EP3638435A1 - NACHBEHANDLUNGSVERFAHREN ZUR ERHÖHUNG DER HEIßFESTIGKEIT EINES AUS PARTIKELMATERIAL UND BINDEMITTEL GEFERTIGTEN FORMTEILS, 3D-DRUCK-ANORDNUNG UND FORMTEIL - Google Patents

NACHBEHANDLUNGSVERFAHREN ZUR ERHÖHUNG DER HEIßFESTIGKEIT EINES AUS PARTIKELMATERIAL UND BINDEMITTEL GEFERTIGTEN FORMTEILS, 3D-DRUCK-ANORDNUNG UND FORMTEIL

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EP3638435A1
EP3638435A1 EP18716522.0A EP18716522A EP3638435A1 EP 3638435 A1 EP3638435 A1 EP 3638435A1 EP 18716522 A EP18716522 A EP 18716522A EP 3638435 A1 EP3638435 A1 EP 3638435A1
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EP
European Patent Office
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molding
binder
hot strength
water
particulate material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18716522.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Leinauer
Lisa HUBER
Alexander CONNOR
Christoph Hauck
Martin BEDNARZ
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ExOne GmbH
Original Assignee
ExOne GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B22C9/123—Gas-hardening
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    • C04B2111/00905—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as preforms

Definitions

  • the invention relates to an aftertreatment method for increasing the hot strength of a molded part made of particulate material and binder, a corresponding 3D printing arrangement and a Formteii that was treated with the method or produced with the 3D printing arrangement.
  • a relevant parameter of molded parts is their hot strength.
  • mold parts for example, cores or molds, for example, mold sections
  • the hot strength of the moldings used is too low, the molded part may change its shape during the casting process
  • the hot strength can in principle be improved, for example, by adding additives, for example powder additives ,
  • additives for example powder additives
  • the addition of additives is associated with additional costs and effort and can also increase the hot strength only limited.
  • Molded parts, as well as other molded parts can be produced conventionally, for example by means of core shooting, or by a generative manufacturing process in the so-called SD printing, for example by means of binder jettings.
  • the molded part is used in 3D Pressure produced by layer-wise application of non-solidified / loose particulate material and subsequent selective solidification of the particulate material with the binder in a respective layer (see, for example, the patent applications DE 10 2014 112 447 and DE 10 2009 056 887, the disclosure content of which
  • the particle material mixed with the binder is shot under pressure and at elevated temperature into a mold
  • the inventors of the present application have found that, for example, in the use of Siiicat / water glass as the binder, the hot strength of 3D printed fabricated molded parts due to the different
  • Manufacturing conditions can be significantly reduced compared to those of shot molded parts, which means the addition of additives and / or the application of an under
  • Circumstances may require complex curing process of the binder.
  • EP 2 183 328 A1 discloses a method for producing a molded part of a
  • Casting mold for casting molten metal wherein a core or foundry sand, which has a mold base coated with water glass »is filled in a cavity forming the molding, and wherein the core or molding sand for
  • Particle material and binder are made and an increased / appropriate
  • the invention provides a post-treatment process for increasing the
  • the hot strength can be increased by exposing the molding and in particular its binder in a heated state gaseous water. Contrary to expectations that a supply of water the
  • Hot strength of the molding is not conducive, it was recognized that a supply of and infiltration with gaseous water to a significant increase in the
  • Hot strength of molded parts can result.
  • the proposed post-treatment is also easy to implement and extremely efficient. It is believed that some form of (additional) cross-linking of the binder may be achieved by permeation of the gaseous water into the heated molding, which in turn results in an increase in the hot strength of the molding.
  • an aftertreatment method for increasing the hot strength of a molded article made of particulate material and binder is provided (in other words, hot strength enhancement aftertreatment method wherein the fabricated molding results in a post-process in at least a portion thereof, resulting in increased hot strength respectively. aftertreatment) in which the molding is a molded part produced in 3D printing and after its manufacture using a
  • Heating device is heated and the heated mold part is exposed to an enriched by supplying water with gaseous water enriched atmosphere.
  • external water may be supplied, i. Water, which does not come from the molding itself, such as its binder.
  • the (external) water can in this case first be supplied in liquid form, where it evaporates in the sequence.
  • liquid water may be supplied by being fed, for example injected / injected, into the atmosphere (for example, a heating space of the heater) in a heated state of the atmosphere, and / or liquid water may be in an open container, for example be placed in the atmosphere (for example, even before heating).
  • the water can already be supplied in gaseous form, for example in a gas mixture containing, for example an air mixture. In the latter case, the gas mixture has, for example, a higher content of gaseous water than the external environment of
  • Heating device for example, increased by at least a factor of 2 or 3 content, based on g / m 3 ), so that an enrichment of the atmosphere, which is to be exposed to the formed body, with gaseous water is possible.
  • An atmosphere enriched with gaseous water can be understood to mean an atmosphere whose content of gaseous water is greater than the content of gaseous water in the external environment of the heating device (for example at least a factor of 2 or 3 increased content, based on g / m 3 ).
  • the generated by supplying water, enriched with gaseous water atmosphere may thus have external gaseous water resulting from the water supply, and internal gaseous water, which originates from the molded part itself.
  • the supply of water can be carried out, for example, once or several times and / or continuously or clocked / intermittently.
  • a direct contact of the molding with liquid water is excluded or avoided, i. E. reduced to a minimum. If the molding is exposed to liquid water parts of gaseous water, the molding can disintegrate.
  • the heating of the molded part and the exposure of the shaped part of a gaseous water-enriched atmosphere may, for example, be carried out in succession or in a lapping, partially or completely.
  • the atmosphere enriched with gaseous water may be formed, for example, by / in the heating device or a heating chamber / heating space thereof, alternatively from / in a separate space, for example! a space downstream of the boiler room.
  • the molding may be made without the addition of additives.
  • additive can be understood as meaning a substance which is added to the particulate material and / or the binder during production in order to set / increase the hot strength of the molded part.
  • the invention does not preclude the use of such an additive, and one or more additives may be used to further increase the hot strength.
  • the molded part may be a molded part, for example a casting core or a casting mold, for example a casting mold section.
  • the mold part may be, for example, a cast metal mold part, i. a cast part which is used, for example, for cast aluminum, gray cast iron,
  • the binder may comprise, for example, water glass.
  • the waterglass may, for example, be selected from the group consisting of soda waterglass, potassium silicateglass, lithiumwaterglass and
  • the binder may, for example, at least one
  • the binder may for example be
  • alkali silicate wherein the alkali silicate may, for example, be selected from the group consisting of water-soluble sodium silicate,
  • the dried / cured binder may include, for example, silica and / or metasilicate.
  • the waterglass may be incorporated into the particulate material in solid or dry form, and water may be metered by a printhead onto a layer of particulate material and solid binder to selectively dissolve the binder.
  • the waterglass may be dosed in a flowable form, for example in the form of an aqueous solution, by means of a printhead and selectively applied to a layer of particulate material
  • water glass may be advantageous because it is an environmentally friendly binder over other binders and, for example, when pouring no harmful, hazardous to health
  • the present invention is particularly useful, especially in the case of the use of water glass the
  • the particulate material may comprise, for example, sand particles.
  • sand particles for example, of course
  • the sand particles may for example be selected from the group consisting of quartz sand particles, alumina sand particles,
  • Silicate sand particles may, for example, have an average particle size of from 90 to 250 ⁇ m, for example from 90 to 200 ⁇ m, for example from 110 to 180 ⁇ m.
  • the molding may be a molded part made by binder jetting.
  • the molding may be a molded article produced by another generative manufacturing method.
  • Binder jetting is understood to mean an additive production process in which a flowable binder (for example water glass or aqueous solution thereof) or a flowable binder precursor or a flowable binder component (for example water in the case of mixing solid water glass into the particulate material) a printing device, for example, a printhead, is selectively applied to a non-solidified particulate material layer to selectively connect or solidify the particles of the particulate material, so as to produce a molded part in layers.
  • Suitable methods and devices for producing the molded part in 3D printing are described, for example, in the patent applications DE 10 2014 1 12 447 and DE 10 2009 056 687, the disclosure of which is incorporated by reference herein.
  • the present invention comes into play, since as explained above in the case of 3D printing over conventional methods deviating hot strengths are observed, for example, when using water glass as a binder.
  • SD printing complicated moldings can be easily and inexpensively manufactured.
  • moldings can be made faster by means of binder jettings and the
  • binder jetting is less expensive than other additive manufacturing processes.
  • the molding may be embedded in a bed of loose particulate material, which may, for example, be accommodated together with the molding (or a plurality of moldings) in a construction box, and prior to heating of the molding of the
  • the molding can be removed by hand from the bed for unpacking and thus separated from non-solidified particulate material.
  • the unpacking prior to heating allows the aftertreatment process to be carried out efficiently to increase the hot strength, although it is conceivable
  • by unpacking the molding prior to heating the molding or prior to feeding the molding to the heating device it is possible to access the entire bed together with the molding
  • the heater can be dimensioned correspondingly smaller. Alternatively or additionally, before heating the molding in the
  • hardening of the binder for example thermal curing.
  • curing may be performed before and / or after unpacking, for example, curing prior to unpacking using a microwave device including, for example, the construction box and bedding into the mold Microwave device can be introduced.
  • repeated (for example layered) curing during the production of the molded part can be carried out ("in-machine" process), for example by means of infrared radiation
  • in-machine for example by means of infrared radiation
  • the binder (and thus also the molding) may have at least the same hardness as after curing using the microwave device, even if the latter was not performed, so that by the aftertreatment process according to the invention, for example Hardening can be saved by means of a microwave device.
  • Aftertreatment process can therefore be done without, for example, an intermediate post-process for curing the molding, and in this respect, for example, connect directly to the manufacturing process (3D printing process, if necessary including unpacking).
  • the hot strength ⁇ for example! Hot flexural strength) of the treated molding (ie molding subjected to the aftertreatment process of the present invention) over the original hot strength (prior to the aftertreatment process of the invention) is increased by at least 30%, for example at least 40%, for example at least 50%, for example at least 60%, for example at least 70%, for example at least 80%, for example at least 90%, for example at least 100%, for example at least 150%, for example at
  • a measurement can be carried out as described below.
  • a test piece of the same material as the actual molded part and the same manufacturing method as for the actual molded part for the measurement of the respective hot strength and then the test piece of the same or the following aftertreatments (Including the aftertreatment process according to the invention for increasing the hot strength included), under the same conditions.
