EP3938212A1 - Mineral binder composition for 3d printing - Google Patents
Mineral binder composition for 3d printingInfo
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- EP3938212A1 EP3938212A1 EP20709604.1A EP20709604A EP3938212A1 EP 3938212 A1 EP3938212 A1 EP 3938212A1 EP 20709604 A EP20709604 A EP 20709604A EP 3938212 A1 EP3938212 A1 EP 3938212A1
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- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
- C04B2111/00181—Mixtures specially adapted for three-dimensional printing (3DP), stereo-lithography or prototyping
Definitions
- the invention relates to a mineral binder composition, its use for the 3D printing of moldings and a method for
- Structural concrete is usually poured into formwork for shaping and allowed to harden in it.
- the manufacture of the formwork causes
- 3D printing also called “generative manufacturing process”, “generative manufacturing” or “freeform construction”, refers to processes in which a spatial object or a spatial object is created through targeted spatial deposition, application and / or solidification of material Molded body is produced.
- the material is deposited, applied and / or solidified, in particular using a data model of the object to be produced, and in particular in layers or layers.
- the material is typically applied using a 3D printer. Every object is generative
- a shapeless material is used to manufacture an object, which is particularly subjected to chemical and / or physical processes (e.g. melting, polymerizing, sintering, curing).
- cementitious binder compositions especially mortar or concrete
- a water-based cementitious binder is used for this
- composition prepared and conveyed to a movable print head of a 3D printer.
- the computer controlled, in at least one
- the printhead deposits the material in a specified quantity and speed, typically in layers, until the desired one
- the top layer in each case is advantageously not yet fully cured when the next layer above is applied, so that a good bond between the individual layers is ensured.
- cement achieves its strength through reaction with water in a chemical process known as cement hydration. This reaction is also known as the setting of the cement. Typically, the time between mixing the cement with water and achieving sufficient strength to be dimensionally stable and stable is in the range of several hours.
- EP 3 421 201 describes a cementitious mixture for 3D printing.
- Mixture comprises a hydraulic binder, latent hydraulic additives, fillers, aggregates, further additives and water.
- the aggregates must have a particle size of less than 1 mm and the viscosity of the mixture is between 4 ⁇ 00 and 35 ⁇ 00 Pa s.
- the mortar mixing time is very long, and the printing speed and printing height are low.
- WO 2019030255 describes a method for 3D printing in which a water-containing mineral binder composition is conveyed to a continuous mixer with a pump and mixed with an aqueous setting accelerator in the continuous mixer. The now accelerated binder composition is applied in layers by means of a print head. Mixing the accelerator into the binder
- composition with a continuous mixer which is preferred on
- the printhead is mounted is an additional step and greatly increases the cost of installing the printer.
- the object of the present invention is to provide an improved mineral
- the composition should in particular be an efficient, simple, inexpensive, enable reliable and rapid application. This, if possible, with a high quality of the applied layers in terms of strength development and optical uniformity.
- the dry mineral binder composition is easy to use
- the dry mineral binder composition already contains
- Accelerator the addition of accelerator at or just before the print head, is not necessary.
- the dry mineral binder composition can be processed quickly with water to form a homogeneous water-containing binder composition. This enables continuous mixing, which is advantageous for homogeneous processability and high print quality.
- the stability of the applied layers is high and they quickly achieve sufficient strength to support additional layers applied over them without deforming. This enables rapid printing, also in the vertical direction.
- Aluminum sulfate based accelerators are typically used for
- Shotcrete used.
- an aqueous accelerator solution or suspension is added to a non-accelerated concrete mix directly at the spray nozzle.
- the accelerated concrete is sprayed on a wall and immediately stiffens.
- an accelerator based on aluminum sulphate can be used in the binder composition according to the invention without leading to an immediate stiffening of the mixture after mixing with water.
- the water-based binder composition remains easy to process over a sufficient period of time so that it can be easily processed using 3D Printer can be applied and can also form a good bond with a later applied new layer.
- Conditions such as, for example, the ambient temperature, the desired vertical printing speed and the desired printing height can be adjusted only by varying the amount of polycarboxylate ether.
- Polycarboxylate ether in the binder composition can be different in order to ensure optimal strength development for both applications. This is very advantageous because, by varying a single component, a binder composition adapted to the respective setting parameters can be made available.
- Binder composition high printing speed, printing heights over a meter and more, as well as homogeneous and aesthetic moldings without cracks can be obtained.
- the invention relates to a dry mineral binder composition comprising cement and mineral fillers for the production of molded bodies by means of 3D printing, characterized in that the
- Binder composition also comprises at least one accelerator based on aluminum sulfate, at least one superplasticizer based on a polycarboxylate ether and at least one rheological aid, the polycarboxylate ether, assuming all carboxylic acid groups are present as free acid, at least 1 mmol, in particular at least 1.2 mmol, in particular at least 1.8 mmol, Carboxylic acid groups per gram dry
- 3D printing also known as “freeform construction” is understood to be a form-free, shaping process.
- a deformable material is applied in several layers or in smaller portions, one on top of the other and, if necessary, next to one another, layer by layer, thus creating three-dimensional objects.
- the construction is computer-controlled according to given dimensions and shapes. After the material which is deformable during application has hardened, a solid shaped body is formed.
- the layers are typically not applied by spraying the material.
- mineral binder is understood in particular to mean a binder which, in the presence of water, reacts in a hydration reaction to form solid hydrates or hydrate phases.
- mineral binder composition is accordingly understood to mean a composition containing at least one mineral binder. This contains in particular the binder, fillers and optionally one or more additives.
- dry mineral binder composition means a free-flowing mineral binder composition with a moisture content of less than 0.5% by weight.
- water-containing mineral binder composition means a mineral binder composition mixed with water, in particular in fluid form.
- polycarboxylate ether is understood to mean a
- Comb polymer comprising a backbone of hydrocarbons with attached carboxylic acid groups or their salts and also to the
- the side chains are attached to the polycarboxylate backbone in particular via ester, ether, imide and / or amide groups.
- the amount of carboxylic acid groups in the polycarboxylate ether is expressed in millimoles of carboxylic acid groups in one gram of the
- Polycarboxylate ethers (mmol / g) understood.
- any salts of the carboxylic acids that may be present are counted among the carboxylic acid groups and the weight of the polycarboxylate ether is used in non-neutralized form.
- the amount of carboxylic acid groups in the polycarboxylate ether can be any amount of carboxylic acid groups in the polycarboxylate ether.
- the amount of carboxylic acid groups in the polycarboxylate ether can be any amount of carboxylic acid groups in the polycarboxylate ether.
- Mn (BB) average molecular weight of the polycarboxylate backbone in g / mol
- M (monomer) average molecular weight of the monomers of
- m (BB) weight of the polycarboxylate backbone in g during the production of the polycarboxylate ether
- n a (SK) amount of substance of the a.
- Polycarboxylate ethers corresponds to the quotient from the initial weight of the a.
- Mn (polymer) mean molar mass of the polycarboxylate ether in g / mol.
- the mean molar mass of the polycarboxylate ether used is determined in particular using GPC against PEG as the standard.
- a polycarboxylate ether is produced by transesterification of a
- the initial weight of the polyacrylic acid is 100 g, the weight of the methoxy-terminated one
- Polyethylene glycol is 150 g. This information results in:
- ns amount of moles of the carboxylic acid groups contained in the monomers used to produce the polycarboxylate ether
- m (Monomera) weight of the a.
- rheological aid is understood to mean a substance which can change the theological properties of the water-containing mineral binder composition, in particular it increases the viscosity, the flow limit and / or the thixotropy.
- dimensional stability is understood to mean a material property in which the material changes the individual dimensions by a maximum of 10% after shaping, provided that no external force other than
- “stability” is understood to mean the strength that a hardenable material has after application before hardening.
- cements classified under DIN EN 197-1 Portland cement (CEM I), Portland composite cement (CEM II), Floch-furnace slag cement (CEM III), Pozzolan cement ( CEM IV) and composite cement (CEM V).
- CEM I Portland cement
- CEM II Portland composite cement
- CEM III Floch-furnace slag cement
- CEM IV Pozzolan cement
- CEM V composite cement
- cements that are produced according to an alternative standard such as the ASTM standard are equally suitable.
- Portland cement CEM I or CEM II according to DIN EN 197-1 is preferred.
- Portland cement CEM I 42.5 or CEM I 52.5 is particularly preferred. Such cements give good strength and good workability.
- the dry mineral binder composition advantageously also contains at least one latently hydraulic or pozzolanic binder,
- the latently hydraulic or pozzolanic binder is preferably present in 0.1 to 10% by weight, in particular in 0.5 to 5% by weight, based on the total weight of the dry binder composition.
- the dry mineral binder composition contains mineral fillers.
- Fillers are chemically inert solid particulate materials and are available in different shapes, sizes and as different materials, which vary from the finest sand particles to large coarse stones. In principle, all fillers that are commonly used for concrete and mortar are suitable. Examples of particularly suitable fillers are aggregates, gravel, sand, in particular quartz sand, limestone sand and slag sand, crushed stones, calcined pebbles or light fillers such as expanded clay, expanded glass, foam glass, pumice stone, perlite and vermiculite. Further advantageous fillers are fine or very fine fillers such as ground limestone or dolomite,
- Preferred fillers are selected from the group consisting of quartz sand, quartz powder, limestone sand, ground limestone and ground steel slag.
- the filler preferably comprises at least one finely ground crystalline filler, in particular limestone. This can promote the early strength development of the binder composition mixed with water.
- the particle size of the fillers depends on the application and is in the range from 0.1 ⁇ m to 32 mm and more. Different particle sizes are preferably mixed in order to optimally adjust the properties of the binder composition. Fillers made from different materials can also be mixed. The particle size can be determined with the help of a sieve analysis.
- Fillers with particle sizes of at most 8 mm, more preferably at most 5 mm, even more preferably at most 3.5 mm, most preferably at most 2.2 mm, in particular at most 1.2 mm or at most 1.0 mm are preferred.
- the particle size is determined in particular by the planned layer thickness of the applied layers in 3D printing.
- a maximum particle size of the fillers is sensibly as large as the planned one
- the binder composition preferably contains 20 to 40% by weight, in particular 22 to 36% by weight, based on the total weight of the dry binder composition, fine fillers with a particle size of less than 0.125 mm.
- Suitable fillers with a small particle size are particularly fine
- the binder composition preferably contains 1 to 10% by weight, more preferably 2 to 5% by weight, of ground calcium carbonate with a
- the very fine calcium carbonate improves the workability of the binder composition mixed with water and can increase the strength development of the binder composition.
- fillers with particle sizes up to 32 mm, more preferably up to 20 mm, most preferably up to 16 mm, can also be used.
- Particle sizes can be determined using sieve analysis in accordance with the ASTM C136 and ASTM C117 standards.
- the mineral fillers are preferably 45 to 85% by weight, in particular 50 to 80% by weight, based on the total weight of the dry ones
- Binder composition present.
- the dry mineral binder composition contains one
- Aluminum sulfate based accelerator Aluminum sulfate based accelerator.
- the accelerator causes the strength to develop rapidly
- Binder composition after mixing with water.
- the accelerator advantageously contains at least 30% by weight, preferably at least 35% by weight, more preferably at least 40% by weight,
- Aluminum sulphate calculated as aluminum sulphate Flydrat Al2 (S04) 3-16 FI2O.
- the accelerator can advantageously contain other components such as amino alcohols, alkali and alkaline earth nitrates, alkali and
- a particularly preferred binder composition consists of
- accelerator is composed of aluminum sulfate hydrate or is aluminum sulfate hydrate.
- the binder composition is preferably free from amino alcohols.
- Amino alcohols have an intense, unpleasant odor, can be hazardous to health and lead to uncontrolled stiffening of the binder composition after mixing with water.
- the aluminum sulfate-based accelerator is preferably present in 0.1 to 2% by weight, more preferably in 0.3 to 1.5% by weight, in particular in 0.4 to 1.0% by weight, based on the total weight of the dry binder composition.
- Such a dosage of the accelerator, in particular in combination with a polycarboxylate ether, leads to a rapid development of the strength of the binder composition mixed with water without impairing the processability for the printing process.
- the dry mineral binder composition comprises at least one superplasticizer based on polycarboxylate ether.
- the at least one polycarboxylate ether contains carboxylic acid groups in the form of free, that is, non-neutralized, carboxylic acid groups and / or in the form of their alkali metal and / or alkaline earth metal salts.
- a polycarboxylate ether which has no other anionic groups in addition to the carboxylic acid groups is preferred.
- a polycarboxylate ether whose side chains consist of at least 80 mol%, preferably at least 90 mol%, especially preferably 100 mol%, of ethylene glycol units is further preferred.
- the side chains preferably have an average molecular weight M w in the range from 500 to 10 ⁇ 00 g / mol, preferably 800 to 8 ⁇ 00 g / mol, particularly preferably 1 ⁇ 00 up to 500 g / mol.
- M w average molecular weight in the range from 500 to 10 ⁇ 00 g / mol, preferably 800 to 8 ⁇ 00 g / mol, particularly preferably 1 ⁇ 00 up to 500 g / mol.
- Preferred is a polycarboxylate ether of methacrylic acid and / or
- Acrylic acid units and monomer units with polyalkylene glycol chains is built up.
- the at least one polycarboxylate ether preferably has a medium one
- Such polycarboxylate ethers have a good effect, even in the presence of the accelerator based on aluminum sulfate and with a low water content
- a low water content causes a high strength of a cured material
- such polycarboxylate ethers act particularly well as a means of controlling the setting and / or setting of the water-containing binder composition.
- the at least one polycarboxylate ether can be added as an aqueous solution to the
- Binder composition are introduced, for example by
- the at least one polycarboxylate ether is preferably present as a powder in the dry binder composition.
- the at least one polycarboxylate ether has a block or gradient structure.
- polycarboxylate ether with a block or gradient structure is understood to mean a polymer in which the monomer units are present in a non-statistical sequence, that is, the sequence is not obtained by chance. Included in the polycarboxylate ether of block or gradient structure
- Such block or gradient polymers therefore have sections with a high density of anionic groups and sections which contain no or only a few anionic groups.
- Binder composition and water is very short, especially for continuous mixing.
- Polycarboxylate ethers with a block or gradient structure also cause the water-containing binder composition to have a low viscosity. This improves the pumpability of the binder composition mixed with water.
- the good liquefying effect of the polycarboxylate ethers with a block or gradient structure also surprisingly persists in the inventive one
- Binder composition only for a few minutes, which is advantageous for 3D printing because it makes the
- Binder composition can be achieved directly after mixing with water and good stability of the water-containing binder composition after application.
- the at least one polycarboxylate ether is preferably present in 0.02 to 5% by weight, more preferably in 0.05 to 4% by weight, in particular in 0.1 to 3% by weight, calculated as dry polymer based on the total weight of the dry binder composition.
- the metering of the at least one polycarboxylate ether in the binder composition is advantageously adapted to the respective printing task.
- the printing parameters such as typically the desired height of the molding, the thickness of the applied layers, the printing speed and the expected ambient temperature, are advantageously recorded before printing and then using empirical values, tables and / or computer program determines the optimal amount of polycarboxylate ether in the binder composition.
- Polycarboxylate ether in the binder composition can be different in order to ensure optimal strength development for both applications.
- Binder composition provided.
- Molded body has different parts with different dimensions if only part of the polycarboxylate ether in the dry
- Binder composition is present and another part, in each case adapted to the current printing conditions, is added during or shortly after mixing with water.
- the further part of the polycarboxylate ether is advantageously added together with the mixing water in a continuous mixing process.
- the dry binder composition can thus be produced in large quantities, which is advantageous, and the adjustment of the properties of the
- the dry mineral binder composition contains at least one organic and / or inorganic rheological aid.
- Suitable rheology aids are in particular modified starch
- Amylopectin modified cellulose, microbial polysaccharides, galactomannans, Alginate, tragacanth, polydextrose, superabsorbent or mineral
- the rheological aid is preferably selected from the group consisting of modified starches, modified celluloses, microbial polysaccharides, superabsorbents and mineral thickeners.
- the total amount of rheological aid in the dry binder composition is preferably from 0.01 to 5% by weight, based on the
- the modified starch is preferably a starch ether, in particular
- the modified starch is preferably present in 0.01 to 2% by weight based on the total weight of the dry binder composition.
- the modified cellulose is preferably methyl cellulose, ethyl cellulose,
- the microbial polysaccharide is preferably welan gum, xanthan gum or diutan gum and is preferably present in 0.01 to 0.1% by weight, based on the total weight of the dry binder composition.
- the superabsorbent is preferably selected from the group comprising
- Polyacrylamide polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, isobutylene-maleic anhydride copolymers, polyvinylpyrrolidone, homo- and copolymers of monoethylenically unsaturated carboxylic acids such as (meth) acrylic acid, crotonic acid, sorbic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, preferably polyacrylic acid, which can be partially or completely neutralized Copolymers and terpolymers of the monoethylenically unsaturated carboxylic acids mentioned with vinylsulfonic acid, (meth) acrylamidoalkylsulfonic acids, allylsulfonic acid, vinyltoluenesulfonic acid, Vinylphosphonic acid, (meth) acrylamide, N-alkylated (meth) acrylamide, N-methylol (meth) acrylamide, N-vinylformamide, N-vinyl acetamide, vinyl pyrrolidone,
- the superabsorbent homo- and copolymers can be linear or branched, the copolymers can be present randomly or as block or gradient polymers.
- the homopolymers and copolymers are preferably also crosslinked.
- the superabsorbent is preferably polyacrylic acid, which can be partially or completely neutralized and is crosslinked.
- the superabsorbent is preferably present in 0.01 to 0.5% by weight, in particular in 0.05 to 0.3% by weight, based on the total weight of the dry binder composition.
- the mineral thickener is preferably a special silicate or clay mineral, in particular a bentonite or sepiolite, preferably sepiolite.
- the mineral thickener is preferably present in 0.1 to 1% by weight based on the total weight of the dry binder composition.
- the binder composition preferably contains at least two, more preferably at least three, different rheological aids.
- the rheological aid is particularly suitable, the dimensional stability of the
- Preferred combinations of two or more rheology aids are:
- the different thickening properties of the rheological aids can be optimally matched to one another. This results in good processability with good stability of the water-containing binder composition.
- a combination of rheological aids which comprises at least one superabsorbent is particularly preferred.
- the superabsorbent also acts as a means of reducing shrinkage, which is particularly advantageous.
- the dry mineral binder composition preferably also contains 0.1 to 5% by weight, preferably 0.1 to 4.5% by weight, more preferably 0.5 to 3% by weight, calcium sulfoaluminate, based on the total weight of the dry binder composition.
- a suitable calcium sulfoaluminate is available, for example, in Denka CSA # 20, available from Newchem, Switzerland.
- the calcium sulfoaluminate can, especially in the preferred dosage, on the one hand increase the early strength development of the aqueous binder composition and at the same time reduce shrinkage.
- a higher content of calcium sulfoaluminate in the binder composition can reduce the ultimate strength of a printed molded article and increase the cost of the composition.
- the combination of calcium sulfoaluminate and rheological aid, in particular a superabsorbent can reduce the shrinkage of the Binder composition can be greatly reduced after application.
- Shrinkage can lead to the formation of cracks in the molded article produced. Cracks can reduce the durability of the printed structures and disrupt the visual impression.
- the dry mineral binder composition advantageously also contains at least one further additive for reducing shrinkage selected from the group consisting of glycols, polyglycols and water-storing materials, such as, in particular, porous stones, ground bricks and / or ground cement stone.
- the dry mineral binder composition preferably also contains at least one defoamer, in particular selected from the group consisting of oil-based defoamers, in particular defoamers based on mineral oils, vegetable oils or white oils which can contain a wax and / or hydrophobic silica, silicone-based defoamers which, for example, Alkoxylation or fluorination can be modified, alkyl esters of phosphoric or phosphonic acid, alkoxylated polyols, especially ethoxylated diols, fatty acid-based defoamers, especially mono- and diglycerides of fatty acids and alkoxylated fatty alcohols, and mixtures thereof.
- defoamer in particular selected from the group consisting of oil-based defoamers, in particular defoamers based on mineral oils, vegetable oils or white oils which can contain a wax and / or hydrophobic silica, silicone-based defoamers which, for example, Alkoxylation or fluor
- the defoamer is preferably selected from the group comprising
- Fatty alcohol alkoxylates and polysiloxane and a combination of mineral oil and a silicone oil containing hydrophobic silica Fatty alcohol alkoxylates and polysiloxane and a combination of mineral oil and a silicone oil containing hydrophobic silica.
- the defoamer is preferably present in 0.01 to 1% by weight, in particular 0.1 to 0.8% by weight, based on the total weight of the dry binder composition.
- a defoamer is advantageous because it prevents or reduces the formation of air voids when the dry binder composition is mixed with water. Air voids can promote the water-containing binder composition interfere with the print head, and reduce the strength in the cured molded body and pores interfere with the visual impression of the molded body.
