EP4363135A1 - Method for the layered construction of molds and cores with a binder containing water glass - Google Patents

Method for the layered construction of molds and cores with a binder containing water glass

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Publication number
EP4363135A1
EP4363135A1 EP22740283.1A EP22740283A EP4363135A1 EP 4363135 A1 EP4363135 A1 EP 4363135A1 EP 22740283 A EP22740283 A EP 22740283A EP 4363135 A1 EP4363135 A1 EP 4363135A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
weight
less
metal oxide
binder
particularly preferably
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22740283.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Appelt
Heinz DETERS
Dominik Polsakiewicz
Katharina Schotten-Welter
Henning ZUPAN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ASK Chemicals GmbH
Original Assignee
ASK Chemicals GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ASK Chemicals GmbH filed Critical ASK Chemicals GmbH
Publication of EP4363135A1 publication Critical patent/EP4363135A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B22C1/16Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents
    • B22C1/18Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents
    • B22C1/186Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of inorganic agents contaming ammonium or metal silicates, silica sols
    • B22C1/188Alkali metal silicates
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B22C1/02Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02Sand moulds or like moulds for shaped castings
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    • B22CFOUNDRY MOULDING
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    • B22C9/10Cores; Manufacture or installation of cores
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B33Y40/20Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
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    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00Products made by additive manufacturing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/113Silicon oxides; Hydrates thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for building up molds and cores in layers, comprising a refractory basic mold material, a hydrophobic metal oxide as a solid and a binder containing at least water glass in the form of an aqueous alkali silicate solution.
  • a refractory basic mold material for the layered production of molds and cores using 3D printing, it is necessary to apply a refractory base material in layers and print it selectively using the binder.
  • the invention further relates to molds or cores produced in this way.
  • Casting molds essentially consist of cores and moulds, which represent the negative molds of the casting to be produced. These cores and molds consist of a refractory material, such as quartz sand, and a suitable binder that gives the mold sufficient mechanical strength after removal from the mold. For the sake of simplicity, cores and molds are collectively referred to below as a mold or molds.
  • a refractory base material is used, which is provided with a suitable binding agent.
  • the refractory basic molding material is preferably in a free-flowing form, so that it can be filled into a suitable hollow mold.
  • the binding agent creates a solid bond between the particles/grains of the mold base material, so that the casting mold has the required mechanical stability.
  • Casting molds have to meet various requirements. During the casting process itself, they must first have sufficient strength and temperature resistance to be able to accommodate the liquid metal in the cavity formed from one or more casting (partial) molds. After the start of the solidification process, the mechanical stability of the casting is ensured by a solidified metal layer that forms along the walls of the casting mold. The material of the casting mold must now decompose under the influence of the heat given off by the metal in such a way that it loses its mechanical strength, i.e. the cohesion between individual particles/grains of the refractory material is broken. Ideally, the casting mold crumbles back into fine sand that can be easily removed from the casting.
  • the 3-dimensional printing process results in new requirements for binders that hold the mold together when the binder or a binder component is to be applied through the nozzles of a print head. Then the binders must not only lead to a sufficient level of strength and good disintegration properties after the metal casting and have sufficient thermal and storage stability, but also be “printable”, i.e. the nozzles of the print head must not become blocked by the binder , on the other hand, the binder should not be able to flow directly out of the print head, but form individual droplets.
  • EP 1802409 B1 discloses an inorganic binder system with which it is possible to produce casting molds with sufficient stability.
  • the binder system is particularly suitable for thermal curing in a core shooter, in which a previously mixed mold material mixture (mixture of at least refractory material and binder) is conveyed into the heated mold by means of pressure.
  • WO 2012/175072 A1 discloses a method for the layered construction of models, in which an inorganic binder system is used.
  • the particulate material applied in layers comprises a particulate building material and a spray-dried alkali silicate solution.
  • the flattening is selectively activated using a water-comprising solution that is added via the printhead.
  • Both pure water and modified water containing theological additives are disclosed here.
  • Thickeners such as glycerol, glycol or layered silicates are mentioned as examples of rheological additives, with layered silicates being particularly emphasized.
  • WO 2012/175072 A1 does not disclose the use of aqueous alkali metal silicate solutions.
  • the binder or the water glass solution is not dosed via the print head, but is already contained in solid form as alkali silicate in the layered, particulate material.
  • the selective wetting or setting of a material applied in layers with the aid of a binder is therefore only possible indirectly and not directly with the aid of an aqueous alkali silicate solution. Due to the process described in WO 2012/175072 A1, the binder, the spray-dried alkali metal silicate solution, is not only at the intended destination, but also in areas where it is not required. Thus, the binder is unnecessarily consumed.
  • DE 102011053205 A1 discloses a method for producing a component using deposition technology, in which, among other things, water glass is used as the pressure fluid in addition to many other possibilities.
  • the water glass can therefore be dosed by means of a print head and applied to a predetermined portion of each Weil top layer.
  • DE 102011053205 A1 contains no information about which waterglass compositions can be used.
  • the person skilled in the art also does not receive any information about the physical properties of the water glasses used, which could have suggested a chemical composition.
  • Only the prior art described speaks very generally of inorganic binders (such as, for example, free-flowing water glass), which generally contain large amounts of moisture—only up to 60% by weight of water is given as an example.
  • the large amounts of water eg up to 60% by weight of water are judged to be disadvantageous because they are difficult to handle.
  • WO 2013/017134A1 discloses an aqueous alkali metal silicate solution with a viscosity at 20° C. of 45 mPas or less, which has a solids content of 39% by weight in relation to the alkali metal silicate.
  • the ratio between S1O2 and M2O (M2O is Na20 or K2O) is given as a weight ratio.
  • the narrowest limits of this weight ratio are between 1.58 and 3.30.
  • WO2013/017134A1 a method is disclosed with which it seems possible to reduce the viscosity of water glass binders using a ball mill. However, such a method is very complex and expensive.
  • DE 102014118577 A1 describes a method for the layered construction of casting molds comprising refractory base molding material and a binder containing at least one aqueous alkali silicate solution and also a phosphate or a borate or both.
  • the disclosed binding agent should be very “printable”, i.e. the nozzles of the print head should not quickly clog due to the disclosed binding agent.
  • the binder can be applied very finely. A clogging of the nozzles of the print head would lead to poor printing results. There are no indications as to how fluid migration of the binder on the substrate could be prevented in order to be able to better comply with the geometric specifications.
  • DE 102018200607 A1 describes a method for producing casting molds suitable for the production of fiber composite bodies or castings made of metal or plastic from a particulate mold base material and a multi-component binder by means of 3D printing, the particulate mold base material being pretreated with at least one silicon-organic compound, which has a polar hydrophilic end and a non-polar hydrophobic end. After a layer has been formed from the pretreated particulate molding base material, the binder or at least one component of the binder is applied in liquid form to the layer.
  • the basic molding material and the organosilicon compound can be part of a set designed to carry out the method.
  • the task of DE 102018200607 A1 is to minimize the fluid migration of the binder on the substrate in order to be able to better comply with the geometric specifications and to avoid the "running" of the binder as far as possible.
  • the set comprises at least one organosilicon compound which has a polar hydrophilic end. Liquid components that have to be mixed with the mold base material are given as examples of this. This leads to the risk that the building material mixture clumps together - especially when fine powder additives are also used (as specified in the application) and thus leads to difficulties when building up in layers.
  • the basic mold material can be pretreated with the organosilicon compound which has a polar hydrophilic end.
