresst wird. In Ausführungsformen weist der Druckkopf einen Drucksensor auf, womit der Druck kontrolliert wird.
In Ausführungsformen weist der anorganische Binder eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa·s bis 100 mPa·s, bevorzugt im Bereich von 10 mPa·s bis 40 mPa·s; und/oder eine Oberflächenspannung bei 20 °C im Bereich von 30 N/m bis 40 N/m auf.
Vorteilhaft weist der anorganische Binder eine Viskosität auf, welche ein ausreichendes Festigkeitsniveau und gute Zerstäubungseigenschaften bedingt, sodass der anorganische Binder „verdruckbar“ ist, d. h. nicht aus dem Druckkopf herausfließt sowie die Düsen des Druckkopfes nicht verstopft.
Unter dem Begriff „Viskosität“ wird die dynamische Viskosität verstanden. Die Bestimmung der Viskosität erfolgt mittels handelsüblicher Messgeräte wie beispielsweise Fallkörper- oder Rotationsviskosimetern.
Die Bestimmung der Oberflächenspannung erfolgt beispielsweise mittels Messverfahren unter Nutzung des Kapillareffektes oder der Kontaktwinkelmessung.
In Ausführungsformen enthält der anorganische Binder 5 Masse-% bis 35 Masse-%, bevorzugt 15 Masse-% bis 30 Masse-%, Alkalisilikat ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders.
In Ausführungsformen enthält der anorganische Binder weiterhin Wasser. In bevorzugten Ausführungsformen enthält der anorganische Binder 65 Masse-% bis 95 Masse-%, bevorzugt 70 Masse-% bis 85 Masse-%, Wasser bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders.
Erfindungsgemäß ergänzen sich die Bestandteile des anorganischen Binders zu 100 Masse-%.
In Ausführungsformen enthält der anorganische Binder weiterhin 1 Masse-% bis 49 Masse-%, bevorzugt 1 Masse-% bis 45 Masse-%, Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Eisenoxid und deren Mischungen.
Unter dem Begriff „Nanopartikel“ werden Partikel in einer beliebigen Form verstanden, welche Abmessungen im Bereich von 1 bis 100 nm aufweisen.
Vorteilhaft enthält der anorganische Binder Nanopartikel als Additiv, wodurch eine bessere Druckbarkeit bei der Verwendung des anorganischen Binders zur Herstellung von dreidimensional geschichteten Formkörpern erreicht wird.
In weiteren Ausführungsformen enthält der anorganische Binder 5 Masse-% bis 35 Masse-%, bevorzugt 15 Masse-% bis 30 Masse-%, Alkalisilikat, 1 Masse-% bis 45 Masse-%, bevorzugt 1 Masse-% bis 35 Masse-%, Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten und 20 Masse-% bis 94 Masse-%, bevorzugt 50 Masse-% bis 85 Masse-%, Wasser bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders.
In Ausführungsformen weist der anorganische Binder einen Feststoffgehalt im Bereich von 15 Masse-% bis 50 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders auf.
In weiteren Ausführungsformen enthält der anorganische Binder mindestens einen weiteren Bestandteil, wobei der mindestens eine weitere Bestandteil aus Farbstoffen, Phosphaten, Boraten und oberflächenaktiven Substanzen (Tenside) ausgewählt ist. Vorteilhaft ermöglicht der Farbstoff in dem anorganischen Binder die Visualisierung des Druckergebnisses.
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die Aushärtung in Schritt c) mittels chemischer Aushärtung durch Polykondensation. Vorteilhaft wird durch die chemische Aushärtung durch Polykondensation in Schritt c) eine Härtung innerhalb der Schicht und zwischen benachbarten Schichten erreicht.
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die Aushärtung in Schritt c) innerhalb von 1 h bis 24 h.
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die Aushärtung in Schritt c) bei einer Temperatur im Bereich von 10 °C bis 35 °C.
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die chemische Aushärtung zusätzlich mittels Heißluft, Infrarotstrahlung und/oder Mikrowellenstrahlung. Vorteilhaft wird durch die zusätzliche Aushärtung mittels Heißluft, Infrarotstrahlung und/oder Mikrowellenstrahlung eine weitere Beschleunigung der Aushärtung erreicht.
In Ausführungsformen des Verfahrens werden die Schritte a) bis d) mindestens einmal wiederholt.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen umfassend die Schritte

a) Bereitstellen eines feuerfesten Formgrundstoffes mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm enthaltend mindestens einen anorganischen Binder, wobei der anorganische Binder Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, enthält;
b) Ausbringen einer Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mittels 3D-Formstoffdrucker,
c) Kontaktieren und Aushärten zumindest eines Teils der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit mindestens einem Härter mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers, wobei der Härter aus mindestens einem organischen Ester besteht; und
d) Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff,

