EP4135918A1 - Method using an inorganic binder for producing cured three-dimensionally layered shaped bodies for foundry cores and moulds - Google Patents

Method using an inorganic binder for producing cured three-dimensionally layered shaped bodies for foundry cores and moulds

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Publication number
EP4135918A1
EP4135918A1 EP21719559.3A EP21719559A EP4135918A1 EP 4135918 A1 EP4135918 A1 EP 4135918A1 EP 21719559 A EP21719559 A EP 21719559A EP 4135918 A1 EP4135918 A1 EP 4135918A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
inorganic binder
range
mass
refractory
molding material
Prior art date
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Pending
Application number
EP21719559.3A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Theodorus Johannes KOOIJERS
Hartmut POLZIN
Tom KOOIJERS
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Peak Deutschland GmbH
Original Assignee
Peak Deutschland GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B22C1/188—Alkali metal silicates
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    • C04B2111/00939—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for the fabrication of moulds or cores

Definitions

  • the invention relates to a method for building up cured three-dimensionally layered molded bodies for foundry cores and molds from a refractory base material with an average grain size in the range from 0.1 mm to 2.0 mm and the use of an inorganic binder containing an alkali silicate solution for the production of cured three-dimensionally layered moldings for foundry cores and molds.
  • the casting production process is a primary forming process with a whole range of advantages, such as the extensive freedom of design of the cast parts produced, the availability of all technically important metals in the form of cast alloys or the possibility of integrating several functions in one component as well as the unlimited recyclability of the cast products produced.
  • a major disadvantage of the casting process is the relatively long and time-consuming path from the designer's idea to the production of the pattern equipment, the production of the molds and cores and ultimately the production of the cast product from the desired material.
  • the rapid provision of a prototype from a design for a component takes place through generative manufacturing processes, including the generation of the layer geometry directly from 3D computer-aided design (CAD) data, in particular through selective laser sintering (SLS) , Stereolithography (STL), laminated object manufacturing (LOM), molding material printing or direct molding material milling.
  • CAD computer-aided design
  • SLS selective laser sintering
  • STL Stereolithography
  • LOM laminated object manufacturing
  • molding material printing direct molding material milling.
  • molding material printing also known as Generis-Method®
  • the molding material printers used carry a previously prepared mixture of molding base material, in particular quartz sand, in layers; and hardeners, especially acids such as paratoluene sulfonic acid; on the work table.
  • the print head then moves over this area and sprays the areas intended for solidification with furan resin binder.
  • a new layer of sand-hardener mixture is then applied and the binder is sprayed, creating a molded part made of furan resin-bonded molding material in layers.
  • the molded part produced in this way has a low initial strength and has to post-cure for 10 to 24 hours at room temperature after the "building process".
  • DE 10 2017 112 681 A1 describes a method for producing three-dimensionally layered molded bodies from a refractory molding base material and a binder comprising a resin component, in particular a furan resin, and an acid as a catalyst component, in particular para-toluenesulfonic acid, sulfuric acid or lactic acid or a mixture thereof.
  • the resin component preferably comprises an organic solvent, particularly preferably an alcohol, in particular ethanol.
  • inorganic molding material systems is a possible alternative.
  • the use of inorganic binders during the production of the casting molds as well as during casting and cooling does not result in any emissions in the form of carbon dioxide or hydrocarbons, in order to protect the environment and to reduce the odor nuisance of the environment from hydrocarbons, in particular from aromatic hydrocarbons.
  • DE 10 2011 105 688 A1 describes a method for building up solid bodies in layers, wherein a particulate material, preferably sand; comprising spray-dried alkali silicate solution and preferably an inorganic hardener, applied in layers and selectively hardened with a solution comprising water and then dried.
  • a particulate material preferably sand
  • spray-dried alkali silicate solution preferably an inorganic hardener
  • DE 10 2014 118 577 A1 discloses a method for the layered construction of molds and cores with a water glass-containing binder, a thin layer of a refractory molding material being spread out and with a layer of a binder, comprising water glass in the form of an alkali silicate solution and at least one Phosphate and / or a borate, is printed.
  • the subsequent curing is preferably carried out by increasing the temperature using microwaves and / or infrared light. Curing takes place disadvantageously through an increase in temperature, microwaves and / or infrared light, which can lead to heat distortion of the shaped bodies.
  • WO 2014/056 482 A1 discloses a method for building up molded bodies in layers, comprising consolidation by means of thermal energy, in particular pre-consolidation and final consolidation by drying.
  • WO 2014/056 482 A1 describes the use of “water glass” as a binder, an aqueous water glass solution being mixed with sand and then the material being dried and broken. This material is hardened with water as a pressure fluid.
  • the water glass ester process offers an alternative.
  • the water glass ester process is used to manufacture molds and cores from moist, pourable molding materials.
  • water glass ester molding mixtures have good processing properties, in particular high flowability and easy compressibility.
  • the object of the present invention is therefore to provide an improved method for the production of cured three-dimensionally layered molded bodies
  • the object is achieved by the method according to the invention for building up cured three-dimensionally layered moldings for foundry cores and molds in layers, comprising the steps of a) providing a refractory mold base material with an average grain size in the range from 0.1 mm to 2.0 mm containing at least one Hardener, the hardener being an aqueous solution of an organic ester and having a viscosity at 20 ° C in the range from 0.5 mPa-s to 50 mPa-s, b) applying a layer of the refractory basic molding material using a 3D molding material printer, c) Contacting and curing of at least part of the layer of the refractory molding base material with an inorganic binder by means of the print head of the 3D molding material printer, the inorganic binder containing alkali silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof and a viscosity at 20 ° C im Has a range from 1 mPa ⁇
  • 3D molding material printer is understood to mean manufacturing devices in which a material, in particular a molding base material, is applied layer by layer and thus three-dimensional Objects, in particular molded bodies, are produced.
  • the layer-by-layer build-up is computer-controlled from one or more basic mold materials according to specified dimensions and shapes.
  • the method according to the invention using the inorganic binder is environmentally friendly, inter alia because when using the moldings as foundry cores and molds, preferably for metal casting; No emissions that are harmful to the environment and / or health are generated when pouring the molten metal.
  • the processing characteristics can advantageously be adapted and have good processing properties, even in the manufacture of complex foundry cores and molds; on.
  • the method according to the invention advantageously results in a reduced evolution of gas and thus a reduced formation of defects due to gas inclusions using inorganic binders.
  • step c due to the hardening with the inorganic binder in step c), there is no heat distortion of the three-dimensionally layered shaped bodies.
  • the uncured molding base material removed in step d) can also advantageously be regenerated using conventional methods, i.e. reprocessing by washing out the hardener.
  • the cured three-dimensionally layered molded body is a mold, a molded part or a core.
  • the refractory basic molding material is expediently selected from quartz sand, chromite sand, zircon sand, olivine sand, mullite sand, bauxite sand, corundum sand, rutile sand, chamotte, silicon carbide and mixtures thereof.
  • the refractory basic molding material is preferably quartz sand.
  • the refractory basic molding material has an average grain size in the range from 0.15 mm to 0.5 mm; and / ora grain shape selected from splintery, angular, rounded or rounded, preferably rounded or rounded; on.
  • mean grain size is understood to mean the size or diameter of individual particles, also called grains, of the refractory basic molding material.
  • hardener is understood to mean a substance for crosslinking the binder and / or the refractory material as the basis for the creation of a solid grain bond.
  • the at least one hardener comprises at least one organic ester selected from monoacetin, diacetin, triacetin, propylene carbonate and butylene carbonate.
  • Monoacetin reacts very quickly, whereas the reaction with triacetin is much slower.
  • the hardener is an aqueous solution of an organic ester.
  • the hardener has a viscosity at 20 ° C. in the range from 0.5 mPas to 50 mPas, preferably in the range from 1 mPas to 10 mPas; on.