  • the inventors have therefore set themselves the task of developing a method for the 3-dimensional printing of casting molds, in which water glass binding agent is selectively dosed directly via a print head onto the spread building material mixture, with the spread building material mixture containing a preferably powdered additive includes, which on the one hand minimizes the fluid migration of the dosed water glass binder and on the other hand leads to the later obtained and hardened casting mold having an extremely good moisture resistance.
  • the method for building up bodies in layers comprises at least the following steps: a) Provision of a refractory basic mold material and a hydrophobic metal oxide as components of a building material mixture, the hydrophobic metal oxide being hydrophobic with organosilicon compounds and the proportion of the hydrophobic metal oxide being 0.0001% by weight .% to less than 0.4% by weight, based on the refractory mold base material; b) Spreading out a thin layer of the building material mixture with a layer thickness of 0.05 mm to 3 mm, preferably 0.1 mm to 2 mm and particularly preferably 0.1 mm to 1 mm of the building material mixture, the building material mixture comprising the hydrophobic metal oxide ; c) printing selected areas of the thin layer with a binder comprising water glass and d) repeating steps b) and c) multiple times.
  • the body may be a core or a mold (collectively referred to herein as a mold(s)). If the building material mixture is used to create casting molds, it can also be referred to as a molding material mixture.
  • the hydrophobic metal oxide is used as a particulate solid and is present as a particulate solid in the building material mixture.
  • the hydrophobic metal oxide can be used as a powder, suspension (dispersion) or gel.
  • the hydrophobic metal oxide is evenly distributed in particulate form in the building material mixture, especially before the building material mixture is spread out in thin layers.
  • the flydrophobized metal oxide is composed in particular of a substrate comprising the metal oxide, with the surface of the substrate being hydrophobicized with organosilicon compounds.
  • the hydrophobicized metal oxide both minimizes the fluid migration of the applied liquid binder and significantly increases the moisture resistance of the hardened casting mold, with the absolute strengths being hardly negatively affected at the same time. Furthermore, the emission of organic pyrolysis products is reduced to a minimum, since the hydrophobic metal oxide can be dosed in very small quantities.
  • the binder according to the invention is intended for the 3-dimensional printing of casting molds.
  • the binder serves as a printing fluid with which a material applied in layers, such as a refractory base material (e.g. quartz sand) and, if necessary, one or more additives, collectively referred to as a building material mixture, is selectively printed.
  • the building material mixture does not yet contain the binder.
  • a selective printing process follows - this process is repeated until the entire printing process is complete and the casting mold can be obtained.
  • the binder can be cured in the usual ways. On the one hand, it is possible to add one or more water glass hardeners to the building material mixture applied in layers, which cause the immediate chemical hardening of the printed water glass-containing binder.
  • thermal curing can also take place. It is possible, for example, that after the completion of one or every second or third printing process (immediately before, during or after the next layer of the building material mixture is applied), thermal curing takes place by mixing the building material mixture and binder, for example, with the help of an infra is irradiated with red light. In this layered curing, the infrared light can follow the print head in the form of a spot, for example. Of course, it is also possible to carry out this type of thermal curing in stages only after several layers have been applied.
  • thermal hardening only after the last printing process has been completed - the steps "application of a layer of the building material mixture” and subsequent "printing process” alternate until the last layer has been printed, which is necessary to complete the casting mold.
  • the applied and partially printed layers remain, for example, in a so-called “job box”, which can then be transferred, for example, to a microwave oven or a convection oven in order to carry out thermal curing.
  • the thermal curing is preferably carried out by microwaves and preferably after the end of the entire printing process in the microwave oven.
  • Customary and known materials can be used as the refractory base material for the production of casting molds. Suitable are, for example, quartz sand, zircon sand or chrome ore sand, olivine, vermiculite, bauxite, fireclay and artificial basic molding materials such as glass beads, glass granules and/or aluminum silicate hollow microspheres, in particular more than 50% by weight quartz sand based on the refractory basic molding material.
  • the proportion of quartz sand in the refractory basic molding material is advantageously greater than 70% by weight, preferably greater than 80% by weight and particularly preferably greater than 90% by weight. It is not necessary to use only new sand. In order to conserve resources and avoid landfill costs, it is even advantageous to use the highest possible proportion of regenerated used sand, as can be obtained from used molds through recycling.
  • a refractory basic molding material is understood to mean substances that have a high melting point (melting point).
  • the melting point of the refractory basic mold material is preferably greater than 600°C, preferably greater than 900°C, particularly preferably greater than 1200°C and particularly preferably greater than 1500°C.
  • the refractory basic molding material preferably makes up more than 80% by weight, in particular more than 90% by weight, particularly preferably more than 95% by weight, of the building material mixture.
  • regenerated materials that have been obtained by purely mechanical treatment.
  • Mechanical treatment means that at least part of the binder remaining in the used sand is removed from the sand grain by means of a grinding or impact principle.
  • These regenerated materials can be used as required.
  • the proportion of these regenerates can, for example, be greater than 5% by weight, preferably greater than 20% by weight, more preferably greater than 50% by weight, particularly preferably greater than 70% by weight and particularly preferably greater than 80% by weight of the refractory base molding material.
  • Such regenerated materials are used, for example, to effect a (pre- or partial) flattening of the applied binder.
  • the mean particle size of the refractory basic molding material is generally between 50 gm and 600 gm, preferably between 70 gm and 400 gm, preferably between 80 gm and 300 gm and particularly preferably between 100 gm and 200 gm.
  • the particle size can be determined, for example, by sieving according to DIN 66165 Part 2. Particular preference is given to particle shapes/grains with the greatest linear expansion to the smallest linear expansion (at right angles to one another and for all spatial directions) of 1:1 to 1:5 or 1:1 to 1:3, ie those which are not fibrous, for example.
  • the refractory base material is free-flowing.
  • the hydrophobicized metal oxide both minimizes the fluid migration of the applied water glass binder and significantly increases the moisture resistance of the hardened casting mold, with the absolute strengths being hardly negatively influenced at the same time. Furthermore, the emission of organic pyrolysis products is reduced to a minimum, since the hydrophobic metal oxide can be dosed in very small quantities.
  • the metal oxide is the substrate whose surface is provided with the organosilicon substance.
  • the hydrophobic metal oxide is in particulate form.
  • the metal oxide is preferably amorphous and synthetic in origin.
  • the metal oxide is preferably selected from the group consisting of silicon dioxide, aluminum oxide, titanium dioxide or mixed oxides from this group (eg aluminum-silicon mixed oxides), in particular containing or consisting of silicon dioxide.
  • the metal oxide is preferably composed of synthetic amorphous silicon dioxide, and the metal oxide is particularly preferably pyrogenic silica or precipitated silica.
  • the metal oxide includes hydroxy oxides such as boehmite (AlO(OH)) and oxides or hydroxy oxides of semimetals such as silicon.
  • the following organosilicon substances can be used to make the surface of the metal oxide and thus the inorganic substrate hydrophobic: silanes, siloxanes, silazanes.
  • the metal oxide in particular amorphous silicon dioxide, is first hydrophobicized with at least one organosilicon compound. The hydrophobic metal oxide obtained in this way and the refractory base molding material are combined and then result in the building material mixture, which can also include other components.
  • the surface modification particularly preferably comprises alkylsiloxy groups such as C1 to C6 alkylsiloxy groups, particularly preferably trimethylsiloxy and dimethylsiloxy groups.
  • the organosilicon substances preferably form a covalent bond with the metal oxide by reacting OH functionalities of the inorganic substrate with the organosilicon substance.