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Gießereikernen und -formen, bevorzugt für den Metallguss, besonders bevorzugt für den Eisen-, Stahl-, Kupfer- oder Aluminiumguss.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, in einem Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen.
In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend 5 Masse-% bis 35 Masse-%, bevorzugt 15 Masse-% bis 30 Masse-%, Alkalisilikat ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders.
In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend weiterhin Wasser. In bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend 75 Masse-% bis 99 Masse-%, bevorzugt 80 Masse-% bis 95 Masse-%, Wasser bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders.
In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders weiterhin enthaltend 1 Masse-% bis 45 Masse-%, bevorzugt 1 Masse-% bis 35 Masse-%, Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Eisenoxid und deren Mischungen.
In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend 5 Masse-% bis 35 Masse-%, bevorzugt 15 Masse-% bis 30 Masse-%, Alkalisilikat, 1 Masse-% bis 45 Masse-%, bevorzugt 1 Masse-% bis 35 Masse-%, Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten und 20 Masse-% bis 94 Masse-%, bevorzugt 50 Masse-% bis 85 Masse-%, Wasser bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders.
In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders mit einem Feststoffgehalt im Bereich von 15 Masse-% bis 50 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders.
In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders mit einer Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa·s bis 100 mPa·s, bevorzugt 10 mPa·s bis 40 mPa·s, und/oder einer Oberflächenspannung bei 20 °C im Bereich von 30 N/m bis 40 N/m.
In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend mindestens einen weiteren Bestandteil, wobei der mindestens eine weitere Bestandteil aus Farbstoffen, Phosphaten, Boraten und oberflächenaktiven Substanzen (Tenside) ausgewählt ist.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.
Es zeigt die

1 ein Schema des Kontaktierens eines feuerfesten Formgrundstoffes enthaltend mindestens einen Härter mit einem anorganischen Binder mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers und Verkleben dieser mit den darunterliegenden Schichten.

Anorganischer Binder
In einem ersten Ausführungsbeispiel weist der anorganische Binder 17 Masse-% Siliziumdioxid, 9 Masse-% Natriumoxid (Na₂O), 0,1 Masse-% Kaliumoxid (K₂O), 0,02 Masse-% Tensid und 73,88 Masse-% Wasser auf.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel weist der anorganische Binder 15 Masse-% Siliziumdioxid, 4 Masse-% Natriumoxid (Na₂O), 0,2 Masse-% Lithiumoxid (Li₂O), 0,03 Masse-% Tensid und 80,77 Masse-% Wasser auf.
Verfahren zur Herstellung eines ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpers
In einem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt der schichtweise Aufbau eines ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpers für Gießereikerne und -formen durch Bereitstellen des feuerfesten Formgrundstoffes Quarzsand (gerundet) mit einer mittleren Korngröße von 0,1 mm enthaltend 1 Vol.-% einer wässrigen Monoacetin-Lösung mit einer Viskosität von 1 mPa·s als Härter, Ausbringen einer Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mittels 3D-Formstoffdrucker mit einer Schichtdicke von 0,1 mm, Kontaktieren und Aushärten der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit einem anorganischen Binder nach dem ersten Ausführungsbeispiel mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers, und Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff. Die Ausbringung des feuerfesten Formgrundstoffes, das Kontaktieren und Aushärten der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit dem anorganischen Binder und das Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff werden viermal wiederholt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpers erfolgt die Verwendung des anorganischen Binders nach dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Zitierte Nichtpatentliteratur
Bührig-Polaczek A, Michael W, Spur G (2014) Handbuch Urformen, Carl Hanser Verlag München, ISBN 978-3-446-43406-6.
Gebhardt A (2013) Generative Fertigungsverfahren. Carl Hanser Verlag München, 4. Auflage, ISBN 978-446-43651-0.
Polzin H (2012) Anorganische Binder zur Form- und Kernherstellung in der Gießerei. Fachverlag Schiele & Schön GmbH, ISBN: 978-3-7949-0824-0.
Bezugszeichenliste