  • the hardener comprises a mixture of at least two organic esters.
  • the use of mixtures of at least two organic esters advantageously makes it possible to adapt the curing process in accordance with the ambient conditions such as temperature and humidity.
  • the refractory basic molding material has at least one hardener with a content in the range from 5% by volume to 20% by volume based on the inorganic binder, preferably 8% by volume to 12% by volume; and / or with a content in the range from 0.1% by volume to 2% by volume based on the refractory base molding material, preferably 0.16% by volume to 1.2% by volume; on.
  • the layer of the refractory basic molding material in step b) is coated with a layer thickness of one grain layer, preferably with a layer thickness in the range from 0.1 mm to 2.0 mm; applied.
  • the layer of the refractory basic molding material is applied in step b) by means of a sand slide.
  • the at least part of the layer of the refractory molding material is contacted with an inorganic binder with a content in the range from 2% by volume to 10% by volume based on the refractory molding base material.
  • at least a part of the layer of the refractory molding base material is contacted with the inorganic binder by means of the print head of the 3-D molding material printer by spraying.
  • the term “print head” is understood to mean a component from a 3D molding material printer with which the inorganic binder and / or hardener is pressed evenly out of the forming opening.
  • the printhead has a pressure sensor, with which the pressure is controlled.
  • the inorganic binder has a viscosity at 20 ° C. in the range from 1 mPas to 100 mPas, preferably in the range from 10 mPas to 40 mPas; and / or a surface tension at 20 ° C. in the range from 30 N / m to 40 N / m.
  • the inorganic binder advantageously has a viscosity which requires a sufficient level of strength and good atomization properties, so that the inorganic binder can be “printed”, ie. H. does not flow out of the printhead and the nozzles of the printhead are not clogged.
  • viscosity is understood to mean the dynamic viscosity.
  • the viscosity is determined using commercially available measuring devices such as falling body or rotation viscometers.
  • the surface tension is determined, for example, by means of a measuring method using the capillary effect or the contact angle measurement.
  • the inorganic binder contains 5% by mass to 35% by mass, preferably 15% by mass to 30% by mass, alkali silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof based on the total mass of the inorganic binder.
  • the inorganic binder also contains water.
  • the inorganic binder contains 65% by mass to 95% by mass, preferably 70% by mass to 85% by mass, of water based on the total mass of the inorganic binder.
  • the constituents of the inorganic binder add up to 100% by mass.
  • the inorganic binder also contains 1% by mass to 49% by mass, preferably 1% by mass to 45% by mass, nanoparticles of metal oxides and / or metal silicates based on the total mass of the inorganic binder, the nanoparticles being selected from silicon dioxide , Aluminum silicate, calcium silicate, iron oxide and their mixtures.
  • nanoparticles is understood to mean particles in any shape, which have dimensions in the range from 1 to 100 nm.
  • the inorganic binder advantageously contains nanoparticles as an additive, as a result of which better printability is achieved when the inorganic binder is used to produce three-dimensionally layered molded bodies.
  • the inorganic binder contains 5% to 35% by mass, preferably 15% to 30% by mass, alkali silicate, 1% to 45% by mass, preferably 1% to 35% by mass , Nanoparticles made of metal oxides and / or metal silicates and 20% by mass to 94% by mass, preferably 50% by mass to 85% by mass, water based on the total mass of the inorganic binder.
  • the inorganic binder has a solids content in the range from 15% by mass to 50% by mass based on the total mass of the inorganic binder.
  • the inorganic binder contains at least one further component, the at least one further component being selected from dyes, phosphates, borates and surface-active substances (surfactants).
  • the dye in the inorganic binder advantageously enables the print result to be visualized.
  • the curing in step c) takes place by means of chemical curing by polycondensation.
  • the chemical hardening by polycondensation in step c) advantageously achieves hardening within the layer and between adjacent layers.
  • the curing in step c) takes place within 1 hour to 24 hours.
  • the curing in step c) takes place at a temperature in the range from 10 ° C to 35 ° C.
  • the chemical curing takes place additionally by means of hot air, infrared radiation and / or microwave radiation. The additional hardening by means of hot air, infrared radiation and / or microwave radiation advantageously further accelerates the hardening process
  • steps a) to d) are repeated at least once.
  • the invention also relates to a method for building up cured three-dimensionally layered moldings for foundry cores and molds in layers, comprising the steps of a) providing a refractory basic mold material with an average grain size in the range from 0.1 mm to 2.0 mm containing at least one inorganic binder wherein the inorganic binder contains alkali silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof and has a viscosity at 20 ° C.
  • step c) Applying a layer of the refractory molding base material by means of a 3D molding material printer, c) contacting and curing at least part of the layer of the refractory molding material with at least one hardener by means of the printing head of the 3D molding material printer, the hardener being an aqueous solution of an organic ester and has a viscosity at 20 ° C in the range of 0.5 mPas to 50 mPas; and d) removing uncured mold base material, steps a) to c) being repeated at least once, the curing in step c) taking place by means of chemical curing by polycondensation.
  • the invention also relates to the use of the method according to the invention for the production of foundry cores and molds, preferably for metal casting, particularly preferably for iron, steel, copper or aluminum casting.
  • Another aspect of the invention relates to the use of an inorganic binder containing alkali metal silicate, selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof, with a viscosity at 20 ° C. in the range from 1 mPa ⁇ s to 100 mPa ⁇ s, in one Process for the layer-by-layer construction of cured three-dimensionally layered moldings for foundry cores and molds.
  • alkali metal silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof
  • an inorganic binder is used containing 5% by mass to 35% by mass, preferably 15% by mass to 30% by mass, alkali metal silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof based on the total mass of the inorganic binder .
  • an inorganic binder is used which also contains water.
  • an inorganic binder is used containing 75% by mass to 99% by mass, preferably 80% by mass to 95% by mass, of water, based on the total mass of the inorganic binder.
  • an inorganic binder is also used containing 1% by mass to 45% by mass, preferably 1% by mass to 35% by mass, nanoparticles of metal oxides and / or metal silicates based on the total mass of the inorganic binder, the nanoparticles being selected are made of silicon dioxide, aluminum silicate, calcium silicate, iron oxide and their mixtures.
  • an inorganic binder is used containing 5% to 35% by mass, preferably 15% to 30% by mass, alkali silicate, 1% to 45% by mass, preferably 1% to 35% by mass %
  • an inorganic binder is used with a solids content in the range from 15% by mass to 50% by mass, based on the total mass of the inorganic binder.
  • an inorganic binder is used with a viscosity at 20 ° C. in the range from 1 mPas to 100 mPas, preferably with a viscosity at 20 ° C. in the range from 10 mPas to 40 mPas.
  • an inorganic binder is used with a surface tension at 20 ° C. in the range from 30 N / m to 40 N / m.
  • an inorganic binder containing at least one further component is used, the at least one further component being selected from dyes, phosphates, borates and surface-active substances (surfactants).
  • FIG. 1 shows a diagram of the contacting of a refractory molding base material containing at least one hardener with an inorganic binder by means of the printing head of the 3-D molding material printer and bonding of this to the layers below.
  • the inorganic binder has 17 mass% silicon dioxide, 9 mass% sodium oxide (Na 2 0), 0.1 mass% potassium oxide (K2O), 0.02 mass% surfactant and 73.88 mass% Water on.
  • the inorganic binder has 15% by mass of silicon dioxide, 4% by mass of sodium oxide (Na 2 O), 0.2% by mass of lithium oxide (U2O), 0.03% by mass of surfactant and 80.77% by mass of water on.