  • the organosilicon compound has no substituents with a hydrophilic end, particularly in the case of physiotherapy, but possibly also in principle, particularly not desired are organosilicon compounds containing a hydroxy (—OH), ethoxy— (—CH2CH2—O -), a hydroxyate (-0-), an amino (-NH2), an ammonium (-NH4+), a carboxyl (-COOH) or a carboxylate group.
  • the BET surface area according to DIN EN ISO 9277 (nitrogen) of the hydrophobic metal oxide can vary over a wide range and is preferably in the range between 2 and 500 m 2 /g. However, it has been shown that the specific surface area should not be too high, otherwise miscibility with the base material causes difficulties, since the material produces too much dust.
  • the BET surface area is preferably less than 300 m 2 /g, preferably less than 250 m 2 /g and particularly preferably less than 220 m 2 /g.
  • the BET surface area is preferably greater than 5 m 2 /g, preferably greater than 7 m 2 /g.
  • the proportion of hydrophobic metal oxide in the building material mixture should be very low, also in order to reduce the emission of organic pyrolysis products to a minimum.
  • the proportion of the hydrophobic Metal oxide based on the refractory basic molding material less than 0.2% by weight and particularly preferably less than 0.1% by weight and on the other hand greater than 0.001% by weight and preferably greater than 0.005% by weight.
  • the loss on drying of the hydrophobicized metal oxide at the time of use in the building material mixture is typically below 10% by weight, preferably below 5% by weight, preferably below 2% by weight and particularly preferably below 1% by weight, measured according to DIN EN ISO 787- 2 (percentage of substances that are volatile at 105°C in % by weight).
  • the carbon content (total) of the hydrophobic metal oxide determined according to DIN ISO 10694 is preferably greater than 0% by weight to 15% by weight, preferably 0.1% by weight to 8% by weight, particularly preferably 0.25% by weight to 7% by weight .% and most preferably 0.5% to 6% by weight.
  • the sieve residue (>40 ⁇ m) of the hydrophobicized metal oxide according to DIN EN ISO 787-18 is 0 to 2.5% by weight, preferably 0 to 1.5% by weight and particularly preferably 0 to 1% by weight.
  • the metal oxide content in particular Si02 content of the hydrophobicized metal oxide according to DIN EN ISO 3262-19, is typically over 75% by weight, preferably over 80% by weight, particularly preferably over 90% by weight and very particularly preferably over 95 %.
  • the relative residual silanol (Si-OH) content of the hydrophobic metal oxide describes the remaining OH groups after hydrophobic treatment. This results from the number of OH groups of the hydrophilic silica used (with approx. 2 SiOH/nm 2 ), which was processed using the above-mentioned hydrophobic metal oxides, and the number of OH groups of the resulting hydrophobic silica. Residual silanol contents of 5 to 75% are preferred, particularly preferably 15 to 60% and very particularly preferably 22 to 55%.
  • the binder contains water glasses, which are produced, for example, by dissolving vitrified lithium, sodium and/or potassium silicates in water. Be preferred are water glasses that contain at least sodium, the content of which is given as Na20.
  • M2O is Na 2 O.
  • the binder has a molar modulus S1O2/M2O of greater than 1.4, preferably greater than 1.6, preferably greater than 1.8, more preferably greater than 1.9.
  • the water glass preferably has a molar modulus of less than 2.8, preferably less than 2.6, preferably less than 2.5, particularly preferably less than 2.4.
  • the binder has a solids content of less than 42% by weight, preferably less than 40% by weight, preferably less than 38% by weight, particularly preferably less than 37% by weight.
  • the remainder of the binder preferably consists of water.
  • the binder has a solids content of greater than 20 to less than 42% by weight, preferably greater than 24 to less than 38% by weight, preferably greater than 27 to less than 37% by weight.
  • the solids content is determined by carefully evaporating the liquid, thus drying the binder and then heating it at 600° C. for 1 hour in an air atmosphere. The remaining oxidic material is weighed to determine the solids content.
  • the amount of S1O2 and M2O (calculated as mol%) in the binder is generally less than 16 mol%, preferably less than 15 mol%, preferably less than 14 mol%, particularly preferably less than 13.5 mol%. Furthermore, this amount of substance is generally greater than 7 mol%, preferably greater than 8 mol%, preferably greater than 9 mol%, particularly preferably greater than 10 mol% and in particular preferably greater than 10.5 mol%.
  • the binder must not be too thin, but not too thick either. The dynamic viscosity is measured using a Brookfield rotational viscometer.
  • the binder according to the invention has a viscosity of less than 20 mPas, preferably less than 18 mPas, preferably less than 16 mPas and particularly preferably less than 14 mPas. Also independently of this, at a temperature of 25° C., according to one embodiment, the binder has a viscosity of greater than 3 mPas, preferably greater than 5 mPas, preferably greater than 7 mPas and particularly preferably greater than 8 mPas.
  • the viscosity is measured on a Brookfield rotational viscometer with the spindle 18 measuring geometry at a viscosity of up to 16 mPas and a speed of 200 rpm and at a viscosity of less than 16 mPas with the UL adapter spindle measuring geometry at a speed of 50 rpm
  • the density of the binder is less than
  • the density is greater than 1.0 g/cm 3 , preferably greater than 1.05 g/cm 3 and particularly preferably greater than 1.1 g/cm 3 .
  • the density is measured using the oscillating U-tube method.
  • the surface tension of the binder is less than 60 mN/m, preferably less than 50 mN/m and particularly preferably less than 45 mN/m. Regardless of this, the surface tension of the binding agent is, according to one embodiment, greater than 15 mN/m, preferably greater than 20 mN/m and in particular greater than 25 mN/m. The surface tension is measured using the DeNoüy ring method (at 25°C).
  • the binder should be a clear solution and as far as possible free from coarser particles which, at their largest extent, have a size between several micrometers and several millimeters and can originate, for example, from impurities.
  • Commercially available water glass solutions usually have these coarser particles.
  • the particle sizes in the water glass and also in the binder are determined using dynamic light scattering in accordance with DIN/ISO 13320 (eg Horiba LA 950, Fraunhofer method).
  • the determined Dgo value (based on the volume in each case) is used as a measure for the larger particles - it means that 90% of the particles are smaller than the specified value.
  • the water glass according to the invention has a deodorant value (determined by dynamic light scattering) of less than 20 gm, preferably less than 10 gm and particularly preferably less than 5 gm.
  • the water glass according to the invention has a Dioo value of in particular less than 25 gm, preferably less than 20 gm and particularly preferably less than 10 gm in relation to the solid contained therein.
  • Water glasses described above or the binder containing water glasses can be obtained, for example, by suitable filtration - for example, eig nen are filters with a sieve diameter of 25 gm, preferably 10 gm and be particularly preferably 5 gm A maximum size of 1 gm preferably contains no particles at all.
  • suitable filtration - for example, eig nen are filters with a sieve diameter of 25 gm, preferably 10 gm and be particularly preferably 5 gm
  • a maximum size of 1 gm preferably contains no particles at all.
  • the binder according to the invention can have proportions of lithium ions.
  • the molar ratio of L12O / M2O can vary over a wide range, for example between 0.01 and 0.3.
  • the ratio is preferably in the range between 0.03 and 0.17, preferably between 0.035 and 0.16 and particularly preferably between 0.04 and 0.14.
  • the binder according to the invention can contain proportions of potassium ions.
  • the molar ratio of K2O / M2O can vary over a wide range, for example between 0.01 and 0.3.
  • the ratio is preferably in the range between 0.01 and 0.17, preferably between 0.02 and 0.16 and particularly preferably between 0.03 and 0.14.