- the defoamer also reduces the shrinkage and thus the formation of cracks in the cured molding.
- the dry mineral binder composition can also contain at least one further additive, for example a concrete additive and / or a mortar additive.
- the at least one further additive includes in particular a flow agent, a retarder, a wetting agent, fibers, a dye, a preservative, a further accelerator
- Dispersion polymer a cationic polymer, a cationic polycondensate, a cationic comb polymer, an air entrainer, another
- Shrinkage reducer or a corrosion inhibitor, or combinations thereof are examples of Shrinkage reducer or a corrosion inhibitor, or combinations thereof.
- the flow agent is in particular sodium gluconate, lignosulfonate, sulfonated naphthalene-formaldehyde condensate, sulfonated melamine-formaldehyde condensate, sulfonated vinyl copolymer, polyalkylene glycol
- Phosphonate groups polyalkylene glycol with phosphate groups or a
- aromatic condensate with phosphonate groups and polyalkylene glycol chains aromatic condensate with phosphonate groups and polyalkylene glycol chains.
- the use of hardening retarders can be advantageous, since this extends the processing time of the water-based binder composition.
- the hardening retarder is preferably a hydroxycarboxylic acid, in particular tartaric acid, citric acid or gluconic acid, a sugar, in particular sucrose, a phosphate or a phosphonate, or their salts or mixtures thereof.
- a preferred binder composition comprises:
- cement especially Portland cement, - 0.1 to 5% by weight, preferably 0.1 to 4.5% by weight, more preferably 0.5 to 3% by weight, calcium sulfoaluminate,
- At least one latent hydraulic binder in particular metakaolin and / or silica dust,
- Another object of the invention is a water-containing mineral binder composition, obtained by mixing the dry mineral binder composition, as described above, with water, in particular with 10 to 25% by weight, preferably 12 to 22% by weight, more preferably 14 to 20% by weight %, Water based on that
- Mixing with water is preferably carried out in a continuous mixer. This ensures a high production speed. In addition, in the event of a possible interruption, there does not have to be a discontinuous
- the start of setting of the water-containing binder composition is advantageously between about 10 minutes and 1 hour, and the end of setting between about 30 minutes and 3 hours, measured in accordance with DIN EN 196-3 at 20 ° C with an automatic Vicat apparatus.
- the water-containing binder composition advantageously achieves a strength of at least 0.05 MPa, preferably at least 0.08 MPa, in particular at least 0.1 MPa, at 20 ° C. one hour after application, and after 3 hours, preferably 2 hours, at least 0.5 MPa, in particular 1 MPa.
- the strength can be determined using a penetration method such as described in ASTM C 403.
- Such a strength development of the water-containing binder composition is particularly advantageous for the efficient production of moldings.
- the invention also relates to the use of the water-containing mineral binder composition for the production of moldings by means of 3D printing.
- Another object of the invention is a method for applying a mineral binder composition, in particular by means of 3D printing, comprising the steps:
- Binder composition
- Binder composition with the movable printhead is advantageous
- Binder composition added together with the water, the at least one further additive being another
- Polycarboxylate ether Polycarboxylate ether, a retarder and / or another
- Rheology aid in particular a polycarboxylate ether, comprises, and
- print height Depending on printing conditions such as horizontal and vertical printing speed, print height and ambient temperature.
- the at least one further additive is preferably a polycarboxylate ether, a retarder and / or a rheological aid, as described above.
- the further polycarboxylate ether is preferably identical to the polycarboxylate ether in the dry mineral binder composition, but is here in particular as an aqueous solution.
- the further polycarboxylate ether is not identical to the polycarboxylate ether in the dry mineral binder composition.
- the other differs
- Polycarboxylate ether of the polycarboxylate ether in the dry mineral binder composition by the number of carboxylic acid groups per g of polymer and / or the average molecular weight Mw of the polyalkylene glycol side chains or it has a block or gradient structure if the polycarboxylate ether in the dry binder composition does not have a block or gradient structure .
- the further polycarboxylate ether if present, is preferably added in 0.01 to 5% by weight, in particular in 0.08 to 4% by weight, based on the weight of the water-containing binder composition.
- the retarder if present, is preferred in 0.01 to 3% by weight, in particular in 0.03 to 2% by weight, based on the weight of the
- hydrous binder composition added.
- the further rheology aid if present, is preferably added in 0.01 to 2% by weight, based on the weight of the water-containing binder composition
- the strength development of the binder composition can be continuously adapted to the printing process, resulting in a high quality structure of the molded body despite the possible
- Printing speed and / or interruptions in the printing process allows.
- At least one property of the applied material is determined during the printing process and, if the property deviates from the specified setpoint values, the further additive, in particular a polycarboxylate ether, is added
- Retarder and / or a rheological aid metered into the mixing device.
- At least one further rheology aid in particular a modified cellulose and / or a microbial polysaccharide, preferably in the form of an aqueous solution, can be introduced into the water-containing binder composition, in particular by means of a pump attached to or just in front of the print head . This can cause unwanted fluctuations in the stability of the
- water-containing binder composition are balanced.
- molded bodies can be produced homogeneously and quickly by applying them in layers.
- the printing speed that is, the speed of the horizontal
- Movement of the print head preferably at least 20 mm per second, more preferably at least 30 mm per second, in particular at least 40 mm per second.
- the vertical printing speed depends on the horizontal dimension of the molding, the thickness of the individual applied layers and the horizontal printing speed.
- the period of time between the application of the lower layer and the next layer above is preferably between about 1 second and 30 minutes, in particular between 10 seconds and 10 minutes.
- Another object of the present invention is a molded body produced by mixing a dry mineral
- Binder composition as described above, with water and optionally further additives, application of the water-containing mineral binder composition in layers with a 3D printer and hardening of the binder composition.
- the height of an individual layer is preferably 0.2 mm to 200 mm, more preferably 1 mm to 100 mm, in particular 2 mm to 50 mm .
- the total height of the shaped body or the thickness of all individual layers of the shaped body taken together is preferably 0.01 m to 100 m or more, more preferably 0.1 m to 80 m, even more preferably 0.3 m to 30 m, in particular 0.5 m to 10 m.
- the shaped body preferably has a height of at least 0.5 m, more preferably at least 1 m, in particular at least 1.5 m or 2 m.
- the surface of the shaped body can be smoothed, repaired or specially deformed with suitable tools. This can be done as part of the machine production, or manually as a separate step.
- the surface can also be given a functional or decorative
- Coating are provided, for example with a color.
- the shaped body can also, as long as it is still workable, with suitable
- the shaped body produced by the method according to the invention can have almost any shape.
- the molded body is, for example, a building, a prefabricated part for a building, a component, a brickwork, a bridge, a column, a decorative element such as artificial mountains, reefs or sculptures, a basin, a fountain or a tub.
- Shaped bodies represent a full shape or a hollow shape, with or without a bottom.
- the shaped body can be created directly on site and no longer moved after application.
- the shaped body can also be created at another location, in particular special in a factory. This is preferably done on a pad to which he is not liable. After curing, the molded body can be transported to the desired location.
- Fig. 1 shows: a schematic representation of an exemplary system for
- Binder composition
- FIG. 2 shows a graphical representation of the development of strength over time of water-containing cementitious binder compositions.
- FIG. 1 an exemplary system 1 for carrying out a method according to the present invention for applying the water-containing mineral binder composition is shown schematically.
- the system 1 comprises a movement device 2 with a movable arm 2.1. At the free end of the arm 2.1 a print head 3 is attached, which can be moved in all three spatial dimensions by the arm 2.1. The print head 3 can thus be moved to any position in the working area of the
- Moving device 2 are moved.
- the print head 3 has in the interior one from the end face facing the arm 2.1 (top in FIG. 1) to the opposite and free end face
- An inlet nozzle 5 for adding an additive opens laterally into the passage 3.1 in an area facing the arm 2.1.
- an additive for example a
- a static mixer 6 is furthermore arranged in the passage 3.1, which additionally mixes the water-containing mineral binder composition and the additive as it flows through.
- a measuring unit 8 for determining the pressure in the tubular passage 3.1 is also arranged.
- the sampling rate of the measuring unit 8 is e.g. 10 Hz.
- a device 7 for venting the water-containing mineral binder composition is also attached to the print head 3.
- the device is designed as a vacuum treatment device and makes it possible to reduce the proportion of air in the water-containing mineral binder composition.
- a section of the wall of the passage 3.1 can be designed as a gas-permeable membrane, so that by applying a negative pressure outside the passage 3.1, air is drawn from the water-containing mineral binder composition.
- the binder composition also has a feed device 9, which on the inlet side corresponds to three containers 11.1, 11.2, 11.3 and a reservoir 11.4. In each of the three containers 11.1, 11.2, 11.3 there is a component of the water-containing mineral binding agent
- the first component which is present in the first container 11.1, is a dry mineral binder composition.
- the second component which is present in the second container 11.2, consists for example of water.
- the third component present in the third container 11.3 is e.g. a flow agent in the form of a polycarboxylate ether.
- the feed device 9 On the outlet side, the feed device 9 has three separate outlets, each with one of three inlets 10.1, 10.2, 10.3 of a mixing device 10 are connected.
- the feed device 9 also has individually controllable metering devices (not shown in FIG. 1) so that the individual
- Components in the individual containers 11.1, 11.2, 11.3 can be dosed individually into the mixing device 10.
- Another outlet of the feed device is connected to the inlet nozzle 5 (not shown in FIG. 1), so that the
- Feed device 9 additive can be conveyed from the reservoir 11.4 into the inlet nozzle 5.
- the mixing device 10 is designed as a dynamic mixer and, in addition to this, comprises an integrated conveying device in the form of a screw conveyor.
- the mixing device the individually metered components are mixed with one another and conveyed into the flexible line 12 attached to the mixing device on the outlet side.
- the mixing and conveying of the binder composition can take place continuously.
- the front side of the print head opens into the tubular passage 3.1, the water-containing mineral binder composition can be conveyed into the print head 3 and applied continuously through the controllable outlet 4.
- the measuring unit 13 which is integrated in the conveying line 12 in the area between the mixing device 10 and the print head 3.
- the measuring unit includes, for example, one
- Ultrasonic transducer which is designed to determine the flow properties of the water-containing mineral binder composition.
- a sampling rate of the measuring unit 13 is e.g. 10 Hz.
- a central control unit 14 of the system 1 comprises a processor, a memory unit and several interfaces for receiving data and several interfaces for controlling individual components of the system 1.
- the mixing device 10 is connected to the control unit 14 via a first control line 15a, while the feed device is connected to the control unit 14 via a second control line 15b.
- the individual components in the containers 11.1, 11.2, 11.3 can be metered into the mixing device 10 via the central control unit according to prescribed recipes stored in the control unit and conveyed into the flexible line 12 at adjustable delivery rates.
- Ventilation of the water-containing mineral binder composition on the print head are each also connected to the control unit 14 via a separate control line 15c, 15d, 15e and can be controlled or monitored by this.
- the movement device 2 is also connected to the control unit 14 via a further control line 15g.
- the movement of the print head 3 can thus be controlled via the control unit 14.
- the measuring unit 8 is connected to the control unit 14 by a data line 15h, so that pressure data recorded in the measuring unit can be transmitted to the control unit 14.
- the measuring unit 13 is connected to the control unit 14 with a data line 15f, so that data recorded in the measuring unit which contain the
- the control unit 14 is programmed, for example, so that:
- the conveying device integrated in the mixing device 10 is controlled as a function of the pressure 8 determined by the measuring unit 8 and the structure of the object to be produced with the water-containing mineral binder composition;
- the dry mineral binder composition according to the invention has the composition described in Table 1.
- Aluminum sulfate is Al2 (S04) 3 18 H2O, available from Merck, Switzerland.
- Betoflow ® D is a fine calcium carbonate powder of around 1 -5 pm
- Particle size available from Omya.
- Nekafill ® 15 is a limestone powder, available from Kalkfabrik Netstal.
- Sika ® ViscoCrete ® -225P is a powdery superplasticizer based on a polycarboxylate ether, available from Sika.
- Carbowet ® 4000 is a defoamer, available from Air Products Chemicals Europe.
- Denka CSA # 20 is a calcium sulfoaluminate cement based shrinkage reducer, available from Newchem, Switzerland.
- the 3D printing was carried out with a system as shown by way of example in FIG. 1.
- the dry binder composition with the composition shown in Table 1 was continuously with such an amount of water in the Mixer mixed to obtain a weight ratio of water to dry binder composition of about 0.16.
- the water-containing mineral binder mixture was then mixed with the in the
- Mixing device integrated screw conveyor conveyed via the flexible conveying line to the print head of the 3D printer.
- Binder composition and the movement of the print head were controlled by a control unit.
- the temperature of the mixing water and that of the ambient air was around 25 ° C.
- the binder composition was applied with the printhead to a sheet of plastic laid out on a concrete floor in layers about 30 mm wide and 10 mm fleas.
- the horizontal speed of the print head was about 40 mm per second.
- a pipe with a diameter of about 0.6 m and a fleas of 2 meters was made in several vertical layers.
- the molding was completed after about 2 hours and 40 minutes.
- the fleas of the lower layers and the upper layers differed no more than 5%.
- the printed molding had a wavy, very uniform surface with no visible defects. Even after 3 days of storage at 25 ° C. and about 40% relative humidity, the molded article showed no visible cracks.
- the molding was destroyed with the aid of a heavy flame and the fragments were optically analyzed.
- the fracture surfaces had a uniform surface, without air inclusions or defects.
- Fracture surfaces showed no preferred orientation, that is, the
- Example 1 was repeated while maintaining the printing parameters, but the binder composition did not contain any aluminum sulfate. Even before a pressure height of 0.3 m was reached, the structure collapsed.
- a fresh mortar on 120 kg cement CEM I 52.5, 92 kg of quartz sand of 0-1 mm, 33 kg Betoflow ® -D 80 kg Nekafill ® 15, 0.6 kg Sika ® ® ViscoCrete -225P, 0004 kg Carbowet® 4000, 0.3 kg superabsorbent and 56.8 kg of water was prepared in a compulsory mixer.
- Example 1 The application by means of a 3D printer was carried out as described in Example 1.
- the mortar flowed out of the discharge nozzle and could not be applied in layers. The attempt was then canceled.
- the static mixer 6 can be omitted, so that there is neither a static nor a dynamic mixer in the print head.
- one or more further conveying devices can be provided in the conveying line 12 and / or in the print head 3. This can also involve other conveying devices than screw conveyors.
- measuring unit which e.g. enable temperature measurement.
- the mixing device 10 can also have fewer or more inlets, so that additional components that are present in additional containers can be metered in.
- additional components that are present in additional containers can be metered in.
- connections to external sources for example to a water connection, can also be provided.
- control unit it is also possible to program the control unit differently, for example so that a volume flow through the delivery line 12 and / or the print head 3 is taken into account.
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Abstract
The invention relates to a dry mineral binder composition comprising cement and mineral fillers for the manufacture of molded parts by way of 3D printing. The binder composition additionally contains at least one aluminum sulfate-based accelerator, at least one polycarboxylate ether-based super-plasticizer and at least one rheology additive.
Description
MINERALISCHE BINDEMITTELZUSAMMENSETZUNG FÜR DEN 3D-DRUCK MINERAL BINDING COMPOSITION FOR 3D PRINTING
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft eine mineralische Bindemittelzusammensetzung, ihre Verwendung für den 3D-Druck von Formkörpern sowie ein Verfahren zur The invention relates to a mineral binder composition, its use for the 3D printing of moldings and a method for
Herstellung von Formkörpern aus der Bindemittelzusammensetzung mittels 3D- Druck. Production of moldings from the binder composition by means of 3D printing.
Stand der Technik State of the art
Konstruktionsbeton wird üblicherweise zur Formgebung in Schalungen gegossen und darin aushärten gelassen. Die Fertigung der Schalung verursacht Structural concrete is usually poured into formwork for shaping and allowed to harden in it. The manufacture of the formwork causes
Materialkosten und benötigt Zeit, die Formgebung ist beschränkt und Schalungen werden oft mit umweltbelastenden Schalölen behandelt. Der Beton benötigt typischerweise mehrere Stunden, bevor genügend Festigkeit erreicht ist, um die Schalung entfernen zu können. Material costs and time, the shaping is limited and formwork is often treated with environmentally harmful formwork oils. The concrete typically takes several hours before sufficient strength is achieved to be able to remove the formwork.
Der schalungslose Betonbau mittels 3D-Druck gewinnt daher immer mehr an Bedeutung. Concrete construction without formwork using 3D printing is therefore becoming increasingly important.
Der Begriff„3D-Druck“, auch„generatives Fertigungsverfahren“,„generative Fertigung“ oder„Freiform-Konstruktion“ genannt, bezeichnet dabei Verfahren, bei welchen durch gezielte räumliche Ablagerung, Aufbringung und/oder Verfestigung von Material ein räumliches Objekt bzw. ein Formkörper erzeugt wird. Die The term “3D printing”, also called “generative manufacturing process”, “generative manufacturing” or “freeform construction”, refers to processes in which a spatial object or a spatial object is created through targeted spatial deposition, application and / or solidification of material Molded body is produced. The
Ablagerung, Aufbringung und/oder Verfestigung des Materials erfolgt dabei insbesondere anhand eines Datenmodells des zu erzeugenden Objekts und insbesondere läge- oder schichtweise. Die Aufbringung des Materials erfolgt typischerweise mit einem 3D-Drucker. Jedes Objekt wird im generativen The material is deposited, applied and / or solidified, in particular using a data model of the object to be produced, and in particular in layers or layers. The material is typically applied using a 3D printer. Every object is generative
Fertigungsverfahren aus mehreren Lagen hergestellt. Zur Fertigung eines Objekts wird ein formloses Material verwendet, welches insbesondere chemischen und/oder physikalischen Prozessen (z.B. Schmelzen, Polymerisieren, Sintern, Aushärten) unterzogen wird. Manufacturing process made from several layers. A shapeless material is used to manufacture an object, which is particularly subjected to chemical and / or physical processes (e.g. melting, polymerizing, sintering, curing).
Der 3D-Druck von zementösen Bindemittelzusammensetzungen, insbesondere von Mörtel oder Beton, stellt eine besondere Herausforderung dar.
Typischerweise wird hierfür eine wasserhaltige zementöse Bindemittel The 3D printing of cementitious binder compositions, especially mortar or concrete, poses a particular challenge. Typically a water-based cementitious binder is used for this
zusammensetzung zubereitet und zu einem beweglichen Druckkopf eines 3D- Druckers gefördert. Der mittels Computer gesteuerte, in mindestens eine Composition prepared and conveyed to a movable print head of a 3D printer. The computer controlled, in at least one
Raumrichtung bewegliche, Druckkopf lagert das Material in vorgegebener Menge und Geschwindigkeit, typischerweise in Schichten, ab bis das gewünschte Movable in spatial direction, the printhead deposits the material in a specified quantity and speed, typically in layers, until the desired one
Formteil fertig gestellt ist. Molding is completed.
Die Anforderungen an die Theologischen Eigenschaften und die Festigkeits entwicklung der zementösen Bindemittelzusammensetzung sind hoch. Um eine ökonomische Fertigungsgeschwindigkeit zu erreichen, erfordert der 3D-Druck eine gute Förderbarkeit der wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung bis zum Druckkopf. Da keine Schalung eingesetzt wird, muss das Material nach der Applikation aus dem Druckkopf genügend Festigkeit aufweisen, um die gegebene Form beizubehalten. Zudem muss das Material eine rasche Festigkeitsent wicklung aufweisen, damit vor dem Aufträgen der nächsten horizontal darüber liegenden Schichten, die unteren, tragenden Schichten, genügend Festigkeit haben, um nicht durch das Gewicht der darüber liegenden Schichten verformt zu werden. Eine rasche Festigkeitsentwicklung ist insbesondere für Formteile wichtig, die eine Flöhe von 0.5 m, 1 m, 2 m, oder mehr erreichen sollen. The demands on the theological properties and the development of strength of the cementitious binder composition are high. In order to achieve an economical production speed, 3D printing requires that the water-containing binder composition can be easily conveyed to the print head. Since no formwork is used, the material must have sufficient strength after application from the printhead in order to retain the given shape. In addition, the material must develop rapidly in strength so that before the next horizontal layers above, the lower, load-bearing layers are applied, they have sufficient strength so that they are not deformed by the weight of the layers above. Rapid strength development is particularly important for molded parts that are supposed to reach a height of 0.5 m, 1 m, 2 m or more.
Zudem ist die jeweils oberste Schicht vorteilhaft noch nicht voll ausgehärtet, wenn die nächste darüber liegende Schicht aufgetragen wird, damit ein guter Verbund der einzelnen Schichten gewährleistet ist. In addition, the top layer in each case is advantageously not yet fully cured when the next layer above is applied, so that a good bond between the individual layers is ensured.