  • a cured, three-dimensionally layered molded body for foundry cores and molds is built up in layers by providing the refractory basic mold material quartz sand (rounded) with an average grain size of 0.1 mm containing 1% by volume of an aqueous monoacetin solution with a viscosity of 1 mPa-s as a hardener, applying a layer of the refractory molding material by means of a 3D molding material printer with a layer thickness of 0.1 mm, contacting and curing the layer of the refractory molding material with an inorganic binder according to the first embodiment using the printing head of the 3D molding material printer, and removal of uncured molding base material.
  • the application of the refractory basic molding material, the contacting and curing of the layer of the refractory basic molding material with the Inorganic binder and the removal of uncured mold base material are repeated four times.
  • the inorganic binder is used according to the second exemplary embodiment.

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Abstract

The invention relates to a method for building up layer by layer cured three-dimensionally layered shaped bodies for foundry cores and moulds from a refractory moulding base material (1) with an average grain size ranging from 0.1 mm to 2.0 mm and to the use of an inorganic binder (3) containing an alkali-silicate solution for producing cured three-dimensionally layered shaped bodies for foundry cores and moulds.

Description

Verfahren unter Verwendung eines anorganischen Binders für die Herstellung von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und - formen Process using an inorganic binder for the production of cured three-dimensionally layered moldings for foundry cores and molds
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen aus einem feuerfesten Formgrundstoff mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm und die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend eine Alkalisilikatlösung zur Herstellung von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen. The invention relates to a method for building up cured three-dimensionally layered molded bodies for foundry cores and molds from a refractory base material with an average grain size in the range from 0.1 mm to 2.0 mm and the use of an inorganic binder containing an alkali silicate solution for the production of cured three-dimensionally layered moldings for foundry cores and molds.
Das Fertigungsverfahren Gießen ist ein Urformverfahren mit einer ganzen Reihe von Vorteilen, wie die weitgehende Gestaltungsfreiheit der hergestellten Gussteile, die Verfügbarkeit aller technisch wichtigen Metalle in Form von Gusslegierungen oder die Möglichkeit der Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil sowie die uneingeschränkte Recyclingfähigkeit der erzeugten Gussprodukte. Ein wesentlicher Nachteil des Verfahrens Gießen ist dagegen der relativ lange und zeitaufwendige Weg von der Idee der Konstrukteure über die Fertigung der Modelleinrichtung, die Herstellung der Formen und Kerne und letztendlich der Produktion des Gusserzeugnisses aus dem gewünschten Werkstoff. The casting production process is a primary forming process with a whole range of advantages, such as the extensive freedom of design of the cast parts produced, the availability of all technically important metals in the form of cast alloys or the possibility of integrating several functions in one component as well as the unlimited recyclability of the cast products produced. A major disadvantage of the casting process, on the other hand, is the relatively long and time-consuming path from the designer's idea to the production of the pattern equipment, the production of the molds and cores and ultimately the production of the cast product from the desired material.
Die schnelle Bereitstellung eines Prototyps aus einem Entwurf für ein Bauteil („Rapid Prototyping“) erfolgt durch generative Fertigungsverfahren umfassend die Generierung der Schichtgeometrie direkt aus 3D-rechnerunterstützten Konstruktion ( computer-aided design, CAD)-Daten, insbesondere durch selektives Lasersintern (SLS), Stereolithographie (STL), Laminated Object Manufacturing (LOM), Formstoffdrucken oder direktes Formstofffräsen. The rapid provision of a prototype from a design for a component ("rapid prototyping") takes place through generative manufacturing processes, including the generation of the layer geometry directly from 3D computer-aided design (CAD) data, in particular through selective laser sintering (SLS) , Stereolithography (STL), laminated object manufacturing (LOM), molding material printing or direct molding material milling.
Bei dem Verfahren des Formstoffdruckens (auch bekannt als Generis-Verfahren®) wird ein furanharzgebundener Formstoff, genutzt. Die zum Einsatz kommenden Formstoffdrucker tragen schichtweise ein vorher hergestelltes Gemisch aus Formgrundstoff, insbesondere Quarzsand; und Härter, insbesondere Säure wie Paratoluolsulfonsäure; auf dem Arbeitstisch auf. Danach fährt der Druckkopf diese Fläche ab und besprüht die zur Verfestigung vorgesehenen Bereiche mit Furanharzbinder. Anschließend erfolgt die Auftragung einer neuen Schicht Sand-Härter- Gemischs und das Besprühen mit Binder, wodurch schichtweise ein aufgebautes Formteil aus furanharzgebundenem Formstoff entsteht. Das so hergestellte Formteil verfügt über eine niedrige Anfangsfestigkeit und muss nach dem „Bauprozess" noch 10 bis 24 h bei Raumtemperatur nachhärten. DE 10 2017 112 681 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensional geschichteten Formkörpern aus einem feuerfesten Formgrundstoff und einem Bindemittel umfassend eine Harzkomponente, insbesondere einem Furanharz, und einer Säure als Katalysatorkomponente, insbesondere para-Toluolsulfonsäure, Schwefelsäure oder Milchsäure oder eine Mischung davon. Die Harzkomponente umfasst bevorzugt ein organisches Lösemittel, besonders bevorzugt einen Alkohol, insbesondere Ethanol. In the process of molding material printing (also known as Generis-Method®) a furan resin-bound molding material is used. The molding material printers used carry a previously prepared mixture of molding base material, in particular quartz sand, in layers; and hardeners, especially acids such as paratoluene sulfonic acid; on the work table. The print head then moves over this area and sprays the areas intended for solidification with furan resin binder. A new layer of sand-hardener mixture is then applied and the binder is sprayed, creating a molded part made of furan resin-bonded molding material in layers. The molded part produced in this way has a low initial strength and has to post-cure for 10 to 24 hours at room temperature after the "building process". DE 10 2017 112 681 A1 describes a method for producing three-dimensionally layered molded bodies from a refractory molding base material and a binder comprising a resin component, in particular a furan resin, and an acid as a catalyst component, in particular para-toluenesulfonic acid, sulfuric acid or lactic acid or a mixture thereof. The resin component preferably comprises an organic solvent, particularly preferably an alcohol, in particular ethanol.
Nachteilig, kann bei dem Formstoffdrucken mit furanharzgebundenem Formstoff der anfallende nicht verfestigte Formstoff nicht ohne weiteres wieder in den Prozess zurückgeführt und wiederverwendet werden. Das teilweise noch feuchte Gemisch aus Sand und Härter würde eine weitere Härterzugabe notwendig machen, wodurch die Verfestigung hinsichtlich der Verarbeitungszeiten und der Endfestigkeiten nicht optimal ablaufen würde. Weiterhin wäre bei so hergestellten Formteilen mit einer erhöhten Gasentwicklung und damit verbundener höherer Gasblasenneignung in den erzeugten Gussteilen zu rechnen. Disadvantageously, in the case of molding material printing with furan resin-bound molding material, the resulting non-solidified molding material cannot easily be returned to the process and reused. The partially still moist mixture of sand and hardener would make it necessary to add more hardener, so that the hardening would not proceed optimally in terms of processing times and final strengths. Furthermore, with molded parts produced in this way, increased gas development and the associated higher gas bubble suitability in the cast parts produced would have to be expected.
Eine mögliche Alternative bietet die Verwendung von anorganischen Formstoffsystemen. Vorteilhaft entstehen durch die Verwendung von anorganischen Bindemitteln während der Herstellung der Gießformen sowie während des Gießens und Abkühlens möglichst keine Emissionen in Form von Kohlenstoffdioxid oder Kohlenwasserstoffen, um die Umwelt zu schonen und die Geruchsbelästigung der Umgebung durch Kohlenwasserstoffe, insbesondere durch aromatische Kohlenwasserstoffe, zu verringern. The use of inorganic molding material systems is a possible alternative. Advantageously, the use of inorganic binders during the production of the casting molds as well as during casting and cooling does not result in any emissions in the form of carbon dioxide or hydrocarbons, in order to protect the environment and to reduce the odor nuisance of the environment from hydrocarbons, in particular from aromatic hydrocarbons.