  • network formers other than silicate can both increase thermal stability and reduce reactivity.
  • a network former from the group of phosphates can therefore be added to the binder and dissolved in the binder; alkali metal phosphates in particular (eg sodium hexametaphosphate or sodium polyphosphate) have proven to be positive.
  • alkali metal phosphates eg sodium hexametaphosphate or sodium polyphosphate
  • alkali orthophosphates such as trisodium phosphate (Na 3 PO 4 ) are not preferred.
  • Sodium polyphosphates and/or sodium metaphosphates are particularly preferred.
  • borates in particular alkali metal borates, e.g. disodium tetraborate decahydrate. These are also dissolved in the binder.
  • the amounts of alkali metals resulting from the proportions of alkali borates and/or alkali phosphates in the total amount of the binder (including diluent) are calculated as oxides and contribute to the total amount (i.e. the sum of the individual amounts) of lithium, sodium and potassium oxide in the entire aqueous solution. Consequently - according to this stipulation - the addition of alkali metal borates and/or alkali metal phosphates also influences the molar modulus S1O2/M2O.
  • the borates content in the binder is calculated as B2O3.
  • the molar ratio of B2O3/S1O2 can vary over a wide range, for example from 0 to 0.5. This ratio is preferably less than 0.3, preferably less than 0.2, particularly preferably less than 0.1, particularly preferably less than 0.08 and very particularly preferably less than 0.06. This ratio is preferably greater than or equal to 0. In a further embodiment, this ratio is preferably greater than 0.01, particularly preferably greater than 0.02.
  • Borates within the meaning of the invention are boron compounds in oxidation stage III which are only directly bound to oxygen, i.e. oxygen atoms are the direct binding partners of the boron in the compound.
  • the phosphate content in the binder is calculated as P2O5.
  • the molar ratio of P2O5/S1O2 can vary over a wide range, for example from 0 to 0.5. This ratio is preferably less than 0.4, preferably less than 0.3, more preferably less than 0.25, particularly preferably less than 0.2 and very particularly preferably less than 0.15. This ratio is preferably greater than 0, preferably greater than 0.01, particularly preferably greater than 0.02.
  • phosphates are phosphorus compounds in the oxidation state V, which are directly bound only to oxygen, ie oxygen atoms are the direct binding partners of the phosphorus in the compound.
  • the binder can also contain aluminum, in which case the proportion of aluminum is calculated as Al2O3.
  • the proportion of Al2O3 is then usually less than 2% by weight, based on the total mass of the binder.
  • surface-active substances can be added to the binder in order to influence the surface tension of the binder.
  • the proportion of these surface-active substances is generally between 0.01 and 4.0% by weight, preferably between 0.1 and 3.0% by weight.
  • Suitable surface-active substances in the binder are, for example, in
  • DE 102007051850 A1 including preferably anionic surfactants which carry a sulfate and/or sulfonate group, in particular C8 alkyl sulfates.
  • anionic surfactants which carry a sulfate and/or sulfonate group, in particular C8 alkyl sulfates.
  • suitable surface-active substances are, for example, polyacrylate salts (e.g. of sodium - for example Dispex N40 - Ciba) or silicone surfactants for aqueous systems (e.g. Byk 348, Altana).
  • Surface-active substances based on trisioxane or glycol e.g. polyethylene glycol
  • glycols can be added to the binder in order to make the binder somewhat more "good-natured” or easier to apply.
  • These glycols are preferably polyethylene glycol, low molecular weight polyethylene glycol such as PEG 200 being particularly preferred.
  • the polyethylene glycol used has an average molecular weight of less than 1000 g/mol, preferably less than 500 g/mol and particularly preferably less than 400 g/mol.
  • the addition of the glycol, based on the binder is in the range from 0.01% by weight to 2% by weight, preferably from 0.1% by weight to 1% by weight and particularly preferably from 0.2% by weight. -% to 0.7% by weight.
  • alcohols can also be added to the binder in order to make the binder easier to apply. They are preferably trihydric alcohols, with glycerol being particularly preferred.
  • the addition of the glycol, based on the binder is in the range from 0.01% by weight to 2% by weight, preferably from 0.1% by weight to 1% by weight and particularly preferably from 0.2% by weight. % to 0.7% by weight.
  • the binder based on water glass preferably between 0.5% by weight and 7% by weight of the binder based on water glass are used, preferably between 0.75% by weight and 6% by weight, particularly preferably between 1% by weight and 5 0.0% by weight and particularly preferably between 1% by weight and 4.0% by weight, based in each case on the basic molding material.
  • the building material mixture can contain a proportion of particulate amorphous silicon dioxide in order to increase the strength level of the casting molds.
  • An increase in the strength of the casting moulds, in particular the increase in the tear strength, can be advantageous in the automated production process. Synthetically produced amorphous silica is particularly preferred.
  • the mean particle size (including any agglomerates) of the amorphous silicon dioxide is preferably less than 300 ⁇ m, preferably less than 200 ⁇ m, particularly preferably less than 100 ⁇ m.
  • the sieve residue of the particulate amorphous S1O2 when passing through a 125 ⁇ m sieve (120 mesh) is preferably not more than 10% by weight, more preferably not more than 5% by weight and most preferably not more than 2% by weight. . Irrespective of this, the sieve residue on a sieve with a mesh size of 63 ⁇ m is less than 10% by weight, preferably less than 8% by weight.
  • the sieving residue is determined according to the machine sieving method described in DIN 66165 (Part 2), with a chain ring also being used as a sieving aid.
  • the particulate amorphous silicon dioxide preferably used according to the present invention has a water content of less than 15% by weight, in particular less than 5% by weight and particularly preferably less than 1% by weight (drying to constant mass at 105° C.).
  • the particulate amorphous S1O2 is used as a powder (including dust).
  • amorphous S1O2 Both synthetically produced and naturally occurring silicic acids can be used as amorphous S1O2.
  • the latter are known, for example, from DE 102007045649, but are not preferred since they usually contain not inconsiderable crystalline fractions and are therefore classified as carcinogenic.
  • synthetic is meant non-naturally occurring amorphous S1O2, i.e. H. the production of which includes a deliberately carried out chemical reaction, as initiated by a human being, e.g. the production of silica sols by ion exchange processes from alkali silicate solutions, precipitation from alkali silicate solutions, flame hydrolysis of silicon tetrachloride, reduction of quartz sand with coke in an electric arc furnace in the Production of ferrosilicon and silicon.
  • the amorphous S1O2 produced by the last two methods is also referred to as pyrogenic S1O2.
  • amorphous silicon dioxide is understood to mean only precipitated silica (CAS No. 112926-00-8) and S1O2 produced by flame hydrolysis (pyrogenic silica, fumed silica, CAS No. 112945-52-5), while that used in ferrosilicon or silicon production is simply referred to as amorphous silicon dioxide (Silica Fume, Microsilica, CAS No. 69012-64-12).
  • amorphous silicon dioxide Silica Fume, Microsilica, CAS No. 69012-64-12.
  • the product formed during the production of ferrosilicon or silicon is also understood to be amorphous SiO2.
  • the mean primary particle size of the particulate amorphous silicon dioxide can be between 0.05 ⁇ m and 10 ⁇ m, in particular between 0.1 ⁇ m and 5 ⁇ m, particularly preferably between 0.1 ⁇ m and 2 ⁇ m.