  • the respective measurement can then take place on the test specimen and be added to the molded part for the calculation of the increase in hot strength.
  • the respective hot strength for example, on
  • Molded part itself be determined, for example, qualitatively based on
  • the heated molding in the gaseous-water-enriched atmosphere, may be exposed to, for example, gaseous water such that the molding is infiltrated in at least a portion thereof by the gaseous water and, due to infiltration, the hot strength in at least the portion (e.g. Example primarily / substantially only in the section), for example by a modification of the binder, for example by changing the polymer configuration of the binder.
  • gaseous water such that the molding is infiltrated in at least a portion thereof by the gaseous water and, due to infiltration, the hot strength in at least the portion (e.g. Example primarily / substantially only in the section), for example by a modification of the binder, for example by changing the polymer configuration of the binder.
  • the section may, for example, include or be an edge shell of the molding (ie an outer edge region), for example, a peripheral shell having a depth of at least 250 pm, for example at least 500 .mu.m, for example at least 1 mm, for example at least 5 mm, for example at least 1 cm ", for example, at least 2 cm.
  • edge shell or its depth is understood to mean a region of the molding which extends from a surface of the molding orthogonal to the surface in the molding. The inventors have found that it may be sufficient to increase the hot strength (at least primarily) in only one peripheral shell of the molded article to prevent the molded article from changing shape, losing dimensional stability and / or cracking during the casting process.
  • the heater may be selected from the group consisting of a continuous furnace, convection oven,
  • the heating device can, for example, have a heating space in which the molded part can be accommodated.
  • the heating device may for example comprise a water supply device, for example in the form of one or more injection nozzles, through which liquid and / or gaseous water can be injected into the heating space.
  • the heating device for example, have a container arranged in the heating chamber, which can receive liquid water or is received in the liquid water.
  • the heater may further include one or more sensors, for example, a temperature sensor for
  • the heating device may further include a controller which controls the water supply device such that it feeds water into the boiler room for a predetermined period of time (see below), for example taking into account the temperature and / or humidity determined by the sensors.
  • the heating device may for example be a device separate from a 3D printer and the above-mentioned optional microwave device, for example located adjacent thereto and by means of a transport system, for example an automated guided vehicle system, with the 3D printer and / or the microwave oven. Device can be connected.
  • the heated molding may be supplied to a heating space of a heater after manufacture (see above) and heated using the heater.
  • the boiler room can be, for example, a closed boiler room.
  • the heated molding in the heater may be exposed to the gaseous water-enriched atmosphere, for example, by supplying water into the heating space of the heater in which the molding is received.
  • the water can be supplied to the boiler room, for example, in liquid and / or gaseous form, for example by means of one of the methods / devices described above.
  • the heating and exposure of a water atmosphere may take place / be performed in a common boiler room, which is a simple one
  • the water atmosphere may be one
  • Boiler room atmosphere be or be formed in the boiler room.
  • the heating room atmosphere in a heated state thereof may be supplied with liquid water by means of the water supply device, so that it is evaporated due to the heated state in the heating room and thus contribute to the formation of the water atmosphere.
  • the heated molding may be exposed for a predetermined period of at least 30 seconds to the gaseous water enriched atmosphere, for example, at least 45 seconds, for example, at least 60 seconds
  • Seconds for example at least 2 minutes, for example at least 3 minutes, for example at least 4 minutes, for example at least 5 minutes.
  • Lower limit may vary depending on the size of the molded part and / or requirement for the hot strength and / or desired depth of the top edge shell. With the said values determined in tests, however, a satisfactory result could be achieved in each case.
  • an upper limit for the predetermined period of time may be given as 60 minutes, for example, 45 minutes, for example, 30 minutes, whereby the specified values for the lower limit and the upper limit may be arbitrarily combined.
  • the temperature / minimum temperature stated below and / or the content of gaseous water specified below can be maintained, for example over the entire range
  • the temperature / minimum temperature stated below and / or the content of gaseous water specified below can be maintained, for example over the entire range
  • the molding or at least a portion thereof may be heated, for example, to a temperature greater than or equal to 150 ° C, for example equal to or greater than 175 ° C
  • Example greater than or equal to 200 ° C for example greater than or equal to 225 ° C, for example equal to or greater than 250 ° C.
  • the minimum temperature depends on various factors; however, with the values given, expedient results could be obtained.
  • an appropriate maximum temperature may be given as 350 ° C, for example 300 ° C, whereby the values given for the minimum and maximum temperatures may be combined as desired.
  • an example range may be 260-280 ° C.
  • the heater or the heating chamber thereof may be heated to a (furnace) temperature of greater than or equal to 150 ° C, for example equal to or greater than 175 ° C
  • Example greater than or equal to 200 ° C for example greater than or equal to 225 ° C, for example equal to or greater than 250 ° C.
  • a (furnace) maximum temperature may be given as 350 ° C, for example 300 ° C, with the values given for the
  • Minimum temperature and maximum temperature can be combined arbitrarily.
  • an example range may be 260-280 ° C.
  • the heater or its heating room may first be heated to the above-mentioned temperature, and then, by supplying
  • Water the atmosphere in the heater or its boiler room are enriched with gaseous water.
  • the gaseous-water-enriched atmosphere produced by supplying water may include
  • a content of gaseous water greater than or equal to 50 g / m 3 , for example greater than or equal to 60 g / m 3 , for example greater than or equal to 70 g / m 3 , for example greater than or equal to 80 g / m 3 , for example, greater than or equal to 90 g / m 3 , for example greater than or equal to 100 g / m 3 , for example greater than or equal to 125 g / m 3 , for example greater than or equal to 150 g / m 3 , for example greater than or equal to 175 g / m 3 , for example greater than or equal to 200 g / m 3 , for example greater than or equal to 300 g / m 3 , for example greater than or equal to 400 g / m 3 , for example greater than or equal to 500 g / m 3 , for example greater than or equal to 800 g / m 3 .
  • the atmosphere can be saturated at the above specified temperature of gaseous water, for example supersaturated, or the content of gaseous water, for example, be selected / set so that the atmosphere at 100 ° C is saturated with gaseous water, for example oversaturated.
  • the minimum content is also dependent on various factors, for example the residence time of the molded part in the heating device.
  • a 3D printing process for producing a molded article of particulate material and binder in combination with a post-treatment process for increasing the hot strength of one
  • Particle material and binder manufactured molding provided soft may be formed as described above and follows the process for producing the molded part followed (directly or indirectly).
  • Preparation of a particulate material and binder may, for example, be a binder jetting process (see above).
  • a binder suitable for use in the manufacturing process is, for example, waterglass (see above), which in the case of a binder jetting process, for example, is dosed in aqueous solution by means of a printhead and selectively applied to a portion of a previously applied layer of unconsolidated
  • the layer of loose / unconsolidated particulate material may optionally include, for example, an aggregate which causes creep of the selectively imprinted waterglass (from the portion).
  • a method / step of casting metal for example aluminum or an alloy thereof, using the molding, which is involved in the aftertreatment process for increasing the Hot strength of the molded part adjoins (indirectly or directly) to be performed.
  • the casting may for example be an engine block, but is of course not limited thereto.
  • the SD printing assembly comprises an SD printer and a heating device.
  • the heating device may be configured as described above, i. a heating chamber adapted to receive a molded part produced by means of the 3D printer and having a water supply device which is arranged to supply gaseous water to the heating chamber (for example before and / or after receiving the molded part in the heating chamber)
  • the 3D printer may include a build platform (which may, for example, be housed in a build box), a coater (called a recoater), and a print device with a printhead.
  • Suitable 3D printers are described, for example, in patent applications DE 10 2014 1 12 447 and DE 10 2009 056 687, the disclosure of which is incorporated by reference herein.
  • the 3D printer and heating device may be arranged adjacent to one another and / or connected to one another via a transport system.
  • the 3D printing assembly may further include, for example, a controller configured to configure the water feeding device
  • the controller may be configured to, for example, the
  • Actuate supply device such that it feeds a predetermined amount of water in the boiler room.
  • the control device can, for example, with a
  • Injection can be coupled to control these, for example, to control an open state and a closed state of the injection nozzle.
  • Control means may be arranged, for example, to control the temperature in the boiler room.
  • a temperature sensor may be arranged in the heating space, which is coupled to the control device and which is set up to determine the temperature in the heating space.
  • a humidity sensor may be arranged, which is coupled to the control device and which is adapted to the content of gaseous water (or the absolute
  • a molded part! prepared and / or prepared by one of the methods described above, or prepared with one of the above-described SD printing assemblies, and thus having increased hot strength in at least one peripheral shell thereof
  • FIG. 1 shows an aftertreatment process for increasing the hot strength of a molded part made of particulate material and binder according to a first
  • FIG. 2 shows an aftertreatment method for increasing the hot strength of a molded part made of particulate material and binder according to a second
  • Embodiment of the invention. 3 shows an aftertreatment process for increasing the hot strength of a molded part made of particulate material and binder according to a third
  • FIG. 4 shows an aftertreatment process for increasing the hot strength of a molded part made of particulate material and binder according to a fourth
  • Figure 5 shows an aftertreatment process for increasing the hot strength of a molded part made of particulate material and binder molding in combination with a
  • FIG. 6 shows a simplified, schematic view of a 3D printing arrangement according to a sixth embodiment of the invention.
  • Figure 7 is a simplified, schematic view of a molding according to a seventh embodiment of the invention.
  • a post-treatment process for increasing the hot strength (hereinafter also referred to as "process for increasing the hot strength") of a molded article 100 made of particulate material and binder according to the various embodiments of the invention, produced in 3D
  • the molded article 100 after being manufactured is heated using a heater 40 (step S30), and the heated molded article 00 is exposed to an atmosphere enriched with gaseous water by supplying water (step S50)
  • process for increasing the hot strength a post-treatment process for increasing the hot strength
  • the molded part 100 may be a molded part, for example, a casting core or a casting mold or a casting mold section.
  • the particulate material from which the molded article 100 is made may have sand particles.
  • the sand particles may be selected from the group consisting of silica sand particles, alumina sand particles, aluminosilicate sand particles, zircon sand particles, olivine sand particles,
  • the binder from which the molded part 100 is made, may comprise, for example, water glass or silicate, for example soda or Nathumsilicat.
  • the binder can connect or adhere the particles of the particulate material and thus hold together.
  • the molding 100 is a 3D molded part 100 (see step S72 in FIGS. 2 to 4).
  • the molding 100 may be, for example, a molded part 100 made by binder jettings.