DE 10 2011 105 688 A1 beschreibt ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Festkörpern, wobei ein partikelförmiges Material, bevorzugt Sand; aufweisend sprühgetrocknete Alkalisilikatlösung und bevorzugt einen anorganischen Härter, schichtweise aufgetragen und selektiv mit einer Wasser-umfassenden Lösung gehärtet wird und anschließend getrocknet wird. DE 10 2011 105 688 A1 describes a method for building up solid bodies in layers, wherein a particulate material, preferably sand; comprising spray-dried alkali silicate solution and preferably an inorganic hardener, applied in layers and selectively hardened with a solution comprising water and then dried.
DE 10 2014 118 577 A1 offenbart ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formen und Kernen mit einem wasserglashaltigen Bindemittel, wobei eine dünne Schicht eines feuerfesten Formg rund Stoffes ausgebreitet wird und mit einer Schicht eines Bindemittels, umfassend Wasserglas in Form einer Alkalisilikat-Lösung und zumindest ein Phosphat und/oder ein Borat, bedruckt wird. Bevorzugt erfolgt die anschließende Aushärtung durch eine Temperaturerhöhung durch Mikrowellen und/oder Infrarotlicht. Nachteilig erfolgt die Aushärtung durch eine Temperaturerhöhung, Mikrowellen und/oder Infrarotlicht, wobei ein Wärmeverzug der Formkörper auftreten kann. WO 2014/056 482 A1 offenbart ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formkörpern umfassend die Verfestigung mittels Wärmeenergie, insbesondere eine Vorverfestigung und eine Endverfestigung durch Trocknung. WO 2014/056 482 A1 beschreibt die Verwendung von „Wasserglas“ als Binder, wobei eine wässrige Wasserglas-Lösung mit Sand gemischt wird, und anschließend das Material getrocknet und gebrochen wird. Dieses Material wird mit Wasser als Druckflüssigkeit ausgehärtet. DE 10 2014 118 577 A1 discloses a method for the layered construction of molds and cores with a water glass-containing binder, a thin layer of a refractory molding material being spread out and with a layer of a binder, comprising water glass in the form of an alkali silicate solution and at least one Phosphate and / or a borate, is printed. The subsequent curing is preferably carried out by increasing the temperature using microwaves and / or infrared light. Curing takes place disadvantageously through an increase in temperature, microwaves and / or infrared light, which can lead to heat distortion of the shaped bodies. WO 2014/056 482 A1 discloses a method for building up molded bodies in layers, comprising consolidation by means of thermal energy, in particular pre-consolidation and final consolidation by drying. WO 2014/056 482 A1 describes the use of “water glass” as a binder, an aqueous water glass solution being mixed with sand and then the material being dried and broken. This material is hardened with water as a pressure fluid.
Eine Alternative bietet das Wasserglas-Ester-Verfahren. Das Wasserglas-Ester-Verfahren wird zur Herstellung von Formen und Kernen aus feuchten, schüttfähigen Formstoffen angewendet. Vorteilhaft weisen Wasserglas-Ester-Formstoffmischungen gute Verarbeitungseigenschaften, insbesondere eine hohe Fließfähigkeit und leichte Verdichtbarkeit, auf. The water glass ester process offers an alternative. The water glass ester process is used to manufacture molds and cores from moist, pourable molding materials. Advantageously, water glass ester molding mixtures have good processing properties, in particular high flowability and easy compressibility.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren für die Herstellung von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern bereitzustellen The object of the present invention is therefore to provide an improved method for the production of cured three-dimensionally layered molded bodies
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines feuerfesten Formgrundstoffes mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm enthaltend mindestens einen Härter, wobei der Härter eine wässrige Lösung eines organischen Esters ist und eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 0,5 mPa-s bis 50 mPa-s aufweist, b) Ausbringen einer Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mittels 3D- Formstoffdrucker, c) Kontaktieren und Aushärten zumindest eines Teils der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit einem anorganischen Binder mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers, wobei der anorganische Binder Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, enthält und eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa-s bis 100 mPa-s aufweist; und d) Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff, wobei die Schritte a) bis c) mindestens einmal wiederholt werden, wobei die Aushärtung in Schritt c) mittels chemischer Aushärtung durch Polykondensation erfolgt. According to the invention, the object is achieved by the method according to the invention for building up cured three-dimensionally layered moldings for foundry cores and molds in layers, comprising the steps of a) providing a refractory mold base material with an average grain size in the range from 0.1 mm to 2.0 mm containing at least one Hardener, the hardener being an aqueous solution of an organic ester and having a viscosity at 20 ° C in the range from 0.5 mPa-s to 50 mPa-s, b) applying a layer of the refractory basic molding material using a 3D molding material printer, c) Contacting and curing of at least part of the layer of the refractory molding base material with an inorganic binder by means of the print head of the 3D molding material printer, the inorganic binder containing alkali silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof and a viscosity at 20 ° C im Has a range from 1 mPa · s to 100 mPa · s; and d) removing uncured mold base material, steps a) to c) being repeated at least once, the curing in step c) taking place by means of chemical curing by polycondensation.
Unter „3D-Formstoffdrucker“ werden Fertigungsgeräte verstanden, bei denen ein Material, insbesondere ein Formgrundstoff, Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände, insbesondere Formkörper, erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren Formgrundstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. “3D molding material printer” is understood to mean manufacturing devices in which a material, in particular a molding base material, is applied layer by layer and thus three-dimensional Objects, in particular molded bodies, are produced. The layer-by-layer build-up is computer-controlled from one or more basic mold materials according to specified dimensions and shapes.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung des anorganischen Binders umweltfreundlich, unter anderem da bei der Verwendung der Formkörper als Gießereikerne und -formen, bevorzugt für den Metallguss; keine umweit- und/oder gesundheitsschädlichen Emissionen beim Abguss der Metallschmelze erzeugt werden. Weiterhin vorteilhaft ist die Verarbeitungscharakteristik anpassbar und weist gute Verarbeitungseigenschaften, auch bei der Herstellung komplexer Gießereikerne und -formen; auf. Weiter vorteilhaft erfolgt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung anorganischer Binder eine verringerte Gasentwicklung und dadurch eine verringerte Bildung von Fehlern aufgrund von Gaseinschlüssen. Advantageously, the method according to the invention using the inorganic binder is environmentally friendly, inter alia because when using the moldings as foundry cores and molds, preferably for metal casting; No emissions that are harmful to the environment and / or health are generated when pouring the molten metal. Furthermore, the processing characteristics can advantageously be adapted and have good processing properties, even in the manufacture of complex foundry cores and molds; on. Furthermore, the method according to the invention advantageously results in a reduced evolution of gas and thus a reduced formation of defects due to gas inclusions using inorganic binders.
Vorteilhaft tritt aufgrund der Aushärtung mit dem anorganischen Binder in Schritt c) kein Wärmeverzug der dreidimensional geschichteten Formkörper auf. Advantageously, due to the hardening with the inorganic binder in step c), there is no heat distortion of the three-dimensionally layered shaped bodies.
Weiterhin vorteilhaft lässt sich der in Schritt d) entfernte nicht ausgehärtete Formgrundstoff mit herkömmlichen Methoden regenerieren, d.h. eine Wiederaufbereitung durch Auswaschen des Härters. The uncured molding base material removed in step d) can also advantageously be regenerated using conventional methods, i.e. reprocessing by washing out the hardener.
In Ausführungsformen ist der ausgehärtete dreidimensional geschichtete Formkörper eine Form, ein Formteil oder ein Kern. In embodiments, the cured three-dimensionally layered molded body is a mold, a molded part or a core.
