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GEBIET DER ERFINDUNG
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind Bindemittel, die in konventionellen
Verfahren der Pulvermetallurgie und in den dreidimensionalen Fertigungsverfahren,
die als „Solid
Free Form Fabrication"-Verfahren bekannt
sind, verwendet werden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Herstellung von Metallmatrizen und -teilen oder Formkörpern zum
Kunststoff-Spritzgießen
kann durch eins von mehreren konventionellen Verfahren durchgeführt werden,
einschließlich
eines Verfahrens, in dem Stahl in eine gewünschte Form und Größe des Formkörpers durch
Werkzeugmaschinen, durch Präzisionsformguss
oder durch spezielle Verarbeitung verarbeitet wird, wobei das Material
des Formkörpers
durch chemisches Ätzen
oder elektrische Funkenentladung, um eine gewünschte Form zu erzielen, behandelt
wird. Diese Verfahren erfordern komplizierte Herstellungsschritte,
hoch qualifizierte Mitarbeiter und sehr viel Zeit und sind entsprechend
sehr teuer. Rapid Manufacturing (schnelle Fertigung) ist ein hochmodernes
Verfahren zur schnellen und automatischen Herstellung von Teilen
und Fertigungsmitteln unter Verwendung einer Maschine, die direkt
Daten von 3D-CAD-Modellen oder anderen Informationsquellen der 3D-Geometrie
verwendet, um einen vollständigen
Artikel in einer schichtweisen Methode aufzubauen. Es gibt zwei
patentierte Beispiele von Technologien der schnellen Fertigung oder
des Prototyping (schnellen Prototypenbaus), die zum Bau der Artikel
Pulvermaterialien verwenden. Das dreidimensionale Druckverfahren
ist im
U.S.-Patent Nr. 5 807
437 beschrieben und das selektive Lasersinterverfahren
ist im
U.S.-Patent Nr. 4 863
538 beschrieben.
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Solid
Freeform Fabrication ermöglicht
die Herstellung von festen Artikeln mit inneren Kanälen und
anderen Strukturen oder Hohlräumen,
die unmöglich
durch konventionelle Formungs- oder Gießtechniken gegossen werden
könnten.
Viele unterschiedliche Materialien können bei der Endfertigung verwendet
werden, einschließlich
Keramiken, Metallen und Metall/Keramiken, doch die gebräuchlichsten
sind normalerweise der Stahl und andere Metall- oder Komposit-Legierungen,
die durch (1) Binden der Metall- oder
Metall/Keramik-Pulver in dem gewünschten
dreidimensionalen Konstrukt, (2) Sintern der gebundenen Partikel
und (3) Infiltrieren von zusätzlichen
geschmolzenen Metallen, wie zum Beispiel geschmolzenem Kupfer, geschmolzener Bronze
usw., in das gesinterte Konstrukt hergestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Auswahl von Bindemitteln,
um die Gesamtleistung von zuvor bekannten Verfahren der Solid Freeform
Fabrication aller Art zu verbessern. Diese Verfahren schließen Folgende
ein, doch sind nicht auf diese beschränkt: selektives Lasersintern,
Laminated Object Manufacturing, Fused Deposition Modeling (Schmelzschichtung),
optische Präzisionsfertigung,
Directed Light Manufacturing (Fertigung mit gerichtetem Licht),
Light Engineered Net Shaping, dreidimensionales Drucken und andere.
Viele dieser Verfahren wurden bereits in beispielsweise den vorstehend
zitierten und anderen United-States Patenten offenbart. Normalerweise
verläuft
dreidimensionales Drucken ähnlich
dem Tintenstrahldruckverfahren („Ink-Jet Printing"), doch anstelle
von Tinte wird ein Bindemittel auf eine Pulverschicht nach einem
Computermuster, das durch Anwendung eines Slicing-Algorithmus auf
das Computermodell des Artikels erhalten wird, gedruckt.
