DE10228079A1 - Selbsthärtendes Gemisch und dessen Verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein selbsthärtendes Gemisch, insbesondere zum Drucken von temperaturbeständigen Körpern, und dessen Verwendung. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein Pulvergemisch anzugeben, das durch die Einwirkung von Wasser innerhalb kurzer Zeit aushärtet und insbesondere zur Herstellung von mechanisch stabilen, dreidimensionalen, feuerfesten Modellen und Gießformen vermittels konventioneller 3-D-Drucker verwendet werden kann, wird dadurch gelöst, dass ein selbsthärtendes, hydrophiles, pulverförmiges, wasserfreies Gemisch aus DOLLAR A È Aluminiumhydroxid und Kaliumcarbonat oder DOLLAR A È Aluminiumhydroxid und Natriumcarbonat oder DOLLAR A È Aluminiumhydroxid und Ammoniumcarbonat oder DOLLAR A È Aluminiumhydroxid, Kaliumcarbonat und Aluminiumdihydrogenphosphat oder DOLLAR A È Aluminiumhydroxid, Kaliumcarbonat und Aluminiumhydrogenphosphat oder DOLLAR A È Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid und Ammoniumcarbonat und/oder Ammoniumhydrogencarbonat oder DOLLAR A È Aluminiumhydroxid, Kaliumcarbonat und Calciumhydrogenphosphat, DOLLAR A besteht, wobei das Gemisch durch die Zugabe von Wasser aushärtbar und im Anschluss temperbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein selbsthärtendes Gemisch, insbesondere zum dreidimensionalen Drucken von temperaturbeständigen Körpern, und dessen Verwendung.
• Das dreidimensionale Drucken (3D-Printing) hat als Rapid-Prototyping-Verfahren in den letzten Jahren vielseitige industrielle Anwendungen zur schnellen und kostengünstigen Herstellung von Prototypen und Modellen gefunden (A. Gebhardt; Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung, 2. völlig überarbeitete Auflage, München, Wien, Hanser 2000, S. 83–225).
• Dem Verfahren liegt zugrunde, dass der zu fertigende Gegenstand zunächst durch geeignete Software rechnerintern in zweidimensionale Schichten zerlegt und anschließend in einer 3D-Printing-Anlage schichtweise aufgebaut wird. Der eigentliche 3D-Printing-Prozess basiert auf der sukzessiven Bedruckung eines Pulverbettes in der Printing-Anlage mit einer geeigneten Härterflüssigkeit. Durch Einwirkung der Härterflüssigkeit kommt es zur Verfestigung beziehungsweise zur Aushärtung der bedruckten Pulverschicht. Anschließend wird die bedruckte Schicht abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht, die in analoger Weise mit neuen Schichtinformationen wie die vorangegangene Schicht mit Härterflüssigkeit bedruckt wird. Dabei entsteht eine neue gehärtete Pulverschicht, die mit der unteren Schicht verbunden ist. Durch vielfache Wiederholung dieses Prozesses entstehen dreidimensionale Modelle, die nach dem beendeten Schichtaufbau aus dem nichtgehärteten Pulverbett entnommen werden können.
• In der Schrift WO 00/26026 wird die Verwendung von Gips und Gipsgemischen als Pulvermaterial beschrieben, die durch Einwirkung wäßriger Lösungen aushärten. Diese Materialien erwiesen sich als sehr geeignet für den Prototypenbau.
• Von Nachteil ist jedoch, dass die mit Gips erzeugten Modelle bei höheren Temperaturen nur kurzzeitig beständig sind. Deswegen eignet sich diese mit Gips betriebene Technologie nur sehr bedingt zur direkten Herstellung von Gießformen für den Metallguß.
• Bei einem weiteren Verfahren, das in der Schrift WO 98/09798 offenbart wird, werden Stärkegemische durch Einwirkung von Härterflüssigkeit verfestigt.
• Die damit hergestellten 3-D-Modelle sind ebenfalls nicht hitzebeständig.
• In der Schrift WO 0178969 werden Kompositionen zum dreidimensionalen Drucken von festen Objekten beschrieben.
• In diesem Zusammenhang wird ein Klebstoff für die Komposition offenbart, der als anorganischen Beimengungen Natriumpolyphosphat, Natriumhydrogenphosphat, Natriumhydrogenpyrophosphat, Natriumtetraborat, Ammoniumhydrogenphosphat, Natriumchlorid, Ammoniumnitrat, Kaliumsulfat, Ammoniumchlorid und Calciumformiat enthalten kann, wobei durch die Einwirkung eines Binders auf den Klebstoff ein Verbund der Pulverpartikel verursacht wird.