Zement erreicht seine Festigkeit durch Reaktion mit Wasser in einem chemisch ablaufenden Prozess, der Zementhydratation. Diese Reaktion wird auch als Abbinden des Zementes bezeichnet. Typischerweise liegt der Zeitraum zwischen Mischen des Zementes mit Wasser und dem Erreichen von genügender Festigkeit um formbeständig und tragfähig zu sein im Bereich von mehreren Stunden. Cement achieves its strength through reaction with water in a chemical process known as cement hydration. This reaction is also known as the setting of the cement. Typically, the time between mixing the cement with water and achieving sufficient strength to be dimensionally stable and stable is in the range of several hours.
Es wurden bereits Beton- oder Mörtelmischungen für den 3D-Druck eingesetzt, die sehr wenig Wasser enthalten und daher sehr steif sind. Solche Mischungen lassen sich nur über kurze Strecken und mit hohem Pumpendruck fördern und der so
hergestellte Formkörper enthält oft Fehlstellen, wie beispielsweise Luftein schlüsse, ist optisch inhomogen und/oder weist einen schlechten Verbund zwischen den einzelnen aufgetragenen Schichten auf. Concrete or mortar mixes have already been used for 3D printing that contain very little water and are therefore very rigid. Such mixtures can only be conveyed over short distances and with high pump pressure and the like The molded body produced often contains imperfections, such as air inclusions, is optically inhomogeneous and / or has a poor bond between the individual applied layers.
EP 3 421 201 beschreibt eine zementöse Mischung für den 3D Druck. Die EP 3 421 201 describes a cementitious mixture for 3D printing. The
Mischung umfasst ein hydraulisches Bindemittel, latent hydraulische Additive, Filler, Aggregate, weitere Additive und Wasser. Die Aggregate weisen zwingend eine Teilchengrösse von unter 1 mm auf und die Viskosität der Mischung liegt zwischen 4Ό00 und 35Ό00 Pa s. Die Mischzeit der Mörtel ist sehr lange, und die Druckgeschwindigkeit und Druckhöhe gering. Mixture comprises a hydraulic binder, latent hydraulic additives, fillers, aggregates, further additives and water. The aggregates must have a particle size of less than 1 mm and the viscosity of the mixture is between 4Ό00 and 35Ό00 Pa s. The mortar mixing time is very long, and the printing speed and printing height are low.
WO 2019030255 beschreibt ein Verfahren für den 3D-Druck bei dem eine wasserhaltige mineralische Bindemittelzusammensetzung mit einer Pumpe zu einem kontinuierlichen Mischer befördert wird und in dem kontinuierlichen Mischer mit einem wässrigen Abbindebeschleuniger vermischt wird. Die nun beschleunigte Bindemittelzusammensetzung wird schichtweise mittels eines Druckkopfes appliziert. Das Einmischen des Beschleunigers in die Bindemittel WO 2019030255 describes a method for 3D printing in which a water-containing mineral binder composition is conveyed to a continuous mixer with a pump and mixed with an aqueous setting accelerator in the continuous mixer. The now accelerated binder composition is applied in layers by means of a print head. Mixing the accelerator into the binder
zusammensetzung mit einem kontinuierlichen Mischer der bevorzugt am composition with a continuous mixer which is preferred on
Druckkopf montiert ist, bedeutet einen zusätzlichen Schritt und erhöht die Kosten für die Installation des Druckers stark. The printhead is mounted is an additional step and greatly increases the cost of installing the printer.
Die bisherigen Verfahren lösen das Problem nicht zufriedenstellend. Entweder ist die Fertigungsgeschwindigkeit gering und/oder die Druckhöhe ist klein, oder die Kosten sind hoch. Der optische Aspekt des Formkörpers ist oft mangelhaft und/oder die Festigkeit ist ungenügend. The previous methods do not solve the problem satisfactorily. Either the production speed is low and / or the printing height is small, or the cost is high. The optical aspect of the molded body is often poor and / or the strength is insufficient.
Es besteht deshalb Bedarf nach zementösen Zusammensetzungen für den 3D- Druck, welche die vorstehend genannten Nachteile möglichst überwinden. There is therefore a need for cementitious compositions for 3D printing which overcome the aforementioned disadvantages as far as possible.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte mineralische The object of the present invention is to provide an improved mineral
Bindemittelzusammensetzung für den 3D-Druck zur Verfügung zu stellen. Die Zusammensetzung soll insbesondere eine effiziente, einfache, kostengünstige,
zuverlässige und möglichst rasche Applikation ermöglichen. Dies nach Möglichkeit bei hoher Qualität der aufgetragenen Schichten bezüglich Festigkeitsentwicklung und optischer Einheitlichkeit. To provide binder composition for 3D printing. The composition should in particular be an efficient, simple, inexpensive, enable reliable and rapid application. This, if possible, with a high quality of the applied layers in terms of strength development and optical uniformity.
Überraschenderweise wird diese Aufgabe durch eine Zusammensetzung, wie in Anspruch 1 beschrieben, gelöst. Surprisingly, this object is achieved by a composition as described in claim 1.
Die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung ist einfach zu The dry mineral binder composition is easy to use
handhaben. Sie muss nur mit Wasser gemischt werden und kann mittels 3D- Drucker problemlos appliziert werden. handle. It only has to be mixed with water and can be easily applied using a 3D printer.
Die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung enthält bereits The dry mineral binder composition already contains
Beschleuniger, die Zugabe von Beschleuniger am oder kurz vor dem Druckkopf, ist nicht notwendig. Accelerator, the addition of accelerator at or just before the print head, is not necessary.
Die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung lässt sich rasch mit Wasser zu einer homogenen wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung verarbeiten. Dies ermöglicht ein kontinuierliches Mischen, was für eine homogene Verarbeitbarkeit und hohe Druckqualität vorteilhaft ist. The dry mineral binder composition can be processed quickly with water to form a homogeneous water-containing binder composition. This enables continuous mixing, which is advantageous for homogeneous processability and high print quality.
Die Stabilität der aufgetragenen Schichten ist hoch und sie erreichen rasch genügend Festigkeit um darüber applizierte weitere Schichten zu tragen, ohne sich zu verformen. Dies ermöglicht einen raschen Druck, auch in vertikaler Richtung. The stability of the applied layers is high and they quickly achieve sufficient strength to support additional layers applied over them without deforming. This enables rapid printing, also in the vertical direction.
Durch die Verwendung eines auf Aluminiumsulfat basierenden Beschleunigers wird eine rasche Festigkeitsentwicklung der Bindemittelmischung nach dem Anmachen mit Wasser erreicht. By using an accelerator based on aluminum sulphate, a rapid strength development of the binder mixture is achieved after mixing with water.
Auf Aluminiumsulfat basierende Beschleuniger werden typischerweise für Aluminum sulfate based accelerators are typically used for
Spritzbeton eingesetzt. Hierbei wird eine wässrige Beschleunigerlösung oder - Suspension einer nicht beschleunigten Betonmischung direkt an der Spritzdüse zugegeben. Der beschleunigte Beton wird an eine Wand gespritzt und steift sofort an. Shotcrete used. Here, an aqueous accelerator solution or suspension is added to a non-accelerated concrete mix directly at the spray nozzle. The accelerated concrete is sprayed on a wall and immediately stiffens.
Überraschenderweise kann ein auf Aluminiumsulfat basierender Beschleuniger in der erfindungsgemässen Bindemittelzusammensetzung eingesetzt werden, ohne zu einem sofortigen Ansteifen der Mischung nach dem Vermischen mit Wasser zu führen. Die wasserhaltige Bindemittelzusammensetzung bleibt über einen ausreichenden Zeitraum gut verarbeitbar, sodass sie problemlos mittels 3D-
Drucker appliziert werden kann und auch einen guten Verbund mit einer später darüber applizierten neuen Schicht ausbilden kann. Surprisingly, an accelerator based on aluminum sulphate can be used in the binder composition according to the invention without leading to an immediate stiffening of the mixture after mixing with water. The water-based binder composition remains easy to process over a sufficient period of time so that it can be easily processed using 3D Printer can be applied and can also form a good bond with a later applied new layer.
Überraschenderweise kann durch die Verwendung mindestens eines Surprisingly, by using at least one
Polycarboxylatethers mit einem entsprechenden Gehalt an Carbonsäuregruppen das Abbindeverhalten der mit Aluminiumsulfat beschleunigten mineralischen Bindemittelzusammensetzung gezielt gesteuert werden. Dadurch kann das Abbindeverhalten der Bindemittelzusammensetzung an die jeweiligen Polycarboxylate ethers with a corresponding content of carboxylic acid groups, the setting behavior of the mineral binder composition accelerated with aluminum sulfate can be controlled in a targeted manner. This allows the setting behavior of the binder composition to the respective
Bedingungen wie beispielsweise der Umgebungstemperatur, der gewünschten vertikalen Druckgeschwindigkeit und der gewünschten Druckhöhe, nur durch Variation der Menge an Polycarboxylatether, angepasst werden. Conditions such as, for example, the ambient temperature, the desired vertical printing speed and the desired printing height can be adjusted only by varying the amount of polycarboxylate ether.
So kann beispielsweise für den Druck eines Formkörpers mit einer grossen horizontalen Ausdehnung und dadurch bedingter geringerer vertikaler For example, for printing a shaped body with a large horizontal extension and, as a result, a smaller vertical extension
Aufbaugeschwindigkeit im Vergleich zu einem Formkörper mit horizontal kleinerer Ausdehnung und höherer vertikaler Aufbaugeschwindigkeit, die Menge an Build-up speed compared to a molded body with horizontally smaller expansion and higher vertical build-up speed, the amount of
Polycarboxylatether in der Bindemittelzusammensetzung unterschiedlich sein, um für beide Anwendungen eine optimale Festigkeitsentwicklung zu gewährleisten. Dies ist sehr vorteilhaft, weil durch Variation einer einzigen Komponente eine, an die jeweiligen Fierstellungsparameter angepasste, Bindemittelzusammensetzung zur Verfügung gestellt werden kann. Polycarboxylate ether in the binder composition can be different in order to ensure optimal strength development for both applications. This is very advantageous because, by varying a single component, a binder composition adapted to the respective setting parameters can be made available.
Überraschenderweise können mit der erfindungsgemässen mineralischen Surprisingly, with the inventive mineral
Bindemittelzusammensetzung hohe Druckgeschwindigkeit, Druckhöhen über ein Meter und mehr, sowie homogene und ästhetische Formkörper ohne Risse erhalten werden. Binder composition high printing speed, printing heights over a meter and more, as well as homogeneous and aesthetic moldings without cracks can be obtained.
Weitere Aspekte der Erfindung sind Gegenstand weiterer unabhängiger An sprüche. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Ge genstand der abhängigen Ansprüche.
Wege zur Ausführung der Erfindung Further aspects of the invention are the subject of further independent claims. Particularly preferred embodiments of the invention are the subject matter of the dependent claims. Ways of Carrying Out the Invention
Gegenstand der Erfindung ist eine trockene mineralische Bindemittelzusammen setzung umfassend Zement und mineralische Füllstoffe für die Herstellung von Formkörpern mittels 3D-Druck, dadurch gekennzeichnet, dass die The invention relates to a dry mineral binder composition comprising cement and mineral fillers for the production of molded bodies by means of 3D printing, characterized in that the
Bindemittelzusammensetzung noch mindestens einen auf Aluminiumsulfat basierenden Beschleuniger, mindestens einen Superverflüssiger auf Basis eines Polycarboxylatethers und mindestens ein Rheologiehilfsmittel umfasst, wobei der Polycarboxylatether, angenommen alle Carbonsäuregruppen liegen als freie Säure vor, mindestens 1 mmol, insbesondere mindestens 1.2 mmol, im Speziellen mindestens 1.8 mmol, Carbonsäuregruppen pro Gramm trockenen Binder composition also comprises at least one accelerator based on aluminum sulfate, at least one superplasticizer based on a polycarboxylate ether and at least one rheological aid, the polycarboxylate ether, assuming all carboxylic acid groups are present as free acid, at least 1 mmol, in particular at least 1.2 mmol, in particular at least 1.8 mmol, Carboxylic acid groups per gram dry
Polycarboxylatether aufweist. Having polycarboxylate ethers.
Unter„3D-Druck“ auch als„Freiform-Konstruktion“ bezeichnet, versteht man im vorliegenden Dokument ein schalungsfreies formgebendes Verfahren. Hierbei wird ein verformbares Material in mehreren Schichten oder kleineren Portionen, übereinander und gegebenenfalls auch noch nebeneinander, Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände erzeugt. Dabei erfolgt der Aufbau computergesteuert nach vorgegebenen Massen und Formen. Nach dem Härten des beim Aufbringen verformbaren Materials wird ein fester Formkörper gebildet. Das Aufbringen der Schichten erfolgt beim 3D-Druck typischerweise nicht durch Versprühen des Materials. In this document, “3D printing”, also known as “freeform construction”, is understood to be a form-free, shaping process. Here, a deformable material is applied in several layers or in smaller portions, one on top of the other and, if necessary, next to one another, layer by layer, thus creating three-dimensional objects. The construction is computer-controlled according to given dimensions and shapes. After the material which is deformable during application has hardened, a solid shaped body is formed. In 3D printing, the layers are typically not applied by spraying the material.
Unter "mineralisches Bindemittel" versteht man im vorliegenden Dokument insbesondere ein Bindemittel, welches in Anwesenheit von Wasser in einer Hydratationsreaktion zu festen Hydraten oder Hydratphasen reagiert. In the present document, “mineral binder” is understood in particular to mean a binder which, in the presence of water, reacts in a hydration reaction to form solid hydrates or hydrate phases.
Unter "mineralische Bindemittelzusammensetzung" versteht man im vorliegenden Dokument entsprechend eine Zusammensetzung enthaltend mindestens ein mineralisches Bindemittel. Diese enthält insbesondere das Bindemittel, Füllstoffe und optional eines oder mehrere Additive.
Unter„trockener mineralischer Bindemittelzusammensetzung“ versteht man im vorliegenden Dokument eine rieselfähige mineralische Bindemittelzusammen setzung mit einem Feuchtegehalt von unter 0.5 Gewichts-%. In the present document, “mineral binder composition” is accordingly understood to mean a composition containing at least one mineral binder. This contains in particular the binder, fillers and optionally one or more additives. In the present document, “dry mineral binder composition” means a free-flowing mineral binder composition with a moisture content of less than 0.5% by weight.
Unter„wasserhaltige mineralische Bindemittelzusammensetzung“ versteht man im vorliegenden Dokument eine mit Wasser gemischte mineralische Bindemit telzusammensetzung, insbesondere in fluider Form. In the present document, “water-containing mineral binder composition” means a mineral binder composition mixed with water, in particular in fluid form.
Unter„Polycarboxylatether“ versteht man im vorliegenden Dokument ein In the present document, “polycarboxylate ether” is understood to mean a
Kammpolymer umfassend ein Rückgrat aus Kohlenwasserstoffen mit daran gebundenen Carbonsäuregruppen oder deren Salzen und ebenfalls an das Comb polymer comprising a backbone of hydrocarbons with attached carboxylic acid groups or their salts and also to the
Rückgrat kovalent gebundenen Polyalkylenglykol-Seitenketten (= Polyether- Seitenketten). Die Seitenketten sind dabei insbesondere über Ester-, Ether-, Imid- und/oder Amidgruppen an das Polycarboxylat-Rückgrat gebunden. Backbone of covalently bound polyalkylene glycol side chains (= polyether side chains). The side chains are attached to the polycarboxylate backbone in particular via ester, ether, imide and / or amide groups.
Unter der Menge an Carbonsäuregruppen in dem Polycarboxylatether wird eine Angabe in Millimol Carbonsäuregruppen in einem Gramm des The amount of carboxylic acid groups in the polycarboxylate ether is expressed in millimoles of carboxylic acid groups in one gram of the
Polycarboxylatethers (mmol/g) verstanden. Fl ierfür werden möglicherweise vorhandene Salze der Carbonsäuren zu den Carbonsäuregruppen gezählt und das Gewicht des Polycarboxylatethers wird in nicht neutralisierter Form eingesetzt. Carbonsäureester werden hier nicht zu den Carbonsäuregruppen gezählt, auch nicht, wenn sie in latenter Form, das heisst, wenn sie in alkalischem Medium, z.B. bei pFH = 12, hydrolysiert werden können, vorliegen. Polycarboxylate ethers (mmol / g) understood. For this purpose, any salts of the carboxylic acids that may be present are counted among the carboxylic acid groups and the weight of the polycarboxylate ether is used in non-neutralized form. Carboxylic acid esters are not counted among the carboxylic acid groups here, not even if they are in latent form, i.e. if they are in an alkaline medium, e.g. at pFH = 12, can be hydrolyzed.
Die Menge an Carbonsäuregruppen in dem Polycarboxylatether kann The amount of carboxylic acid groups in the polycarboxylate ether can be
beispielsweise durch Titration bestimmt werden. Methoden zur Titration von Carbonsäuregruppen in einem Polymeren sind dem Fachmann per se bekannt. be determined for example by titration. Methods for titrating carboxylic acid groups in a polymer are known per se to the person skilled in the art.
Die Menge an Carbonsäuregruppen in dem Polycarboxylatether kann The amount of carboxylic acid groups in the polycarboxylate ether can be
beispielsweise auch berechnet werden. for example, can also be calculated.
Sofern Polycarboxylatether verwendet werden, die durch eine polymeranaloge Umsetzung eines Polycarboxylates hergestellt wurden, erfolgt die Berechnung gemäss folgender Formel (I):
1000If polycarboxylate ethers are used which have been produced by a polymer-analogous conversion of a polycarboxylate, the calculation is carried out according to the following formula (I): 1000
(I) (I)
wobei in which
CS = die Menge an Carbonsäuregruppen in einem Gramm des CS = the amount of carboxylic acid groups in one gram of the
Polycarboxylatethers in mmol/g, Polycarboxylate ethers in mmol / g,
Mn(BB) = mittleres Molgewicht des Polycarboxylatrückgrats in g/mol, Mn (BB) = average molecular weight of the polycarboxylate backbone in g / mol,
M(Monomer) = durchschnittliches Molgewicht der Monomeren des M (monomer) = average molecular weight of the monomers of
Polycarboxylatrückgrats in g/mol, Polycarboxylate backbone in g / mol,
m(BB) = Einwaage des Polycarboxylatrückgrats in g bei der Herstellung des Polycarboxylatethers, m (BB) = weight of the polycarboxylate backbone in g during the production of the polycarboxylate ether,
na(SK) = Stoffmenge der a. Seitenkette in mol bei der Herstellung des n a (SK) = amount of substance of the a. Side chain in moles in the production of the
Polycarboxylatethers (entspricht dem Quotienten aus der Einwaage der a. Polycarboxylate ethers (corresponds to the quotient from the initial weight of the a.
Seitenkette bei der Herstellung des Polycarboxylatethers und deren mittlerem Molgewicht), Side chain in the production of the polycarboxylate ether and its average molecular weight),
Mn(Polymer) = mittlere Molmasse des Polycarboxylatethers in g/mol. Mn (polymer) = mean molar mass of the polycarboxylate ether in g / mol.
Dabei wird die mittlere Molmasse des eingesetzten Polycarboxylatethers insbesondere mittels GPC gegen PEG als Standard bestimmt. The mean molar mass of the polycarboxylate ether used is determined in particular using GPC against PEG as the standard.