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Eine
Herausforderung in den meisten oder allen diesen Verfahren des Stands
der Technik war die Handhabung des Konstrukts nach der Bindung,
doch vor dem Sintern. Gebundene Konstrukte, die noch nicht gesintert
sind, werden allgemein als „grün" bezeichnet, gemäß dem historischen
Gebrauch in der Keramikindustrie. Wenn beispielsweise Metall- oder
Metall/Keramik-Kompositpulver schichtweise in einem dreidimensionalen
Druckverfahren abgeschieden wird, wird normalerweise eine Acrylpolymerlösung oder
-emulsion als Bindemittelschicht verwendet, während mehrere abwechselnde
Schichten von Pulver und Bindemittel abgeschieden werden. Jedoch
zersetzen sich Acrylpolymere, wie es für viele Polymere typisch ist,
bei etwa 500 Grad C. Die Verwendung von Acrylpolymer-Bindemittel
bestimmt somit, dass der Bindungsschritt selbst bei einer Temperatur
ausgeführt
werden kann, die nicht mehr als etwa 500 Grad C beträgt. Daher
sind die grünen Konstrukte
(Grünlinge),
die mit Acrylbindemittel gebunden sind, gewöhnlich zerbrechlich genug,
um eine äußerst vorsichtige
Handhabung zu rechtfertigen, da bei Temperaturen, die niedriger
als etwa 500 Grad C liegen, normalerweise überhaupt keine Partikelfusion
begonnen hat und das Konstrukt nur durch das gehärtete Bindemittel zusammengehalten
wird. Bruch oder Beschädigung
von Grünlingen
muss aufgrund ihrer relativen Zerbrechlichkeit sorgfältig vermieden
werden. Es wird außerdem
angenommen, dass das durch Hitze geschädigte Polymerbindemittel, falls überhaupt
etwas davon nach dem Sintern verblieben ist, letztendlich nicht
zur Festigkeit oder Qualität
des gesinterten und infiltrierten Endprodukts beiträgt. Eine
ideale Bindemittelzusammensetzung würde nicht nur die Grünfestigkeit
des Konstrukts verbessern, sondern auch seine Endfestigkeit und
andere Legierungseigenschaften. Ein zusätzlicher Gesichtspunkt bei
der Auswahl von Bindemitteln für Verfahren
von Solid Freeform Fabrication ist, ob die Bindemittelzusammensetzung
lagerungsbeständig
und sicher ist, das heißt,
ob sie ein Problem der Materialsicherheit darstellt oder irgendwelchen
gefährlichen
Abfall erzeugt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Artikelfertigung
nach Anspruch 1 und den abhängigen
Ansprüchen
bereit. Um sich den vorstehenden Herausforderungen zu stellen, stellt
die beanspruchte Erfindung ein Bindemittel und ein Verfahren für dessen
Verwendung in Solid Freeform Fabrication bereit, einschließlich Metallpulver,
in dem das Bindemittel mindestens ein Kohlenhydrat als aktive Bindemittelverbindung enthält. Das
Kohlenhydrat enthält
zwischen 6 und etwa 900 Kohlenstoffatome und kann aus verschiedenen Gruppen
ausgewählt
sein, einschließlich,
doch nicht auf Folgende beschränkt:
1) Monosaccharide, wie zum Beispiel die Aldose- und Ketosezucker
und ihre Glycosid-, Hydroxyl-, Methyl-, Acyl-, Carbonyl-, Phosphat
Desoxy-, Amino- und andere Derivate; 2) Disaccharide, wie zum Beispiel
Saccharose, Maltose, Lactose, Dextrose, Cellobiose, Gentiobiose
und Trehalose; 3) Trisaccharide, wie zum Beispiel Raffinose und
Melezitose; 4) Polysaccharide, die die vorstehend in 1)–3) bezeichneten
Zucker als Basis enthalten; und 5) hydrolysierte Stärken, in
denen das Hydrolysat zwischen etwa 6–900 Kohlenstoffatome enthält, einschließlich Dextrinen,
wie zum Beispiel Grenzdextrin, hydrolysierter Amylose und hydrolysiertem
Amylopektin. Kohlenhydrate, die Isomere bilden, können entweder
in D- oder in L-Form
vorliegen. Im Allgemeinen ist das Kohlenhydrat gewöhnlich in einer
wässrigen
Trägerlösung gelöst oder
dispergiert (d. h. hydratisierte Mizellen).