• Für die Herstellung von temperaturbeständigen Gießformen wurde von der Soligen Inc. das s.g. Direct Shell Production Casting (DSPC) entwickelt (A. Gebhardt; Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung, 2. völlig überarbeitete Auflage, München, Wien, Hanser 2000, S.194/195).
• Bei diesem Verfahren wird ein Pulverbett aus Aluminiumoxid (Korund) mit einer kolloidalen Siliziumverbindungen bedruckt, die eine primäre Verfestigung des Aluminiumoxides bewirkt.
• Der Herstellungsprozeß der Gießformen erfolgt ebenfalls über einen schichtweisen Aufbau. Nach Entnahme der Gießform aus dem Pulverbett wird diese dann gesintert, wobei eine Verfestigung der Gießform erreicht wird und die Siliziumverbindungen ausgebrannt werden. Erst dann kann die Gießform für den Metall-Guß verwendet werden. Ein ähnliches Verfahren wurde von der Extrudehone Corporation entwickelt, bei dem ebenfalls ein Bindemittel auf Keramik oder Metallpulver gesprüht wird (A. Gebhardt; Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung, 2. Auflage, Müchen, Wien, Hanser 2000, S.192/193).
• Der aufgesprühte Binder wird durch Bestrahlung mit einer Hochenergielampe eingetrocknet und verfestigt. Nach dieser Verfestigung werden die Teile durch Ausbrennen des Binders weiter verfestigt und anschließend infiltriert man die noch vorhandenen Poren mit niedrigschmelzenden Kupferlegierungen. Dies erlaubt die direkte Herstellung metallischer Werkzeugformen durch 3D-Printing-Verfahren.
• In DE 19853834 wird ein Verfahren offenbart, bei dem Sand verwendet wird, der mit einer Furanharzlösung besprüht wird, die eine Verfestigung des Sandes bewirkt.
• Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bisher keine dreidimensionalen Druckverfahren bekannt sind, die auf der Verwendung von Pulvergemischen beruhen, die im wesentlichen auf Aluminiumhydroxid basieren und sich durch die Einwirkung von Wasser aushärten lassen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Pulvergemisch anzugeben, das durch die Einwirkung von Wasser innerhalb kurzer Zeit aushärtet und insbesondere zur Herstellung von mechanisch stabilen, dreidimensionalen, feuerfesten Modellen und Gießformen vermittels konventioneller 3D-Drucker verwendet werden kann.
• Die Erfindung basiert auf dem überraschend gefundenen Effekt, dass wasserfreie, pulverförmige Gemische aus Aluminiumhydroxid und Kaliumcarbonat, aus Aluminiumhydroxid und Natriumcarbonat, aus Aluminiumhydroxid und Ammoniumcarbonat, aus Aluminiumhydroxid + Kaliumcarbonat und Aluminiumdihydrogenphosphat, aus Aluminiumhydroxid + Kaliumcarbonat und Aluminiumhydrogenphosphat, aus Aluminiumhydroxid + Magnesiumhydroxid und Ammoniumcarbonat und/oder Ammoniumhydrogencarbonat, sowie Aluminiumhydroxid + Kaliumcarbonat und Calciumhydrogenphosphat nach Vermischung mit Wasser innerhalb kurzer Zeit zu festen Körpern aushärten. Es ist insbesondere überraschend, dass reines Wasser zur Härtung geeignet ist, ohne dass zugesetzte Binder, wie niedermolekulare Salze, gelöste Polyelektrolyte, gelöste oder suspendierte Polymere, erforderlich sind.
• Die mit den pulverförmigen Gemischen hergestellten Körper sind feuerfest und lassen sich u.a. als Gießformen verwenden.
• Das erfindungsgemäße Gemisch kann darüber hinaus, in Abhängigkeit seiner Zweckbestimmung, pulverförmiges Metall, Glas, Glaskeramik, Zirkoniumdioxid, Zirkoniumsilikat, Thoriumdioxid, Beryliumoxid, Bariumsulfat, Korund, Quarz, Kaolinit, Ton, Lehm, Hydroxylapatit und Tricalciumphosphat als Zusatzkomponente enthalten.
• Diese Zusatzkomponente kann gegebenenfalls und ausschließlich mit Silikonöl beschichtet sein, wodurch sich die Zusatzkomponente mit dem erfindungsgemäßen Gemisch in der Weise durch Adhäsion verbindet, dass eine Entmischung des Gemischs auf Grund unterschiedlicher Dichte verhindert wird und trotzdem das Gemisch durch Wasser benetzbar und aushärtbar ist.
• Als metallische Zusatzkomponenten finden dabei vorallem Eisen-, Edelstahl-, Kupfer-, Messing-, Bronze-, Blei-, Zirkonium-, Aluminium-, Zink-, Titan- und Hafniumpulver Verwendung.