  • the molded part 100 may, for example, by means of a in the patent applications DE 10 2014 1 12 447 and DE 10 2009 056 687, whose
  • water glass can be applied or printed onto a layer of the non-solidified particle material by means of a print head of a 3D printer.
  • the molded part 100 may be embedded after its production in 3D printing in a bed of loose particulate material, which, for example, together with the
  • Molded part 100 is received in a Baubox, and unpacked before feeding the molding 100 to the heater 40 from the bed (see step S90 in Figures 3 and 4).
  • hardening of the bonding agent Prior to unpacking the molding 00, hardening of the bonding agent can optionally be carried out (see step S1 10 in FIG. 4).
  • the curing may be performed using, for example, a microwave device.
  • a hardening for example a thermal hardening, can be carried out repeatedly.
  • Mold 100 in the gaseous water-enriched atmosphere is exposed to gaseous water such that the mold 100 is infiltrated in at least a portion thereof by the gaseous water and due to infiltration the hot strength in at least the portion is increased, for example by a modification of the binder in the portion, for example by changing the polymer configuration of the binder.
  • the portion may comprise an edge shell 102 of the molding 100 (see Figure 7), for example an edge shell 102 with a depth of at least 250 pm.
  • the heating device 40 employed in the process may be any suitable heating device, for example a continuous furnace, convection oven, convection oven, convection oven, or combinations thereof.
  • the heated molding 100 may be exposed to the gaseous water-enriched atmosphere in the heater 40, for example, by supplying (liquid and / or
  • the heated molding 100 in the heater 40 may be exposed to the gaseous water-enriched atmosphere by exposing an open vessel containing liquid water
  • the heated molding 100 in the heater 40 may be exposed to the gaseous water-enriched atmosphere by feeding liquid water into the heating chamber 42 by means of a suitable device, for example, an injection nozzle.
  • the molding 100 or at least a portion thereof may be heated to a temperature of at least 150 ° C in the process, and the heated molding 100 may be heated in the process for a predetermined period of time (eg, at least 30 seconds) water-enriched atmosphere enriched with gaseous water having, for example, a gaseous water content of greater than or equal to 50 g / m 3 .
  • a predetermined period of time eg, at least 30 seconds
  • gaseous water having, for example, a gaseous water content of greater than or equal to 50 g / m 3 .
  • the hot strength of the treated molding 100 may be increased from the original hot strength (i.e.
  • the over the hot strength of the untreated molding may be increased by at least 30%.
  • the above-described method for increasing the hot strength may be followed by a method / step of casting metal, for example, aluminum or an alloy thereof, using the molding 100 (see step S130 in FIG. 5),
  • a 3D printing arrangement comprises a 3D printer 20 and a heating device 40 having a heating space 42 adapted to receive a molded part 100 manufactured by the 3D printer 20, and one Water supply device 44, which is adapted to supply the heating chamber 42 gaseous water.
  • the 3D printer 20 can for
  • Example as described in the patent applications DE 10 2014 1 12 447 and DE 10 2009 056 687, the disclosure of which is incorporated by reference herein, may be formed and may, for example, a Baubox with a
  • the heater 40 may be configured as described above.
  • the water supply device 44 may, for example, have an injection nozzle 46, which for example! may be arranged to supply the boiler room 42 gaseous and / or liquid water.
  • the 3D printing assembly may further include a controller 60 configured to drive the water supply device 44 to feed water into the heating space 42 for a predetermined period of time.
  • Controller 60 may be coupled to injector 46 of feeder 44, for example, to control it, for example, to control an open state and a closed state of injector 46.
  • the controller 60 may be configured, for example, to control the temperature in the boiler room 42.
  • a temperature sensor 80 may be arranged which is coupled to the control device 60 and which is set up to determine the temperature in the heating space 42.
  • a humidity sensor 82 may be arranged, which is coupled to the control device 60 and which is arranged to determine the content of gaseous water (or the absolute humidity) in the heating space 42.
  • Table 1 shows the relative hot strengths of various specimens. All specimens were made of the same material (except that specimens 1, 3 and 4 did not contain a hot strength additive) with the same
  • test specimens were prepared / treated.
  • the test specimens were prepared by means of binder jettings using quartz sand as particulate material and soda waterglass as binder (printed as aqueous solution) and had a dimension of 172 mm ⁇ 22.4 mm ⁇ 8 mm ("HDT test strip", HDT: Hot Deformation Test.)
  • HDT test strip Hot Deformation Test.
  • the specimens were decompressed and then immediately subjected to a method of increasing the hot strength according to the present invention (excluding specimens 1 and 2.) Separate curing was not performed.
  • an additive for improving the hot strength was added, and the specimen was not treated by the method of the present invention.
  • No additive for improving the hot strength was added to the third and fourth test pieces, and the test pieces were treated by the method of the present invention.
  • the fifth and sixth test pieces were added with an additive for improving the heat set, and the test pieces were treated by the method of the present invention.
  • the fourth test piece represents a reproduction of the third test piece
  • the sixth represents a reproduction of the fifth test piece.
  • the determination of the hot strength was carried out by means of the tester "HOT-FLEX, Hot Deformation Tester” from the company “BENETLAB". To determine the hot strength of the specimen was clamped in the tester, a Wegemesser with test weight (mass: 26.02 g) placed on the specimen, the test specimens by means of a gas flame
  • Hot strengths of the other specimens were determined by dividing the respective elapsed time of an associated specimen by that of the specimen 1. The results are shown in Table 1.
  • Hot strength of the molding 100 can be increased by about 40%. That is, by the method according to the invention, the hot strength of molded parts 100 may be increased, to which an additive for increasing the hot strength is added. From the comparison of the third and fourth test specimens with the fifth and sixth specimens also shows that in the present comparative example at

Abstract

Offenbart ist ein Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100), bei dem das Formteil (100) ein im 3D-Druck hergestelltes Formteil ist (S72) und nach seiner Fertigung unter Verwendung einer Heizvorrichtung (40) erhitzt wird (S30) und das erhitzte Formteil (100) einer durch Zuführen von Wasser erzeugten mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt wird (S50).

Description

Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils, 3D-Druck-Anordnung und
Formteil Die Erfindung betrifft ein Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils, eine entsprechende 3D-Druck-Anordnung sowie ein Formteii, das mit dem Verfahren behandelt bzw. mit der 3D-Druck-Anordnung hergestellt wurde. Ein relevanter Parameter von Formteilen ist ihre Heißfestigkeit. So ist zum Beispiel in der Gießereitechnik die Heißfestigkeit der verwendeten Formteile, somit Gießform teile (zum Beispiel Gießkerne oder Gießformen, zum Beispiel Gießformabschnitte), ein wichtiger Parameter. Wenn die Heißfestigkeit der verwendeten Formteile zu gering ist, kann das Formteil während des Gießvorgangs seine Form verändern, seine
Maßhaltigkeit verlieren und/oder Sprünge erleiden, was wiederum zu fehlerhaften Gussteilen führen kann.
Bei Formteilen, die aus einem Partikelmaterial, wie zum Beispiel Sand, und einem Bindemittel, welches die Partikel des Partikelmaterials zusammenhält bzw. miteinander verbindet/verklebt, hergestellt sind, kann die Heißfestigkeit grundsätzlich zum Beispiel durch Zugabe von Additiven, zum Beispiel Pulveradditiven, verbessert werden. Die Zugabe von Additiven ist jedoch mit zusätzlichen Kosten und Aufwand verbunden und kann die Heißfestigkeit zudem nur begrenzt steigern. Gießformteile, wie auch andere Formteile, können herkömmlich, zum Beispiel mittels Kernschießens, oder durch ein generatives Herstellungsverfahren im sogenannten SD- Druck gefertigt werden, zum Beispiel mittels Binder-Jettings.
Insofern hat die Anmelderin erkannt, dass bei der Verwendung von gleichem
Partikelmaterial, gleichem Bindemittel und (falls vorhanden) gleichen Additiven die Heißfestigkeit von mittels 3D-Druck hergestellten Formteilen gegenüber der
Heißfestigkeit von zum Beispiel mittels Kernschießens hergestellten Formteilen abweichen kann. Ein Grund hierfür sind vermutlich die unterschiedlichen, der jeweiligen Technik zugrunde liegenden Herstellungsbedingungen. Das Formteil wird beim 3D- Druck durch schichtweises Auftragen von nicht-verfestigtem/losem Partikelmaterial und anschließendem selektiven Verfestigen des Partikelmaterials mit dem Bindemittel in einer jeweiligen Schicht hergestellt (siehe zum Beispiel die Patentanmeldungen DE 10 2014 112 447 und DE 10 2009 056 887, deren Offenbarungsgehalt durch diese
Bezugnahme insofern hierin mitaufgenommen ist). Beim Kernschießen hingegen wird das mit dem Bindemittel vermengte Partikelmaterial unter Druck und bei erhöhter Temperatur in eine Form geschossen,
So haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung herausgefunden, dass zum Beispiel bei der Verwendung von Siiicat/Wasserglas als das Bindemittel die Heißfestigkeit von 3D-Druck-gefertigten Formteilen aufgrund der unterschiedlichen
Herstellungsbedingungen erheblich reduziert sein kann gegenüber der von geschossen Formteilen, was die Zugabe von Additiven und/oder die Anwendung eines unter
Umständen komplexen Aushärtungsverfahrens des Bindemittels erforderlich machen kann.