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Bindemittel und ein Verfahren für dessen
Verwendung in konventionellen Verfahren der Pulvermetallurgie und
in Solid Freeform Fabrication unter Verwendung von Metallpulver, in
denen das Bindemittel mindestens ein Kohlenhydrat als aktive Bindungsverbindung
enthält.
Das Kohlenhydrat enthält
zwischen etwa 6 und etwa 900 Kohlenstoffatome und kann aus verschiedenen
Gruppen ausgewählt
sein, einschließlich,
doch nicht auf Folgende beschränkt:
1) Monosaccharide, wie zum Beispiel die Aldose- und Ketosezucker
und ihre Glycosid-, Hydroxyl-, Methyl-, Acyl-, Carbonyl-, Phosphat-,
Desoxy-, Amino- und andere Derivate; 2) Disaccharide, wie zum Beispiel
Saccharose, Maltose, Lactose, Dextrose, Cellobiose, Gentiobiose
und Trehalose; 3) Trisaccharide, wie zum Beispiel Raffinose und
Melezitose; 4) Polysaccharide, die die vorstehend in 1)–3) bezeichneten
Zucker als Basis enthalten; und 5) hydrolysierte Stärken, in
denen das Hydrolysat zwischen etwa 6–900 Kohlenstoffatome enthält, einschließlich Dextrinen,
wie zum Beispiel Grenzdextrin, hydrolysierter Amylose und hydrolysiertem
Amylopektin. Kohlenhydrate, die Isomere bilden, können entweder
in D- oder in L-Form vorliegen. Im Allgemeinen ist das Kohlenhydrat
gewöhnlich
in einer wässrigen
Trägerlösung gelöst oder
dispergiert (d. h. hydratisierte Mizellen).
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Die
Menge an Kohlenhydrat in der Bindemittellösung liegt im Allgemeinen in
der Größenordnung
von etwa 5–50
Gramm Kohlenhydrat pro 100 ml Trägerlösung, bevorzugter
von 5–30
Gramm pro 100 ml und am bevorzugtesten von etwa 15 g pro 100 ml.
Für den
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es jedoch nicht nötig, dass
das Kohlenhydrat zu Beginn in irgendeinem Träger gelöst oder dispergiert ist. Am
bevorzugtesten ist das Kohlenhydrat der Wahl einer der gewöhnlichen
Tafelzucker, wie zum Beispiel Saccharose, Maltose, Dextrose, Lactose
und desgleichen, da sie kostengünstig,
leicht erhältlich
und sicher sind.
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Die
vorliegende Erfindung liefert neue und unerwartete Ergebnisse aufgrund
der doppelten Verwendung eines Kohlenhydrat-Bindemittels und eines
Metallpulvers im Verfahren der Solid Freeform Fabrication. Kohlenhydrat-Bindemittel
waren in der traditionellen Keramikindustrie nicht unbekannt, siehe
beispielsweise Svec, J. J. et al., Electronic and Newer Ceramics,
Industrial Publications, Inc., Chicago, Illinois, USA, 1959, S. 78
und S. 129–132.
Wie von Svec et al. beschrieben wurde, wird traditionell Holzpulpe
oder andere Cellulosezusammensetzungen zur Herstellung von leitfähigen Beschichtungen
auf Keramikartikeln verwendet, und Dextrin, Gummiarabikum und desgleichen
wurden zur Bindung von grünen
Keramikartikeln (keramischen Grünlingen),
die aus Aluminiumoxid hergestellt wurden, verwendet. Doch Svec at
al. machen keine Ausführungen
oder Vorschläge
zu oder befassen sich gar mit der Verbesserung der Solid Freeform
Fabrication durch Einbeziehung von Kohlenhydrat-Bindemitteln oder
den neuen und unerwarteten Ergebnissen, die der Gegenwart des Kohlenhydrat-Kohlenstoffs
im Endprodukt zugeschrieben werden kann. Gleichermaßen machen Svec
et al. keine Ausführungen
zu den wichtigen Verhältnissen
(oder Prozentanteilen) von Kohlenhydrat zu dem im Bindemittel der
Erfindung vorliegenden Träger
oder Prozentanteilen von Kohlenhydrat-Kohlenstoff im Endprodukt.