Im Folgenden wird ein Berechnungsbeispiel präsentiert: A calculation example is presented below:
Hergestellt wird ein Polycarboxylatether durch Umesterung einer A polycarboxylate ether is produced by transesterification of a
Polymethacrylsäure der mittleren Molmasse 7Ό00 g/mol mit einem Methoxy- terminiertem Polyethylenglykol der mittleren Molmasse 1 Ό00 g/mol. Die Einwaage der Polyacrylsäure beträgt 100 g, die Einwaage des Methoxy-terminierten Polymethacrylic acid with an average molecular weight of 7-00 g / mol with a methoxy-terminated polyethylene glycol with an average molecular weight of 1-00 g / mol. The initial weight of the polyacrylic acid is 100 g, the weight of the methoxy-terminated one
Polyethylenglykol beträgt 150 g. Aus diesen Angaben ergibt sich: Polyethylene glycol is 150 g. This information results in:
Mn(BB) = 7Ό00 g/mol Mn (BB) = 7-00 g / mol
M(Monomer) = 84 g/mol M (monomer) = 84 g / mol
m(BB) = 100 g m (BB) = 100 g
na(SK) = 150/1 Ό00 g/mol = 0.15 g/mol n a (SK) = 150/1 Ό00 g / mol = 0.15 g / mol
Die mittlere Molmasse des entstehenden Polymers wird mittels GPC-Analyse zu 17'500 g/mol bestimmt. Daraus folgt: Mn(Polymer) = 17'500 g/mol
Daraus lässt sich CS wie folgt berechnen: The mean molar mass of the resulting polymer is determined by GPC analysis to be 17,500 g / mol. From this it follows: Mn (polymer) = 17,500 g / mol From this, CS can be calculated as follows:
83.3 83.3
83.3 1 19 0.15 83.3 1 19 0.15
1 + 1 +
CS = 0.15 1000 4.16 CS = 0.15 1000 4.16
17500 17500
Sofern Polycarboxylatether verwendet werden, die durch eine radikalische Polymerisation aus alkylenisch ungesättigten Monomeren hergestellt wurden, erfolgt die Berechnung gemäss folgender Formel (II): 1000If polycarboxylate ethers are used which have been prepared from alkylenically unsaturated monomers by radical polymerization, the calculation is carried out using the following formula (II): 1000
(II) (II)
wobei in which
CS = die Menge an Carbonsäuregruppen in einem Gramm des CS = the amount of carboxylic acid groups in one gram of the
Polycarboxylatethers in mmol/g , Polycarboxylate ethers in mmol / g,
ns = Stoffmenge der Carbonsäuregruppen in mol, die in den zur Herstellung des Polycarboxylatethers verwendeten Monomeren enthalten sind, ns = amount of moles of the carboxylic acid groups contained in the monomers used to produce the polycarboxylate ether,
m(Monomera) = Einwaage des a. Monomers in g bei der Herstellung des m (Monomera) = weight of the a. Monomer in g in the production of the
Polycarboxylatethers. Polycarboxylate ethers.
Im Folgenden wird ein Berechnungsbeispiel präsentiert: A calculation example is presented below:
Hergestellt wird ein Polycarboxylatether durch radikalische Polymerisation eines Gemisches aus 100 g Acrylsäure und 200 g eines ethoxylierten Allylethers mit einer mittleren Molmasse von 2'500 g/mol. Aus diesen Angaben ergibt sich: ns = 100/72 g/mol = 1 .39 g/mol, A polycarboxylate ether is produced by radical polymerization of a mixture of 100 g of acrylic acid and 200 g of an ethoxylated allyl ether with an average molecular weight of 2,500 g / mol. This information gives: ns = 100/72 g / mol = 1.39 g / mol,
m(Monomera) = 100 + 200 g = 300 g, m (Monomera) = 100 + 200 g = 300 g,
Daraus lässt sich CS berechnen zu 1 .39 / 300 * 1000 mmol/g = 4.63 mmol/g. From this, CS can be calculated to be 1.39 / 300 * 1000 mmol / g = 4.63 mmol / g.
Unter„Rheologiehilfsmittel“ versteht man im vorliegenden Dokument eine Substanz, die die Theologischen Eigenschaften der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung verändern kann, insbesondere erhöht sie die Viskosität, die Fliessgrenze und/oder die Thixotropie.
Unter„Formstabilität“ wird im vorliegenden Dokument eine Materialeigenschaft verstanden, bei der das Material nach der Formgebung die einzelnen Dimen sionen um maximal 10% verändert, sofern keine äussere Kraft ausser der In the present document, “rheological aid” is understood to mean a substance which can change the theological properties of the water-containing mineral binder composition, in particular it increases the viscosity, the flow limit and / or the thixotropy. In the present document, “dimensional stability” is understood to mean a material property in which the material changes the individual dimensions by a maximum of 10% after shaping, provided that no external force other than
Schwerkraft auf das geformte Material einwirkt. Gravity acts on the molded material.
Unter„Standfestigkeit“ wird im vorliegenden Dokument jene Festigkeit verstanden, die ein härtbares Material nach der Applikation vor dem Aushärten aufweist. In the present document, “stability” is understood to mean the strength that a hardenable material has after application before hardening.
Als Zement kann jeder verfügbare Zementtyp oder eine Mischung von zwei oder mehreren Zementtypen verwendet werden, beispielsweise die unter der DIN EN 197-1 klassifizierten Zemente: Portlandzement (CEM I), Portlandkompositzement (CEM II), Flochofenschlackezement (CEM III), pozzolanischer Zement (CEM IV) und Kompositzement (CEM V). Selbstverständlich sind Zemente, die gemäß einem alternativen Standard, wie beispielsweise dem ASTM-Standard, produziert werden, gleichermassen geeignet. Any available type of cement or a mixture of two or more types of cement can be used as cement, for example the cements classified under DIN EN 197-1: Portland cement (CEM I), Portland composite cement (CEM II), Floch-furnace slag cement (CEM III), Pozzolan cement ( CEM IV) and composite cement (CEM V). Of course, cements that are produced according to an alternative standard such as the ASTM standard are equally suitable.
Bevorzugt ist Portlandzement CEM I oder CEM II gemäss DIN EN 197-1. Portland cement CEM I or CEM II according to DIN EN 197-1 is preferred.
Besonders bevorzugt ist Portlandzement CEM I 42.5 oder CEM I 52.5. Solche Zemente geben gute Festigkeit und gute Verarbeitbarkeit. Portland cement CEM I 42.5 or CEM I 52.5 is particularly preferred. Such cements give good strength and good workability.
Für die Fierstellung von weissen oder eingefärbten Formkörpern ist es vorteilhaft, wenn ein Weisszement CEM I oder CEM II, verwendet wird. For the production of white or colored moldings, it is advantageous if a white cement CEM I or CEM II is used.
Die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung enthält vorteilhaft noch mindestens ein latent hydraulisches oder pozzolanisches Bindemittel, The dry mineral binder composition advantageously also contains at least one latently hydraulic or pozzolanic binder,
insbesondere Metakaolin und/oder Silicastaub (amorphes Si02). Das latent hydraulische oder pozzolanische Bindemittel ist bevorzugt in 0.1 bis 10 Gewichts- %, insbesondere in 0.5 bis 5 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung, vorhanden. Diese Zusätze können die Verarbeitbarkeit der wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung und die especially metakaolin and / or silica dust (amorphous Si02). The latently hydraulic or pozzolanic binder is preferably present in 0.1 to 10% by weight, in particular in 0.5 to 5% by weight, based on the total weight of the dry binder composition. These additives can improve the processability of the water-based binder composition and the
Festigkeit der ausgehärteten Bindemittelzusammensetzung erhöhen. Increase the strength of the cured binder composition.
Die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung enthält mineralische Füllstoffe.
Füllstoffe sind chemisch inerte feste partikuläre Materialien und werden in verschiedenen Formen, Grössen und als unterschiedliche Materialien angeboten, die von feinsten Sandpartikeln bis grossen groben Steinen variieren. Geeignet sind prinzipiell alle Füllstoffe die üblicherweise für Beton und Mörtel verwendet werden. Beispiele von besonders geeigneten Füllstoffen sind Gesteinskörnungen, Kies, Sand, insbesondere Quarzsand, Kalksteinsand und Schlackesand, zerkleinerte Steine, kalzinierte Kiesel oder leichte Füllstoffe wie Blähton, Blähglas, Schaumglas, Bimsstein, Perlit und Vermiculit. Weitere vorteilhafte Füllstoffe sind feine oder sehr feine Füllstoffe wie gemahlener Kalkstein oder Dolomit, The dry mineral binder composition contains mineral fillers. Fillers are chemically inert solid particulate materials and are available in different shapes, sizes and as different materials, which vary from the finest sand particles to large coarse stones. In principle, all fillers that are commonly used for concrete and mortar are suitable. Examples of particularly suitable fillers are aggregates, gravel, sand, in particular quartz sand, limestone sand and slag sand, crushed stones, calcined pebbles or light fillers such as expanded clay, expanded glass, foam glass, pumice stone, perlite and vermiculite. Further advantageous fillers are fine or very fine fillers such as ground limestone or dolomite,
Aluminiumoxid, Silicastaub (amorphes S1O2), Quarzmehl oder gemahlene Aluminum oxide, silica fume (amorphous S1O2), quartz powder or ground
Stahlschlacke ohne oder mit nur schwach latent hydraulischer Reaktivität. Steel slag with no or only weak latent hydraulic reactivity.
Bevorzugte Füllstoffe sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Quarzsand, Quarzmehl, Kalksteinsand, gemahlener Kalkstein und gemahlene Stahlschlacke. Bevorzugt umfasst der Füllstoff mindestens einen fein gemahlenen kristallinen Füllstoff, insbesondere Kalkstein. Dieser kann die frühe Festigkeitsentwicklung der mit Wasser vermischten Bindemittelzusammensetzung fördern. Preferred fillers are selected from the group consisting of quartz sand, quartz powder, limestone sand, ground limestone and ground steel slag. The filler preferably comprises at least one finely ground crystalline filler, in particular limestone. This can promote the early strength development of the binder composition mixed with water.
Die Partikelgrösse der Füllstoffe richtet sich nach der Anwendung und liegt im Bereich von 0.1 pm bis 32 mm und mehr. Bevorzugt werden unterschiedliche Partikelgrössen gemischt um die Eigenschaften der Bindemittelzusammensetzung optimal einzustellen. Es können auch Füllstoffe aus unterschiedlichen Materialien gemischt werden. Die Partikelgrösse kann mit Hilfe einer Siebanalyse bestimmt werden. The particle size of the fillers depends on the application and is in the range from 0.1 μm to 32 mm and more. Different particle sizes are preferably mixed in order to optimally adjust the properties of the binder composition. Fillers made from different materials can also be mixed. The particle size can be determined with the help of a sieve analysis.
Bevorzugt sind Füllstoffe mit Partikelgrössen von maximal 8 mm, mehr bevorzugt maximal 5 mm, noch mehr bevorzugt maximal 3.5 mm, am meisten bevorzugt maximal 2.2 mm, insbesondere maximal 1.2 mm oder maximal 1.0 mm. Fillers with particle sizes of at most 8 mm, more preferably at most 5 mm, even more preferably at most 3.5 mm, most preferably at most 2.2 mm, in particular at most 1.2 mm or at most 1.0 mm are preferred.
Die Partikelgrösse wird insbesondere durch die geplante Schichtdicke der aufgetragenen Schichten im 3D-Druck bestimmt. So ist eine maximale Partikel grösse der Füllstoffe sinnvollerweise maximal so gross wie die geplante The particle size is determined in particular by the planned layer thickness of the applied layers in 3D printing. A maximum particle size of the fillers is sensibly as large as the planned one
Schichtdicke bei der Applikation. Layer thickness during application.
Bevorzugt enthält die Bindemittelzusammensetzung 20 bis 40 Gewichts-%, insbesondere 22 bis 36 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
trockenen Bindemittelzusammensetzung, feine Füllstoffe mit einer Partikelgrösse von unter 0.125 mm. The binder composition preferably contains 20 to 40% by weight, in particular 22 to 36% by weight, based on the total weight of the dry binder composition, fine fillers with a particle size of less than 0.125 mm.
Geeignete Füllstoffe mit kleiner Partikelgrösse sind insbesondere feine Suitable fillers with a small particle size are particularly fine
Quarzsande, Quarzmehl, gemahlenes Calciumcarbonat oder gemahlene Quartz sands, quartz flour, ground calcium carbonate or ground
Stahlschlacke. Steel slag.
Bevorzugt enthält die Bindemittelzusammensetzung 1 bis 10 Gewichts-%, mehr bevorzugt 2 bis 5 Gewichts-%, gemahlenes Calciumcarbonat mit einer The binder composition preferably contains 1 to 10% by weight, more preferably 2 to 5% by weight, of ground calcium carbonate with a
Partikelgrösse von unter 0.01 mm. Das sehr feine Calciumcarbonat verbessert die Verarbeitbarkeit der mit Wasser vermischten Bindemittelzusammensetzung und kann die Festigkeitsentwicklung der Bindemittelzusammensetzung erhöhen. Particle size of less than 0.01 mm. The very fine calcium carbonate improves the workability of the binder composition mixed with water and can increase the strength development of the binder composition.
In speziellen Anwendungen können auch Füllstoffe mit Partikelgrössen bis 32 mm, mehr bevorzugt bis 20 mm, am meisten bevorzugt bis 16 mm, verwendet werden. Partikelgrössen können gemäss den Normen ASTM C136 sowie ASTM C117 mittels Siebanalyse bestimmt werden. In special applications, fillers with particle sizes up to 32 mm, more preferably up to 20 mm, most preferably up to 16 mm, can also be used. Particle sizes can be determined using sieve analysis in accordance with the ASTM C136 and ASTM C117 standards.
Bevorzugt sind die mineralischen Füllstoffe in 45 bis 85 Gewichts-%, insbesondere 50 bis 80 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen The mineral fillers are preferably 45 to 85% by weight, in particular 50 to 80% by weight, based on the total weight of the dry ones
Bindemittelzusammensetzung, vorhanden. Binder composition, present.
Die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung enthält einen auf The dry mineral binder composition contains one
Aluminiumsulfat basierenden Beschleuniger. Aluminum sulfate based accelerator.
Der Beschleuniger bewirkt eine rasche Festigkeitsentwicklung der The accelerator causes the strength to develop rapidly
Bindemittelzusammensetzung nach einem Vermischen mit Wasser. Binder composition after mixing with water.
Der Beschleuniger enthält vorteilhaft mindestens 30 Gewichts-%, bevorzugt mindestens 35 Gewichts-%, mehr bevorzugt mindestens 40 Gewichts-%, The accelerator advantageously contains at least 30% by weight, preferably at least 35% by weight, more preferably at least 40% by weight,
Aluminiumsulfat, gerechnet als Aluminiumsulfat-Flydrat Al2(S04)3-16 FI2O. Aluminum sulphate, calculated as aluminum sulphate Flydrat Al2 (S04) 3-16 FI2O.
Der Beschleuniger kann vorteilhaft neben dem Aluminiumsulfat noch weitere Bestandteile wie Aminoalkohole, Alkali- und Erdalkalinitrate, Alkali- und In addition to the aluminum sulfate, the accelerator can advantageously contain other components such as amino alcohols, alkali and alkaline earth nitrates, alkali and
Erdalkalinitrite, Alkali- und Erdalkalithiocyanate, Alkali- und Erdalkalihalogenide, Alkalicarbonate, Glyzerin, Glyzerinderivate, weitere Aluminiumsalze, Alkaline earth nitrites, alkali and alkaline earth thiocyanates, alkali and alkaline earth halides, alkali carbonates, glycerine, glycerine derivatives, other aluminum salts,
Aluminiumhydroxide, Alkali- und Erdalkalihydroxide, Alkali- und Erdalkalisilikate,
Alkali- und Erdalkalioxide oder Alkali- und Erdalkalisalze der Ameisensäure, oder Mischungen davon, enthalten. Aluminum hydroxides, alkali and alkaline earth hydroxides, alkali and alkaline earth silicates, Alkali and alkaline earth oxides or alkali and alkaline earth salts of formic acid, or mixtures thereof, contain.
In einer speziell bevorzugten Bindemittelzusammensetzung besteht der A particularly preferred binder composition consists of
Beschleuniger zu mindestens 90 Gewichts-%, insbesondere zu mindestens 95 Gewichts%, aus Aluminiumsulfat-Hydrat oder ist Aluminiumsulfat-Hydrat. At least 90% by weight, in particular at least 95% by weight, accelerator is composed of aluminum sulfate hydrate or is aluminum sulfate hydrate.
Bevorzugt ist die Bindemittelzusammensetzung frei von Aminoalkoholen. The binder composition is preferably free from amino alcohols.
Aminoalkohole haben einen intensiven unangenehmen Geruch, können die Gesundheit gefährden und zu unkontrolliertem Ansteifen der Bindemittel zusammensetzung nach dem Vermischen mit Wasser führen. Amino alcohols have an intense, unpleasant odor, can be hazardous to health and lead to uncontrolled stiffening of the binder composition after mixing with water.
Bevorzugt ist der auf Aluminiumsulfat basierende Beschleuniger in 0.1 bis 2 Gewichts-%, mehr bevorzugt in 0.3 bis 1.5 Gewichts-%, insbesondere in 0.4 bis 1.0 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittel zusammensetzung, vorhanden. The aluminum sulfate-based accelerator is preferably present in 0.1 to 2% by weight, more preferably in 0.3 to 1.5% by weight, in particular in 0.4 to 1.0% by weight, based on the total weight of the dry binder composition.
Eine solche Dosierung des Beschleunigers, insbesondere in Kombination mit einem Polycarboxylatether, führt zu einer raschen Festigkeitsentwicklung der mit Wasser vermischten Bindemittelzusammensetzung ohne die Verarbeitbarkeit für den Druckvorgang zu verschlechtern. Such a dosage of the accelerator, in particular in combination with a polycarboxylate ether, leads to a rapid development of the strength of the binder composition mixed with water without impairing the processability for the printing process.
Die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung umfasst mindestens einen Superverflüssiger auf Basis Polycarboxylatether. Der mindestens eine Polycarboxylatether enthält Carbonsäuregruppen in Form von freien, das bedeutet nicht neutralisierten, Carbonsäuregruppen und/oder in Form ihrer Alkali- und/oder Erdalkalisalze. The dry mineral binder composition comprises at least one superplasticizer based on polycarboxylate ether. The at least one polycarboxylate ether contains carboxylic acid groups in the form of free, that is, non-neutralized, carboxylic acid groups and / or in the form of their alkali metal and / or alkaline earth metal salts.
Bevorzugt ist ein Polycarboxylatether der neben den Carbonsäuregruppen keine weiteren anionische Gruppen aufweist. A polycarboxylate ether which has no other anionic groups in addition to the carboxylic acid groups is preferred.
Weiter bevorzugt ist ein Polycarboxylatether, dessen Seitenketten zu mindestens 80 mol-%, bevorzugt mindestens 90 mol-%, speziell bevorzugt zu 100 mol-% aus Ethylenglykoleinheiten bestehen. A polycarboxylate ether whose side chains consist of at least 80 mol%, preferably at least 90 mol%, especially preferably 100 mol%, of ethylene glycol units is further preferred.
Bevorzugt weisen die Seitenketten ein mittleres Molekulargewicht Mw im Bereich von 500 bis 10Ό00 g/mol, bevorzugt 800 bis 8Ό00 g/mol, speziell bevorzugt 1 Ό00
bis 5Ό00 g/mol, auf. Es können auch Seitenketten mit unterschiedlichen The side chains preferably have an average molecular weight M w in the range from 500 to 10Ό00 g / mol, preferably 800 to 8Ό00 g / mol, particularly preferably 1Ό00 up to 500 g / mol. There can also be side chains with different
Molekulargewichten in dem Polycarboxylatether vorhanden sein. Molecular weights be present in the polycarboxylate ether.
Bevorzugt ist ein Polycarboxylatether der aus Methacrylsäure- und/oder Preferred is a polycarboxylate ether of methacrylic acid and / or
Acrylsäure-Einheiten und Monomereinheiten mit Polyalkylenglykol-Ketten aufgebaut ist. Acrylic acid units and monomer units with polyalkylene glycol chains is built up.
Bevorzugt weist der mindestens eine Polycarboxylatether ein mittleres The at least one polycarboxylate ether preferably has a medium one
Molekulargewicht Mw von 8Ό00 bis 200Ό00 g/mol, insbesondere 10Ό00 bis 100Ό00 g/mol, gemessen gegen Polyethylenglykol-Standards, auf. Molecular weight Mw of 800-0000 g / mol, in particular 1000-0000 g / mol, measured against polyethylene glycol standards.
Solche Polycarboxylatether bewirken, auch in Gegenwart des auf Aluminiumsulfat basierenden Beschleunigers und bei tiefem Wassergehalt, eine gute Such polycarboxylate ethers have a good effect, even in the presence of the accelerator based on aluminum sulfate and with a low water content
Verarbeitbarkeit der mit Wasser vermischten Bindemittelzusammensetzung. Processability of the binder composition mixed with water.
Ein tiefer Wassergehalt bewirkt eine hohe Festigkeit eines ausgehärteten A low water content causes a high strength of a cured
Formkörpers. Molded body.
In Kombination mit dem auf Aluminiumsulfat basierenden Beschleuniger wirken solche Polycarboxylatether besonders gut als Mittel zur Steuerung des Ansteifens und/oder Abbindens der wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung. In combination with the accelerator based on aluminum sulfate, such polycarboxylate ethers act particularly well as a means of controlling the setting and / or setting of the water-containing binder composition.
Der mindestens eine Polycarboxylatether kann als wässrige Lösung in die The at least one polycarboxylate ether can be added as an aqueous solution to the
Bindemittelzusammensetzung eingebracht werden, beispielsweise durch Binder composition are introduced, for example by
Aufsprühen auf die Füllstoffe vor dem Vermischen mit dem mineralischen Spray on the fillers before mixing with the mineral
Bindemittel. Binder.