Zweckmäßig ist der feuerfeste Formgrundstoff aus Quarzsand, Chromitsand, Zirkonsand, Olivinsand, Mullitsand, Bauxitsand, Korundsand, Rutilsand, Schamotte, Siliziumcarbid und deren Mischungen ausgewählt. Bevorzugt ist der feuerfeste Formgrundstoff Quarzsand. The refractory basic molding material is expediently selected from quartz sand, chromite sand, zircon sand, olivine sand, mullite sand, bauxite sand, corundum sand, rutile sand, chamotte, silicon carbide and mixtures thereof. The refractory basic molding material is preferably quartz sand.
In Ausführungsformen weist der feuerfeste Formgrundstoff eine mittlere Korngröße im Bereich von 0,15 mm bis 0,5 mm; und/odereine Kornform ausgewählt aus splittrig, kantig, kantengerundet oder gerundet, bevorzugt kantengerundet oder gerundet; auf. In embodiments, the refractory basic molding material has an average grain size in the range from 0.15 mm to 0.5 mm; and / ora grain shape selected from splintery, angular, rounded or rounded, preferably rounded or rounded; on.
Unter dem Begriff „mittlere Korngröße“ wird die Größe bzw. der Durchmesser einzelner Partikel, auch Körner genannt, des feuerfesten Formgrundstoffs verstanden. Unter dem Begriff „Härter“ wird ein Stoff zur Vernetzung des Binders und/oder des feuerfesten For g rund Stoffes als Grundlage des Entstehens eines festen Kornverbundes verstanden. The term “mean grain size” is understood to mean the size or diameter of individual particles, also called grains, of the refractory basic molding material. The term “hardener” is understood to mean a substance for crosslinking the binder and / or the refractory material as the basis for the creation of a solid grain bond.
In Ausführungsformen umfasst der mindestens eine Härter mindestens einen organischen Ester ausgewählt aus Monoacetin, Diacetin, Triacetin, Propylenkarbonat und Butylenkarbonat Vorteilhaft unterscheiden sich die Hydrolysegeschwindigkeiten der organischen Ester, wodurch eine Variation der Aushärtungszeit durch die entsprechende Auswahl des organischen Esters möglich ist. Monoacetin reagiert sehr schnell, wohingegen die Reaktion mit Triacetin wesentlich langsamer abläuft. In embodiments, the at least one hardener comprises at least one organic ester selected from monoacetin, diacetin, triacetin, propylene carbonate and butylene carbonate. Monoacetin reacts very quickly, whereas the reaction with triacetin is much slower.
Erfindungsgemäß ist der Härter eine wässrige Lösung eines organischen Esters. According to the invention, the hardener is an aqueous solution of an organic ester.
Erfindungsgemäß weist der Härter eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 0,5 mPa-s bis 50 mPa-s, bevorzugt im Bereich von 1 mPa-s bis 10 mPa-s; auf. According to the invention, the hardener has a viscosity at 20 ° C. in the range from 0.5 mPas to 50 mPas, preferably in the range from 1 mPas to 10 mPas; on.
In weiteren Ausführungsformen umfasst der Härter eine Mischung von mindestens zwei organischen Estern. Vorteilhaft ist durch den Einsatz von Mischungen von mindestens zwei organischen Estern eine Anpassung der Aushärtung entsprechend der Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit möglich. In further embodiments, the hardener comprises a mixture of at least two organic esters. The use of mixtures of at least two organic esters advantageously makes it possible to adapt the curing process in accordance with the ambient conditions such as temperature and humidity.
In weiteren Ausführungsformen weist der feuerfeste Formgrundstoff mindestens einen Härter mit einem Gehalt im Bereich von 5 Vol.-% bis 20 Vol.-% bezogen auf den anorganischen Binder, bevorzugt 8 Vol.-% bis 12 Vol.-%; und/oder mit einem Gehalt im Bereich von 0, 1 Vol.-% bis 2 Vol.- % bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff, bevorzugt 0,16 Vol.-% bis 1 ,2 Vol.-%; auf. In further embodiments, the refractory basic molding material has at least one hardener with a content in the range from 5% by volume to 20% by volume based on the inorganic binder, preferably 8% by volume to 12% by volume; and / or with a content in the range from 0.1% by volume to 2% by volume based on the refractory base molding material, preferably 0.16% by volume to 1.2% by volume; on.
In Ausführungsformen des Verfahrens wird die Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes in Schritt b) mit einer Schichtdicke einer Kornlage, bevorzugt mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm; ausgebracht. In embodiments of the method, the layer of the refractory basic molding material in step b) is coated with a layer thickness of one grain layer, preferably with a layer thickness in the range from 0.1 mm to 2.0 mm; applied.
In Ausführungsformen des Verfahrens wird die Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes in Schritt b) mittels eines Sandschiebers ausgebracht. In embodiments of the method, the layer of the refractory basic molding material is applied in step b) by means of a sand slide.
In Ausführungsformen des Verfahrens wird der zumindest eine Teil der Schicht des feuerfesten Formg rund Stoffes mit anorganischen Binder mit einem Gehalt im Bereich von 2 Vol.-% bis 10 Vol.-% bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff kontaktiert. In Ausführungsformen erfolgt die Kontaktierung zumindest eines Teils der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit dem anorganischen Binder mittels Druckkopf des 3D- Formstoffdruckers durch Aufsprühen. In embodiments of the method, the at least part of the layer of the refractory molding material is contacted with an inorganic binder with a content in the range from 2% by volume to 10% by volume based on the refractory molding base material. In embodiments, at least a part of the layer of the refractory molding base material is contacted with the inorganic binder by means of the print head of the 3-D molding material printer by spraying.
Unter dem Begriff „Druckkopf“ wird ein Bauteil aus einem 3D-Formstoffdrucker verstanden, mit dem der anorganische Binder und/oder Härter gleichmäßig aus der formgebenden Öffnung gepresst wird. In Ausführungsformen weist der Druckkopf einen Drucksensor auf, womit der Druck kontrolliert wird. The term “print head” is understood to mean a component from a 3D molding material printer with which the inorganic binder and / or hardener is pressed evenly out of the forming opening. In embodiments, the printhead has a pressure sensor, with which the pressure is controlled.
Erfindungsgemäß weist der anorganische Binder eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa-s bis 100 mPa-s, bevorzugt im Bereich von 10 mPa s bis 40 mPa-s; und/oder eine Oberflächenspannung bei 20 °C im Bereich von 30 N/m bis 40 N/m auf. According to the invention, the inorganic binder has a viscosity at 20 ° C. in the range from 1 mPas to 100 mPas, preferably in the range from 10 mPas to 40 mPas; and / or a surface tension at 20 ° C. in the range from 30 N / m to 40 N / m.
Vorteilhaft weist der anorganische Binder eine Viskosität auf, welche ein ausreichendes Festigkeitsniveau und gute Zerstäubungseigenschaften bedingt, sodass der anorganische Binder „verdruckbar“ ist, d. h. nicht aus dem Druckkopf herausfließt sowie die Düsen des Druckkopfes nicht verstopft. The inorganic binder advantageously has a viscosity which requires a sufficient level of strength and good atomization properties, so that the inorganic binder can be “printed”, ie. H. does not flow out of the printhead and the nozzles of the printhead are not clogged.
Unter dem Begriff „Viskosität“ wird die dynamische Viskosität verstanden. Die Bestimmung der Viskosität erfolgt mittels handelsüblicher Messgeräte wie beispielsweise Fallkörper- oder Rotationsviskosimetern. The term “viscosity” is understood to mean the dynamic viscosity. The viscosity is determined using commercially available measuring devices such as falling body or rotation viscometers.
Die Bestimmung der Oberflächenspannung erfolgt beispielsweise mittels Messverfahren unter Nutzung des Kapillareffektes oder der Kontaktwinkelmessung. The surface tension is determined, for example, by means of a measuring method using the capillary effect or the contact angle measurement.