Theoretisch, obwohl man nicht an diese Theorie gebunden werden soll,
trägt für eisenhaltige
Konstrukte der restliche Kohlenstoff, der aus dem Kohlenhydrat stammt
und nach dem Sintern verbleibt, zu verstärkten Carbidbindungen in den
nach dem Sintern und/oder der Infiltration gebildeten Legierungen
bei.
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In
dem Zusammenhang erfolgt die Verwendung der vorliegenden flüssigen Kohlenhydrat-Bindemittellösung folgendermaßen. Es
wird ein CAD-Design entwickelt und es steuert die Abscheidung der
Schichten an Bindemittel. Obwohl das Bindemittel entsprechend dem
Design abgeschieden wird, werden die Schichten von Metall- oder
Metall/Keramikpulver gleichmäßig auf
die gesamte Fertigungsaussparungsoberfläche abgeschieden. Das Pulver
kann beispielsweise ein elementares Metall, eine Metalllegierung,
ein Cermet, ein intermetallisches oder ein anderes Metall/Keramik-Komposit
oder eine reine Keramik sein. Durch den Aufbau von abwechselnden
Schichten von selektiv abgeschiedenem Bindemittel und ganzen Schichten
von Pulver ermöglicht
die aus dem resultierenden Pulverbett erzielte Stützung die
Gestaltung von Überständen, eingeschnittenen
Vertiefungen und inneren Volumina. Beispielsweise können Werkzeuge
mit inneren Kühlkanälen ganzheitlich
mit dem Artikel integrierend gedruckt werden. Diese Flexibilität ermöglicht die
Gestaltung von sehr komplexen Kühlkanälen in durch
Freeform Fabrication hergestellten Formkörpern, um gleichmäßigere Temperaturen
während
des Formgebungsverfahrens zu gewährleisten.
Gleichmäßige Temperaturen
fördern
wiederum weniger thermische Verformung und weniger innere Spannung,
was wiederum die Qualität
erhöht
und die Produktionszeit der zu formenden Teile verringert.
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Pulver,
wie vorstehend beschrieben, können
beispielsweise Folgendes einschließen: Eisen und Legierungen
von Eisen, Stähle,
wie zum Beispiel Werkzeugstahl und rostfreien Stahl, Kupfer und
Kupferlegierungen, Zirkonia, Hartmetalle, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid,
Siliciumcarbid und jegliche der traditionellen Keramiken. Die Atmosphäre zur Abscheidung
der Schichten ist normalerweise Luft. Nach der Abscheidung der Schichten
kann eine typische Pulvervorform von etwa 30–75 Volumen-% Pulver, etwa
10 Volumen-% Bindemittel und den Rest des Volumenhohlraums einschließen.
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Nach
der Abscheidung der abwechselnden Schichten von Bindemittel und
Metallpulver wird das gesamte Pulverbett bei Temperaturen zwischen
etwa 0–500
Grad F, bevorzugter 350–500
Grad F (176,6–260°C) in einer
Atmosphäre
von gewöhnlich
Luft vorgehärtet
oder gebrannt. Dieser Brennschritt erzeugt einen Grünling, der
eine größere Grünfestigkeit
aufweist als die mit Polymerbindemitteln hergestellten Grünlinge des Stands
der Technik. Es ist wichtig zu beachten, dass sich Polymerbindemittel,
wie zum Beispiel Acrylbindemittel, normalerweise bei etwa 500 Grad
C zersetzen, sodass sich die Bindungsfestigkeit eines typischen
Polymerbindemittels auf etwa Null bei etwa 500 Grad C reduziert.