EP 2 183 328 A1 offenbart ein Verfahren zum Hersteilen eines Formteils einer
Gießform zum Vergießen von Metallschmelzen, wobei ein Kern- oder Formsand, der einen mit Wasserglas beschichteten Formgrundstoff aufweist» in einen das Formteil abbildenden Hohlraum eingefüllt wird, und wobei der Kern- oder Formsand zum
Aushärten und Verfestigen zur Bildung des Formteils mit Wasserdampf als
Härtungsmittel in Kontakt gebracht wird,
Ramakrishnan, Robert„3-D-Drucken mit einem anorganischen Formstoffsystem" (Dissertation TU München) offenbart ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung anorganisch gebundener Gießformen und Gießkerne,
Es kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, ein Verfahren und eine SD- Druck-Anordnung anzugeben, mit denen Formteile erzielbar sind, weiche aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigt sind und eine erhöhte/zweckmäßige
Heißfestigkeit aufweisen. Es kann ferner als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, ein Formteil mit verbesserter Heißfestigkeit anzugeben. Hierzu stellt die Erfindung ein Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der
Heißfestigkeit eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils gemäß Anspruch 1 , ein 3D-Druck- Verfahren zum Herstellen eines Formteils aus
Partikelmaterial und Bindemittel in Kombination mit einem Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils gemäß Anspruch 15, eine 3D-Druck-Anordnung gemäß Anspruch 17 sowie ein Formteil gemäß Anspruch 19 bereit. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Anschaulich haben die Erfinder nicht an herkömmlichen„Stellschrauben" gedreht, wie zum Beispiel der Forschung nach neuen Additiven oder der Optimierung von bekannten Additiven, sondern einen neuen Weg eingeschlagen, nämlich den einer
Nachbehandlung des gefertigten Formteils. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, auf den Einsatz von Additiven teilweise oder vollständig zu verzichten, was wiederum zu zahlreichen Vorteilen führen kann (Kostenersparnis, Prozessvereinfachung, einfaches Pulver/Partikelmaterial-Handling, inkl. Recycling des Pulvers etc.;
insbesondere im Fall des 3D-Drucks), bzw. die Heißfestigkeit weiter, über das übliche Maß hinaus zu erhöhen. Dabei haben die Erfinder überraschend herausgefunden, dass die Heißfestigkeit dadurch gesteigert werden kann, dass das Formteil und insbesondere dessen Bindemittel in einem erhitzten Zustand gasförmigem Wasser ausgesetzt werden. Entgegen möglicher Erwartungen, dass eine Zufuhr von Wasser der
Heißfestigkeit des Formteils nicht förderlich ist, wurde erkannt, dass eine Zufuhr von und Infiltration mit gasförmigem Wasser zu einer signifikanten Steigerung der
Heißfestigkeit von Formteilen führen kann. Die vorgeschlagene Nachbehandlung ist darüber hinaus einfach zu realisieren und äußerst effizient. Es wird angenommen, dass durch ein Eindringen des gasförmigen Wassers in das erhitzte Formteil möglicherweise eine Art (zusätzliche) Quervernetzung des Bindemittels erreicht wird, was wiederum zu einer Erhöhung der Heißfestigkeit des Formteils führt. Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung wird ein Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils bereitgestellt (mit anderen Worten Heißfestigkeits-Erhöhungs- Nachbehandlungsverfahren, bei dem das gefertigte Formteil mit dem Ergebnis einer erhöhten Heißfestigkeit in zumindest einem Abschnitt davon einem Post-Prozess bzw. einer Nachbehandlung unterzogen wird), bei dem das Formteii ein im 3D-Druck hergestelltes Formteil ist und nach seiner Fertigung unter Verwendung einer
Heizvorrichtung erhitzt wird und das erhitzte Formteil einer durch Zuführen von Wasser erzeugten mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt wird.
Zur Erhöhung der Heißfestigkeit ist es dabei notwendig, dass das Formteil erhitzt wird und das erhitzte Formteil einer durch Zuführen von Wasser erzeugten, mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre (im Folgenden auch„Wasser-Atmosphäre") ausgesetzt wird. Wird das Formteil lediglich erhitzt, ohne einer durch Zuführen von Wasser erzeugten mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt zu sein, wird keine merkliche Erhöhung der Heißfestigkeit des Formteils erreicht.
Um das erhitzte Formteil einer durch Zuführen von Wasser erzeugten mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre auszusetzen, kann zum Beispiel externes Wasser zugeführt werden, d.h. Wasser, welches nicht aus dem Formteil selbst stammt, wie zum Beispiel aus dessen Bindemittel. Das (externe) Wasser kann hierbei zunächst in flüssiger Form zugeführt werden, wobei es in der Folge verdampft. Zum Beispiel kann flüssiges Wasser dadurch zugeführt werden, dass es in einem aufgeheizten Zustand der Atmosphäre in die Atmosphäre (zum Beispiel einem Heizraum der Heizvorrichtung) eingespeist, zum Beispiel eingespritzt/eingedüst, wird, und/oder flüssiges Wasser kann zum Beispiel in einem offenen Behältnis in der Atmosphäre angeordnet werden (zum Beispiel bereits vor dem Erhitzen). Alternativ oder zusätzlich kann das Wasser bereits gasförmig zugeführt werden, zum Beispiel in einem Gas-Gemisch enthaltend, wie zum Beispiel einem Luftgemisch. In Letzterem Fall hat das Gas-Gemisch dabei zum Beispiel einen höheren Gehalt an gasförmigem Wasser als die äußere Umgebung der
Heizvorrichtung (zum Beispiel einen mindestens um den Faktor 2 oder 3 erhöhten Gehalt, bezogen auf g/m3), so dass eine Anreicherung der Atmosphäre, welcher der Formköper ausgesetzt werden soll, mit gasförmigem Wasser möglich ist. Unter einer mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre kann insofern eine Atmosphäre verstanden werden, deren Gehalt an gasförmigen Wasser größer ist als der Gehalt an gasförmigen Wasser in der äußeren Umgebung der Heizvorrichtung (zum Beispiel mindestens um den Faktor 2 oder 3 erhöhter Gehalt, bezogen auf g/m3). Die durch Zuführen von Wasser erzeugte, mit gasförmigem Wasser angereicherte Atmosphäre kann somit externes gasförmiges Wasser, resultierend aus der Wasser-Zuführung, und internes gasförmiges Wasser aufweisen, welches aus dem Formteil selbst stammt.
Die Zufuhr von Wasser kann zum Beispiel einmalig oder mehrmalig und/oder kontinuierlich oder getaktet/intermittierend erfolgen.
Dabei wird zum Beispiel ein direkter Kontakt des Formteils mit flüssigem Wasser ausgeschlossen oder vermieden, d.h. auf ein Minimum reduziert. Wird das Formteil flüssigem Wasser ansteile von gasförmigem Wasser ausgesetzt, kann das Formteil zerfallen.
Das Erhitzen des Formteils und das Aussetzen des Formteils einer mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre können zum Beispiel nacheinander oder übertappend, teilweise oder vollständig, erfolgen. Die mit gasförmigem Wasser angereicherte Atmosphäre kann zum Beispiel von/in der Heizvorrichtung bzw. einer Heizkammer/einem Heizraum derselben ausgebildet sein, alternativ von/in einem separaten Raum, zum Beispie! einem dem Heizraum nachgeschalteten Raum.
Das Formteil kann zum Beispiel ohne die Zugabe von Additiven gefertigt sein/werden. Unter Additiv kann im Sinne der Anmeldung insofern ein Stoff verstanden werden, der dem Partikelmaterial und/oder dem Bindemittel während der Fertigung zugegeben wird, um die Heißfestigkeit des Formteils einzustellen/zu erhöhen. Die Erfindung schließt die Verwendung eines solchen Additivs jedoch nicht aus, und zur weiteren Erhöhung der Heißfestigkeit können ein oder mehrere Additive verwendet werden.
Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann das Formteif zum Beispiel ein Gießformteil sein, zum Beispiel ein Gießkern oder eine Gießform, zum Beispiel ein Gießformabschnitt. Das Gießformteil kann zum Beispiel ein Metallguss-Gießformteil sein, d.h. ein Gießformteil, das zum Beispiel für Aluminiumguss, Grauguss,
Temperguss oder Stahlguss verwendet wird. Die vorliegende Erfindung kommt bei einem Gießformteil besonders zum Tragen, da die Heißfestigkeit der Formteile in der Gießereitechnik von besonderer Bedeutung ist Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann das Bindemittel zum Beispiel Wasserglas aufweisen. Das Wasserglas kann zum Beispiel aus der Gruppe ausgewählt sein, welche aus Natronwasserglas, Kaliwasserglas, Lithiumwasserglas und
Kombinationen davon besteht. Das Bindemittel kann zum Beispiel zumindest ein
(wasserlösliches) Silicat aufweisen. Das Bindemittel kann zum Beispiel ein
wasserlösliches Alkalisilicat aufweisen, wobei das Alkalisilicat zum Beispiel aus der Gruppe ausgewählt sein kann, welche aus wasserlöslichem Natriumsilicat,
wasserlöslichem Kaliumsilicat, wasserlöslichem Lithiumsilicat und Kombinationen davon besteht. Das getrocknete/gehärtete Bindemittel kann zum Beispiel Kieselsäure und/oder Metasilicat aufweisen. Das Wasserglas kann zum Beispiel in fester bzw. trockener Form dem Partikelmaterial beigemengt werden, und Wasser kann mittels eines Druckkopfes dosiert auf eine Schicht aus Partikelmaterial und festem Bindemittel aufgetragen werden, um das Bindemittel selektiv anzulösen. Alternativ kann das Wasserglas zum Beispiel in fließfähiger Form, zum Beispiel in Form einer wässrigen Lösung, mittels eines Druckkopfes dosiert und selektiv auf eine Schicht aus Partikelmaterial
aufgetragen werden. Die Verwendung von Wasserglas kann vorteilhaft sein, da es gegenüber anderen Bindemitteln ein umweltverträgliches Bindemittel darstellt und zum Beispiel beim Gießen keine schädlichen, gesundheitsgefährdenden
Dämpfe/Emissionen erzeugt. Zudem kommt auch hier die vorliegende Erfindung besonders zum Tragen, da gerade im Fall der Verwendung von Wasserglas die
Bereitstellung einer zweckmäßigen Heißfestigkeit anspruchsvoll sein kann,
insbesondere dann, wenn das Formteil gedruckt wird.
Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann das Partikelmaterial zum Beispiel Sandpartikel aufweisen. Unter Sandpartikeln können zum Beispiel natürlich
vorkommende und/oder synthetisch hergestellte, aus anorganischem Material bestehende Partikel mit einer Partikelgröße von 0,063 mm bis 2 mm verstanden werden. Die Sandpartikel können zum Beispiel ausgewählt sein aus der Gruppe, welche besteht aus Quarzsandpartikeln, Aluminiumoxidsandpartikeln,
Aluminiumsilicatsandpartikeln, Zirkonsandpartikeln, Olivinsandpartikeln,
Silicatsandpartikeln, Chromitsanpartikeln und Kombinationen davon. Die Sandpartikel können zum Beispiel eine durchschnittliche Partikelgröße von 90 bis 250 μιη, zum Beispiel von 90 bis 200 pm, zum Beispiel von 1 10 bis 180 pm, haben. Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann das Formteil zum Beispiel ein mittels Binder-Jettings hergestelltes Formteil sein, Alternativ kann das Formteil zum Beispiel ein durch ein anderes generatives Fertigungsverfahren hergestelltes Formteil sein. Unter Binder-Jetting wird ein additiver Produktionsprozess verstanden, bei dem ein fließfähiges Bindemittel (zum Beispiel Wasserglas bzw. wässrige Lösung davon) oder eine fließfähige Bindemittelvorstufe oder eine fließfähiges Bindemittelkomponente (zum Beispiel Wasser in dem Fall eines Beimengens von festem Wasserglas in das Partikelmaterial) mittels einer Druckvorrichtung, zum Beispiel eines Druckkopfes, gezielt auf eine nicht-verfestigte Partikelmaterialschicht aufgetragen wird, um die Partikel des Partikelmaterials selektiv zu verbinden bzw. zu verkleben bzw. zu verfestigen, um so schichtweise ein Formteil herzustellen. Geeignete Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen des Formteils im 3D-Druck sind zum Beispiel in den Patentanmeldungen DE 10 2014 1 12 447 und DE 10 2009 056 687 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch diese Bezugnahme insofern hierin mitaufgenommen ist. Auch hier kommt die vorliegende Erfindung zum Tragen, da wie eingangs erläutert im Fall des 3D-Drucks gegenüber herkömmlichen Verfahren abweichende Heißfestigkeiten beobachtet werden, zum Beispiel bei der Verwendung von Wasserglas als Bindemittel. Im SD- Druck können komplizierte Formteile einfach und kostengünstig hergestellt werden. Im Vergleich mit anderen additiven Herstellungsverfahren, zum Beispiel Lasersintern, können Formteile mittels Binder-Jettings schneller hergestellt werden und die
verwendeten Anlagen sind weniger komplex, weshalb Binder-Jetting kostengünstiger als andere additive Herstellungsverfahren ist.
Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann das Formteil zum Beispiel nach seiner Fertigung in einer Schüttung aus losem Partikelmaterial eingebettet sein, welche zum Beispiel zusammen mit dem Formteil (oder einer Mehrzahl an Formteilen) in einer Baubox aufgenommen sein kann, und vor dem Erhitzen des Formteils aus der
Schüttung entpackt werden. Geeignete Verfahren zum Entpacken des Formteils sind zum Beispiel in den Patentanmeldungen DE 10 2012 106 141 und DE 10 2014 1 12 446 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch diese Bezugnahme hierin
mitaufgenommen ist. Im einfachsten Fall kann das Formteil für ein Entpacken per Hand aus der Schüttung entnommen und so von nicht-verfestigtem Partikelmaterial getrennt werden. Das Entpacken vor dem Erhitzen erlaubt ein effizientes Durchführen des Nachbehandlungsverfahrens zur Erhöhung der Heißfestigkeit, wenngleich es denkbar ist, die gesamte Schüttung samt Formteil dem Nachbehandlungsverfahren zugänglich zu machen, Zum Beispiel kann durch das Entpacken des Formteils vor dem Erhitzen des Formteils bzw. vor dem Zuführen des Formteils zu der Heizvorrichtung das
Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit schneller und
kostengünstiger durchgeführt werden, da nur das Formteil selbst, jedoch nicht die das Formteil umgebende Partikelmaterialschüttung erhitzt werden muss, und des Weiteren kann das Formteil auf einfache Weise effektiv gasförmigem Wasser ausgesetzt werden. Zudem kann die Heizvorrichtung entsprechend kleiner dimensioniert werden. Alternativ oder zusätzlich kann vor dem Erhitzen des Formteils in dem
erfindungsgemäßen Nachbehandlungsverfahren ein Härten des Bindemittels (und somit ein Härten des Formteils) durchgeführt werden, zum Beispiel ein thermisches Härten. Zum Beispiel kann in einem Post-Prozess im Anschluss an die Fertigung des Formteils ein Härten vor und/oder nach dem Entpacken durchgeführt werden, zum Beispiel ein Härten vor dem Entpacken unter Verwendung einer Mikrowellen-Vorrichtung, wozu zum Beispiel die Baubox samt Schüttung in die Mikrowellen-Vorrichtung eingebracht werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann zum Beispiel ein wiederholtes (zum Beispiel schichtweises) Härten während der Herstellung des Formteils durchgeführt werden („in- machine" Prozess), zum Beispiel mittels Infrarot-Strahlung. Durch das Härten kann die Grünteilfestigkeit bzw. ggf. Entnahmefestigkeit des Formteils erhöht werden, was zum Beispiel bei komplexen oder schweren Formteilen vorteilhaft sein kann. Der Schritt des Härtens ist erfindungsgemäß jedoch optional und daher nicht zwingend notwendig, da das gefertigte Formteil auch ohne ein separates Härtungsverfahren bereits eine ausreichende Grünteilfestigkeit aufweisen kann (zum Beispiel im Fall eines
Verdruckens von Wasserglaslösung infolge einer optimierten Einstellung der Viskosität und ähnlicher Maßnahmen). Nach Anwendung/Durchlaufen des erfindungsgemäßen Behandlungsverfahrens kann das Bindemittel (und somit auch das Formteil) insofern zumindest die gleiche Härte wie nach einem Härten unter Verwendung der Mikrowellen- Vorrichtung aufweisen, selbst wenn Letzteres nicht durchgeführt wurde, so dass durch das erfindungsgemäße Nachbehandlungsverfahren zum Beispiel ein Härten mittels einer Mikrowellen-Vorrichtung eingespart werden kann. Das erfindungsgemäße
Nachbehandlungsverfahren kann daher zum Beispiel ohne einen zwischengeschalteten Post-Prozess zum Härten des Formteils auskommen/durchgeführt werden, und sich insofern zum Beispiel unmittelbar an den Herstellungsprozess (3D-Druck-Prozess, ggf. inklusive Entpacken) anschließen.
Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann die Heißfestigkeit {zum Beispie! Heißbiegefestigkeit) des behandelten Formteils (d.h. des dem erfindungsgemäßen Nachbehandlungsverfahren unterzogenen Formteils) gegenüber der ursprünglichen Heißfestigkeit (vor Durchführung des erfindungsgemäßen Nachbehandlungsverfahrens) um mindestens 30 % erhöht sein, zum Beispiel um mindestens 40 %, zum Beispiel um mindestens 50 %, zum Beispiel um mindestens 60 %, zum Beispiel um mindestens 70 %, zum Beispiel um mindestens 80 %, zum Beispiel um mindestens 90 %, zum Beispiel um mindestens 100 %, zum Beispiel um mindestens 150 %, zum Beispiel um
mindestens 200 %, zum Beispiel um bis zu bis 500 %. Zur Ermittlung der jeweiligen Heißfestigkeit (vor und nach dem erfindungsgemäßen Nachbehandlungsverfahren) kann zum Beispiel eine Messung wie weiter unten beschrieben durchgeführt werden. Hierbei ist es in dem Fall eines komplexen Gießformteils zum Beispiel möglich, für die Messung der jeweiligen Heißfestigkeit einen Prüfkörper aus dem gleichen Material wie das eigentliche Formteil und mit dem gleichen Herstellungsverfahren wie für das eigentlich Formteil herzustellen, und anschließend den Prüfkörper der oder den gleichen Nachbehandlungen (das erfindungsgemäße Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eingeschlossen) zu unterziehen, und zwar unter gleichen Bedingungen. Die jeweilige Messung kann dann am Prüfkörper erfolgen und dem Formteil für die Berechnung der Heißfestigkeitserhöhung zugerechnet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die jeweilige Heißfestigkeit zum Beispiel auch am
Gießformteil selbst ermittelt werden, zum Beispiel qualitativ anhand dessen
Maßhaltigkeit und/oder bei Kernbruch.
Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann das erhitzte Formteil in der mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre zum Beispiel derart gasförmigem Wasser ausgesetzt werden, dass das Formteil in zumindest einem Abschnitt davon von dem gasförmigen Wasser infiltriert wird und infolge der Infiltration die Heißfestigkeit in zumindest dem Abschnitt (zum Beispiel primär/im Wesentlichen nur in dem Abschnitt) erhöht wird, zum Beispiel durch eine Modifikation des Bindemittels, zum Beispiel durch Änderung der Polymerkonfiguration des Bindemittels. Der Abschnitt kann zum Beispiel eine Randschale des Formteils umfassen oder sein (d.h. einen äußeren Randbereich), zum Beispiel eine Randschale mit einer Tiefe von mindestens 250 pm, zum Beispiel mindestens 500 pm, zum Beispiel mindestens 1 mm, zum Beispiel mindestens 5 mm, zum Beispiel mindestens 1 cm» zum Beispiel mindestens 2 cm. Unter Randschale bzw. deren Tiefe wird ein Bereich des Formteils verstanden, der sich von einer Oberfläche des Formteils orthogonal zur Oberfläche in das Formteil erstreckt. Die Erfinder haben gefunden, dass es ausreichend sein kann, die Heißfestigkeit (zumindest primär) nur in einer Randschale des Formteils zu erhöhen, um zu verhindern, dass das Formteil während des Gießvorgangs seine Form verändert, seine Maßhaltigkeit verliert und/oder Sprünge erleidet.
Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann die Heizvorrichtung zum Beispiel aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus einem Durchlaufofen, Umluftofen,
Konvektionsofen, Heißluftofen und Kombinationen davon besteht. Die Heizvorrichtung kann zum Beispiel einen Heizraum aufweisen, in dem das Formteil aufgenommen werden kann. Die Heizvorrichtung kann zum Beispiel eine Wasser-Zuführvorrichtung aufweisen, zum Beispiel in Form von ein oder mehreren Einspritzdüsen, durch die flüssiges und/oder gasförmiges Wasser in den Heizraum eingespritzt werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizvorrichtung zum Beispiel ein in dem Heizraum angeordnetes Behältnis aufweisen, das flüssiges Wasser aufnehmen kann bzw. in dem flüssiges Wasser aufgenommen ist. Zum Beispiel kann die Heizvorrichtung ferner ein oder mehrere Sensoren aufweisen, zum Beispiel einen Temperatur-Sensor zur
Ermittlung der Temperatur in dem Heizraum und/oder einen Feuchtigkeits-Sensor zur Ermittlung der Feuchtigkeit in dem Heizraum, d.h. dem Gehalt an gasförmigem Wasser in der Heizraum-Atmosphäre. Die Heizvorrichtung kann ferner eine Steuerung aufweisen, welche die Wasser-Zuführvorrichtung derart ansteuert, dass diese Wasser für eine vorgegebene Zeitdauer (siehe unten) in den Heizraum einspeist, zum Beispiel unter Berücksichtigung der mittels der Sensoren ermittelten Temperatur und/oder Feuchtigkeit. Die Heizvorrichtung kann zum Beispiel eine von einem 3D-Drucker und oben erwähnter optionaler Mikrowellen-Vorrichtung separate Vorrichtung sein, die zum Beispiel benachbart zu selbigen angeordnet und mittels eines Transportsystems, zum Beispiel fahrerloses Transportsystem, mit dem 3D-Drucker und/oder der Mikrowellen- Vorrichtung verbunden sein kann. Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann das erhitzte Formteil zum Beispiel nach seiner Fertigung einem Heizraum einer Heizvorrichtung zugeführt werden (siehe oben) und unter Verwendung der Heizvorrichtung erhitzt werden. Der Heizraum kann zum Beispiel ein geschlossener Heizraum sein. Zum Beispiel kann das erhitzte Formteil in der Heizvorrichtung der mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt werden, zum Beispiel durch Zuführen von Wasser in den Heizraum der Heizvorrichtung, in welchem das Formteil aufgenommen ist/aufzunehmen ist. Wie bereits erwähnt, kann das Wasser dem Heizraum zum Beispiel in flüssiger und/oder gasförmiger Form zugeführt werden, zum Beispiel mittels einer der oben beschriebenen Verfahren/Vorrichtungen. Mit anderen Worten können zum Beispiel das Erhitzen und das Aussetzen einer Wasser-Atmosphäre in einem gemeinsamen bzw. demselben Heizraum stattfinden/durchgeführt werden, was einen einfachen
Nachbehandlungsprozess ermöglicht. D.h., die Wasser-Atmosphäre kann eine
Heizraum-Atmosphäre sein bzw. in dem Heizraum ausgebildet sein. Zum Beispiel kann der Heizraum-Atmosphäre in einem erwärmten Zustand derselben mittels der Wasser- Zuführvorrichtung flüssiges Wasser zugeführt werden, so dass dieses aufgrund des erwärmten Zustands in dem Heizraum verdampft wird und somit zur Ausbildung der Wasser-Atmosphäre beitragen kann. Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann das erhitzte Formteil zum Beispiel für eine vorbestimmte Zeitdauer von mindestens 30 Sekunden der durch Zuführen von Wasser erzeugten mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt werden, zum Beispiel mindestens 45 Sekunden, zum Beispiel mindestens 60
Sekunden, zum Beispiel mindestens 2 Minuten, zum Beispiel mindestens 3 Minuten, zum Beispiel mindestens 4 Minuten, zum Beispiel mindestens 5 Minuten. Diese
Untergrenze kann variieren je nach Größe des Formteils und/oder Anforderung an die Heißfestigkeit und/oder gewünschte Tiefe obiger Randschale. Mit den besagten in Versuchen ermittelten Werten konnte jedoch ein jeweils zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden. Eine Obergrenze für die vorbestimmte Zeitdauer kann zum Beispiel mit 60 Minuten angegeben werden, zum Beispiel mit 45 Minuten, zum Beispiel 30 Minuten, wobei sich die angegebenen Werte für die Untergrenze und die Obergrenze beliebig kombinieren lassen. Während der vorbestimmten Zeitdauer kann dabei zum Beispiel unten angegebene Temperatur/Mindesttemperatur und/oder unten angegebener Gehalt an gasförmigem Wasser aufrechterhalten werden, zum Beispiel über die gesamte Zeitdauer hinweg, zum Beispiel über zumindest 95% der Zeitdauer, zum Beispiel über zumindest 90% der Zeitdauer, zum Beispiel über zumindest 85% der Zeitdauer, zum Beispiel über zumindest 80% der Zeitdauer. Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann das Formteii oder zumindest ein Abschnitt davon (zum Beispiel obige Randschale) zum Beispiel auf eine Temperatur von größer gleich 150°C erhitzt werden, zum Beispiel größer gleich 175°C, zum
Beispiel größer gleich 200°C, zum Beispiel größer gleich 225°C, zum Beispiel größer gleich 250°C. Auch die Mindesttemperatur ist abhängig von verschiedenen Faktoren; mit den angegebenen Werten konnten jedoch zweckmäßige Ergebnisse erzielt werden. Eine zweckmäßige Höchsttemperatur kann zum Beispiel angegeben werden mit 350°C, zum Beispiel 300°C, wobei sich die angegebenen Werte für die Mindesttemperatur und die Höchsttemperatur beliebig kombinieren lassen. Ein beispielgebender Bereich kann zum Beispiel mit 260-280°C angegeben werden.
Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann zum Erhitzen des Formteils zum Beispiel die Heizvorrichtung oder der Heizraum derselben auf eine (Ofen-)Temperatur von größer gleich 150°C erhitzt werden, zum Beispiel größer gleich 175°C, zum
Beispiel größer gleich 200°C, zum Beispiel größer gleich 225°C, zum Beispiel größer gleich 250°C. Eine (Ofen-)Höchsttemperatur kann zum Beispiel angegeben werden mit 350°C, zum Beispiel 300°C, wobei sich die angegebenen Werte für die
Mindesttemperatur und die Höchsttemperatur beliebig kombinieren lassen. Ein beispielgebender Bereich kann zum Beispiel mit 260-280°C angegeben werden. Die Heizvorrichtung oder deren Heizraum kann zum Beispiel zunächst auf die oben genannte Temperatur erhitzt werden, und anschließend kann durch Zuführen von
Wasser die Atmosphäre in der Heizvorrichtung oder deren Heizraum mit gasförmigem Wasser angereichert werden.
Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann die durch Zuführen von Wasser erzeugte mit gasförmigem Wasser angereicherte Atmosphäre zum Beispiel einen
Gehalt an gasförmigem Wasser haben, der größer oder gleich 50 g/m3 ist, zum Beispiel größer oder gleich 60 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 70 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 80 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 90 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 100 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 125 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 150 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 175 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 200 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 300 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 400 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 500 g/m3, zum Beispiel größer oder gleich 800 g/m3. Zum Betspiel kann die Atmosphäre bei oben angegebener Temperatur an gasförmigem Wasser gesättigt sein, zum Beispiel übersättigt, bzw. der Gehalt an gasförmigem Wasser kann zum Beispiel so gewählt/eingestellt sein, dass die Atmosphäre bei 100°C an gasförmigem Wasser gesättigt ist, zum Beispiel übersättigt. Auch der Mindestgehalt ist abhängig von verschiedenen Faktoren, zum Beispiel der Verweilzeit des Formteils in der Heizvorrichtung.
Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung wird ein 3D-Druck-Verfahren zum Herstellen eines Formteils aus Partikelmaterial und Bindemittel in Kombination mit einem Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils bereitgestellt, weiches wie oben beschrieben ausgebildet sein kann und sich an das Verfahren zum Herstellen des Formteils anschließt (mittelbar oder unmittelbar). Das SD-Druck-Verfahren zum
Herstellen eines Formteils aus Partikelmaterial und Bindemittel kann zum Beispiel ein Binder-Jetting-Verfahren sein (siehe oben). Geeignete 3D-Druck-Verfahren zum
Herstellen eines Formteils aus Partikelmaterial und Bindemittel sind zum Beispiel in den Patentanmeldungen DE 10 2014 112 447 und DE 10 2009 056 687 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch diese Bezugnahme insofern hierin mitaufgenommen ist. Ein für die Verwendung in dem Herstellungsverfahren geeignetes Bindemittel ist zum Beispiel Wasserglas (siehe oben), welches in dem Fall eines Binder-Jetting-Verfahrens zum Beispiel in wässriger Lösung mittels eines Druckkopfes dosiert und selektiv auf einen Teilbereich einer zuvor aufgetragenen Schicht aus nicht-verfestigtem
Partikelmaterial aufgebracht werden kann. Die Schicht aus losem/nicht-verfestigtem Partikelmaterial kann optional zum Beispiel einen Zuschlagstoff enthalten, der ein Kriechen von dem selektiv aufgedruckten Wasserglas (aus dem Teilbereich)
reduziert/verhindert.
Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann eines der oben genannten
Verfahren in Kombination mit einem Verfahren/Schritt des Gießens von Metall, zum Beispiel Aluminium oder einer Legierung davon, unter Verwendung des Formteils, welches/welcher sich an das Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit des Formteils anschließt (mittelbar oder unmittelbar), ausgeführt werden. Das Gussstück kann zum Beispiel ein Motorblock sein, ist aber selbstverständlich nicht hierauf eingeschränkt. Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung ist eine 3D-Druck-Anordnung zur
Durchführung eines der oben genannten Verfahren bereitgestellt, wobei die SD-Druck- Anordnung einen SD-Drucker und eine Heizvorrichtung aufweist Die Heizvorrichtung kann wie oben beschrieben ausgebildet sein, d.h. einen Heizraum, welcher eingerichtet ist, um ein mittels des 3D-Druckers hergestelltes Formteil aufzunehmen, und eine Wasser-Zuführvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, um dem Heizraum gasförmiges Wasser zuzuführen (zum Beispiel vor und/oder nach Aufnahme des Formteils in dem Heizraum). Der 3D-Drucker kann zum Beispiel eine Bauplattform (welche zum Beispiel in einer Baubox aufgenommen sein kann), einen Beschichter (sog. Recoater) und eine Druckvorrichtung mit einem Druckkopf aufweisen. Geeignete 3D-Drucker sind zum Beispiel in den Patentanmeldungen DE 10 2014 1 12 447 und DE 10 2009 056 687 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch diese Bezugnahme insofern hierin mitaufgenommen ist. 3D-Drucker und Heizvorrichtung können wie oben beschrieben zum Beispiel benachbart zueinander angeordnet sein und/oder über ein Transportsystem miteinander verbunden sein. Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann die 3D-Druck-Anordnung ferner zum Beispiel eine Steuereinrichtung aufweisen, welche konfiguriert ist, um die Wasser-Zuführvorrichtung derart
anzusteuern, dass diese Wasser für eine vorgegebene Zeitdauer in den Heizraum einspeist. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel konfiguriert sein, um die
Zuführvorrichtung derart anzusteuern, dass diese eine vorgegebene Wassermenge in den Heizraum einspeist. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel mit einer
Einspritzdüse gekoppelt sein, um diese anzusteuern, zum Beispiel um einen Offen- Zustand und einen Geschlossen-Zustand der Einspritzdüse zu steuern. Die
Steuereinrichtung kann zum Beispiel eingerichtet sein, um die Temperatur in dem Heizraum zu steuern/regeln. In dem Heizraum kann zum Beispiel ein Temperatursensor angeordnet sein, der mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist und der eingerichtet ist, um die Temperatur in dem Heizraum zu ermitteln. In dem Heizraum kann zum Beispiel ein Feuchtigkeitssensor angeordnet sein, der mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist und der eingerichtet ist, den Gehalt an gasförmigem Wasser (bzw. die absolute
Luftfeuchtigkeit) in dem Heizraum zu ermitteln. Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung ist ein Formtei! bereitgesteiit, das mit einem der oben beschriebenen Verfahren (nach)behandelt und/oder hergestellt wurde, bzw. mit einer der oben beschriebenen SD-Druck-Anordnungen hergestellt wurde, und somit eine erhöhte Heißfestigkeit in zumindest einer Randschale davon hat
Beispielgebende, aber nicht einschränkende Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert, Es zeigen:
Figur 1 ein Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 ein Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung. Figur 3 ein Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 4 ein Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils gemäß einer vierten
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 5 ein Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils in Kombination mit einem
Verfahren/Schritt des Gießens von Metall gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
Figur 6 eine vereinfachte, schematische Ansicht einer 3D-Druck-Anordnung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Figur 7 eine vereinfachte, schematische Ansicht eines Formteils gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung. In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Figuren Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische
Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und Aspekte miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung können Begriffe wie "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet werden zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung.