In Ausführungsformen enthält der anorganische Binder 5 Masse-% bis 35 Masse-%, bevorzugt 15 Masse-% bis 30 Masse-%, Alkalisilikat ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders. In embodiments, the inorganic binder contains 5% by mass to 35% by mass, preferably 15% by mass to 30% by mass, alkali silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof based on the total mass of the inorganic binder.
In Ausführungsformen enthält der anorganische Binder weiterhin Wasser. In bevorzugten Ausführungsformen enthält der anorganische Binder 65 Masse-% bis 95 Masse-%, bevorzugt 70 Masse-% bis 85 Masse-%, Wasser bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders. In embodiments, the inorganic binder also contains water. In preferred embodiments, the inorganic binder contains 65% by mass to 95% by mass, preferably 70% by mass to 85% by mass, of water based on the total mass of the inorganic binder.
Erfindungsgemäß ergänzen sich die Bestandteile des anorganischen Binders zu 100 Masse-%. In Ausführungsformen enthält der anorganische Binder weiterhin 1 Masse-% bis 49 Masse-%, bevorzugt 1 Masse-% bis 45 Masse-%, Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Eisenoxid und deren Mischungen. According to the invention, the constituents of the inorganic binder add up to 100% by mass. In embodiments, the inorganic binder also contains 1% by mass to 49% by mass, preferably 1% by mass to 45% by mass, nanoparticles of metal oxides and / or metal silicates based on the total mass of the inorganic binder, the nanoparticles being selected from silicon dioxide , Aluminum silicate, calcium silicate, iron oxide and their mixtures.
Unter dem Begriff „Nanopartikel“ werden Partikel in einer beliebigen Form verstanden, welche Abmessungen im Bereich von 1 bis 100 nm aufweisen. The term “nanoparticles” is understood to mean particles in any shape, which have dimensions in the range from 1 to 100 nm.
Vorteilhaft enthält der anorganische Binder Nanopartikel als Additiv, wodurch eine bessere Druckbarkeit bei der Verwendung des anorganischen Binders zur Herstellung von dreidimensional geschichteten Formkörpern erreicht wird. The inorganic binder advantageously contains nanoparticles as an additive, as a result of which better printability is achieved when the inorganic binder is used to produce three-dimensionally layered molded bodies.
In weiteren Ausführungsformen enthält der anorganische Binder 5 Masse-% bis 35 Masse-%, bevorzugt 15 Masse-% bis 30 Masse-%, Alkalisilikat, 1 Masse-% bis 45 Masse-%, bevorzugt 1 Masse-% bis 35 Masse-%, Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten und 20 Masse-% bis 94 Masse-%, bevorzugt 50 Masse-% bis 85 Masse-%, Wasser bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders. In further embodiments, the inorganic binder contains 5% to 35% by mass, preferably 15% to 30% by mass, alkali silicate, 1% to 45% by mass, preferably 1% to 35% by mass , Nanoparticles made of metal oxides and / or metal silicates and 20% by mass to 94% by mass, preferably 50% by mass to 85% by mass, water based on the total mass of the inorganic binder.
In Ausführungsformen weist der anorganische Binder einen Feststoffgehalt im Bereich von 15 Masse-% bis 50 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Bindersauf. In embodiments, the inorganic binder has a solids content in the range from 15% by mass to 50% by mass based on the total mass of the inorganic binder.
In weiteren Ausführungsformen enthält der anorganische Binder mindestens einen weiteren Bestandteil, wobei der mindestens eine weitere Bestandteil aus Farbstoffen, Phosphaten, Boraten und oberflächenaktiven Substanzen (Tenside) ausgewählt ist. Vorteilhaft ermöglicht der Farbstoff in dem anorganischen Binder die Visualisierung des Druckergebnisses. In further embodiments, the inorganic binder contains at least one further component, the at least one further component being selected from dyes, phosphates, borates and surface-active substances (surfactants). The dye in the inorganic binder advantageously enables the print result to be visualized.
Erfindungsgemäß erfolgt die Aushärtung in Schritt c) mittels chemischer Aushärtung durch Polykondensation. Vorteilhaft wird durch die chemische Aushärtung durch Polykondensation in Schritt c) eine Härtung innerhalb der Schicht und zwischen benachbarten Schichten erreicht. According to the invention, the curing in step c) takes place by means of chemical curing by polycondensation. The chemical hardening by polycondensation in step c) advantageously achieves hardening within the layer and between adjacent layers.
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die Aushärtung in Schritt c) innerhalb von 1 h bis 24 h. In embodiments of the method, the curing in step c) takes place within 1 hour to 24 hours.
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die Aushärtung in Schritt c) bei einer Temperatur im Bereich von 10 °C bis 35 °C. In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die chemische Aushärtung zusätzlich mittels Heißluft, Infrarotstrahlung und/oder Mikrowellenstrahlung. Vorteilhaft wird durch die zusätzliche Aushärtung mittels Heißluft, Infrarotstrahlung und/oder Mikrowellenstrahlung eine weitere Beschleunigung der Aushärtung erreicht In embodiments of the method, the curing in step c) takes place at a temperature in the range from 10 ° C to 35 ° C. In embodiments of the method, the chemical curing takes place additionally by means of hot air, infrared radiation and / or microwave radiation. The additional hardening by means of hot air, infrared radiation and / or microwave radiation advantageously further accelerates the hardening process
In Ausführungsformen des Verfahrens werden die Schritte a) bis d) mindestens einmal wiederholt. In embodiments of the method, steps a) to d) are repeated at least once.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines feuerfesten Formgrundstoffes mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm enthaltend mindestens einen anorganischen Binder, wobei der anorganische Binder Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, enthält und eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa-s bis 100 mPa-s aufweist; b) Ausbringen einer Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mittels 3D- Formstoffdrucker, c) Kontaktieren und Aushärten zumindest eines Teils der Schicht des feuerfesten Formg rund Stoffes mit mindestens einem Härter mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers, wobei der Härter eine wässrige Lösung eines organischen Esters ist und eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 0,5 mPa-s bis 50 mPa-s aufweist; und d) Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff, wobei die Schritte a) bis c) mindestens einmal wiederholt werden, wobei die Aushärtung in Schritt c) mittels chemischer Aushärtung durch Polykondensation erfolgt. The invention also relates to a method for building up cured three-dimensionally layered moldings for foundry cores and molds in layers, comprising the steps of a) providing a refractory basic mold material with an average grain size in the range from 0.1 mm to 2.0 mm containing at least one inorganic binder wherein the inorganic binder contains alkali silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof and has a viscosity at 20 ° C. in the range from 1 mPa · s to 100 mPa · s; b) Applying a layer of the refractory molding base material by means of a 3D molding material printer, c) contacting and curing at least part of the layer of the refractory molding material with at least one hardener by means of the printing head of the 3D molding material printer, the hardener being an aqueous solution of an organic ester and has a viscosity at 20 ° C in the range of 0.5 mPas to 50 mPas; and d) removing uncured mold base material, steps a) to c) being repeated at least once, the curing in step c) taking place by means of chemical curing by polycondensation.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Gießereikernen und -formen, bevorzugt für den Metallguss, besonders bevorzugt für den Eisen-, Stahl-, Kupfer- oder Aluminiumguss. The invention also relates to the use of the method according to the invention for the production of foundry cores and molds, preferably for metal casting, particularly preferably for iron, steel, copper or aluminum casting.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, mit einer Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa-s bis 100 mPa-s, in einem Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen. Another aspect of the invention relates to the use of an inorganic binder containing alkali metal silicate, selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof, with a viscosity at 20 ° C. in the range from 1 mPa · s to 100 mPa · s, in one Process for the layer-by-layer construction of cured three-dimensionally layered moldings for foundry cores and molds.