Jedoch nimmt die Bindungsfestigkeit der Kohlenhydrat-Bindemittel
der vorliegenden Erfindung, insbesondere der einfachen Mono- und
Disaccharidzucker, mit der Temperatur, selbst bis zu und einschließlich typischer
Sintertemperaturen, zu. Infolgedessen muss das vorliegende Kohlenhydrat-Bindemittel
nicht aus dem Konstrukt zu irgendeinem Zeitpunkt während der
Brenn-, Sinter- oder Infiltrationsvorgänge entfernt werden. Es wird
angenommen, dass nach dem Schritt des Vorhärtens überwiegend nur Kohlenstoff
zwischen den Partikeln des Grünlings
verbleibt. Auch die während
des Vorhärtens
entstehenden Gase sind völlig
sicher und ungefährlich
und sind typisch für
Gase, die bei einem Karamelisierungsprozess entstehen, der in einer
Konditorei oder in einer gewerblichen Bäckerei durchgeführt wird.
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Nach
dem Vorhärten
wird das Konstrukt aus seinem Pulverbett entfernt und in ein Pulverbett
aus feuerfesten (keramischen) Partikeln eingelassen. Dieses feuerfeste
Bett wird dann zum Ofen überführt, wo
das Sintern in einer Schutzatmosphäre stattfindet. Sintertemperaturen
können
in Abhängigkeit
von den Komponenten des Metall- oder Metall/Keramik-Kompositpulvers,
das zur Fertigung des Grünlings
verwendet wird, variieren. Typische Sintertemperaturen für eisenhaltige
Materialien sind ungefähr
2000–2400
Grad F (1093,3–1315,6°C). Die Schutzatmosphäre ist normalerweise
ein Inertgas oder Vakuum; die Schutzatmosphäre kann eine sein, die die
Oxidation verringert oder unterbindet.
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Nach
dem Sintern wird der gesinterte Artikel normalerweise mit zusätzlichem
geschmolzenem Metall infiltriert. Die Zwischenräume des gesinterten Artikels üben sogar
eine Kapillarwirkung auf geschmolzenes Metall aus, das wiederum
in den Artikel „gesaugt" wird, um nach der
Infiltration und dem Abkühlen
einen festen Metallartikel zu erzeugen. Das geschmolzene Metall
wird so ausgewählt,
dass es einen Schmelzpunkt unter dem Schmelzpunkt des gesinterten
Artikels hat, wobei die Infiltrationstemperatur etwa 20–50 EF mehr
als der Schmelzpunkt des Infiltraten betragen soll. Beispielsweise
beträgt
die Infiltrationstemperatur für
die Infiltration einer Vorform von rostfreiem Stahlpulver mit Zinnbronze
(Kupfer, das 10 Gewichts-% Zinn enthält) etwa 2000–2030 EF
(1093,3–598,9[sic]°C). Die Infiltration
wird unter einer Schutzatmosphäre,
wie vorstehend beschrieben, durchgeführt. Das Ergebnis ist eine
vollständig
dichte Komponente, die eine zusätzliche
Fertigstellung entsprechend der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit
erfordern könnte.
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Die
vorstehende Beschreibung von separatem Sintern und separater Infiltration
ist eine von vielen Möglichkeiten
bei der Ausführung
des vorliegenden Verfahrens. Die Ausführung in einem Schritt von
Infiltration, Sintern zur vollen Dichte ohne Infiltration und Infiltrieren
mit einer nichtmetallischen Substanz, wie zum Beispiel einem Polymer,
Epoxidharz oder Wachs, sind auch Optionen bei der praktischen Ausführung dieser
Erfindung. Für
die Infiltration in einem Schritt wird die gebrannte Pulvervorform
direkt mit Zinnbronze unter einer Schutzatmosphäre bei der Temperatur zwischen
2000–2030
EF infiltriert. Sintern zur vollen Dichte ohne Infiltration kann
auch durch Verlängern
der Sinterzeit erreicht werden, um die Fusion der gesinterten Partikel
soweit voranzutreiben, dass die Zwischenräume darin eliminiert werden.