Bevorzugt liegt der mindestens eine Polycarboxylatether als Pulver in der trockenen Bindemittelzusammensetzung vor. The at least one polycarboxylate ether is preferably present as a powder in the dry binder composition.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der mindestens eine Polycarboxylatether eine Block- oder Gradientenstruktur auf. Unter In a preferred embodiment of the invention, the at least one polycarboxylate ether has a block or gradient structure. Under
„Polycarboxylatether mit Block- oder Gradientenstruktur“ wird im vorliegenden Dokument ein Polymer verstanden, in dem die Monomereinheiten in nicht statistischer Abfolge vorliegen, das heisst die Abfolge wird nicht zufällig erhalten. In dem Polycarboxylatether mit Block- oder Gradientenstruktur umfasst In the present document, “polycarboxylate ether with a block or gradient structure” is understood to mean a polymer in which the monomer units are present in a non-statistical sequence, that is, the sequence is not obtained by chance. Included in the polycarboxylate ether of block or gradient structure
mindestens ein Abschnitt Monomereinheiten umfassend Polyalkylenglykol- Seitenketten und keine oder kaum Monomereinheiten mit Carbonsäuregruppen und mindestens ein Abschnitt Monomereinheiten mit Carbonsäuregruppen und
keine oder kaum Monomereinheiten mit Polyalkylenglykol-Seitenketten. Solche Block- oder Gradientenpolymere weisen daher Abschnitte mit hoher Dichte an anionischen Gruppen und Abschnitte die keine oder nur wenige anionischen Gruppen enthalten auf. at least one section of monomer units comprising polyalkylene glycol side chains and no or hardly any monomer units with carboxylic acid groups and at least one section of monomer units with carboxylic acid groups and no or hardly any monomer units with polyalkylene glycol side chains. Such block or gradient polymers therefore have sections with a high density of anionic groups and sections which contain no or only a few anionic groups.
Überraschenderweise entfalten Polycarboxylatether mit Block- oder Surprisingly unfold polycarboxylate ethers with block or
Gradientenstruktur sehr rasch ihre Wirkung als Verflüssiger. Sie sind daher besonders gut geeignet für Anwendungen in denen die Mischzeit von Gradient structure works very quickly as a liquefier. They are therefore particularly well suited for applications in which the mixing time of
Bindemittelzusammensetzung und Wasser sehr kurz ist, insbesondere für kontinuierliches Mischen. Binder composition and water is very short, especially for continuous mixing.
Polycarboxylatether mit Block- oder Gradientenstruktur bewirken zudem eine tiefe Viskosität der wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung. Dies verbessert die Pumpbarkeit der mit Wasser vermischten Bindemittelzusammensetzung. Ebenfalls überraschend hält die gute verflüssigende Wirkung der Polycarboxylatether mit Block- oder Gradientenstruktur in der erfindungsgemässen Polycarboxylate ethers with a block or gradient structure also cause the water-containing binder composition to have a low viscosity. This improves the pumpability of the binder composition mixed with water. The good liquefying effect of the polycarboxylate ethers with a block or gradient structure also surprisingly persists in the inventive one
Bindemittelzusammensetzung nur einige Minuten an, was für den 3D-Druck vorteilhaft ist, weil dadurch eine gute Verarbeitbarkeit der Binder composition only for a few minutes, which is advantageous for 3D printing because it makes the
Bindemittelzusammensetzung direkt nach dem Mischen mit Wasser sowie eine gute Standfestigkeit der wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung nach der Applikation erreicht werden kann. Binder composition can be achieved directly after mixing with water and good stability of the water-containing binder composition after application.
Bevorzugt ist der mindestens eine Polycarboxylatether in 0.02 bis 5 Gewichts-%, mehr bevorzugt in 0.05 bis 4 Gewichts-%, insbesondere in 0.1 bis 3 Gewichts-%, gerechnet als trockenes Polymer bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung, vorhanden. The at least one polycarboxylate ether is preferably present in 0.02 to 5% by weight, more preferably in 0.05 to 4% by weight, in particular in 0.1 to 3% by weight, calculated as dry polymer based on the total weight of the dry binder composition.
Vorteilhaft erfolgt die Dosierung des mindestens einen Polycarboxylatethers in der Bindemittelzusammensetzung angepasst an die jeweilige Druckaufgabe. So werden vorteilhaft vor dem Druck die Druckparameter, wie typischerweise die gewünschte Höhe des Formkörpers, die Dicke der aufgetragenen Schichten, die Druckgeschwindigkeit und die zu erwartende Umgebungstemperatur, erfasst und anschliessend mittels Erfahrungswerten, Tabellen und/oder Computerprogramm
die optimale Menge an Polycarboxylatether in der Bindemittelzusammensetzung ermittelt. The metering of the at least one polycarboxylate ether in the binder composition is advantageously adapted to the respective printing task. The printing parameters, such as typically the desired height of the molding, the thickness of the applied layers, the printing speed and the expected ambient temperature, are advantageously recorded before printing and then using empirical values, tables and / or computer program determines the optimal amount of polycarboxylate ether in the binder composition.
So kann beispielsweise für den Druck eines Formkörpers mit einer grossen horizontalen Ausdehnung und dadurch bedingter geringerer vertikaler For example, for printing a shaped body with a large horizontal extension and, as a result, a smaller vertical extension
Aufbaugeschwindigkeit im Vergleich zu einem Formkörper mit horizontal kleinerer Ausdehnung und höherer vertikaler Aufbaugeschwindigkeit, die Menge an Build-up speed compared to a molded body with horizontally smaller expansion and higher vertical build-up speed, the amount of
Polycarboxylatether in der Bindemittelzusammensetzung unterschiedlich sein, um für beide Anwendungen eine optimale Festigkeitsentwicklung zu gewährleisten. Polycarboxylate ether in the binder composition can be different in order to ensure optimal strength development for both applications.
Vorteilhaft wird die Gesamtmenge an Polycarboxylatether in der trockenen The total amount of polycarboxylate ether in the dry is advantageous
Bindemittelzusammensetzung bereitgestellt. Binder composition provided.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, insbesondere bei mengenmässig kleinen Anwendungen und/oder wenn die Druckparameter variabel sind, speziell durch Temperaturschwankungen, Wartepausen oder wenn der zu druckende However, it can also be advantageous, in particular in the case of applications that are small in terms of quantity and / or when the printing parameters are variable, especially due to temperature fluctuations, waiting pauses, or when the printing is done
Formkörper unterschiedliche Teile mit unterschiedlichen Dimensionen aufweist, wenn nur ein Teil des Polycarboxylatethers in der trockenen Molded body has different parts with different dimensions if only part of the polycarboxylate ether in the dry
Bindemittelzusammensetzung vorhanden ist und ein weiterer Teil, jeweils angepasst an die aktuellen Druckbedingungen, während oder kurz nach dem Vermischen mit Wasser zugegeben wird. Binder composition is present and another part, in each case adapted to the current printing conditions, is added during or shortly after mixing with water.
Vorteilhaft wird der weitere Teil des Polycarboxylatethers zusammen mit dem Anmachwasser in einem kontinuierlichen Mischprozess zugegeben. The further part of the polycarboxylate ether is advantageously added together with the mixing water in a continuous mixing process.
Die trockene Bindemittelzusammensetzung kann so in grosser Menge hergestellt werden, was vorteilhaft ist, und die Anpassung der Eigenschaften der The dry binder composition can thus be produced in large quantities, which is advantageous, and the adjustment of the properties of the
wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung an die jeweiligen water-containing binder composition to the respective
Druckbedingungen erfolgt einfach und kostengünstig erst kurz vor der Applikation. Printing conditions takes place simply and inexpensively just before application.
Die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung enthält mindestens ein organisches und/oder anorganisches Rheologiehilfsmittel. The dry mineral binder composition contains at least one organic and / or inorganic rheological aid.
Geeignete Rheologiehilfsmittel sind insbesondere modifizierte Stärke, Suitable rheology aids are in particular modified starch,
Amylopektin, modifizierte Cellulose, mikrobielle Polysaccharide, Galactomannane,
Alginate, Tragakant, Polydextrose, Superabsorber oder mineralische Amylopectin, modified cellulose, microbial polysaccharides, galactomannans, Alginate, tragacanth, polydextrose, superabsorbent or mineral
Verdickungsmittel. Thickener.
Bevorzugt ist das Rheologiehilfsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus modifizierten Stärken, modifizierten Cellulosen, mikrobiellen Polysacchariden, Superabsorber und mineralischen Verdickungsmitteln. The rheological aid is preferably selected from the group consisting of modified starches, modified celluloses, microbial polysaccharides, superabsorbents and mineral thickeners.
Bevorzugt beträgt die Gesamtmenge an Rheologiehilfsmittel in der trockenen Bindemittelzusammensetzung 0.01 bis 5 Gewichts-%, bezogen auf das The total amount of rheological aid in the dry binder composition is preferably from 0.01 to 5% by weight, based on the
Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung. Total dry binder composition weight.
Die modifizierte Stärke ist bevorzugt ein Stärkeether, insbesondere The modified starch is preferably a starch ether, in particular
Hydroxypropylstärke, Carboxymethylstärke oder Carboxymethylhydroxy- propylstärke. Die modifizierte Stärke ist bevorzugt in 0.01 bis 2 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung, vorhanden. Hydroxypropyl starch, carboxymethyl starch or carboxymethyl hydroxypropyl starch. The modified starch is preferably present in 0.01 to 2% by weight based on the total weight of the dry binder composition.
Die modifizierte Cellulose ist bevorzugt Methylcellulose, Ethylcellulose, The modified cellulose is preferably methyl cellulose, ethyl cellulose,
Carboxymethylcellulose, Hydroxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose oder Methylhydroxyethylcellulose und ist bevorzugt in 0.01 bis 2 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung, vorhanden. Carboxymethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose or methylhydroxyethyl cellulose and is preferably present in 0.01 to 2% by weight based on the total weight of the dry binder composition.
Das mikrobielle Polysaccharid ist bevorzugt Welan Gum, Xanthan Gum oder Diutan Gum und ist bevorzugt in 0.01 bis 0.1 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung, vorhanden. The microbial polysaccharide is preferably welan gum, xanthan gum or diutan gum and is preferably present in 0.01 to 0.1% by weight, based on the total weight of the dry binder composition.
Der Superabsorber ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend The superabsorbent is preferably selected from the group comprising
Polyacrylamid, Polyacrylnitril, Polyvinylalcohol, Isobutylen-Maleinsäureanhydrid- Copolymere, Polyvinylpyrrolidon, Homo- und Copolymere von monoethylenisch ungesättigter Carbonsäuren wie (Meth)acrylsäure, Crotonsäure, Sorbinsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, bevorzugt Polyacrylsäure, welche teilweise oder vollständig neutralisiert sein können, und Co- und Terpolymere der genannten monoethylenisch ungesättigten Carbonsäuren mit Vinylsulfonsäure, (Meth)acrylamidoalkylsulfonsäuren, Allylsulfonsäure, Vinyltoluolsulfonsäure,
Vinylphosphonsäure, (Meth)acrylamid, N-alkyliertem (Meth)acrylamid, N- Methylol(meth)acrylamid, N-Vinylformamid, N-Vinylacetamid, Vinylpyrrolidon, Hydroxyalkyl(meth)acrylat, Ethylacrylat, Methylacrylat, (Meth)acrylsäureester von Polyethyleneglycolmonoallylethern, Vinylacetat und/oder Styrol. Polyacrylamide, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, isobutylene-maleic anhydride copolymers, polyvinylpyrrolidone, homo- and copolymers of monoethylenically unsaturated carboxylic acids such as (meth) acrylic acid, crotonic acid, sorbic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, preferably polyacrylic acid, which can be partially or completely neutralized Copolymers and terpolymers of the monoethylenically unsaturated carboxylic acids mentioned with vinylsulfonic acid, (meth) acrylamidoalkylsulfonic acids, allylsulfonic acid, vinyltoluenesulfonic acid, Vinylphosphonic acid, (meth) acrylamide, N-alkylated (meth) acrylamide, N-methylol (meth) acrylamide, N-vinylformamide, N-vinyl acetamide, vinyl pyrrolidone, hydroxyalkyl (meth) acrylate, ethyl acrylate, methyl acrylate, (meth) acrylic acid esters of polyethylene glycol monoallyl ethers, Vinyl acetate and / or styrene.
Die Superabsorber Homo- und Copolymere können linear oder verzweigt sein, die Copolymere können statistisch oder als Block- oder Gradientenpolymere vorliegen. Bevorzugt sind die Homo- und Copolymere zusätzlich noch vernetzt. Bevorzugt ist der Superabsorber Polyacrylsäure welche teilweise oder vollständig neutralisiert sein kann und vernetzt ist. The superabsorbent homo- and copolymers can be linear or branched, the copolymers can be present randomly or as block or gradient polymers. The homopolymers and copolymers are preferably also crosslinked. The superabsorbent is preferably polyacrylic acid, which can be partially or completely neutralized and is crosslinked.
Bevorzugt ist der Superabsorber, wenn vorhanden, in 0.01 bis 0.5 Gewichts-%, insbesondere in 0.05 bis 0.3 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung, vorhanden. If present, the superabsorbent is preferably present in 0.01 to 0.5% by weight, in particular in 0.05 to 0.3% by weight, based on the total weight of the dry binder composition.
Das mineralische Verdickungsmittel ist bevorzugt ein spezielles Silikat oder Tonmineral, insbesondere ein Bentonit oder Sepiolith, bevorzugt Sepiolith. The mineral thickener is preferably a special silicate or clay mineral, in particular a bentonite or sepiolite, preferably sepiolite.
Das mineralische Verdickungsmittel ist bevorzugt in 0.1 bis 1 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung, vorhanden. The mineral thickener is preferably present in 0.1 to 1% by weight based on the total weight of the dry binder composition.
Bevorzugt enthält die Bindemittelzusammensetzung mindestens zwei, mehr bevorzugt mindestens drei, unterschiedliche Rheologiehilfsmittel. The binder composition preferably contains at least two, more preferably at least three, different rheological aids.
Das Rheologiehilfsmittel ist besonders geeignet, die Formstabilität der The rheological aid is particularly suitable, the dimensional stability of the
wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung zu gewährleisten und einer aufgebrachten Schicht genügend Standfestigkeit zu verleihen um eine oder mehrere weitere Schichten zu tragen, ohne die Form wesentlich zu ändern bevor die Hydratation des Zementes einsetzt. to ensure water-based binder composition and to give an applied layer sufficient stability to carry one or more additional layers without changing the shape significantly before the hydration of the cement begins.
Bevorzugte Kombinationen von zwei oder mehreren Rheologiehilfsmitteln sind:Preferred combinations of two or more rheology aids are:
- modifizierte Cellulose und mikrobielles Polysaccharid; - modified cellulose and microbial polysaccharide;
- modifizierte Cellulose und Superabsorber; - modified cellulose and superabsorbents;
- mikrobielles Polysaccharid und Superabsorber;
- mikrobielles Polysaccharid, Superabsorber und mineralisches Verdickungsmittel;- microbial polysaccharide and superabsorbent; - microbial polysaccharide, superabsorbent and mineral thickener;
- modifizierte Cellulose, mikrobielles Polysaccharid und Superabsorber; - modified cellulose, microbial polysaccharide and superabsorbent;
- modifizierte Cellulose, mikrobielles Polysaccharid, Superabsorber und - modified cellulose, microbial polysaccharide, superabsorbents and
mineralisches Verdickungsmittel. mineral thickener.
Durch die Kombination von zwei oder mehr Rheologiehilfsmitteln können die unterschiedlichen Verdickungseigenschaften der Rheologiehilfsmittel optimal aufeinander abgestimmt werden. Dies bewirkt eine gute Verarbeitbarkeit bei guter Standfestigkeit der wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung. By combining two or more rheological aids, the different thickening properties of the rheological aids can be optimally matched to one another. This results in good processability with good stability of the water-containing binder composition.
Speziell bevorzugt ist eine Kombination von Rheologiehilfsmitteln die mindestens einen Superabsorber umfasst. A combination of rheological aids which comprises at least one superabsorbent is particularly preferred.
Der Superabsorber wirkt zusätzlich noch als Mittel zur Schwindreduktion, was besonders vorteilhaft ist. The superabsorbent also acts as a means of reducing shrinkage, which is particularly advantageous.
Bevorzugt enthält die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung noch 0.1 bis 5 Gewichts-%, bevorzugt 0.1 bis 4.5 Gewichts-%, mehr bevorzugt 0.5 bis 3 Gewichts-%, Calciumsulfoaluminat, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung. The dry mineral binder composition preferably also contains 0.1 to 5% by weight, preferably 0.1 to 4.5% by weight, more preferably 0.5 to 3% by weight, calcium sulfoaluminate, based on the total weight of the dry binder composition.
Ein geeignetes Calciumsulfoaluminat ist beispielsweise in Denka CSA #20, erhältlich bei Newchem, Schweiz, vorhanden. A suitable calcium sulfoaluminate is available, for example, in Denka CSA # 20, available from Newchem, Switzerland.
Das Calciumsulfoaluminat kann, speziell in der bevorzugten Dosierung, einerseits die frühe Festigkeitsentwicklung der wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung steigern und gleichzeitig das Schwinden reduzieren. The calcium sulfoaluminate can, especially in the preferred dosage, on the one hand increase the early strength development of the aqueous binder composition and at the same time reduce shrinkage.
Ein höherer Gehalt an Calciumsulfoaluminat in der Bindemittelzusammensetzung kann die Endfestigkeit eines gedruckten Formkörpers reduzieren und erhöht die Kosten für die Zusammensetzung. A higher content of calcium sulfoaluminate in the binder composition can reduce the ultimate strength of a printed molded article and increase the cost of the composition.
Überraschenderweise kann durch die Kombination von Calciumsulfoaluminat und Rheologiehilfsmittel, insbesondere einem Superabsorber, das Schwinden der
Bindemittelzusammensetzung nach der Applikation stark reduziert werden. Surprisingly, the combination of calcium sulfoaluminate and rheological aid, in particular a superabsorbent, can reduce the shrinkage of the Binder composition can be greatly reduced after application.
Schwinden kann zur Bildung von Rissen in dem hergestellten Formkörper führen. Risse können die Dauerhaftigkeit der gedruckten Strukturen reduzieren und stören den optischen Eindruck. Shrinkage can lead to the formation of cracks in the molded article produced. Cracks can reduce the durability of the printed structures and disrupt the visual impression.
Die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung enthält vorteilhaft noch mindestens ein weiteres Additiv zur Reduktion des Schwindens ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glykolen, Polyglykolen und Wasser speichernden Materialien, wie insbesondere poröse Steine, gemahlene Ziegel und/oder gemahlener Zementstein. The dry mineral binder composition advantageously also contains at least one further additive for reducing shrinkage selected from the group consisting of glycols, polyglycols and water-storing materials, such as, in particular, porous stones, ground bricks and / or ground cement stone.
Die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung enthält bevorzugt noch mindestens einen Entschäumer, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Öl-basierten Entschäumern, insbesondere auf Mineralölen, Pflanzenölen oder Weissölen basierte Entschäumer welche ein Wachs und/oder hydrophobe Kieselsäure enthalten können, Silikon-basierten Entschäumern welche beispielsweise durch Alkoxylierung oder Fluorinierung modifiziert sein können, Alkylestern von Phosphor- oder Phosphonsäure, alkoxylierten Polyolen, insbesondere ethoxylierte Diole, Fettsäure-basierten Entschäumern, insbesondere mono- und Diglyceride von Fettsäuren und alkoxylierten Fettalkoholen, und Mischungen davon. The dry mineral binder composition preferably also contains at least one defoamer, in particular selected from the group consisting of oil-based defoamers, in particular defoamers based on mineral oils, vegetable oils or white oils which can contain a wax and / or hydrophobic silica, silicone-based defoamers which, for example, Alkoxylation or fluorination can be modified, alkyl esters of phosphoric or phosphonic acid, alkoxylated polyols, especially ethoxylated diols, fatty acid-based defoamers, especially mono- and diglycerides of fatty acids and alkoxylated fatty alcohols, and mixtures thereof.
Bevorzugt ist der Entschäumer ausgewählt aus der Gruppe umfassend The defoamer is preferably selected from the group comprising
ethoxyliertes 2,4,7,9-Tetramethyl-5-decyn-4,7-diol, eine Kombination von ethoxylated 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyn-4,7-diol, a combination of
Fettalkoholalkoxylaten und Polysiloxan und einer Kombination von Mineralöl und einem Silikonöl enthaltend hydrophobe Kieselsäure. Fatty alcohol alkoxylates and polysiloxane and a combination of mineral oil and a silicone oil containing hydrophobic silica.
Der Entschäumer ist bevorzugt in 0.01 bis 1 Gewichts-%, insbesondere in 0.1 bis 0.8 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittel zusammensetzung, vorhanden. The defoamer is preferably present in 0.01 to 1% by weight, in particular 0.1 to 0.8% by weight, based on the total weight of the dry binder composition.