• Das erfindungsgemäße hydrophile, wasserfreie, pulverförmige Gemisch wird als Baumaterial zum dreidimensionalen Drucken verwendet und durch Vermischung mit Wasser ausgehärtet, wobei die mit Wasser gehärteten Pulvergemische ohne Temperung bzw. auch nach einer Temperung als temperaturbeständige Gießform für den Metallguß, als temperaturbeständiges, dreidimensionales Modell, als Material zur Abschirmung von magnetischen Feldern, als Material zur Abschirmung von elektromagnetischen Feldern, als Material zur Abschirmung von ionisierenden Strahlen und als Material zur Herstellung leitfähiger Strukturen verwendet werden.
• Insbesondere durch zugesetzte Metalle, wie zum Beispiel Blei, Zirkonium und Stahl, oder Metalloxide, wie Zirkoniumdioxid, wird eine Abschirmwirkung gegenüber elektromagnetischen Feldern und inonisierender Strahlung erreicht. Dadurch lassen sich mit Hilfe des dreidimensionalen Druckens in einfacher Weise in sehr kurzer Zeit Abschirmmaterialien in unterschiedlichen Abmaßen herstellen.
• Die Erfindung soll durch die nachstehenden Beispiele erläutert werden, ohne die Erfindung einzuschränken.
• • Herstellung einer Gießform für einen Hebel aus Aluminium:
• Es werden 1,0 kg Aluminiumhydroxid mit 1,0 kg Kaliumcarbonat vermischt und 2 Stunden gemahlen. Das pulverförmige Gemisch wird anschließend mit Wasser bedruckt. Es entsteht eine quaderförmige Gießform, die innen eine Formkavität (Negativ) aufweist. Die Gießform wird in einen Gießkasten eingebracht. Anschließend erfolgt der Einguß einer auf über 700°C temperierten Aluminiumschmelze durch das dazu vorgesehene Angusssystem der Form Die Gießform und der Gießkasten werden dazu vorgewärmt. Nach der Abkühlung wird das Aluminium-Gussteil (Positiv) freigelegt, das die gewünschten Abmessungen aufweist.

Claims (7)

1. Selbsthärtendes, hydrophiles, pulverförmiges, wasserfreies Gemisch bestehend aus – Aluminiumhydroxid und Kaliumcarbonat oder – Aluminiumhydroxid und Natriumcarbonat oder – Aluminiumhydroxid und Ammoniumcarbonat oder – Aluminiumhydroxid, Kaliumcarbonat und Aluminiumdihydrogenphosphat oder – Aluminiumhydroxid, Kaliumcarbonat und Aluminiumhydrogenphosphat oder – Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid und Ammoniumcarbonat und/oder Ammoniumhydrogencarbonat oder – Aluminiumhydroxid, Kaliumcarbonat und Calciumhydrogenphosphat, wobei das Gemisch durch die Zugabe von Wasser aushärtbar und im Anschluss daran temperbar ist.
2. Selbsthärtendes Gemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch eine pulverförmige Zusatzkomponente aus Metall und/oder Glas und/oder Glaskeramik und/oder Zirkoniumdioxid und/oder Zirkoniumsilikat und/oder Thoriumdioxid und/oder Beryliumoxid und/oder Bariumsulfat und/oder Korund und/oder Quarz und/oder Kaolinit und/oder Ton und/oder Lehm und/oder Hydroxylapatit und/oder Tricalciumphosphat enthält.
3. Selbsthärtendes Gemisch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Zusatzkomponente Eisen- und/oder Edelstahl- und/oder Kupfer- und/oder Messing- und/oder Bronze- und/oder Blei- und/oder Zirkonium- und/oder Titan- und/oder Aluminium und/oder Hafniumpulver ist.
4. Selbsthärtendes Gemisch nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Zusatzkomponente mit Silikonöl beschichtet ist.
5. Verwendung des selbsthärtenden Gemischs nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche zum dreidimensionalen Aufbau von feuerfesten Körpern.
6. Verwendung des selbsthärtenden Gemischs nach Anspruch 5 zum dreidimensionalen Drucken von feuerfesten Körpern.
7. Verwendung des selbsthärtenden Gemischs nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche zur Herstellung von temperaturbeständigen Gießformen für den Metallguß, als temperaturbeständiges, dreidimensionales Modell, als Material zur Abschirmung von magnetischen Feldern, als Material zur Abschirmung von elektromagnetischen Feldern und als Material zur Abschirmung von ionisierender Strahlung sowie als Material zur Herstellung von leitfähigen Körpern.