Sintern zur vollen Dichte führt
normalerweise zur Schrumpfung auf etwa 60 Volumen-% der Größe der Pulvervorform.
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Im
Allgemeinen sind die Merkmale der Erfindung auf jedwedes metallhaltige
oder keramische Material anwendbar, das als ein Pulver erhalten
werden kann. Tabelle 1, nachstehend, zeigt Zuckerwasser-Bindemittel mit
unterschiedlichen Zucker/Wasser-Verhältnissen
und dem resultierenden Zuckergehalt in den gedruckten Pulvervorformen
und dem Kohlenstoffgehalt nach dem Brennen. Die vorteilhaftesten
Anwendungen, die die vorliegenden Kohlenhydrate einbeziehen, sind
solche, die Metallpartikel mit durch Kohlenstoff reduzierbarem Sauerstoffgehalt
einsetzen. Durch Kohlenstoff reduzierbarer Sauerstoff bedeutet,
dass solche Metalloxide eingeschlossen sind, die durch Kohlenstoff
reduziert werden können.
Verschiedene Formen von Eisenoxid sowie Oxide von Nickel, Kupfer,
Molybdän
usw. sind bei Temperaturen unterhalb von etwa 2400 EF reduzierbar.
Der Kohlenstoffrückstand
des Kohlenhydrat-Bindemittels bildet und unterstützt die Bildung von Carbidbindungen in
der Endmetalllegierung. TABELLE 1
| Bindemittel:
Zucker
in Gramm/100 ml Wasser | Zucker-Gewichtsprozent
in der Vorform | Kohlenstoff-Gewichtsprozent nach
dem Brennen |
| 70 | 1,98 | 0,76 |
| 60 | 1,79 | 0,69 |
| 50 | 1,58 | 0,61 |
| 40 | 1,35 | 0,52 |
| 30 | 1,08 | 0,42 |
| 25 | 0,93 | 0,36 |
| 20 | 0,77 | 0,30 |
| 15 | 0,60 | 0,23 |
| 10 | 0,41 | 0,16 |
| 5 | 0,22 | 0,08 |
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Die
Menge an in dem Wasser oder anderem Träger gelöstem oder suspendiertem Zucker
oder anderem Kohlenhydrat ist für
die vorliegende Erfindung wichtig. Ungefähr 5–50 Gramm Kohlenhydrat werden
in 100 ml Wasser gelöst,
um die vorliegenden Bindemittellösungen
herzustellen. Bevorzugt liegt das Kohlenhydrat in der Menge von
5–30 Gramm/100
ml, bevorzugter 10–20
Gramm/100 ml vor und am bevorzugtesten schließen die vorliegenden Kohlenhydratlösungen 15
Gramm pro 100 ml Lösung
ein. Wie vorstehend beschrieben, sind die bevorzugtesten Kohlenhydrate
die gewöhnlichen
Tafelzucker, einschließlich
Saccharose, Maltose, Dextrose und Lactose, in Wasser gelöst. Es wird
angenommen, dass Bemühungen
des Stands der Technik, Zucker als Bindemittel beim dreidimensionalen
Drucken zu verwenden, aufgrund der Beimischung von zu viel Zucker zur
Bindemittelzusammensetzung erfolglos war. Beispielsweise war in
Yoo, H. J., „Reactive
binders for metal parts produced by three dimensional printing", Thesis, am Department
of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology,
Mai 1997, eingereicht, eine Lösung,
die ungefähr
80 Gramm Tafelzucker in 100 ml Wasser enthielt, als Bindemittel
für Metallteile,
die durch dreidimensionales Drucken hergestellt wurden, wirkungslos.
Die Offenbarung von Yoo zeigte (inkorrekt) auf, dass eine beobachtete
Schrumpfung der Gegenwart des Zuckers zugeschrieben wurde.