  • the primary particle size can be determined, for example, with the aid of dynamic light scattering (eg Horiba LA 950) and checked by means of scanning electron micrographs (REM images with, for example, Nova NanoSEIVI 230 from FEI). Furthermore, with the help of the REM images, details of the primary particle shape down to the order of 0.01 pm could be made visible.
  • the silicon dioxide samples were dispersed in distilled water and then placed on an aluminum holder covered with copper tape before the water was evaporated.
  • the specific surface area of the particulate amorphous silicon dioxide was determined using gas adsorption measurements (BET method, nitrogen) in accordance with DIN 66131.
  • the specific surface area of the particulate amorphous S1O2 is between 1 and 200 m 2 /g, in particular between 1 and 50 m 2 /g, particularly preferably between 1 and 30 m 2 /g. If necessary, the products can also be mixed, eg in order to obtain mixtures with specific particle size distributions.
  • the purity of the amorphous S1O2 can vary greatly. Types with a silicon dioxide content of at least 85% by weight, preferably at least 90% by weight and particularly preferably at least 95% by weight, have proven to be suitable. Depending on the application and the desired level of strength, between 0.1% by weight and 2% by weight of the particulate amorphous S1O2 are used, preferably between 0.1% by weight and 1.8% by weight, particularly preferably between 0.1% by weight % and 1.5% by weight, based in each case on the refractory base molding material.
  • the amorphous S1O2 is preferably present in a proportion of 1 to 80% by weight, preferably 2 to 60% by weight, particularly preferably 3 to 55% by weight and particularly preferably between 4 to 50% by weight. Or independently of this, preferred, based on the ratio of solids content of the water-glass-based binder (based on the oxides, ie total mass of alkali metal oxides M2O and silicon dioxide) to amorphous S1O2 of 10:1 to 1:1.2 (parts by weight).
  • the amorphous S1O2 is added to the refractory material or the building material mixture before the binder is added.
  • the method according to the invention is therefore further characterized by one or more of the following features when using amorphous S1O2:
  • the amorphous silicon dioxide has a BET surface area between 1 and 200 m 2 /g, preferably greater than or equal to 1 m 2 /g and less than or equal to 30 m 2 /g, particularly preferably less than or equal to 15 m 2 /g .
  • the amorphous silicon dioxide is selected from the group consisting of: precipitated silicon dioxide, pyrogenic silicon dioxide produced by flame hydrolysis or by electric arc, amorphous silicon dioxide produced by thermal decomposition of ZrSiO4, silicon dioxide produced by oxidation of metallic silicon using an oxygen-containing gas, quartz glass powder with spherical particles prepared by melting and rapidly recooling crystalline quartz, and mixtures thereof, and is preferably amorphous silica prepared by thermal decomposition of ZrSiO 4 .
  • the amorphous silicon dioxide is preferably used in amounts of 0.1 to 2% by weight, particularly preferably 0.1 to 1.5% by weight, based in each case on the refractory base molding material.
  • the amorphous silicon dioxide has a water content of less than 5% by weight and particularly preferably less than 1% by weight.
  • the amorphous silicon dioxide is particulate amorphous silicon dioxide, preferably with an average primary particle diameter determined by dynamic light scattering between 0.05 ⁇ m and 10 ⁇ m, in particular between 0.1 ⁇ m and 5 ⁇ m and particularly preferably between 0.1 ⁇ m and 2 pm.
  • an inorganic hardener for binders based on water glass is optionally added to the building material mixture before the binder is added.
  • Such inorganic hardeners are, for example, phosphates such as Li thopix P26 (an aluminum phosphate from Zschimmer und Schwarz GmbH & Co KG Chemische Fabriken) or Fabutit 748 (an aluminum phosphate from Chemische Fabrik Budenheim KG).
  • Other inorganic hardeners for binders based on water glass are, for example, calcium silicates and their hydrates, calcium aluminates and their hydrates, aluminum sulfate, magnesium and calcium carbonate.
  • the ratio of hardener to binder can vary depending on the desired property, eg processing time and/or stripping time of the building material mixture.
  • the proportion of hardener (weight ratio of hardener to binder and, in the case of water glass, the total mass of the silicate solution or other binders contained in the solvent) is advantageously greater than or equal to 5% by weight, preferably greater than or equal to 8% by weight, particularly preferably greater than or equal to 10% by weight, in each case based on the binder.
  • the upper limits are less than or equal to 25% by weight, based on the binder, preferably less than or equal to 20% by weight, particularly preferably less than or equal to 15% by weight.
  • the inorganic hardener between 0.05% by weight and 2% by weight are used, preferably between 0.1% by weight and 1% by weight, and particularly preferably between 0.1% by weight and 0.6% by weight .%, in each case based on the mold base material.
  • the unbound building material mixture can then be removed from the mold and the mold can be used for further treatment, e.g. preparation for metal casting.
  • the unbound building material mixture can be removed from the bound building material mixture by means of an outlet, for example, so that the unbound building material mixture can trickle out.
  • the bound building material mixture (casting mold) can be freed from residues of the unbound building material mixture, for example using compressed air or by brushing.
  • the unbound building material mixture can be reused for a new printing process.
  • the printing takes place, for example, with a print head having a large number of nozzles, the nozzles preferably being individually selectively controllable.
  • the print head is moved under the control of a computer at least in one plane and the nozzles apply the liquid binding agent in layers.
  • the print head can be, for example, a drop-on-demand print head with bubble jet or, preferably, piezo technology.
  • a basic molding material mixture consisting of sand GS 14 (mean grain diameter 0.14 mm) with an additional 0.8% by weight of a powdered additive (amorphous S1O2) (primary molding material mixture 1 ) homogenized in a paddle mixer.
  • Molding material mixture 1 was further mixed with additives to prepare the molding material mixtures 2 to 6.
  • the following molding material mixtures were produced in a blade mixer:
  • Molding material mixture 2 Molding material mixture 1 + 0.05% by weight of additive 1 (FIDK Fl 30 from Wacker, dimethylsiloxy-substituted on the surface)
  • Molding material mixture 3 Molding material mixture 1 + 0.1% by weight of additive 2 (FIDK Fl 13 L from Wacker, dimethylsiloxy substituted on the surface)
  • Molding material mixture 4 Molding material mixture 1 + 0.05% by weight of additive 3 (FIDK Fl 2000 der Wacker company, trimethylsiloxy substituted on the surface)
  • Molding material mixture 5 Molding material mixture 1 + 0.02% by weight of additive 4 (surface covered with silicone oil AP 100 from Wacker, comparison)
  • Molding material mixture 6 Molding material mixture 1 + 0.02% by weight of additive 5 (surface coating with polyether-modified trisiloxane according to DE 102018200607 A1, comparison)
  • Molding material mixture 7 Molding material mixture 1 + 0.1% by weight of additive 6 (SIPERNAT D10/1 from EVONIK, polydimethylsiloxy-substituted on the surface)
  • the specimens were produced on a commercial printing system (VX 200 from Voxeljet AG).
  • An alkaline silicate solution water glass with a viscosity of about 11 mPas at 25° C., molar modulus S1O2/M2O of 2.0, solids content of 29% by weight, from ASK Chemicals GmbH
  • the amount of binder was at all Experiments fixed at 3.5 parts by weight based on 100 parts by weight Formgroundstoffmi research. Bending bars with the dimensions (22.36 mm x 22.36 mm x 170.00 mm) were produced as test specimens. After printing, the specimens were cured in a microwave for 4.5 minutes at a power of 1000 watts.