In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Wie in den Figuren 1-5 gezeigt, wird in einem Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit (im Folgenden auch:„Verfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit") eines aus Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils 100 gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung das im 3D-Druck hergestellte Formteil 100 nach seiner Fertigung unter Verwendung einer Heizvorrichtung 40 erhitzt (Schritt S30), und das erhitzte Formteil 00 wird einer durch Zuführen von Wasser erzeugten mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt (Schritt S50). Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung geben somit Verfahren zur
Behandlung bzw. Nachbehandlung gefertigter Formteile 100 an. Das Formteil 100 kann ein Gießformteil sein, zum Beispiel ein Gießkern oder eine Gießform oder ein Gießformabschnitt, Das Partikelmaterial, aus dem das Formteil 100 gefertigt ist, kann Sandpartikel aufweisen. Die Sandpartikel können aus der Gruppe ausgewählt sein, welche besteht aus Quarzsandpartikeln, Aluminiumoxidsandpartikeln, Aluminiumsilicatsandpartikeln, Zirkonsandpartikeln, Olivinsandpartikeln,
Silicatsandpartikeln, Chromitsanpartikeln und Kombinationen davon. Das Bindemittel, aus dem das Formteil 100 gefertigt ist, kann zum Beispiel Wasserglas bzw. Silicat aufweisen, zum Beispiel Natronwasserglas bzw. Nathumsilicat. Das Bindemittel kann die Partikel des Partikelmaterials verbinden bzw. verkleben und somit zusammenhalten.
Das Formteil 100 ist ein im 3D-Druck hergestelltes Formteil 100 (siehe Schritt S72 in den Figuren 2 bis 4). Das Formteil 100 kann zum Beispiel ein mittels Binder-Jettings hergestelltes Formteil 100 sein. Das Formteil 100 kann zum Beispiel mittels eines in den Patentanmeldungen DE 10 2014 1 12 447 und DE 10 2009 056 687, deren
Offenbarungsgehalt durch diese Bezugnahme hierin mitaufgenommen ist,
beschriebenen Verfahrens hergestellt werden. Dabei kann zum Beispiel Wasserglas mittels eines Druckkopfes eines 3D-Druckers auf eine Schicht des nicht-verfestigten Partikelmaterials aufgetragen bzw. aufgedruckt werden.
Das Formteil 100 kann nach seiner Fertigung im 3D-Druck in einer Schüttung aus losem Partikelmaterial eingebettet sein, welche zum Beispiel zusammen mit dem
Formteil 100 in einer Baubox aufgenommen ist, und vor dem Zuführen des Formteils 100 zu der Heizvorrichtung 40 aus der Schüttung entpackt werden (siehe Schritt S90 in den Figuren 3 und 4). Vor dem Entpacken des Formteils 00 kann optional ein Härten des Bindemittels durchgeführt werden (siehe Schritt S1 10 in Figur 4). Das Härten kann zum Beispiel unter Verwendung einer Mikrowellen-Vorrichtung durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann während der Herstellung des Formteils 100 wiederholt ein Härten, zum Beispiel ein thermisches Härten, durchgeführt werden.
Gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann das erhitzte
Formteil 100 in der mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre derart gasförmigem Wasser ausgesetzt werden, dass das Formteil 100 in zumindest einem Abschnitt davon von dem gasförmigem Wasser infiltriert wird und infolge der Infiltration die Heißfestigkeit in zumindest dem Abschnitt erhöht wird, zum Beispiel durch eine Modifikation des Bindemittels in dem Abschnitt, zum Beispiel durch Änderung der Polymerkonfiguration des Bindemittels, Der Abschnitt kann eine Randschale 102 des Formteils 100 umfassen (siehe Figur 7), zum Beispiel eine Randschale 102 mit einer Tiefe von mindestens 250 pm.
Die in dem Verfahren eingesetzte Heizvorrichtung 40 kann eine beliebige, geeignete Heizvorrichtung sein, zum Beispiel ein Durchlaufofen, Umluftofen, Konvektionsofen, Heißluftofen oder Kombinationen davon. Das erhitzte Formteil 100 kann zum Beispiet in der Heizvorrichtung 40 der mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt werden, zum Beispiel durch Zuführen von (flüssigem und/oder
gasförmigem) Wasser in einen Heizraum 42 der Heizvorrichtung 40, in welchem das Formteil 100 aufgenommen/aufzunehmen ist. Zum Beispiel kann das erhitzte Formteil 100 in der Heizvorrichtung 40 der mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt werden, indem ein offenes Gefäß, das flüssiges Wasser enthält, dem
Hetzraum 42 zugeführt oder in diesem angeordnet wird. Alternativ oder zusätzlich kann das erhitzte Formteil 100 in der Heizvorrichtung 40 der mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt werden, indem flüssiges Wasser mittels einer geeigneten Vorrichtung, zum Beispiel Einspritzdüse, in den Heizraum 42 eingespeist wird.
Das Formteil 100 oder zumindest ein Abschnitt davon können in dem Verfahren zum Beispiel auf eine Temperatur von mindestens 150°C erhitzt werden, und das erhitzte Formteil 100 kann in dem Verfahren zum Beispiel für eine vorbestimmte Zeitdauer (zum Beispiel mindestens 30 Sekunden) der durch Zuführen von Wasser erzeugten mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt werden, die zum Beispiel einen Gehalt an gasförmigem Wasser von größer oder gleich 50 g/m3 hat.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Heißfestigkeit des behandelten Formteils 100 gegenüber der ursprünglichen Heißfestigkeit (d.h.
gegenüber der Heißfestigkeit des unbehandelten Formteils) um mindestens 30 % erhöht sein. An das oben beschriebene Verfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit kann sich ein Verfahren/Schritt des Gießens von Metall, zum Beispiel Aluminium oder einer Legierung davon, unter Verwendung des Formteils 100, anschließen (siehe Schritt S130 in Figur 5),
Wie in Figur 8 gezeigt, weist eine 3D-Druck-Anordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung einen 3D-Drucker 20 und eine Heizvorrichtung 40 mit einem Heizraum 42, welcher eingerichtet ist, um ein mittels des 3D-Druckers 20 hergestelltes Formteil 100 aufzunehmen, und einer Wasser-Zuführvorrichtung 44 auf, welche eingerichtet ist, um dem Heizraum 42 gasförmiges Wasser zuzuführen. Der 3D-Drucker 20 kann zum
Beispiel wie in den Patentanmeldungen DE 10 2014 1 12 447 und DE 10 2009 056 687, deren Offenbarungsgehalt durch diese Bezugnahme hierin mitaufgenommen ist, beschrieben ausgebildet sein und kann zum Beispiel eine Baubox mit einer
Bauplattform, einen Beschichter und einen Druckkopf aufweisen. Die Heizvorrichtung 40 kann wie oben beschrieben ausgestaltet sein. Die Wasser-Zuführvorrichtung 44 kann zum Beispiel eine Einspritzdüse 46 aufweisen, welche zum Beispie! eingerichtet sein kann, um dem Heizraum 42 gasförmiges und/oder flüssiges Wasser zuzuführen.
Die 3D-Druck-Anordnung kann ferner eine Steuereinrichtung 60 aufweisen, welche konfiguriert ist, um die Wasser-Zuführvorrichtung 44 derart anzusteuern, dass diese Wasser für eine vorgegebene Zeitdauer in den Heizraum 42 einspeist. Die
Steuereinrichtung 60 kann zum Beispiel mit der Einspritzdüse 46 der Zuführvorrichtung 44 gekoppelt sein, um diese anzusteuern, zum Beispiel um einen Offen-Zustand und einen Geschlossen-Zustand der Einspritzdüse 46 zu steuern. Die Steuereinrichtung 60 kann zum Beispiel eingerichtet sein, um die Temperatur in dem Heizraum 42 zu steuern/regeln. In dem Heizraum 42 kann zum Beispiel ein Temperatursensor 80 angeordnet sein, der mit der Steuereinrichtung 60 gekoppelt ist und der eingerichtet ist, um die Temperatur in dem Heizraum 42 zu ermitteln. In dem Heizraum 42 kann zum Beispiel ein Feuchtigkeitssensor 82 angeordnet sein, der mit der Steuereinrichtung 60 gekoppelt ist und der eingerichtet ist, um den Gehalt an gasförmigem Wasser (bzw. die absolute Luftfeuchtigkeit) in dem Heizraum 42 zu ermitteln.
Versuchsbeispiel Im Folgenden wird ein Versuchsbeispiel aus einer Reihe von Versuchen wiedergegeben, die die Anmelderin zur Verifizierung der Erfindung durchgeführt hat.
Tabelle 1 zeigt die relativen Heißfestigkeiten verschiedener Prüfkörper, Sämtliche Prüfkörper wurden aus dem gleichen Material (mit der Ausnahme, dass die Prüfkörper 1 , 3 und 4 kein heißfestigkeitssteigerndes Additiv enthielten), mit dem gleichen
Herstellungsprozess und mit der gleichen Nachbehandlung (falls zutreffend)
hergestellt/behandelt. Hierzu wurden die Prüfkörper mittels Binder-Jettings unter Verwendung von Quarzsand als Partikelmaterial und Natronwasserglas als Bindemittel (verdruckt als wässrige Lösung) hergestellt, und hatten eine Abmessung von 172 mm x 22,4 mm x 8 mm („HDT-Prüfriegel", HDT: Hot Deformation Test). Nach der Herstellung der Prüfkörper im 3D-Druck wurden die Prüfkörper entpackt, und dann unmittelbar einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit unterzogen (die Prüfkörper 1 und 2 ausgenommen). Eine separate Härtung wurde nicht durchgeführt.