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Im
Gegensatz zu den Ausführungen
von Yoo ermöglicht
die vorliegende Erfindung jedoch die Herstellung von Artikeln, in
denen eine verringerte Schrumpfung auftritt, was somit zu einer
besseren Genauigkeit im Fertigungsverfahren führt. Bei der Verwendung von
Acrylbindemitteln des Stands der Technik bei der Solid Freeform
Fabrication von Metallartikeln trägt das Acrylbindemittel zu
einem Teil der Schrumpfung, bezogen auf das Volumen des Grünlings,
bei. Bei Verwendung des vorliegenden Kohlenhydrat-Bindemittels zur
Herstellung von Metallartikeln durch Solid Freeform Fabrication
liegt die Schrumpfung nur in der Größenordnung von etwa 0,05 Volumen-%.
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Obgleich
die vorstehend bereitgestellte Offenbarung der Erfindung die für dreidimensionales
Drucken typische Bindemittelabscheidung hervorhebt, sind die Kohlenhydrat-Bindemittel
der vorliegenden Erfindung für alle
Verfahren der Solid Freeform Fabrication anwendbar.
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Das
folgende Beispiel ist erläuternd.
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Beispiel 1
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Es
wurde ein Pulver von rostfreiem Stahl ausgewählt, das 140 Mesh passiert,
doch nicht 325 Mesh, und zu folgender Siebanalyse führte.
| Mesh-Größe | Mikron-Größe | Ansammlung – verbliebenes
Prozent |
| 140 | 106 | 99,9 |
| 170 | 90 | 93,0 |
| 230 | 63 | 50,0 |
| 325 | 45 | 4,1 |
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Eine
Menge des vorstehend bezeichneten Pulvers von rostfreiem Stahl wurde
in mehrere Versuchsstäbe
von 0,5 Zoll × 0,5
Zoll × 4
Zoll in Schichten, abwechselnd mit Schichten, die 10 g Zucker in
100 ml Wasser enthielten, gedruckt. Mehrere zusätzliche Versuchsstäbe wurden
unter Verwendung der gleichen Schichtabmessungen, abwechselnd mit
Schichten von traditionellen, kommerziell erhältlichen Acrylbindemittellösungen, hergestellt.
Die Versuchsstäbe,
die Zuckerwasser enthielten, wurden bei 400°F (204,4°C) für zwei Stunden gebrannt. Die
Versuchsstäbe,
die Acrylbindemittel enthielten, wurden bei Raumtemperatur für etwa zwei
Stunden aushärten
gelassen. Alle Versuchsstäbe
wurden dann bei 950°C
für dreißig Minuten
erhitzt. Die Versuchsstäbe,
die Zuckerwasser enthielten, behielten ihre Form bei, während die
Versuchsstäbe,
die Acrylbindemittel enthielten, in Stücke zerbrachen. 1 ist
ein Foto, das links zwei zerbrochene Versuchsstäbe, die Acrylbindemittel enthielten,
und rechts zwei intakte Versuchsstäbe, die Zuckerwasser enthielten,
zeigt.
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Rasterelektronenmikroskopie
wurde zur Untersuchung der gebrochenen Oberfläche der erfinderischen Versuchsstäbe, die
wie vorstehend hergestellt wurden, verwendet.
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2 und 3 zeigen
die tatsächliche
interpartikuläre
Bindungsbildung („Hals"), die durch die
vorliegende Erfindung möglich
wurde. 2 zeigt den Hals von Pulver von rostfreiem Stahl
316, das mit 10 g/100 ml Zuckerwasser-Bindemittel gedruckt und bei
400°F für zwei Stunden
in Luft gebrannt wurde. 3 zeigt den Hals von Pulver
von rostfreiem Stahl 316, das mit 10 g/100 ml Zuckerwasser-Bindemittel
gedruckt, bei 400°F
für zwei
Stunden in Luft gebrannt und dann bei 1250°C für dreißig Minuten in einer Schutzatmosphäre gesintert
wurde.
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Obgleich
die Erfindung vorstehend genau unter Bezugnahme auf spezielle Materialien,
Verfahren und Mengen beschrieben wurde, soll die Erfindung nur insoweit
eingeschränkt
sein, wie es in den begleitenden Ansprüchen dargelegt wird.