Der Einsatz eines Enschäumers ist vorteilhaft, weil dadurch die Bildung von Luftporen beim Vermischen der trockenen Bindemittelzusammensetzung mit Wasser verhindert oder vermindert wird. Luftporen können das Fördern der
wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung zum Druckkopf stören, und reduzieren im ausgehärteten Formkörper die Festigkeit und Poren stören den optischen Eindruck des Formkörpers. The use of a defoamer is advantageous because it prevents or reduces the formation of air voids when the dry binder composition is mixed with water. Air voids can promote the water-containing binder composition interfere with the print head, and reduce the strength in the cured molded body and pores interfere with the visual impression of the molded body.
Überraschend bewirkt der Entschäumer zusätzlich noch eine Reduktion des Schwindens und damit der Rissbildung im ausgehärteten Formkörper. Surprisingly, the defoamer also reduces the shrinkage and thus the formation of cracks in the cured molding.
Optional kann die trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung noch wenigstens ein weiteres Additiv, beispielsweise ein Betonzusatzmittel und/oder ein Mörtelzusatzmittel, beinhalten. Das wenigstens eine weitere Additiv umfasst insbesondere ein Fliessmittel, einen Verzögerer, ein Netzmittel, Fasern, einen Farbstoff, ein Konservierungsmittel, einen weiteren Beschleuniger, ein Optionally, the dry mineral binder composition can also contain at least one further additive, for example a concrete additive and / or a mortar additive. The at least one further additive includes in particular a flow agent, a retarder, a wetting agent, fibers, a dye, a preservative, a further accelerator
Dispersionspolymer, ein kationisches Polymer, ein kationisches Polykondensat, ein kationisches Kammpolymer, einen Luftporenbildner, einen weiteren Dispersion polymer, a cationic polymer, a cationic polycondensate, a cationic comb polymer, an air entrainer, another
Schwindreduzierer oder einen Korrosionsinhibitor oder Kombinationen davon. Shrinkage reducer or a corrosion inhibitor, or combinations thereof.
Das Fliessmittel ist insbesondere Natriumglukonat, Lignosulfonat, sulfoniertes Naphthalin-Formaldehyd-Kondensat, sulfoniertes Melamin-Formaldehyd- Kondensat, sulfoniertes Vinylcopolymer, Polyalkylenglykol mit The flow agent is in particular sodium gluconate, lignosulfonate, sulfonated naphthalene-formaldehyde condensate, sulfonated melamine-formaldehyde condensate, sulfonated vinyl copolymer, polyalkylene glycol
Phosphonatgruppen, Polyalkylenglykol mit Phosphatgruppen oder ein Phosphonate groups, polyalkylene glycol with phosphate groups or a
aromatisches Kondensat mit Phosphonatgruppen und Polyalkylenglykol-Ketten. aromatic condensate with phosphonate groups and polyalkylene glycol chains.
Der Einsatz von Erhärtungsverzögerern kann vorteilhaft sein, da dadurch die Verarbeitungsdauer der wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung verlängert wird. Der Erhärtungsverzögerer ist bevorzugt eine Hydroxycarbonsäure, insbesondere Weinsäure, Zitronensäure oder Gluconsäure, ein Zucker, ins besondere Saccharose, ein Phosphat oder ein Phosphonat, oder deren Salze oder Mischungen davon. The use of hardening retarders can be advantageous, since this extends the processing time of the water-based binder composition. The hardening retarder is preferably a hydroxycarboxylic acid, in particular tartaric acid, citric acid or gluconic acid, a sugar, in particular sucrose, a phosphate or a phosphonate, or their salts or mixtures thereof.
Eine bevorzugte Bindemittelzusammensetzung umfasst: A preferred binder composition comprises:
- 10 bis 50 Gewichts-%, bevorzugt 12 bis 40 Gewichts-%, insbesondere 15 bis - 10 to 50% by weight, preferably 12 to 40% by weight, in particular 15 to
35 Gewichts-%, Zement, insbesondere Portlandzement,
- 0.1 bis 5 Gewichts-%, bevorzugt 0.1 bis 4.5 Gewichts-%, mehr bevorzugt 0.5 bis 3 Gewichts-%, Calciumsulfoaluminat, 35% by weight, cement, especially Portland cement, - 0.1 to 5% by weight, preferably 0.1 to 4.5% by weight, more preferably 0.5 to 3% by weight, calcium sulfoaluminate,
- 0 bis 10 Gewichts-%, bevorzugt 0.1 bis 5 Gewichts-%, mindestens eines latent hydraulischen Bindemittels, insbesondere Metakaolin und/oder Silicastaub, - 0 to 10% by weight, preferably 0.1 to 5% by weight, of at least one latent hydraulic binder, in particular metakaolin and / or silica dust,
- 45 bis 85 Gewichts-%, bevorzugt 50 bis 80 Gewichts-%, mineralische - 45 to 85% by weight, preferably 50 to 80% by weight, mineral
Füllstoffe, Fillers,
- 0.1 bis 2 Gewichts-% eines Beschleunigers auf Basis von Aluminiumsulfat, - 0.1 to 2% by weight of an accelerator based on aluminum sulfate,
- 0.02 bis 5 Gewichts-% mindestens eines Polycarboxylatethers, - 0.02 to 5% by weight of at least one polycarboxylate ether,
- 0.01 bis 2 Gewichts-% mindestens eines Rheologiehilfsmittels, - 0.01 to 2% by weight of at least one rheological aid,
- 0.01 bis 1 Gewichts-% mindestens eines Entschäumers und - 0.01 to 1% by weight of at least one defoamer and
- 0 bis 10 Gewichts-% weitere Additive, - 0 to 10% by weight further additives,
bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung. based on the total weight of the dry binder composition.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine wasserhaltige mineralische Bindemittelzusammensetzung, erhalten durch Vermischen der trockenen mineralischen Bindemittelzusammensetzung, wie vorgängig beschrieben, mit Wasser, insbesondere mit 10 bis 25 Gewichts-%, bevorzugt 12 bis 22 Gewichts- %, mehr bevorzugt 14 bis 20 Gewichts-%, Wasser, bezogen auf das Another object of the invention is a water-containing mineral binder composition, obtained by mixing the dry mineral binder composition, as described above, with water, in particular with 10 to 25% by weight, preferably 12 to 22% by weight, more preferably 14 to 20% by weight %, Water based on that
Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung. Total dry binder composition weight.
Das Vermischen mit Wasser erfolgt bevorzugt in einem kontinuierlichen Mischer. Dadurch wird eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit gewährleistet. Zudem muss bei einem möglichen Unterbruch kein in einer nicht kontinuierlichen Mixing with water is preferably carried out in a continuous mixer. This ensures a high production speed. In addition, in the event of a possible interruption, there does not have to be a discontinuous
Mischeinrichtung bereits gemischtes Material entsorgt werden. Mixing device already mixed material must be disposed of.
Vorteilhaft liegt der Abbindebeginn der wasserhaltigen Bindemittelzusammen setzung zwischen etwa 10 Minuten und 1 Stunde, und das Abbindeende zwischen etwa 30 Minuten und 3 Stunden, gemessen gemäss DIN EN 196-3 bei 20°C mit einer automatischen Vicat-Apparatur. The start of setting of the water-containing binder composition is advantageously between about 10 minutes and 1 hour, and the end of setting between about 30 minutes and 3 hours, measured in accordance with DIN EN 196-3 at 20 ° C with an automatic Vicat apparatus.
Vorteilhaft erreicht die wasserhaltige Bindemittelzusammensetzung bei 20°C eine Stunde nach der Applikation eine Festigkeit von mindestens 0.05 MPa, bevorzugt mindestens 0.08 MPa, insbesondere mindestens 0.1 MPa, und nach 3 Stunden,
bevorzugt 2 Stunden, mindestens 0.5 MPa, insbesondere 1 MPa. Die Festigkeit kann mit einer Penetrationsmethode, wie beispielsweise in ASTM C 403 beschrieben, bestimmt werden. The water-containing binder composition advantageously achieves a strength of at least 0.05 MPa, preferably at least 0.08 MPa, in particular at least 0.1 MPa, at 20 ° C. one hour after application, and after 3 hours, preferably 2 hours, at least 0.5 MPa, in particular 1 MPa. The strength can be determined using a penetration method such as described in ASTM C 403.
Eine solche Festigkeitsentwicklung der wasserhaltigen Bindemittelzusammen setzung ist besonders vorteilhaft für eine effiziente Fierstellung von Formkörpern. Such a strength development of the water-containing binder composition is particularly advantageous for the efficient production of moldings.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung für die Fierstellung von Formkörpern mittels 3D-Druck. The invention also relates to the use of the water-containing mineral binder composition for the production of moldings by means of 3D printing.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Applizieren einer mineralischen Bindemittelzusammensetzung, insbesondere mittels 3D-Druck, umfassend die Schritte: Another object of the invention is a method for applying a mineral binder composition, in particular by means of 3D printing, comprising the steps:
- Bereitstellen einer trockenen mineralischen Bindemittelzusammensetzung, wie vorgängig beschrieben, Wasser und optional mindestens eines weiteren Additivs; - Providing a dry mineral binder composition, as described above, water and optionally at least one further additive;
- Zugeben der trockenen mineralischen Bindemittelzusammensetzung, - adding the dry mineral binder composition,
Wasser und des optional mindestens einen weiteren Additivs in eine Mischvorrichtung, insbesondere in eine Mischkammer der Water and the optionally at least one further additive in a mixing device, in particular in a mixing chamber of the
Mischvorrichtung, mit einer Zuführvorrichtung; Mixing device, with a feed device;
- Vermischen der trockenen mineralischen Bindemittelzusammensetzung mit Wasser und dem optional mindestens einem weiteren Additiv in der Mischvorrichtung unter Erhalt einer wasserhaltigen mineralischen - Mixing the dry mineral binder composition with water and the optionally at least one further additive in the mixing device to obtain a water-containing mineral
Bindemittelzusammensetzung; Binder composition;
- Zuführen der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung durch eine Förderleitung zu einem in wenigstens einer Raumrichtung bewegbaren Druckkopf unter Verwendung einer Fördervorrichtung; - Feeding the water-containing mineral binder composition through a conveying line to a print head movable in at least one spatial direction using a conveying device;
- Applizieren der wasserhaltigen mineralischen - Applying the water-based mineral
Bindemittelzusammensetzung mit dem bewegbaren Druckkopf.
Vorteilhaft wird bei diesem Verfahren Binder composition with the movable printhead. This method is advantageous
- -mindestens ein weiteres Additiv der trockenen mineralischen - -at least one other additive of the dry mineral
Bindemittelzusammensetzung zusammen mit dem Wasser zugegeben, wobei das mindestens eine weitere Additiv einen weiteren Binder composition added together with the water, the at least one further additive being another
Polycarboxylatether, einen Verzögerer und/oder ein weiteres Polycarboxylate ether, a retarder and / or another
Rheologiehilfsmittel, insbesondere einen Polycarboxylatether, umfasst, und Rheology aid, in particular a polycarboxylate ether, comprises, and
- wobei die Dosierung des mindestens einen weiteren Additivs in - The metering of the at least one further additive in
Abhängigkeit von Druckbedingungen wie horizontaler und vertikaler Druckgeschwindigkeit, Druckhöhe und Umgebungstemperatur, angepasst wird. Depending on printing conditions such as horizontal and vertical printing speed, print height and ambient temperature.
Bevorzugt ist das mindestens eine weitere Additiv ein Polycarboxylatether, ein Verzögerer und/oder ein Rheologiehilfsmittel wie vorgängig beschrieben. The at least one further additive is preferably a polycarboxylate ether, a retarder and / or a rheological aid, as described above.
Bevorzugt ist der weitere Polycarboxylatether identisch mit dem Polycarboxylat ether in der trockenen mineralischen Bindemittelzusammensetzung, liegt hier aber insbesondere als wässrige Lösung vor. The further polycarboxylate ether is preferably identical to the polycarboxylate ether in the dry mineral binder composition, but is here in particular as an aqueous solution.
Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn der weitere Polycarboxylatether nicht identisch mit dem Polycarboxylatether in der trockenen mineralischen Bindemittel zusammensetzung ist. Insbesondere unterscheidet sich der weitere However, it can also be advantageous if the further polycarboxylate ether is not identical to the polycarboxylate ether in the dry mineral binder composition. In particular, the other differs
Polycarboxylatether von dem Polycarboxylatether in der trockenen mineralischen Bindemittelzusammensetzung durch die Anzahl an Carbonsäuregruppen pro g Polymer und/oder das mittlere Molekulargewicht Mw der Polyalkylenglykol- Seitenketten oder er weist eine Block- oder Gradientenstruktur auf, falls der Polycarboxylatether in der trockenen Bindemittelzusammensetzung keine Block oder Gradientenstruktur aufweist. Polycarboxylate ether of the polycarboxylate ether in the dry mineral binder composition by the number of carboxylic acid groups per g of polymer and / or the average molecular weight Mw of the polyalkylene glycol side chains or it has a block or gradient structure if the polycarboxylate ether in the dry binder composition does not have a block or gradient structure .
Bevorzugt wird der weitere Polycarboxylatether, falls vorhanden, in 0.01 bis 5 Gewichts-%, insbesondere in 0.08 bis 4 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht der wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung zugegeben.
Bevorzugt wird der Verzögerer, falls vorhanden, in 0.01 bis 3 Gewichts-%, insbesondere in 0.03 bis 2 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht der The further polycarboxylate ether, if present, is preferably added in 0.01 to 5% by weight, in particular in 0.08 to 4% by weight, based on the weight of the water-containing binder composition. The retarder, if present, is preferred in 0.01 to 3% by weight, in particular in 0.03 to 2% by weight, based on the weight of the
wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung, zugegeben. hydrous binder composition added.
Bevorzugt wird das weitere Rheologiehilfsmittel, falls vorhanden, in 0.01 bis 2 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht der wasserhaltigen Bindemittelzusammen setzung, zugegeben The further rheology aid, if present, is preferably added in 0.01 to 2% by weight, based on the weight of the water-containing binder composition
Mit einem solchen Verfahren kann die Festigkeitsentwicklung der Bindemittel zusammensetzung an den Druckprozess kontinuierlich angepasst werden, was einen qualitativ hochstehenden Aufbau des Formkörpers trotz möglicher With such a method, the strength development of the binder composition can be continuously adapted to the printing process, resulting in a high quality structure of the molded body despite the possible
Temperaturschwankungen, ungewollter oder gewollter Änderungen der Temperature fluctuations, unwanted or deliberate changes in the
Druckgeschwindigkeit und/oder Unterbrechungen des Druckvorganges ermöglicht. Printing speed and / or interruptions in the printing process allows.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird während des Druckvorganges mindestens eine Eigenschaft des aufgetragenen Materials ermittelt und bei Abweichung der Eigenschaft von den vorgegebenen Sollwerten das weitere Additiv, insbesondere ein Polycarboxylatether, ein In a further preferred embodiment of the present invention, at least one property of the applied material is determined during the printing process and, if the property deviates from the specified setpoint values, the further additive, in particular a polycarboxylate ether, is added
Verzögerer und/oder ein Rheologiehilfsmittel, in der Mischvorrichtung zudosiert. Retarder and / or a rheological aid, metered into the mixing device.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, insbesondere mittels einer an oder kurz vor dem Druckkopf angebrachten Pumpe, mindestens ein weiteres Rheologiehilfsmittel, insbesondere eine modifizierte Cellulose und/oder ein mikrobielles Polysaccharid, bevorzugt in Form einer wässrigen Lösung, in die wasserhaltige Bindemittelzusammensetzung eingebracht werden. Dadurch können ungewollte Schwankungen in der Standfestigkeit der In a further embodiment of the present invention, at least one further rheology aid, in particular a modified cellulose and / or a microbial polysaccharide, preferably in the form of an aqueous solution, can be introduced into the water-containing binder composition, in particular by means of a pump attached to or just in front of the print head . This can cause unwanted fluctuations in the stability of the
wasserhaltigen Bindemittelzusammensetzung ausgeglichen werden. water-containing binder composition are balanced.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können Formkörper durch schichtweisen Auftrag homogen und schnell erstellt werden. With the method according to the invention, molded bodies can be produced homogeneously and quickly by applying them in layers.
Die Druckgeschwindigkeit, das heisst die Geschwindigkeit der horizontalen The printing speed, that is, the speed of the horizontal
Bewegung des Druckkopfes, beträgt bevorzugt mindestens 20 mm pro Sekunde,
mehr bevorzugt mindestens 30 mm pro Sekunde, insbesondere mindestens 40 mm pro Sekunde. Movement of the print head, preferably at least 20 mm per second, more preferably at least 30 mm per second, in particular at least 40 mm per second.
Es kann auch vorteilhaft sein, insbesondere für schnellen Druck und schnelle Fertigung des Formkörpers, wenn die Druckgeschwindigkeit höher ist, It can also be advantageous, especially for fast printing and fast production of the molded body, when the printing speed is higher,
insbesondere mehr als 50 mm pro Sekunde, 100 mm pro Sekunde, 150 mm pro Sekunde, 200 mm pro Sekunde bis zu 500 mm pro Sekunde, beträgt. in particular more than 50 mm per second, 100 mm per second, 150 mm per second, 200 mm per second up to 500 mm per second.
Die vertikale Druckgeschwindigkeit ist abhängig von der horizontalen Dimension des Formkörpers, der Dicke der einzelnen applizierten Schichten und der horizontalen Druckgeschwindigkeit. Bevorzugt liegt der Zeitraum zwischen dem Aufträgen der unteren Schicht und der darüber liegenden nächsten Schicht zwischen etwa 1 Sekunde und 30 Minuten, insbesondere zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten. The vertical printing speed depends on the horizontal dimension of the molding, the thickness of the individual applied layers and the horizontal printing speed. The period of time between the application of the lower layer and the next layer above is preferably between about 1 second and 30 minutes, in particular between 10 seconds and 10 minutes.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Formkörper, hergestellt durch Vermischen einer trockenen mineralischen Another object of the present invention is a molded body produced by mixing a dry mineral
Bindemittelzusammensetzung, wie vorgängig beschrieben, mit Wasser und optional weiteren Additiven, schichtweises Aufträgen der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung mit einem 3D-Drucker und Flärten der Bindemittelzusammensetzung. Binder composition, as described above, with water and optionally further additives, application of the water-containing mineral binder composition in layers with a 3D printer and hardening of the binder composition.
Die Höhe einer einzelnen Schicht, typischerweise in einer Richtung im Wesent lichen senkrecht zu den durch einzelne Schichten gebildeten Ebenen gemessen, insbesondere in vertikaler Richtung, beträgt bevorzugt 0.2 mm bis 200 mm, mehr bevorzugt 1 mm bis 100 mm, insbesondere 2 mm bis 50 mm. The height of an individual layer, typically measured in a direction essentially perpendicular to the planes formed by individual layers, in particular in the vertical direction, is preferably 0.2 mm to 200 mm, more preferably 1 mm to 100 mm, in particular 2 mm to 50 mm .
Die Gesamthöhe des Formkörpers oder die Dicke aller Einzelschichten des Formkörpers zusammengenommen beträgt bevorzugt 0.01 m bis 100 m oder mehr, mehr bevorzugt 0.1 m bis 80 m, noch mehr bevorzugt 0.3 m bis 30 m, insbesondere 0.5 m bis 10 m. The total height of the shaped body or the thickness of all individual layers of the shaped body taken together is preferably 0.01 m to 100 m or more, more preferably 0.1 m to 80 m, even more preferably 0.3 m to 30 m, in particular 0.5 m to 10 m.
Bevorzugt hat der Formkörper eine Höhe von mindestens 0.5 m, mehr bevorzugt mindestens 1 m, im Speziellen mindestens 1.5 m oder 2 m.
Die Oberfläche des Formkörpers kann, solange sie noch bearbeitbar ist, mit geeigneten Werkzeugen geglättet, ausgebessert oder speziell verformt werden. Dies kann als Teil der maschinellen Fertigung erfolgen, oder manuell als separater Schritt. Die Oberfläche kann auch mit einer funktionellen oder dekorativen The shaped body preferably has a height of at least 0.5 m, more preferably at least 1 m, in particular at least 1.5 m or 2 m. As long as it is still workable, the surface of the shaped body can be smoothed, repaired or specially deformed with suitable tools. This can be done as part of the machine production, or manually as a separate step. The surface can also be given a functional or decorative
Beschichtung versehen werden, beispielsweise mit einer Farbe. Coating are provided, for example with a color.
Der Formköper kann auch, solange er noch bearbeitbar ist, mit geeigneten The shaped body can also, as long as it is still workable, with suitable
Werkzeugen geschnitten werden. So können Löcher, insbesondere für Tools are cut. So can holes, especially for
Festeröffnungen, Türöffnungen, Leitungsdurchgänge oder auch Schnitte, insbesondere für spätere Bearbeitungsschritte, in den Formkörper eingebracht werden. Fixed openings, door openings, line passages or also cuts, in particular for later processing steps, are introduced into the molded body.