Wie Tabelle 1 zu entnehmen ist, wurde dem ersten Prüfkörper kein Additiv zur
Verbesserung der Heißfestigkeit zugegeben, und der Prüfkörper wurde nicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt. Dem zweiten Prüfkörper wurde ein Additiv zur Verbesserung der Heißfestigkeit zugegeben, und der Prüfkörper wurde nicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt. Dem dritten und vierten Prüfkörper wurde kein Additiv zur Verbesserung der Heißfestigkeit zugegeben, und die Prüfkörper wurden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt. Dem fünften und sechsten Prüfkörper wurde ein Additiv zur Verbesserung der Heißfestigkett zugegeben, und die Prüfkörper wurden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt. Der vierte Prüfkörper stellt eine Reproduktion des dritten Prüfkörpers dar, und der sechste stellt eine Reproduktion des fünften Prüfköpers dar.
Die Ermittlung der Heißfestigkeit erfolgte mittels des Prüfgeräts„HOT-FLEX, Hot Deformation Tester" der Firma„BENETLAB". Zur Ermittlung der Heißfestigkeit wurde der Prüfkörper in das Prüfgerät eingespannt, ein Wegemesser mit Prüfgewicht (Masse: 26,02 g) auf den Prüfkörper aufgelegt, der Prüfkörper mittels einer Gasflamme
(Temperatur: ca. 1200°C; am Prüfgerät kann zum Beispiel ein Brenngasstrom von 5 x 1 Q~8 L/h und ein Luftstrom von 13 L/h eingestellt sein/werden) von unten erhitzt und die Durchbiegung des Prüfkörpers über die Zeit gemessen. Aus der verstrichenen Zeit, bis eine vorgegebene Durchbiegung nach unten (zum Beispiel von 2 mm) erreicht wurde, wurden die unten stehenden, relativen Heißfestigkeiten ermittelt. Die relative
Heißfestigkeit des ersten Prüfkörpers wurde auf 1 gesetzt. Die relativen
Heißfestigkeiten der anderen Prüfkörper wurden ermittelt durch Dividieren der jeweils verstrichenen Zeit eines zugehörigen Prüfkörpers durch diejenige des Prüfkörpers 1. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
1 Dem Sand wurden 0,5 Massen-% eines Pulveradditivs zur Erhöhung der
Heißfestigkeit zugefügt.
2 Ein Konvektionsofen wurde auf 260-280°C erhitzt; dann wurde flüssiges Wasser in den Ofen eingespritzt (ca. 100 mL); dann wurde der Prüfkörper in den Ofen eingeführt und für 20 Minuten im Ofen belassen, wobei in regelmäßigen Intervallen flüssiges Wasser nachgespritzt wurde. Aus dem Vergleich des ersten Prüfkörpers mit dem dritten und vierten Prüfkörper ist ersichtlich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Heißfestigkeit eines behandelten Formteils 100, dem kein Additiv zur Erhöhung der Heißfestigkeit zugegeben wird, gegenüber der ursprünglichen Heißfestigkeit des Formteils 100 um mehr als 100 % erhöht werden kann. Aus dem Vergleich des zweiten Prüfkörpers mit dem fünften und sechsten Prüfkörper ist ersichtlich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Heißfestigkeit eines behandelten Formteils 100, dem ein Additiv zur Erhöhung der Heißfestigkeit zugegeben wird, gegenüber der ursprünglichen
Heißfestigkeit des Formteils 100 um ca. 40% erhöht werden kann. D.h., durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auch die Heißfestigkeit von Formteilen 100 erhöht werden, denen ein Additiv zur Erhöhung der Heißfestigkeit zugegeben wird. Aus dem Vergleich des dritten und vierten Prüfkörpers mit dem fünften und sechsten Prüfkörper ergibt sich zudem, dass in dem vorliegenden Vergleichsbeispiel bei
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Zugabe von einem Additiv verzichtet werden kann,
Die vorhergehende Beschreibung von spezifischen beispielgebenden
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde präsentiert zum Zwecke der Illustration und Beschreibung, Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarten präzisen Formen beschränken, und selbstverständlich sind viele
Modifikationen und Variationen im Lichte der obigen Lehre möglich. Die
beispielgebenden Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um bestimmte Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um hierdurch Fachleuten zu ermöglichen, verschiedene beispielgebende
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowie verschiedene Alternativen und Modifikationen davon herzustellen und anzuwenden. Es ist beabsichtigt, dass der
Umfang der Erfindung durch die hieran angehängten Ansprüche und ihre Äquivalente definiert wird.

Claims

Ansprüche:
1. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100), bei dem:
das Formteil (100) ein im 3D-Druck hergestelltes Formteil ist (S72) und nach seiner Fertigung unter Verwendung einer Heizvorrichtung (40) erhitzt wird (S30) und das erhitzte Formteil (100) einer durch Zuführen von Wasser erzeugten mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt wird (S50). 2. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach Anspruch 1 , wobei das Formteil (100) ein Gießformteil ist, zum Beispiel ein Gießkern oder eine Gießform oder ein Gießformabschnitt. 3. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bindemittel Wasserglas aufweist, zum Beispiel Natronwasserglas.
4. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Partikelmaterial Sandpartikel aufweist, zum Beispiel ausgewählt aus der Gruppe, welche besteht aus Quarzsandpartikeln, Aluminiumoxidsandpartikeln, Aluminiumsilicatsandpartikeln, Zirkonsandpartikeln, Olivinsandpartikeln,
Silicatsandpartikeln, Chromitsandpartikeln und Kombinationen davon.
5. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Formteil (100) ein mittels Binder-Jettings hergestelltes Formteil ist. 6. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Formteil (100) nach seiner Fertigung in einer Schüttung aus losem Partikelmaterial eingebettet ist, welche zum Beispiel zusammen mit dem Formteil (100) in einer Baubox aufgenommen ist, und vor dem Erhitzen (S30) des Formteils (100) aus der Schüttung entpackt wird (S90), und/oder wobei vor dem Erhitzen (S30) des Formteils (100) ein Härten, zum Betspiel thermisches Härten, des Bindemittels durchgeführt wird, zum Beispiel ein Härten vor (S1 10) und/oder nach dem Entpacken, zum Beispiel ein Härten vor dem Entpacken unter Verwendung einer Mikrowellen- Vorrichtung, und/oder ein wiederholtes Härten während der Herstellung des Formteils (100).
7. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Heißfestigkeit des behandelten Formteils (100) gegenüber der ursprünglichen Heißfestigkeit um mindestens 30% erhöht ist.
8. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erhitzte Formteil (100) in der mit gasförmigem Wasser
angereicherten Atmosphäre derart gasförmigem Wasser ausgesetzt wird, dass das Formteil (100) in zumindest einem Abschnitt davon von dem gasförmigen Wasser infiltriert wird und infolge der Infiltration die Heißfestigkeit in zumindest dem Abschnitt erhöht wird, zum Beispiel durch eine Modifikation des Bindemittels in dem Abschnitt, zum Beispiel durch Änderung der Polymerkonfiguration des Bindemittels.
9. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach Anspruch 8, wobei: der Abschnitt eine Randschale (102) des Formteils (100) umfasst, zum Beispiel eine Randschale (102) mit einer Tiefe von mindestens 250 pm.
10. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Heizvorrichtung (40) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Durchlaufofen, Umluftofen, Konvektionsofen, Heißluftofen und Kombinationen davon besteht.
1 1 . Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Formteil (100) nach seiner Fertigung einem Heizraum (42) einer Heizvorrichtung (40) zugeführt und unter Verwendung der Heizvorrichtung (40) erhitzt wird, und wobei das erhitzte Formteil (100) zum Beispiel in der Heizvorrichtung (40) der mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt wird, zum Beispiel durch Zuführen von Wasser in den Heizraum (42) der Heizvorrichtung (40), in welchem das Formteil (100) zu dem Zweck seiner Erhitzung aufgenommen/aufzunehmen ist.
12. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das erhitzte Formteil (100) für eine vorbestimmte Zeitdauer von mindestens 30 Sekunden der durch Zuführen von Wasser erzeugten mit gasförmigem Wasser angereicherten Atmosphäre ausgesetzt wird.
13. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Formteil (100) oder zumindest ein Abschnitt davon auf eine
Temperatur von größer gleich 150 °C erhitzt wird, und/oder wobei zum Erhitzen des Formteils (100) die Heizvorrichtung (40) oder ein Heizraum (42) derselben auf eine Temperatur von größer gleich 150 °C erhitzt wird.
14. Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus
Partikelmaterial und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die durch Zuführen von Wasser erzeugte mit gasförmigem Wasser angereicherte Atmosphäre einen Gehalt an gasförmigem Wasser hat, der größer gleich 50 g/m3 ist.
15. 3D-Druck-Verfahren zum Herstellen eines Formteils (100) aus Partikelmaterial und Bindemittel in Kombination mit einem Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit eines aus Partikelmateriai und Bindemittel gefertigten Formteils (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches sich an das 3 D- Druck- Verfahren zum Herstellen des Formteils (100) anschließt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in Kombination mit einem
Verfahren/Schritt des Gießens von Metall (S130), zum Beispiel Aluminium oder einer Legierung davon, unter Verwendung des Formteils (100), welches/welcher sich an das
Nachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Heißfestigkeit des Formteils (100) anschließt, 7. 3D-Druck-Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend:
einen SD-Drucker (20) und
eine Heizvorrichtung (40) mit einem Heizraum (42), welcher eingerichtet ist, um ein mittels des 3D-Druckers (20) hergestelltes Formteil (100) aufzunehmen, und einer Wasser-Zuführvorrichtung (44), welche eingerichtet ist, um dem Heizraum (42) Wasser zuzuführen, um dadurch eine mit gasförmigem Wasser angereicherte Atmosphäre in dem Heizraum (42) zu erzeugen.
18. 3D-Druck-Anordnung nach Anspruch 17, femer aufweisend:
eine Steuereinrichtung (60), welche konfiguriert ist, um die Wasser-
Zuführvorrichtung (44) derart anzusteuern, dass diese Wasser für eine vorgegebene Zeitdauer in den Heizraum (42) einspeist.
19. Formteil (100), behandelt/hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder hergestellt mit der 3D-Druck-Anordnung nach Anspruch 17 oder 18.
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