In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend 5 Masse- % bis 35 Masse-%, bevorzugt 15 Masse-% bis 30 Masse-%, Alkalisilikat ausgewählt aus Natrium- , Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders. In embodiments, an inorganic binder is used containing 5% by mass to 35% by mass, preferably 15% by mass to 30% by mass, alkali metal silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof based on the total mass of the inorganic binder .
In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend weiterhin Wasser. In bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend 75 Masse-% bis 99 Masse-%, bevorzugt 80 Masse-% bis 95 Masse-%, Wasser bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders. In embodiments, an inorganic binder is used which also contains water. In preferred embodiments, an inorganic binder is used containing 75% by mass to 99% by mass, preferably 80% by mass to 95% by mass, of water, based on the total mass of the inorganic binder.
In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders weiterhin enthaltend 1 Masse-% bis 45 Masse-%, bevorzugt 1 Masse-% bis 35 Masse-%, Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Eisenoxid und deren Mischungen. In embodiments, an inorganic binder is also used containing 1% by mass to 45% by mass, preferably 1% by mass to 35% by mass, nanoparticles of metal oxides and / or metal silicates based on the total mass of the inorganic binder, the nanoparticles being selected are made of silicon dioxide, aluminum silicate, calcium silicate, iron oxide and their mixtures.
In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend 5 Masse-% bis 35 Masse-%, bevorzugt 15 Masse-% bis 30 Masse-%, Alkalisilikat, 1 Masse-% bis 45 Masse-%, bevorzugt 1 Masse-% bis 35 Masse-%, Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten und 20 Masse-% bis 94 Masse-%, bevorzugt 50 Masse-% bis 85 Masse-%, Wasser bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders. In further embodiments, an inorganic binder is used containing 5% to 35% by mass, preferably 15% to 30% by mass, alkali silicate, 1% to 45% by mass, preferably 1% to 35% by mass % By mass, nanoparticles made of metal oxides and / or metal silicates and 20% by mass to 94% by mass, preferably 50% by mass to 85% by mass, water based on the total mass of the inorganic binder.
In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders mit einem Feststoffgehalt im Bereich von 15 Masse-% bis 50 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders. In embodiments, an inorganic binder is used with a solids content in the range from 15% by mass to 50% by mass, based on the total mass of the inorganic binder.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders mit einer Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa-s bis 100 mPa-s, bevorzugt mit einer Viskosität bei 20 °C im Bereich von 10 mPa-s bis 40 mPa-s. According to the invention, an inorganic binder is used with a viscosity at 20 ° C. in the range from 1 mPas to 100 mPas, preferably with a viscosity at 20 ° C. in the range from 10 mPas to 40 mPas.
In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders mit einer Oberflächenspannung bei 20 °C im Bereich von 30 N/m bis 40 N/m. In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend mindestens einen weiteren Bestandteil, wobei der mindestens eine weitere Bestandteil aus Farbstoffen, Phosphaten, Boraten und oberflächenaktiven Substanzen (Tenside) ausgewählt ist. In further embodiments, an inorganic binder is used with a surface tension at 20 ° C. in the range from 30 N / m to 40 N / m. In further embodiments, an inorganic binder containing at least one further component is used, the at least one further component being selected from dyes, phosphates, borates and surface-active substances (surfactants).
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren. To implement the invention, it is also expedient to combine the embodiments and features of the claims described above.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. The invention is to be explained in more detail below with the aid of some exemplary embodiments and associated figures. The exemplary embodiments are intended to describe the invention without restricting it.
Es zeigt die It shows the
Fig. 1 ein Schema des Kontaktierens eines feuerfesten Formgrundstoffes enthaltend mindestens einen Härter mit einem anorganischen Binder mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers und Verkleben dieser mit den darunterliegenden Schichten. 1 shows a diagram of the contacting of a refractory molding base material containing at least one hardener with an inorganic binder by means of the printing head of the 3-D molding material printer and bonding of this to the layers below.
Anorganischer Binder Inorganic binder
In einem ersten Ausführungsbeispiel weist der anorganische Binder 17 Masse-% Siliziumdioxid, 9 Masse-% Natriumoxid (Na20), 0,1 Masse-% Kaliumoxid (K2O), 0,02 Masse-% Tensid und 73,88 Masse-% Wasser auf. In a first embodiment, the inorganic binder has 17 mass% silicon dioxide, 9 mass% sodium oxide (Na 2 0), 0.1 mass% potassium oxide (K2O), 0.02 mass% surfactant and 73.88 mass% Water on.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel weist deranorganische Binder 15 Masse-% Siliziumdioxid, 4 Masse-% Natriumoxid (Na20), 0,2 Masse-% Lithiumoxid (U2O), 0,03 Masse-% Tensid und 80,77 Masse-% Wasser auf. In a second exemplary embodiment, the inorganic binder has 15% by mass of silicon dioxide, 4% by mass of sodium oxide (Na 2 O), 0.2% by mass of lithium oxide (U2O), 0.03% by mass of surfactant and 80.77% by mass of water on.
Verfahren zur Herstellung eines ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpers Process for the production of a cured three-dimensionally layered shaped body
In einem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt der schichtweise Aufbau eines ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpers für Gießereikerne und -formen durch Bereitstellen des feuerfesten Formgrundstoffes Quarzsand (gerundet) mit einer mittleren Korngröße von 0,1 mm enthaltend 1 Vol.-% einer wässrigen Monoacetin-Lösung mit einer Viskosität von 1 mPa-s als Härter, Ausbringen einer Schicht des feuerfesten Formg rund Stoffes mittels 3D- Formstoffdrucker mit einer Schichtdicke von 0,1 mm, Kontaktieren und Aushärten der Schicht des feuerfesten Formg rund Stoffes mit einem anorganischen Binder nach dem ersten Ausführungsbeispiel mittels Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers, und Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff. Die Ausbringung des feuerfesten Formgrundstoffes, das Kontaktieren und Aushärten der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit dem anorganischen Binder und das Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff werden viermal wiederholt. In a first exemplary embodiment, a cured, three-dimensionally layered molded body for foundry cores and molds is built up in layers by providing the refractory basic mold material quartz sand (rounded) with an average grain size of 0.1 mm containing 1% by volume of an aqueous monoacetin solution with a viscosity of 1 mPa-s as a hardener, applying a layer of the refractory molding material by means of a 3D molding material printer with a layer thickness of 0.1 mm, contacting and curing the layer of the refractory molding material with an inorganic binder according to the first embodiment using the printing head of the 3D molding material printer, and removal of uncured molding base material. The application of the refractory basic molding material, the contacting and curing of the layer of the refractory basic molding material with the Inorganic binder and the removal of uncured mold base material are repeated four times.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpers erfolgt die Verwendung des anorganischen Binders nach dem zweiten Ausführungsbeispiel. In a second exemplary embodiment of the method for producing a cured, three-dimensionally layered molded body, the inorganic binder is used according to the second exemplary embodiment.