Der mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Formkörper kann nahezu jede beliebige Form aufweisen. Der Formkörper ist beispielsweise ein Bauwerk, ein Fertigteil für ein Bauwerk, ein Bauelement, ein Mauerwerk, eine Brücke, eine Säule, ein Dekorationselement wie beispielsweise künstliche Berge, Riffe oder Skulpturen, ein Becken, ein Brunnen oder eine Wanne. Dabei kann der The shaped body produced by the method according to the invention can have almost any shape. The molded body is, for example, a building, a prefabricated part for a building, a component, a brickwork, a bridge, a column, a decorative element such as artificial mountains, reefs or sculptures, a basin, a fountain or a tub. The
Formkörper eine Vollform oder eine Hohlform, mit oder ohne Boden, darstellen. Shaped bodies represent a full shape or a hollow shape, with or without a bottom.
Der Formkörper kann direkt vor Ort erstellt und nach der Applikation nicht mehr bewegt werden. Der Formkörper kann aber auch an einem anderen Ort, insbe sondere in einer Fabrik, erstellt werden. Dies erfolgt bevorzugt auf einer Unter lage, auf der er nicht haftet. Nach dem Aushärten kann der Formkörper an den gewünschten Ort transportiert werden. The shaped body can be created directly on site and no longer moved after application. The shaped body can also be created at another location, in particular special in a factory. This is preferably done on a pad to which he is not liable. After curing, the molded body can be transported to the desired location.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Details and advantages of the invention are given below with reference to FIG
Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf schematische Zeichnungen Embodiments and with reference to schematic drawings
beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren described. Brief description of the figures
Fig. 1 zeigt: eine schematische Darstellung eines beispielhaften Systems zum Fig. 1 shows: a schematic representation of an exemplary system for
Applizieren einer wasserhaltigen mineralischen Applying a water-based mineral
Bindemittelzusammensetzung. Binder composition.
Fig. 2 zeigt: eine graphische Darstellung der zeitlichen Festigkeitsentwicklung von wasserhaltigen zementösen Bindemittelzusammensetzungen. FIG. 2 shows a graphical representation of the development of strength over time of water-containing cementitious binder compositions.
Ausführungsbeispiele Embodiments
In Fig. 1 ist schematisch ein beispielhaftes System 1 zur Durchführung eines Verfahrens gemäss vorliegender Erfindung zum Applizieren der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung dargestellt. In FIG. 1, an exemplary system 1 for carrying out a method according to the present invention for applying the water-containing mineral binder composition is shown schematically.
Das System 1 umfasst eine Bewegungsvorrichtung 2 mit einem beweglichen Arm 2.1. Am freien Ende des Arms 2.1 ist ein Druckkopf 3 angebracht, welcher durch den Arm 2.1 in allen drei Raumdimensionen bewegbar ist. Damit kann der Druckkopf 3 an eine beliebige Position im Arbeitsbereich der The system 1 comprises a movement device 2 with a movable arm 2.1. At the free end of the arm 2.1 a print head 3 is attached, which can be moved in all three spatial dimensions by the arm 2.1. The print head 3 can thus be moved to any position in the working area of the
Bewegungsvorrichtung 2 bewegt werden. Moving device 2 are moved.
Der Druckkopf 3 weist im Innern einen von der dem Arm 2.1 zugewandten Stirnseite (in Fig. 1 oben) zur gegenüberliegenden und freien Stirnseite The print head 3 has in the interior one from the end face facing the arm 2.1 (top in FIG. 1) to the opposite and free end face
durchgehenden rohrförmigen Durchlass 3.1 zur Durchleitung einer wasserhaltiger mineralischer Bindemittelzusammensetzung auf. Am freien Ende mündet der Durchlass 3.1 in einen steuerbaren Auslass 4 in Form einer Düse, die continuous tubular passage 3.1 for the passage of a water-containing mineral binder composition. At the free end, the passage 3.1 opens into a controllable outlet 4 in the form of a nozzle which
kontinuierlich geöffnet und geschlossen werden kann. can be opened and closed continuously.
Eine Einlassdüse 5 zur Zugabe eines Additivs mündet in einen dem Arm 2.1 zugewandten Bereich seitlich in den Durchlass 3.1. Durch die Einlassdüse 5 kann der sich durch den Durchlass 3.1 bewegenden wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung bei Bedarf ein Additiv, beispielsweise ein An inlet nozzle 5 for adding an additive opens laterally into the passage 3.1 in an area facing the arm 2.1. Through the inlet nozzle 5, the water-containing mineral binder composition moving through the passage 3.1 can, if required, be given an additive, for example a
Rheologiehilfsmittel, zugegeben werden.
Im Innern des Druckkopfs 3 in Bezug auf die Einlassdüse stromabwärts ist des Weiteren ein statischer Mischer 6 im Durchlass 3.1 angeordnet, welcher die wasserhaltige mineralische Bindemittelzusammensetzung und das Additiv beim Durchfluss zusätzlich vermischt. Rheological aid, are added. In the interior of the print head 3 with respect to the inlet nozzle downstream, a static mixer 6 is furthermore arranged in the passage 3.1, which additionally mixes the water-containing mineral binder composition and the additive as it flows through.
Im Bereich des steuerbaren Auslasses 4 ist zudem eine Messeinheit 8 zur Bestimmung des Drucks im rohrförmigen Durchlass 3.1 angeordnet. Eine In the area of the controllable outlet 4, a measuring unit 8 for determining the pressure in the tubular passage 3.1 is also arranged. A
Abtastrate der Messeinheit 8 beträgt z.B. 10 Hz. The sampling rate of the measuring unit 8 is e.g. 10 Hz.
Am Druckkopf 3 ist zudem eine Vorrichtung 7 zum Entlüftung der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung angebracht. Die Vorrichtung ist als Vakuumbehandlungsvorrichtung ausgestaltet und ermöglicht es, den Luftanteil in der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung zu reduzieren. Hierfür kann beispielsweise ein Abschnitt der Wandung des Durchlasses 3.1 als gaspermeable Membran ausgestaltet werden, so dass durch Anlegen eines Unterdrucks ausserhalb des Durchlasses 3.1 Luft aus der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung gezogen wird. A device 7 for venting the water-containing mineral binder composition is also attached to the print head 3. The device is designed as a vacuum treatment device and makes it possible to reduce the proportion of air in the water-containing mineral binder composition. For this purpose, for example, a section of the wall of the passage 3.1 can be designed as a gas-permeable membrane, so that by applying a negative pressure outside the passage 3.1, air is drawn from the water-containing mineral binder composition.
Das System 1 zum Applizieren einer wasserhaltigen mineralischen The system 1 for applying a water-based mineral
Bindemittelzusammensetzung verfügt zudem über eine Zuführvorrichtung 9, welche eingangsseitig mit drei Behältnissen 11.1 , 11.2, 11.3 und einem Reservoir 11.4 korrespondiert. In jedem der drei Behältnisse 11.1 , 11.2, 11.3 befindet sich je eine Komponente der wasserhaltigen mineralischen Binde The binder composition also has a feed device 9, which on the inlet side corresponds to three containers 11.1, 11.2, 11.3 and a reservoir 11.4. In each of the three containers 11.1, 11.2, 11.3 there is a component of the water-containing mineral binding agent
mittelzusammensetzung. Die erste Komponente, welche im ersten Behältnis 11.1 vorliegt, ist eine trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung. Die zweite Komponente, welche im zweiten Behältnis 11.2 vorliegt, besteht beispielsweise aus Wasser. Bei der im dritten Behältnis 11.3 vorliegenden dritten Komponente handelt es sich z.B. um ein Fliessmittel in Form eines Polycarboxylatethers. Im Reservoir 11.4 liegt z.B. ein Rheologiehilfsmittel in Form von modifizierter agent composition. The first component, which is present in the first container 11.1, is a dry mineral binder composition. The second component, which is present in the second container 11.2, consists for example of water. The third component present in the third container 11.3 is e.g. a flow agent in the form of a polycarboxylate ether. In the reservoir 11.4 there is e.g. a rheology aid in the form of modified
Cellulose und/oder einem mikrobiellen Polysaccharid vor. Cellulose and / or a microbial polysaccharide.
Ausgansseitig verfügt die Zuführvorrichtung 9 über drei separate Auslässe, welche mit je einem von drei Einlässen 10.1 , 10.2, 10.3 einer Mischvorrichtung 10
verbunden sind. Die Zuführvorrichtung 9 verfügt zudem über einzeln ansteuerbare Dosiervorrichtungen (in Fig. 1 nicht gezeigt), so dass sich die einzelnen On the outlet side, the feed device 9 has three separate outlets, each with one of three inlets 10.1, 10.2, 10.3 of a mixing device 10 are connected. The feed device 9 also has individually controllable metering devices (not shown in FIG. 1) so that the individual
Komponenten in den einzelnen Behältnissen 11.1 , 11.2, 11.3 individuell in die Mischvorrichtung 10 dosieren lassen. Components in the individual containers 11.1, 11.2, 11.3 can be dosed individually into the mixing device 10.
Ein weiterer Auslass der Zuführvorrichtung ist mit der Einlassdüse 5 verbunden (in Fig. 1 nicht dargestellt), so dass über eine weitere Dosiervorrichtung der Another outlet of the feed device is connected to the inlet nozzle 5 (not shown in FIG. 1), so that the
Zuführvorrichtung 9 Additiv aus dem Reservoir 11.4 in die Einlassdüse 5 gefördert werden kann. Feed device 9 additive can be conveyed from the reservoir 11.4 into the inlet nozzle 5.
Die Mischvorrichtung 10 ist als dynamischer Mischer ausgebildet und umfasst nebst diesem eine integrierte Fördervorrichtung in Form eines Schnecken förderers. In der Mischvorrichtung werden die einzeln zudosierten Komponenten miteinander vermischt und in die ausgangsseitig an der Mischvorrichtung angebrachte flexible Leitung 12 gefördert. Im Betrieb kann die Vermischung und Förderung der Bindemittelzusammensetzung kontinuierlich erfolgen. The mixing device 10 is designed as a dynamic mixer and, in addition to this, comprises an integrated conveying device in the form of a screw conveyor. In the mixing device, the individually metered components are mixed with one another and conveyed into the flexible line 12 attached to the mixing device on the outlet side. During operation, the mixing and conveying of the binder composition can take place continuously.
Über die flexible Leitung 12, welche mit an der dem Arm 2.1 zugewandten About the flexible line 12, which with the arm 2.1 facing
Stirnseite des Druckkopfs in den rohrförmigen Durchlass 3.1 mündet, kann die wasserhaltige mineralische Bindemittelzusammensetzung in den Druckkopf 3 gefördert und durch den steuerbaren Auslass 4 kontinuierlich appliziert werden. The front side of the print head opens into the tubular passage 3.1, the water-containing mineral binder composition can be conveyed into the print head 3 and applied continuously through the controllable outlet 4.
Ebenfalls Bestandteil des Systems 1 ist eine Messeinheit 13, welche im Bereich zwischen der Mischvorrichtung 10 und dem Druckkopf 3 in die Förderleitung 12 integriert ist. Die Messeinheit beinhaltet beispielsweise einen Also part of the system 1 is a measuring unit 13 which is integrated in the conveying line 12 in the area between the mixing device 10 and the print head 3. The measuring unit includes, for example, one
Ultraschalltransducer, welcher zur Bestimmung der Fliesseigenschaften der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung ausgebildet ist. Eine Abtastrate der Messeinheit 13 beträgt z.B. 10 Hz. Ultrasonic transducer, which is designed to determine the flow properties of the water-containing mineral binder composition. A sampling rate of the measuring unit 13 is e.g. 10 Hz.
Eine zentrale Steuereinheit 14 des Systems 1 umfasst einen Prozessor, eine Speichereinheit sowie mehrere Schnittstellen zum Empfang von Daten und mehrere Schnittstellen zur Ansteuerung von einzelnen Komponenten des Systems 1.
Die Mischvorrichtung 10 ist dabei über eine erste Steuerleitung 15a mit der Steuereinheit 14 verbunden, während die Zuführvorrichtung über eine zweite Steuerleitung 15b mit der Steuereinheit 14 verbunden ist. Dadurch lassen sich die einzelnen Komponenten in den Behältnissen 11.1 , 11.2, 11.3 über die zentrale Steuereinheit entsprechend vorgegebenen und in der Steuereinheit gespeicherten Rezepturen in die Mischvorrichtung 10 dosieren und mit einstellbaren Förderraten in die flexible Leitung 12 fördern. A central control unit 14 of the system 1 comprises a processor, a memory unit and several interfaces for receiving data and several interfaces for controlling individual components of the system 1. The mixing device 10 is connected to the control unit 14 via a first control line 15a, while the feed device is connected to the control unit 14 via a second control line 15b. As a result, the individual components in the containers 11.1, 11.2, 11.3 can be metered into the mixing device 10 via the central control unit according to prescribed recipes stored in the control unit and conveyed into the flexible line 12 at adjustable delivery rates.
Der steuerbare Auslass 4, die Einlassdüse 5, sowie die Vorrichtung 7 zur The controllable outlet 4, the inlet nozzle 5, and the device 7 for
Entlüftung der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung am Druckkopf sind je über eine separate Steuerleitung 15c, 15d, 15e ebenfalls mit der Steuereinheit 14 verbunden und können durch diese gesteuert bzw. kontrolliert werden. Ventilation of the water-containing mineral binder composition on the print head are each also connected to the control unit 14 via a separate control line 15c, 15d, 15e and can be controlled or monitored by this.
Über eine weitere Steuerleitung 15g mit der Steuereinheit 14 verbunden ist auch die Bewegungsvorrichtung 2. Damit kann über die Steuereinheit 14 die Bewegung des Druckkopfs 3 gesteuert werden. The movement device 2 is also connected to the control unit 14 via a further control line 15g. The movement of the print head 3 can thus be controlled via the control unit 14.
Die Messeinheit 8 ist mit einer Datenleitung 15h mit der Steuereinheit 14 verbunden, so dass in der Messeinheit erfasste Druckdaten in die Steuereinheit 14 übermittelt werden können. The measuring unit 8 is connected to the control unit 14 by a data line 15h, so that pressure data recorded in the measuring unit can be transmitted to the control unit 14.
Analog ist die Messeinheit 13 mit einer Datenleitung 15f mit der Steuereinheit 14 verbunden, so dass in der Messeinheit erfasste Daten, welche die Analogously, the measuring unit 13 is connected to the control unit 14 with a data line 15f, so that data recorded in the measuring unit which contain the
Fliesseigenschaften charakterisieren, in die Steuereinheit 14 übermittelt werden können. Characterize flow properties, can be transmitted to the control unit 14.
Die Steuereinheit 14 ist dabei beispielsweise so programmiert, dass: The control unit 14 is programmed, for example, so that:
(i) die Zugaberaten der drei Komponenten der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung mit der Zuführvorrichtung 9 in Abhängigkeit der über die Messeinheit 13 ermittelten Fliesseigenschaften der wasserhaltigen
mineralischen Bindemittelzusammensetzung in der flexiblen Leitung gesteuert werden; (i) the rates of addition of the three components of the water-containing mineral binder composition with the feed device 9 as a function of the flow properties of the water-containing composition determined via the measuring unit 13 mineral binder composition can be controlled in the flexible pipe;
(ii) die in der Mischvorrichtung 10 integrierte Fördervorrichtung in Abhängigkeit des über die Messeinheit 8 ermittelten Drucks 8 sowie der Struktur des mit der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung zu erzeugenden Objekts gesteuert wird; (ii) the conveying device integrated in the mixing device 10 is controlled as a function of the pressure 8 determined by the measuring unit 8 and the structure of the object to be produced with the water-containing mineral binder composition;
(iii) die Zugaberate des Additivs über die Einlassdüse 5 in Abhängigkeit der über die Messeinheit 13 ermittelten Fliesseigenschaften der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung sowie der Struktur des zu (iii) the rate of addition of the additive via the inlet nozzle 5 as a function of the flow properties of the water-containing mineral binder composition determined via the measuring unit 13 and the structure of the to
erstellenden Objekts kontrolliert wird; object being created is controlled;
(iv) der Grad der Entlüftung des aushärtbaren Baustoffs in der Vorrichtung 7 in Abhängigkeit der über die Messeinheit 13 ermittelten Fliesseigenschaften der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung gesteuert wird; (iv) the degree of ventilation of the hardenable building material in the device 7 is controlled as a function of the flow properties of the water-containing mineral binder composition determined by the measuring unit 13;
(v) die Bewegungsvorrichtung 2 und damit die Position des Druckkops 3 in Abhängigkeit eines im Datenspeicher der Steuereinheit 14 gespeicherten Modells des zu erzeugenden Objekts gesteuert wird. (v) the movement device 2 and thus the position of the print head 3 is controlled as a function of a model of the object to be generated stored in the data memory of the control unit 14.
Beispiel 1 example 1
Die erfindungsgemässe trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung weist die in Tabelle 1 beschriebene Zusammensetzung auf.
The dry mineral binder composition according to the invention has the composition described in Table 1.
Tabelle 1 : Table 1 :
Verwendete Materialien Aluminiumsulfat ist Al2(S04)3 18 H2O, erhältlich bei Merck, Schweiz. Materials used Aluminum sulfate is Al2 (S04) 3 18 H2O, available from Merck, Switzerland.
Betoflow® D ist ein feines Calciumcarbonat-Pulver von etwa 1 -5 pm Betoflow ® D is a fine calcium carbonate powder of around 1 -5 pm
Partikelgrösse, erhältlich bei Omya. Particle size, available from Omya.
Nekafill® 15 ist ein Kalksteinmehl, erhältlich bei Kalkfabrik Netstal. Nekafill ® 15 is a limestone powder, available from Kalkfabrik Netstal.
Sika® ViscoCrete®-225P ist ein pulverförmiger Superverflüssiger auf Basis eines Polycarboxylatethers, erhältlich bei Sika. Sika ® ViscoCrete ® -225P is a powdery superplasticizer based on a polycarboxylate ether, available from Sika.
Carbowet® 4000 ist ein Entschäumer, erhältlich bei Air Products Chemicals Europe. Carbowet ® 4000 is a defoamer, available from Air Products Chemicals Europe.
Denka CSA #20 ist ein Schwindreduzierer auf Basis Calciumsulfoaluminatzement, erhältlich bei Newchem, Schweiz. Denka CSA # 20 is a calcium sulfoaluminate cement based shrinkage reducer, available from Newchem, Switzerland.
Der 3D-Druck wurde mit einem System wie beispielhaft in Fig. 1 dargestellt, durchgeführt. The 3D printing was carried out with a system as shown by way of example in FIG. 1.
Die trockene Bindemittelzusammensetzung mit der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung, wurde kontinuierlich mit einer solchen Menge Wasser in der
Mischvorrichtung vermischt, um ein Gewichts-Verhältnis von Wasser zu trockener Bindemittelzusammensetzung von etwa 0.16 zu erhalten. Anschliessend wurde die wasserhaltige mineralische Bindemittelmischung mit dem in der The dry binder composition with the composition shown in Table 1 was continuously with such an amount of water in the Mixer mixed to obtain a weight ratio of water to dry binder composition of about 0.16. The water-containing mineral binder mixture was then mixed with the in the
Mischvorrichtung integrierten Schneckenförderer über die flexible Förderleitung zu dem Druckkopf des 3D-Druckers gefördert. Mixing device integrated screw conveyor conveyed via the flexible conveying line to the print head of the 3D printer.
Die Förderung der trockenen Bindemittelzusammensetzung, die Zugabe des Wassers, das Mischen mit dem Wasser, das Fördern der wasserhaltigen The promotion of the dry binder composition, the addition of the water, the mixing with the water, the promotion of the hydrous
Bindemittelzusammensetzung und die Bewegung des Druckkopfes wurden über eine Steuereinheit gesteuert. Binder composition and the movement of the print head were controlled by a control unit.
Die Temperatur des Anmachwassers und die der Umgebungsluft lag bei etwa 25°C. The temperature of the mixing water and that of the ambient air was around 25 ° C.