  • Molding material mixture 1 (V) 1.34 1.36 Molding material mixture 2 0.69 0.78 Molding material mixture 3 0.44 0.43 Molding material mixture 4 0.37 0.28 Molding material mixture 5 (V) kAkA Molding material mixture 6 (V) 0.23 0 .20 Molding mix 7 0.18 0.06
  • bending bars were produced analogously to example 1.
  • the strength of each tested molding material mixture was measured on two bending bars 1 hour after opening, 24 hours after storage under room conditions and 24 hours after storage in a controlled climate of 30 °C and 49 % relative humidity determined.
  • Molding mix 1 (V) 422 409 285 (-33%) Molding mix 2 407 424 380 (-7%) Molding mix 3 377 395 358 (-5%) Molding mix 4 392 394 370 (-6%) Molding mix 5 (V) kAkAkA Molding mix 6 (V) 425 408 336 (-21%) Molding mix 7 431 420 366 (-15%) Molding mixture 1 shows a slight drop in strength when stored under room conditions, but a drastic drop in strength when stored at 30° C. and 49% relative humidity.
  • the molding material mixture 2 according to the invention has a similar initial strength and a significantly higher strength after storage at 30° C. and 49% relative humidity.
  • the molding material mixtures 2 to 4 according to the invention exhibit analogous behavior, albeit with slightly reduced initial strengths. Similar to the determination of the dimensional accuracy, no strength could be determined for molding material mixture 5. The reason for this is insufficient layer bonding when producing the samples on the commercial VX 200 printing system.
  • Molding material mixture 6 shows high strength 1 hour after sample production, but a greater relative strength drop compared to molding material mixtures 2 to 4 (79 % remaining strength for molding material mixture 6, on average 94% for molding material mixtures 2 to 4 according to the invention.
  • Molding mixture 7 shows high strength after 1 h and a moderate drop in strength after storage at 30° C. and 49% relative humidity for 24 h.
  • the molding material mixtures 2 to 4 according to the invention with an organic carbon content (without graphite) of at most 0.00015% (addition of up to 0.1% with a maximum carbon content of 15%) have a very low emission potential, in particular compared to Molding material mixture 6 according to DE 102018200607 A1 with a carbon content of 0.01% (addition to the molding material mixture from 0.01% with a carbon content of 100%). This enables a drastic reduction in emissions when using the molding mixtures according to the invention.

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Abstract

The invention relates to a method for the layered construction of molds and cores comprising fire-resistant base molding material, a hydrophobicized metal oxide and a binder containing at least water glass in the form of an aqueous alkali silicate solution. The invention also relates to molds or cores produced in this manner.

Description

Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formen und Kernen mit einem wasserglashaltigen Bindemittel Process for the layered construction of molds and cores with a binder containing water glass
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formen und Ker nen umfassend feuerfesten Formgrundstoff, ein hydrophobiertes Metalloxid als Feststoff und ein Bindemittel enthaltend zumindest Wasserglas in Form einer wäss rigen Alkalisilikat-Lösung. Zur schichtweisen Herstellung im 3-D-Druck von Formen und Kernen ist es nötig, einen feuerfesten Formgrundstoff schichtweise aufzutragen und jeweils mithilfe des Bindemittels selektiv zu bedrucken. Weiterhin betrifft die Erfindung so hergestellte Formen oder Kerne. The invention relates to a method for building up molds and cores in layers, comprising a refractory basic mold material, a hydrophobic metal oxide as a solid and a binder containing at least water glass in the form of an aqueous alkali silicate solution. For the layered production of molds and cores using 3D printing, it is necessary to apply a refractory base material in layers and print it selectively using the binder. The invention further relates to molds or cores produced in this way.
Stand der Technik State of the art
Gießformen setzen sich im Wesentlichen aus Kernen und Formen zusammen, wel che die Negativformen des herzustellenden Gussstücks darstellen. Diese Kerne und Formen bestehen dabei aus einem feuerfesten Material, beispielsweise Quarz sand, und einem geeigneten Bindemittel, das der Gießform nach der Entnahme aus dem Formwerkzeug eine ausreichende mechanische Festigkeit verleiht. Zur Ver einfachung werden nachfolgend Kerne und Formen gemeinsam als Gießform oder Gießformen bezeichnet. Für die Herstellung von Gießformen verwendet man also einen feuerfesten Formgrundstoff, welcher mit einem geeigneten Bindemittel verse hen ist. Der feuerfeste Formgrundstoff liegt bevorzugt in einer rieselfähigen Form vor, so dass er in eine geeignete Hohlform eingefüllt werden kann. Durch das Bin demittel wird ein fester Zusammenhalt zwischen den Partikeln/Körnern des Form grundstoffs erzeugt, so dass die Gießform die erforderliche mechanische Stabilität erhält. Casting molds essentially consist of cores and moulds, which represent the negative molds of the casting to be produced. These cores and molds consist of a refractory material, such as quartz sand, and a suitable binder that gives the mold sufficient mechanical strength after removal from the mold. For the sake of simplicity, cores and molds are collectively referred to below as a mold or molds. For the production of casting molds, a refractory base material is used, which is provided with a suitable binding agent. The refractory basic molding material is preferably in a free-flowing form, so that it can be filled into a suitable hollow mold. The binding agent creates a solid bond between the particles/grains of the mold base material, so that the casting mold has the required mechanical stability.
Gießformen müssen verschiedene Anforderungen erfüllen. Beim Gießvorgang selbst müssen sie zunächst eine ausreichende Festigkeit und Temperaturbestän digkeit aufweisen, um das flüssige Metall in den aus einem oder mehreren Gieß(teil)formen gebildeten Hohlraum aufnehmen zu können. Nach Beginn des Erstarrungsvorgangs wird die mechanische Stabilität des Gussstücks durch eine erstarrte Metallschicht gewährleistet, die sich entlang der Wände der Gießform ausbildet. Das Material der Gießform muss sich nun unter dem Einfluss der vom Metall ab gegebenen Hitze in der Weise zersetzen, dass es seine mechanische Festigkeit verliert, also der Zusammenhalt zwischen einzelnen Partikeln/Körnern des feuer festen Materials aufgehoben wird. Im Idealfall zerfällt die Gießform wieder zu ei nem feinen Sand, der sich mühelos vom Gussstück entfernen lässt. Casting molds have to meet various requirements. During the casting process itself, they must first have sufficient strength and temperature resistance to be able to accommodate the liquid metal in the cavity formed from one or more casting (partial) molds. After the start of the solidification process, the mechanical stability of the casting is ensured by a solidified metal layer that forms along the walls of the casting mold. The material of the casting mold must now decompose under the influence of the heat given off by the metal in such a way that it loses its mechanical strength, i.e. the cohesion between individual particles/grains of the refractory material is broken. Ideally, the casting mold crumbles back into fine sand that can be easily removed from the casting.
Unter der Bezeichnung „Rapid Prototyping“ sind verschiedene Methoden zur Her stellung dreidimensionaler Körper durch schichtweisen Aufbau bekannt. Ein Vorteil dieser Verfahren ist die Möglichkeit, auch komplexe, aus einem Stück bestehende Körper mit Hinterschneidungen und Hohlräumen herzustellen. Mit konventionellen Methoden müssten diese Körper aus mehreren, einzeln gefertigten Teilen zusam mengefügt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Verfahren in der Lage sind, die Körper ohne Formwerkzeuge direkt aus den CAD-Daten herzustel len. Various methods for the production of three-dimensional bodies by building them up in layers are known under the name “rapid prototyping”. An advantage of this process is the possibility of producing complex, one-piece bodies with undercuts and cavities. With conventional methods, these bodies would have to be assembled from several individually manufactured parts. Another advantage is that the methods are able to produce the bodies directly from the CAD data without the use of molds.