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Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 feuerfester Formgrundstoff 1 refractory mold base material
2 Druckkopf des 3D-Formstoffdruckers2 Print head of the 3D molding printer
3 anorganischer Binder 3 inorganic binder

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines feuerfesten Formgrundstoffes mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm enthaltend mindestens einen Härter, wobei der Härter aus mindestens einem organischen Ester besteht, eine wässrige Lösung eines organischen Esters ist und eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 0,5 mPa-s bis 50 mPa-s aufweist, b) Ausbringen einer Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mittels 3D- Formstoffdrucker, c) Kontaktieren und Aushärten zumindest eines Teils der Schicht des feuerfesten Formg rund Stoffes mit einem anorganischen Binder mittels Druckkopf des 3D- Formstoffdruckers, wobei der anorganische Binder Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, enthält und eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa-s bis 100 mPa-s aufweist; und d) Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff, wobei die Schritte a) bis c) mindestens einmal wiederholt werden, wobei die Aushärtung in Schritt c) mittels chemischer Aushärtung durch Polykondensation erfolgt. 1. A method for building up cured three-dimensionally layered molded bodies for foundry cores and molds in layers, comprising the steps of a) providing a refractory basic mold material with an average grain size in the range from 0.1 mm to 2.0 mm containing at least one hardener, the hardener being composed of consists of at least one organic ester, is an aqueous solution of an organic ester and has a viscosity at 20 ° C. in the range from 0.5 mPa-s to 50 mPa-s, b) applying a layer of the refractory basic molding material using a 3D molding material printer, c ) Contacting and curing of at least part of the layer of the refractory molding material with an inorganic binder by means of the print head of the 3D molding material printer, the inorganic binder containing alkali silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof, and a viscosity of 20 ° C in the range of 1 mPa-s to 100 mPa-s; and d) removing uncured mold base material, steps a) to c) being repeated at least once, the curing in step c) taking place by means of chemical curing by polycondensation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfeste Formgrundstoff eine mittlere Korngröße im Bereich von 0,15 mm bis 0,5 mm und/oder eine Kornform ausgewählt aus splittrig, kantig, kantengerundet oder gerundet, bevorzugt kantengerundet oder gerundet, aufweist. 2. The method according to claim 1, characterized in that the refractory basic molding material has an average grain size in the range from 0.15 mm to 0.5 mm and / or a grain shape selected from splintery, angular, rounded or rounded edges, preferably rounded or rounded edges .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Härter mindestens einen organischen Ester ausgewählt aus Monoacetin, Diacetin, Triacetin, Propylenkarbonat und Butylenkarbonat umfasst. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one hardener comprises at least one organic ester selected from monoacetin, diacetin, triacetin, propylene carbonate and butylene carbonate.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfeste Formgrundstoff mindestens einen Härter mit einem Gehalt im Bereich von 5 Vol-% bis 20 Vol.-% bezogen auf den anorganischen Binder und/oder mit einem Gehalt im Bereich von 0,1 Vol.-% bis 2 Vol.-% bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff aufweist. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the refractory molding base material has at least one hardener with a content in the range from 5% by volume to 20% by volume based on the inorganic binder and / or with a content in the range from 0.1% by volume to 2% by volume based on the refractory base molding material.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes in Schritt b) mit einer Schichtdicke einer Kornlage, bevorzugt im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm; ausgebracht wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the layer of the refractory molding base material in step b) with a layer thickness of a grain layer, preferably in the range of 0.1 mm to 2.0 mm; is applied.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teil der Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mit anorganischen Binder mit einem Gehalt im Bereich von 2 Vol.-% bis 10 Vol.-% bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff kontaktiert wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the at least part of the layer of the refractory base molding material is in contact with an inorganic binder with a content in the range from 2% by volume to 10% by volume based on the base material refractory molding material will.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganische Binder weiterhin 1 Masse-% bis 45 Masse-% Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders enthält, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Eisenoxid und deren Mischungen. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the inorganic binder also contains 1% by mass to 45% by mass of nanoparticles of metal oxides and / or metal silicates based on the total mass of the inorganic binder, the nanoparticles being selected from Silicon dioxide, aluminum silicate, calcium silicate, iron oxide and their mixtures.
8. Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und -formen umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines feuerfesten Formgrundstoffes mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm enthaltend mindestens einen anorganischen Binder, wobei der anorganische Binder Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, enthält und eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa-s bis 100 mPa-s aufweist; b) Ausbringen einer Schicht des feuerfesten Formgrundstoffes mittels 3D- Formstoffdrucker, c) Kontaktieren und Aushärten zumindest eines Teils der Schicht des feuerfesten Formg rund Stoffes mit mindestens einem Härter mittels Druckkopf des 3D- Formstoffdruckers, wobei der Härter aus mindestens einem organischen Ester besteht, eine wässrige Lösung eines organischen Esters ist und eine Viskosität bei 20 °C im Bereich von 0,5 mPa-s bis 50 mPa-s aufweist; und d) Entfernen von nicht ausgehärtetem Formgrundstoff, wobei die Schritte a) bis c) mindestens einmal wiederholt werden, wobei die Aushärtung in Schritt e) mittels chemischer Aushärtung durch Polykondensation erfolgt. 8. A method for building up cured three-dimensionally layered molded bodies for foundry cores and molds in layers, comprising the steps of a) providing a refractory basic molding material with an average grain size in the range from 0.1 mm to 2.0 mm containing at least one inorganic binder, the inorganic binder Binder contains alkali metal silicate selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof and has a viscosity at 20 ° C. in the range from 1 mPa · s to 100 mPa · s; b) applying a layer of the refractory molding base material by means of a 3D molding material printer, c) contacting and curing at least part of the layer of the refractory molding material with at least one hardener by means of the printing head of the 3-D molding material printer, the hardener consisting of at least one organic ester, a is an aqueous solution of an organic ester and has a viscosity at 20 ° C in the range of 0.5 mPa · s to 50 mPa · s; and d) removing uncured molding base material, steps a) to c) being repeated at least once, the curing in step e) taking place by means of chemical curing by polycondensation.
9. Verwendung eines anorganischen Binders enthaltend Alkalisilikat, ausgewählt aus Natrium-, Kalium- und Lithiumsilikat und deren Mischungen, mit einer Viskosität bei 20 °C im Bereich von 1 mPa-s bis 100 mPa s, in einem Verfahren zum schichtweisen Aufbau von ausgehärteten dreidimensional geschichteten Formkörpern für Gießereikerne und-formen. 9. Use of an inorganic binder containing alkali silicate, selected from sodium, potassium and lithium silicate and mixtures thereof, with a viscosity at 20 ° C in the range from 1 mPa-s to 100 mPa s, in a process for building up cured three-dimensionally layered molded bodies for foundry cores and molds in layers.
10. Verwendung eines anorganischen Binders nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganische Binder weiterhin 1 Masse-% bis 45 Masse-% Nanopartikel aus Metalloxiden und/oder Metallsilikaten bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders enthält, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus Siliziumdioxid, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Eisenoxid und deren Mischungen. 10. Use of an inorganic binder according to claim 9, characterized in that the inorganic binder also contains 1% by mass to 45% by mass of nanoparticles of metal oxides and / or metal silicates based on the total mass of the inorganic binder, the nanoparticles being selected from silicon dioxide , Aluminum silicate, calcium silicate, iron oxide and their mixtures.
11. Verwendung eines anorganischen Binders nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffgehalt des anorganischen Binders im Bereich von 15 Masse-% bis 50 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse des anorganischen Binders ist. 11. Use of an inorganic binder according to claim 9 or 10, characterized in that the solids content of the inorganic binder is in the range from 15% by mass to 50% by mass based on the total mass of the inorganic binder.
12. Verwendung eines anorganischen Binders nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenspannung bei 20 °C im Bereich von 30 N/m bis 40 N/m ist. 12. Use of an inorganic binder according to one of claims 9 to 11, characterized in that the surface tension at 20 ° C is in the range from 30 N / m to 40 N / m.
13. Verwendung eines anorganischen Binders nach einem der Ansprüche 9 bis 12 enthaltend mindestens einen weiteren Bestandteil, wobei der mindestens eine weitere Bestandteil ausgewählt ist aus Farbstoffen, Phosphaten, Boraten und oberflächenaktiven Substanzen. 13. Use of an inorganic binder according to one of claims 9 to 12 containing at least one further component, wherein the at least one further component is selected from dyes, phosphates, borates and surface-active substances.
14. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Gießereikernen und -formen, bevorzugt für den Metallguss. 14. Use of a method according to one of claims 1 to 8 for the production of foundry cores and molds, preferably for metal casting.
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