Die Bindemittelzusammensetzung wurde mit dem Druckkopf auf eine Plastikfolie, die auf einem Betonboden ausgelegt war, in Schichten von etwa 30 mm Breite und 10 mm Flöhe aufgetragen. Die horizontale Geschwindigkeit des Druckkopfes betrug dabei etwa 40 mm pro Sekunde. In mehreren vertikal übereinander liegenden Schichten wurde ein Rohr mit etwa 0.6 m Durchmesser und einer Flöhe von 2 Metern hergestellt. Der Formkörper war nach etwa 2 Stunden und 40 Minuten fertig gestellt. Die Flöhe der unteren Schichten und der oberen Schichten unterschieden sich nicht mehr als 5%. Der gedruckte Formkörper wies eine wellenförmige, sehr einheitliche Oberfläche ohne sichtbare Fehlstellen auf. Auch nach 3 Tagen Lagerung bei 25°C und etwa 40% relativer Luftfeuchte zeigte der Formkörper keine sichtbaren Risse. The binder composition was applied with the printhead to a sheet of plastic laid out on a concrete floor in layers about 30 mm wide and 10 mm fleas. The horizontal speed of the print head was about 40 mm per second. A pipe with a diameter of about 0.6 m and a fleas of 2 meters was made in several vertical layers. The molding was completed after about 2 hours and 40 minutes. The fleas of the lower layers and the upper layers differed no more than 5%. The printed molding had a wavy, very uniform surface with no visible defects. Even after 3 days of storage at 25 ° C. and about 40% relative humidity, the molded article showed no visible cracks.
Etwa 16 Stunden nach dem Aufträgen der letzten Schicht wurde der Flohlkörper mit FHilfe von Tragriemen und einem Kran auf eine Transportpalette gehoben, ohne dass Schäden an dem gedruckten Formkörper entstanden. About 16 hours after the last layer had been applied, the flea body was lifted onto a transport pallet with the aid of carrying straps and a crane without causing any damage to the printed molding.
Nach etwa vier Tagen wurde der Formkörper mit FHilfe eines schweren Flammers zerstört und die Bruchstücke optisch analysiert. Die Bruchflächen wiesen eine einheitliche Oberfläche, ohne Lufteinschlüsse oder Fehlstellen auf. Die After about four days the molding was destroyed with the aid of a heavy flame and the fragments were optically analyzed. The fracture surfaces had a uniform surface, without air inclusions or defects. The
Bruchflächen zeigten keine bevorzugte Orientierung, das heisst, die Fracture surfaces showed no preferred orientation, that is, the
aufgetragenen Schichten wiesen einen gleich guten Verbund untereinander wie innerhalb der gleichen Schicht auf.
Für die Bestimmung der Festigkeit des Mörtels wurden Prismen von 40 x 40 x 160 mm hergestellt und gemäss DIN EN 196-1 geprüft. Die Druckfestigkeit des Mörtels nach 28 Tagen Lagerung bei 20°C und 95% rel. Luftfeuchte betrug 50.2 MPa, die Biegezugfestigkeit 8 MPa. applied layers showed the same good bond with one another as within the same layer. To determine the strength of the mortar, prisms measuring 40 x 40 x 160 mm were produced and tested in accordance with DIN EN 196-1. The compressive strength of the mortar after 28 days of storage at 20 ° C and 95% rel. Air humidity was 50.2 MPa, the flexural strength was 8 MPa.
Beispiel 2 Example 2
Für Beispiel 2 wurden Versuche wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt. For example 2, experiments as described in example 1 were carried out.
Allerdings wurde in der Formulierung der Tabelle 1 die Menge an Denka CSA #20 wie in Tabelle 2 angegeben jeweils angepasst. Es wurden Erstarrungsbeginn und Erstarrungsende nach DIN EN 196-3 bestimmt. Ausserdem wurde die lineare Volumenabnahme innerhalb von 16 h nach dem Anmachen mit Wasser in However, in the formulation of Table 1, the amount of Denka CSA # 20 as indicated in Table 2 was adjusted in each case. The start and end of solidification were determined in accordance with DIN EN 196-3. In addition, the linear decrease in volume within 16 h after mixing with water in
Anlehnung an EN 12617-4 bestimmt. Die folgende Tabelle 2 gibt einen Überblick der Ergebnisse. Determined based on EN 12617-4. The following table 2 gives an overview of the results.
Tabelle 2: Formulierungen und Ergebnisse des Beispiels 2 Table 2: Formulations and results of Example 2
*1 Gewichts-% in der Bindemittelzusammensetzung der Tabelle 1 * 1 % by weight in the binder composition of Table 1
Verqleichsbeispiel 1 Comparative example 1
Beispiel 1 wurde unter Beibehaltung der Druckparameter wiederholt, allerdings enthielt die Bindemittelzusammensetzung kein Aluminiumsulfat. Noch bevor eine Druckhöhe von 0.3 m erreicht war, fiel die Struktur in sich zusammen. Example 1 was repeated while maintaining the printing parameters, but the binder composition did not contain any aluminum sulfate. Even before a pressure height of 0.3 m was reached, the structure collapsed.
Verqleichsbeispiel 2 Comparative example 2
Ein Frischmörtel aus 120 kg Zement CEM I 52.5, 92 kg Quarzsand von 0-1 mm, 33 kg Betoflow®-D, 80 kg Nekafill® 15, 0.6 kg Sika® ViscoCrete®-225P, 0.004 kg Carbowet® 4000, 0.3 kg Superabsorber und 56.8 kg Wasser wurde in einem Zwangsmischer zubereitet. A fresh mortar on 120 kg cement CEM I 52.5, 92 kg of quartz sand of 0-1 mm, 33 kg Betoflow ® -D 80 kg Nekafill ® 15, 0.6 kg Sika ® ® ViscoCrete -225P, 0004 kg Carbowet® 4000, 0.3 kg superabsorbent and 56.8 kg of water was prepared in a compulsory mixer.
Die Applikation mittels 3D-Drucker erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben.
Der Mörtel floss aus der Austragsdüse und konnte nicht in Schichten aufgetragen werden. Der Versuch wurde daraufhin abgebrochen. The application by means of a 3D printer was carried out as described in Example 1. The mortar flowed out of the discharge nozzle and could not be applied in layers. The attempt was then canceled.
In Fig. 2 ist schematisch die zeitliche Festigkeitsentwicklung von Mörteln gleich nach dem Vermischen mit Wasser bis zu mehreren Stunden dargestellt: In Fig. 2 the strength development of mortars over time is shown schematically immediately after mixing with water for up to several hours:
durchgezogene Linie: typische Festigkeitsentwicklung eines Mörtels wie in solid line: typical strength development of a mortar as in
Beispiel 1 beschrieben; Example 1 described;
gepunktete Linie: typische Festigkeitsentwicklung eines Mörtels wie in dotted line: typical strength development of a mortar as in
Vergleichsbeispiel 1 beschrieben; Comparative Example 1 described;
unterbrochene Linie: typische Festigkeitsentwicklung eines Mörtels wie in broken line: typical strength development of a mortar as in
Vergleichsbeispiel 2 beschrieben. Comparative Example 2 described.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich als illustrative Beispiel zu verstehen, welche im Rahmen der Erfindung beliebig abgewandelt werden können. The embodiments described above are to be understood only as illustrative examples, which can be modified as desired within the scope of the invention.
So kann beispielsweise der statische Mischer 6 weggelassen werden, so dass im Druckkopf weder ein statischer noch ein dynamischer Mischer vorliegt. For example, the static mixer 6 can be omitted, so that there is neither a static nor a dynamic mixer in the print head.
Zusätzlich oder anstelle der in der Mischvorrichtung 10 integrierten In addition to or instead of those integrated in the mixing device 10
Fördervorrichtung können eine oder mehrere weitere Fördervorrichtungen in der Förderleitung 12 und/oder im Druckkopf 3 vorgesehen werden. Dabei kann es sich auch um andere Fördervorrichtungen handeln als um Förderschnecken. Conveying device, one or more further conveying devices can be provided in the conveying line 12 and / or in the print head 3. This can also involve other conveying devices than screw conveyors.
Ebenfalls möglich ist es, im Bereich des Druckkopfs 3 und/oder in der It is also possible in the area of the print head 3 and / or in the
Förderleitung 12 anstelle oder zusätzlich zu den Messeinheit 8, 13 andere Delivery line 12 instead of or in addition to the measuring unit 8, 13 others
Messeinheit vorzusehen, welche z.B. eine Temperaturmessung ermöglichen.To provide measuring unit, which e.g. enable temperature measurement.
Auch denkbar ist es, die Messeinheit 13 in der Förderleitung vollständig It is also conceivable to completely place the measuring unit 13 in the delivery line
wegzulassen oder im Druckkopf zu integrieren. to be omitted or to be integrated in the printhead.
Die Mischvorrichtung 10 kann auch weniger oder mehr Einlässe aufweisen, so dass zusätzliche Komponenten, welche in zusätzlichen Behältnissen vorliegen, zudosiert werden können.
Anstelle eines oder mehrere der Behältnisse 11.1 , 112, 11.3 können auch Anschlüsse an externe Quellen, z.B. an einen Wasseranschluss, vorliegen. The mixing device 10 can also have fewer or more inlets, so that additional components that are present in additional containers can be metered in. Instead of one or more of the containers 11.1, 112, 11.3, connections to external sources, for example to a water connection, can also be provided.
Auch möglich ist es, die Steuereinheit anders zu programmieren, beispielsweise so dass ein Volumenstrom durch die Förderleitung 12 und/oder den Druckkopf 3 berücksichtigt wird. It is also possible to program the control unit differently, for example so that a volume flow through the delivery line 12 and / or the print head 3 is taken into account.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 System 1 system
2 Bewegungsvorrichtung 2 movement device
2.1 beweglicher Arm 2.1 movable arm
3 Druckkopf 3 printhead
3.1 Durchlass 3.1 Passage
4 steuerbarer Auslass 4 controllable outlet
5 Einlassdüse 5 inlet nozzle
6 statischer Mischer 6 static mixer
7 Entlüftungsvorrichtung 7 ventilation device
8 Druckmesseinheit 8 pressure measuring unit
9 Zuführvorrichtung 9 feeding device
10 Mischvorrichtung 10 mixing device
10.1 erster Einlass 10.1 first admission
10.2 zweiter Einlass 10.2 second entry
10.3 dritter Einlass 10.3 third entry
11.1 erstes Behältnis 11.1 first container
11.2 zweites Behältnis 11.2 second container
11.3 drittes Behältnis 11.3 third container
11.4 Reservoir 11.4 reservoir
12 flexible Leitung 12 flexible line
13 Messeinheit mit Ultraschalltransducer 13 Measuring unit with ultrasonic transducer
14 Steuereinheit 14 control unit
15a..h Steuer- und Datenleitungen
15a..h control and data lines
Claims
1. Trockene mineralische Bindemittelzusammensetzung umfassend Zement und mineralische Füllstoffe für die Herstellung von Formköpern mittels 3D-Druck, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittelzusammensetzung noch mindestens einen auf Aluminiumsulfat basierenden Beschleuniger, mindestens einen Superverflüssiger auf Basis eines Polycarboxylatethers und mindestens ein Rheologiehilfsmittel umfasst, wobei der Polycarboxylatether mindestens 1 mmol, insbesondere mindestens 1.2 mmol, im Speziellen mindestens 1.8 mmol, Carbonsäuregruppen pro Gramm trockenen Polycarboxylatether aufweist. 1. Dry mineral binder composition comprising cement and mineral fillers for the production of molded articles by means of 3D printing, characterized in that the binder composition also comprises at least one accelerator based on aluminum sulfate, at least one superplasticizer based on a polycarboxylate ether and at least one rheological aid, the polycarboxylate ether has at least 1 mmol, in particular at least 1.2 mmol, in particular at least 1.8 mmol, carboxylic acid groups per gram of dry polycarboxylate ether.
2. Bindemittelzusammensetzung gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der auf Aluminiumsulfat basierende Beschleuniger in 0.1 bis 2 Gewichts- %, bevorzugt in 0.3 bis 1.5 Gewichts-%, insbesondere in 0.4 bis 1.0 Gewichts- %, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen 2. Binder composition according to claim 1, characterized in that the accelerator based on aluminum sulfate in 0.1 to 2% by weight, preferably in 0.3 to 1.5% by weight, in particular in 0.4 to 1.0% by weight, based on the total weight of the dry
Bindemittelzusammensetzung, vorhanden ist. Binder composition, is present.
3. Bindemittelzusammensetzung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polycarboxylatether in 0.02 bis 5 Gewichts- %, bevorzugt in 0.05 bis 4 Gewichts-%, insbesondere in 0.1 bis 3 Gewichts-%, gerechnet als trockenes Polymer bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung, vorhanden ist. 3. Binder composition according to one of the preceding claims, characterized in that the polycarboxylate ether in 0.02 to 5% by weight, preferably in 0.05 to 4% by weight, in particular in 0.1 to 3% by weight, calculated as dry polymer based on the total weight of the dry binder composition.
4. Bindemittelzusammensetzung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rheologiehilfsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus modifizierten Stärken, modifizierten Cellulosen, mikrobiellen Polysacchariden, Superabsorber und mineralischen 4. Binder composition according to one of the preceding claims, characterized in that the rheological aid is selected from the group consisting of modified starches, modified celluloses, microbial polysaccharides, superabsorbents and mineral ones
Verdickungsmitteln. Thickeners.
5. Bindemittelzusammensetzung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei unterschiedliche Rheologiehilfsmittel in der trockenen 5. Binder composition according to one of the preceding claims, characterized in that at least two, preferably at least three different rheological aids in the dry
Bindemittelzusammensetzung vorhanden sind.
Binder composition are present.
6. Bindemittelzusammensetzung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass noch 0.1 bis 5 Gewichts-%, bevorzugt 0.1 bis 4.5 Gewichts-%, mehr bevorzugt 0.5 bis 3 Gewichts-%, Calciumsulfoaluminat, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung, vorhanden sind. 6. Binder composition according to one of the preceding claims, characterized in that 0.1 to 5% by weight, preferably 0.1 to 4.5% by weight, more preferably 0.5 to 3% by weight, calcium sulfoaluminate, based on the total weight of the dry binder composition, are present .
7. Bindemittelzusammensetzung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass noch mindestens ein Entschäumer, 7. Binder composition according to one of the preceding claims, characterized in that at least one defoamer,
insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Öl-basierten in particular selected from the group consisting of oil-based
Entschäumern, Silikon-basierten Entschäumern, Alkylestern von Phosphor oder Phosphonsäure, alkoxylierten Polyolen, Fettsäure basierten Defoamers, silicone-based defoamers, alkyl esters of phosphorus or phosphonic acid, alkoxylated polyols, fatty acid-based
Entschäumern, alkoxylierten Fettalkoholen und Mischungen davon, vorhanden ist. Defoamers, alkoxylated fatty alcohols, and mixtures thereof.
8. Bindemittelzusammensetzung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend: 8. Binder composition according to one of the preceding claims comprising:
- 10 bis 50 Gewichts-% Zement, insbesondere Portlandzement, - 10 to 50% by weight of cement, in particular Portland cement,
- 0.1 bis 5 Gewichts-%, bevorzugt 0.1 bis 4.5 Gewichts-%, mehr bevorzugt 0.5 bis 3 Gewichts-%, Calciumsulfoaluminat, - 0.1 to 5% by weight, preferably 0.1 to 4.5% by weight, more preferably 0.5 to 3% by weight, calcium sulfoaluminate,
- 0 bis 10 Gewichts-% mindestens eines latent hydraulischen Bindemittels, insbesondere Metakaolin und/oder Silicastaub, - 0 to 10% by weight of at least one latent hydraulic binder, in particular metakaolin and / or silica dust,
- 45 bis 85 Gewichts-% mineralische Füllstoffe, - 45 to 85% by weight mineral fillers,
- 0.1 bis 2 Gewichts-% eines Beschleunigers auf Basis von Aluminiumsulfat, - 0.1 to 2% by weight of an accelerator based on aluminum sulfate,
- 0.02 bis 5 Gewichts-% mindestens eines Polycarboxylatethers, - 0.02 to 5% by weight of at least one polycarboxylate ether,
- 0.01 bis 2 Gewichts-% mindestens eines Rheologiehilfsmittels, - 0.01 to 2% by weight of at least one rheological aid,
- 0.01 bis 1 Gewichts-% mindestens eines Entschäumers und - 0.01 to 1% by weight of at least one defoamer and
- 0 bis 10 Gewichts-% weitere Additive, - 0 to 10% by weight further additives,
bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bindemittelzusammensetzung. based on the total weight of the dry binder composition.
9. Wasserhaltige mineralische Bindemittelzusammensetzung, erhalten durch Vermischen der trockenen mineralischen Bindemittelzusammensetzung
gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche mit Wasser, wobei das 9. Aqueous mineral binder composition obtained by blending the dry mineral binder composition according to one of the preceding claims with water, wherein the
Vermischen insbesondere in einem kontinuierlichen Mischer erfolgt. Mixing takes place in particular in a continuous mixer.
10. Verwendung der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung gemäss Anspruch 9 für die Herstellung von Formkörpern mittels 3D-Druck. 10. Use of the water-containing mineral binder composition according to claim 9 for the production of moldings by means of 3D printing.
11. Verfahren zum Applizieren einer mineralischen Bindemittelzusammensetzung, insbesondere mittels 3D-Druck, umfassend die Schritte: 11. A method for applying a mineral binder composition, in particular by means of 3D printing, comprising the steps:
- Bereitstellen einer trockenen mineralischen Bindemittelzusammensetzung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, Wasser und optional mindestens eines weiteren Additivs; - providing a dry mineral binder composition according to any one of claims 1 to 8, water and optionally at least one further additive;
- Zugeben der trockenen mineralischen Bindemittelzusammensetzung, - adding the dry mineral binder composition,
Wasser und des optional mindestens einen weiteren Additivs in eine Mischvorrichtung (10), insbesondere in eine Mischkammer der Water and the optionally at least one further additive in a mixing device (10), in particular in a mixing chamber of the
Mischvorrichtung, mit einer Zuführvorrichtung (9); Mixing device, with a feed device (9);
- Vermischen der trockenen mineralischen Bindemittelzusammensetzung mit Wasser und dem optional mindestens einem weiteren Additiv in der Mischvorrichtung (10) unter Erhalt einer wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung; - Mixing the dry mineral binder composition with water and the optionally at least one further additive in the mixing device (10) to obtain a water-containing mineral binder composition;
- Zuführen der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung durch eine Förderleitung (12) zu einem in wenigstens einer Raumrichtung bewegbaren Druckkopf (3) unter Verwendung einer Fördervorrichtung; - Feeding the water-containing mineral binder composition through a delivery line (12) to a print head (3) movable in at least one spatial direction using a delivery device;
- Applizieren der wasserhaltigen mineralischen - Applying the water-based mineral
Bindemittelzusammensetzung mit dem bewegbaren Druckkopf (3). Binder composition with the movable print head (3).
12. Verfahren gemäss Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass 12. The method according to claim 11, characterized in that
- mindestens ein weiteres Additiv der trockenen mineralischen - at least one other additive of the dry mineral
Bindemittelzusammensetzung zusammen mit dem Wasser zugegeben wird, wobei das mindestens eine weitere Additiv einen weiteren Binder composition is added together with the water, the at least one further additive being a further
Polycarboxylatether, einen Verzögerer und/oder ein weiteres Polycarboxylate ether, a retarder and / or another
Rheologiehilfsmittel, insbesondere einen Polycarboxylatether, umfasst, und Rheology aid, in particular a polycarboxylate ether, comprises, and
- wobei die Dosierung des mindestens einen weiteren Additivs in - The metering of the at least one further additive in
Abhängigkeit von Druckbedingungen wie horizontaler und vertikaler
Druckgeschwindigkeit, Druckhöhe und Umgebungstemperatur, angepasst wird. Dependent on printing conditions such as horizontal and vertical Print speed, print height and ambient temperature.
13. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der horizontalen Bewegung des Druckkopfes beim Applizieren der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung mindestens 20 mm pro Sekunde, bevorzugt mindestens 30 mm pro Sekunde, insbesondere mindestens 40 mm pro Sekunde, beträgt. 13. The method according to any one of claims 11 or 12, characterized in that the speed of the horizontal movement of the print head when applying the water-containing mineral binder composition is at least 20 mm per second, preferably at least 30 mm per second, in particular at least 40 mm per second.
14. Formkörper, hergestellt durch Vermischen einer trockenen mineralischen 14. Shaped body made by mixing a dry mineral
Bindemittelzusammensetzung gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 mit Wasser und optional weiteren Additiven, schichtweises Aufträgen der wasserhaltigen mineralischen Bindemittelzusammensetzung mit einem 3D- Drucker und Härten der Bindemittelzusammensetzung. Binder composition according to at least one of claims 1 to 8 with water and optionally further additives, application of the water-containing mineral binder composition in layers with a 3D printer and hardening of the binder composition.
15. Formkörper gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Höhe von mindestens 0.5 m, mehr bevorzugt mindestens 1 m, im Speziellen mindestens 1.5 m oder 2 m, aufweist, wobei sich die Höhe aus der Summe aller Dicken der in vertikaler Richtung aufgebrachten Schichten ergibt.
15. Shaped body according to claim 14, characterized in that it has a height of at least 0.5 m, more preferably at least 1 m, especially at least 1.5 m or 2 m, the height being the sum of all thicknesses applied in the vertical direction Layers results.
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