Es ergeben sich durch die 3-dimensionalen Druckverfahren neue Anforderungen an Bindemittel, die die Gießform Zusammenhalten, wenn das Bindemittel oder eine Bindemittel-Komponente durch die Düsen eines Druckkopfes appliziert wer den soll. Dann müssen die Bindemittel nicht nur zu einem ausreichenden Festig keitsniveau und zu guten Zerfallseigenschaften nach dem Metallguss führen sowie eine ausreichende Thermo- und Lagerstabilität aufweisen, sondern nun auch „ver druckbar“ sein, d.h. die Düsen des Druckkopfes dürfen sich einerseits nicht durch das Bindemittel festsetzen, andererseits sollte das Bindemittel auch nicht direkt aus dem Druckkopf herausfließen können, sondern einzelne Tröpfchen bilden. The 3-dimensional printing process results in new requirements for binders that hold the mold together when the binder or a binder component is to be applied through the nozzles of a print head. Then the binders must not only lead to a sufficient level of strength and good disintegration properties after the metal casting and have sufficient thermal and storage stability, but also be “printable”, i.e. the nozzles of the print head must not become blocked by the binder , on the other hand, the binder should not be able to flow directly out of the print head, but form individual droplets.
Ferner wird darüber hinaus immer häufiger gefordert, dass während der Herstel lung der Gießformen sowie während des Gießens und Abkühlens möglichst keine Emissionen in Form von CO2 oder Kohlenwasserstoffen entstehen, um die Umwelt zu schonen und die Geruchsbelästigung der Umgebung durch Kohlenwasser stoffe, hauptsächlich durch aromatische Kohlenwasserstoffe, einzuschränken. Um diesen Anforderungen zu genügen, wurden in den vergangenen Jahren anorgani sche Bindesysteme entwickelt bzw. weiterentwickelt, deren Verwendung dazu führt, dass Emissionen von CO2 und Kohlenwasserstoffen bei der Herstellung von Metallformen vermieden oder zumindest deutlich minimiert werden können. Die EP 1802409 B1 offenbart ein anorganisches Bindemittelsystem, mit welchem es möglich ist, Gießformen mit ausreichender Stabilität herzustellen. Das Binde mittelsystem eignet sich allerdings insbesondere für die thermische Aushärtung in einer Kernschießmaschine, in welcher eine vorher gemischte Formstoffmischung (Mischung aus zumindest Feuerfestmaterial und Bindemittel) mittels Druck in das beheizte Formwerkzeug befördert wird. In addition, there is an increasing demand for as few emissions as possible in the form of CO2 or hydrocarbons to occur during the manufacture of the casting molds, as well as during casting and cooling, in order to protect the environment and reduce the odor nuisance in the environment caused by hydrocarbons, mainly aromatic hydrocarbons , restrict. In order to meet these requirements, inorganic binding systems have been developed or further developed in recent years, the use of which means that emissions of CO2 and hydrocarbons in the production of metal molds can be avoided or at least significantly reduced. EP 1802409 B1 discloses an inorganic binder system with which it is possible to produce casting molds with sufficient stability. However, the binder system is particularly suitable for thermal curing in a core shooter, in which a previously mixed mold material mixture (mixture of at least refractory material and binder) is conveyed into the heated mold by means of pressure.
Die WO 2012/175072 A1 offenbart ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Modellen, bei welchem ein anorganisches Bindemittelsystem zum Einsatz kommt. Das schichtweise aufgetragene, partikelförmige Material umfasst dabei ein parti kelförmiges Baumaterial und eine sprühgetrocknete Alkalisilikatlösung. Die selek tive Aktivierung der Flärtung erfolgt mithilfe einer Wasser umfassenden Lösung, die über den Druckkopf hinzugegeben wird. Offenbart werden hierbei sowohl rei nes Wasser als auch modifiziertes Wasser, das Theologische Additive enthält. Als Theologische Additive werden Andicker wie Glycerin, Glycol oder Schichtsilikate beispielhaft erwähnt, wobei insbesondere die Schichtsilikate hervorgehoben wer den. Die WO 2012/175072 A1 offenbart nicht, wässrige Alkalisilikat-Lösungen ein zusetzen. Das Bindemittel bzw. die Wasserglaslösung wird nicht über den Druck kopf dosiert, sondern ist in fester Form als Alkalisilikat bereits in dem schichtweise aufgetragenen, partikelförmigen Material enthalten. Das selektive Benetzen bzw. Abbinden eines schichtweise aufgetragenen Materials mithilfe eines Bindemittels gelingt gemäß der WO 2012/175072 A1 folglich nur über einen Umweg und nicht direkt mithilfe einer wässrigen Alkalisilikat-Lösung. Durch den in der WO 2012/175072 A1 beschriebenen Prozess befindet sich das Bindemittel, die sprüh getrocknete Alkalisilikatlösung, nicht nur an dem vorgesehenen Bestimmungsort, sondern auch in Bereichen, in denen es nicht erforderlich ist. Somit wird das Bin demittel in unnötiger Weise verbraucht. WO 2012/175072 A1 discloses a method for the layered construction of models, in which an inorganic binder system is used. The particulate material applied in layers comprises a particulate building material and a spray-dried alkali silicate solution. The flattening is selectively activated using a water-comprising solution that is added via the printhead. Both pure water and modified water containing theological additives are disclosed here. Thickeners such as glycerol, glycol or layered silicates are mentioned as examples of rheological additives, with layered silicates being particularly emphasized. WO 2012/175072 A1 does not disclose the use of aqueous alkali metal silicate solutions. The binder or the water glass solution is not dosed via the print head, but is already contained in solid form as alkali silicate in the layered, particulate material. According to WO 2012/175072 A1, the selective wetting or setting of a material applied in layers with the aid of a binder is therefore only possible indirectly and not directly with the aid of an aqueous alkali silicate solution. Due to the process described in WO 2012/175072 A1, the binder, the spray-dried alkali metal silicate solution, is not only at the intended destination, but also in areas where it is not required. Thus, the binder is unnecessarily consumed.
Die DE 102011053205 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in Ablagerungstechnik, bei welchem u. a. Wasserglas neben vielen anderen Mög lichkeiten als Druckflüssigkeit verwendet wird. Das Wasserglas kann demnach mittels eines Druckkopfes dosiert und auf einen vorbestimmten Teilbereich der je weils obersten Schicht aufgetragen werden. Es finden sich in der DE 102011053205 A1 allerdings keine Informationen darüber, welche Wasser glaszusammensetzungen eingesetzt werden können. Auch erhält der Fachmann keine Hinweise über die physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Wassergläser, die auf eine chemische Zusammensetzung hätten schließen lassen können. Lediglich im beschriebenen Stand der Technik ist ganz allgemein von anorganischen Bindemitteln (wie z.B. fließfähiges Wasserglas) die Rede, die in der Regel große Mengen an Feuchtigkeit enthalten - als Beispiel wird lediglich bis zu 60 Gew.% Wasser angegeben. Die großen Wassermengen (z.B. bis zu 60 Gew.% Wasser) werden als nachteilig beurteilt, da diese schwer zu handhaben seien. DE 102011053205 A1 discloses a method for producing a component using deposition technology, in which, among other things, water glass is used as the pressure fluid in addition to many other possibilities. The water glass can therefore be dosed by means of a print head and applied to a predetermined portion of each Weil top layer. However, DE 102011053205 A1 contains no information about which waterglass compositions can be used. The person skilled in the art also does not receive any information about the physical properties of the water glasses used, which could have suggested a chemical composition. Only the prior art described speaks very generally of inorganic binders (such as, for example, free-flowing water glass), which generally contain large amounts of moisture—only up to 60% by weight of water is given as an example. The large amounts of water (eg up to 60% by weight of water) are judged to be disadvantageous because they are difficult to handle.