1: feuerfester Formgrundstoff
2: Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers
3: anorganischer Binder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017112681 A1 [0005]
DE 102011105688 A1 [0008]
DE 102014118577 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bührig-Polaczek A, Michael W, Spur G (2014) Handbuch Urformen, Carl Hanser Verlag München, ISBN 978-3-446-43406-6 [0068]
Gebhardt A (2013) Generative Fertigungsverfahren. Carl Hanser Verlag München, 4. Auflage, ISBN 978-446-43651-0 [0069]
Polzin H (2012) Anorganische Binder zur Form- und Kernherstellung in der Gießerei. Fachverlag Schiele & Schön GmbH, ISBN: 978-3-7949-0824-0 [0070]

Claims

Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines feuerfesten Formgrundstoffes mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm enthaltend mindestens einen Härter, wobei der Härter aus mindestens einem organischen Ester besteht, b) Ausbringen einer Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mittels 3D-Formstoffdrucker, c) Kontaktieren und Aushärten zumindest eines Teils der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit einem anorganischen Binder mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers, wobei der anorganische Binder Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, enthält; und d) Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff, wobei die Schritte a) bis c) mindestens einmal wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfeste Formgrundstoff eine mittlere Korngröße im Bereich von 0,15 mm bis 0,5 mm und/oder eine Komform ausgewählt aus splittrig, kantig, kantengerundet oder gerundet, bevorzugt kantengerundet oder gerundet; aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Härter mindestens einen organischen Ester ausgewählt aus Monoacetin, Diacetin, Triacetin, Propylenkarbonat und Butylenkarbonat umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfeste Formgrundstoff mindestens einen Härter mit einem Gehalt im Bereich von 5 Vol-% bis 20 Vol.-% bezogen auf den anorganischen Binder und/oder mit einem Gehalt im Bereich von 0,1 Vol.-% bis 2 Vol.-% bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes in Schritt b) mit einer Schichtdicke einer Komlage, bevorzugt im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm; ausgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teil der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit anorganischen Binder mit einem Gehalt im Bereich von 2 Vol.-% bis 10 Vol.-% bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff kontaktiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganische Binder weiterhin 1 Masse-% bis 45 Masse-% Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders enthält, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Eisenoxid und deren Mischungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung in Schritt c) mittels chemischer Aushärtung durch Polykondensation erfolgt.
Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines feuerfesten Formgrundstoffes mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm enthaltend mindestens einen anorganischen Binder, wobei der anorganische Binder Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, enthält; b) Ausbringen einer Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mittels 3D-Formstoffdrucker, c) Kontaktieren und Aushärten zumindest eines Teils der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit mindestens einem Härter mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers, wobei der Härter aus mindestens einem organischen Ester besteht; und d) Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff, wobei die Schritte a) bis c) mindestens einmal wiederholt werden.
Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, in einem Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen.
Verwendung eines anorganischen Binders nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganische Binder weiterhin 1 Masse-% bis 45 Masse-% Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders enthält, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Eisenoxid und deren Mischungen.
Verwendung eines anorganischen Binders nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffgehalt des anorganischen Binders im Bereich von 15 Masse-% bis 50 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders ist.
Verwendung eines anorganischen Binders nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa·s bis 100 mPa·s und/oder die Oberflächenspannung bei 20 °C im Bereich von 30 N/m bis 40 N/m ist.
Verwendung eines anorganischen Binders nach einem der Ansprüche 10 bis 13 enthaltend mindestens einen weiteren Bestandteil, wobei der mindestens eine weitere Bestandteil ausgewählt ist aus Farbstoffen, Phosphaten, Boraten und oberflächenaktiven Substanzen.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung von Gießereikernen und -formen, bevorzugt für den Metallguss.