Die WO 2013/017134A1 offenbart eine wässrige Alkalisilikatlösung mit einer Vis kosität bei 20°C von 45 mPas oder weniger, die einen Feststoffante il in Bezug auf das Alkalisilikat von 39 Gew.% aufweist. Das Verhältnis zwischen S1O2 und M2O (M2O ist Na20 oder K2O) wird als Gewichtsverhältnis angegeben. Die engsten Grenzen dieses Gewichtsverhältnisses liegen zwischen 1,58 und 3,30. In den Bei spielen der W02013/017134A1 wird ein Verfahren offenbart, mit welchem es mög lich scheint, die Viskosität von Wasserglasbindemitteln mithilfe einer Kugelmühle zu erniedrigen. Ein solches Verfahren ist allerdings sehr aufwendig und kostenin tensiv. WO 2013/017134A1 discloses an aqueous alkali metal silicate solution with a viscosity at 20° C. of 45 mPas or less, which has a solids content of 39% by weight in relation to the alkali metal silicate. The ratio between S1O2 and M2O (M2O is Na20 or K2O) is given as a weight ratio. The narrowest limits of this weight ratio are between 1.58 and 3.30. In the examples of WO2013/017134A1, a method is disclosed with which it seems possible to reduce the viscosity of water glass binders using a ball mill. However, such a method is very complex and expensive.
Die DE 102014118577 A1 beschreibt ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Gießformen umfassend feuerfesten Formgrundstoff und ein Bindemittel ent haltend zumindest eine wässrige Alkalisilikat-Lösung und weiterhin ein Phosphat oder ein Borat oder beides. Das offenbarte Bindemittel soll sehr gut „verdruck bar“ sein, d.h. die Düsen des Druckkopfes sollen sich durch das offenbarte Binde mittel nicht schnell festsetzen. Gleichzeitig kann das Bindemittel sehr fein aufge tragen werden. Eine Verstopfung der Düsen des Druckkopfes würde zu einem schlechten Druckergebnis führen. Es finden sich keine Hinweise, wie eine Fluid migration des Bindemittels auf dem Substrat verhindert werden könnte, um die ge ometrischen Vorgaben besser einhalten zu können. DE 102014118577 A1 describes a method for the layered construction of casting molds comprising refractory base molding material and a binder containing at least one aqueous alkali silicate solution and also a phosphate or a borate or both. The disclosed binding agent should be very “printable”, i.e. the nozzles of the print head should not quickly clog due to the disclosed binding agent. At the same time, the binder can be applied very finely. A clogging of the nozzles of the print head would lead to poor printing results. There are no indications as to how fluid migration of the binder on the substrate could be prevented in order to be able to better comply with the geometric specifications.
Die DE 102018200607 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von für die Herstellung von Faserverbundkörpern oder Gussteilen aus Metall oder Kunststoff geeigneten Gießformen aus einem partikulären Formgrundstoff und einem mehr- komponentigen Binder mittels 3D-Druck, wobei der partikuläre Formgrundstoff mit mindestens einer siliziumorganischen Verbindung vorbehandelt wird, die ein pola res hydrophiles Ende und ein unpolares hydrophobes Ende aufweist. Nach Bildung einer Schicht aus dem vorbehandelten partikulären Formgrundstoff wird der Binder oder mindestens eine Komponente des Binders in flüssiger Form auf die Schicht aufgebracht. Der Formgrundstoff und die siliziumorganische Ver bindung können Bestandteil eines zur Durchführung des Verfahrens ausgebildeten Sets sein. Die Aufgabe der DE 102018200607 A1 ist es, die Fluidmigration des Bindemittels auf dem Substrat zu minimieren, um die geometrischen Vorgaben besser einhalten zu können und das „Verlaufen“ des Bindemittels bestmöglich zu vermeiden. Gemäß Anmeldung ist es essentiell, dass das Set mindestens eine si liziumorganische Verbindung umfasst, die ein polares hydrophiles Ende aufweist. Als Beispiele dafür werden flüssige Komponenten angegeben, die mit dem Form grundstoff vermischt werden müssen. Dies führt zur Gefahr, dass die Baustoffmi schung verklumpt - insbesondere bei zusätzlicher Verwendung von feinen Pulver additiven (wie in der Anmeldung angegeben) und dadurch zu Schwierigkeiten beim schichtweisen Aufbau führt. Als Alternative zu dem Set wird offenbart, man könne den Formgrundstoff mit der siliziumorganischen Verbindung, die ein polares hydrophiles Ende aufweist, vorbehandeln. Der Einsatz eines solchen vorbehandel ten Formgrundstoffs scheint aber eine kostspiele Angelegenheit zu sein, da der Formgrundstoff einen sehr hohen Anteil der Baustoffmischung einnimmt und der Formgrundstoff homogen mit der siliziumorganischen Verbindung benetzt sein muss. Bei Wasserglas-gebundenen Kernen muss weiterhin die Feuchtestabilität der hergestellten Gießformen betrachtet werden. Weiterhin führen jegliche organi sche Verbindungen zu ungewünschten Emissionen während des Metallgusses - daher ist der Einsatz eher ungewünscht und wenn überhaupt nötig, zu minimieren. DE 102018200607 A1 describes a method for producing casting molds suitable for the production of fiber composite bodies or castings made of metal or plastic from a particulate mold base material and a multi-component binder by means of 3D printing, the particulate mold base material being pretreated with at least one silicon-organic compound, which has a polar hydrophilic end and a non-polar hydrophobic end. After a layer has been formed from the pretreated particulate molding base material, the binder or at least one component of the binder is applied in liquid form to the layer. The basic molding material and the organosilicon compound can be part of a set designed to carry out the method. The task of DE 102018200607 A1 is to minimize the fluid migration of the binder on the substrate in order to be able to better comply with the geometric specifications and to avoid the "running" of the binder as far as possible. According to the application, it is essential that the set comprises at least one organosilicon compound which has a polar hydrophilic end. Liquid components that have to be mixed with the mold base material are given as examples of this. This leads to the risk that the building material mixture clumps together - especially when fine powder additives are also used (as specified in the application) and thus leads to difficulties when building up in layers. As an alternative to the set, it is disclosed that the basic mold material can be pretreated with the organosilicon compound which has a polar hydrophilic end. However, the use of such a pretreated basic molding material appears to be an expensive affair, since the basic molding material accounts for a very high proportion of the building material mixture and the basic molding material must be wetted homogeneously with the organosilicon compound. In the case of water glass-bonded cores, the moisture stability of the casting molds produced must also be considered. Furthermore, any organic compounds lead to undesired emissions during the metal casting - therefore the use is rather undesirable and, if at all necessary, to be minimized.
Aufgabe der Erfindung object of the invention
Die Erfinder haben sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren für das 3-dimen- sionale Drucken von Gießformen zu entwickeln, in welchem mit Wasserglasbinde mittel direkt über einen Druckkopf selektiv auf die ausgebreitete Baustoffmischung dosiert wird, wobei die ausgebreitete Baustoffmischung ein vorzugsweise pulverför miges Additiv umfasst, welches einerseits die Fluidmigration die dosierten Wasser glasbindemittels minimiert und andererseits dazu führt, dass die später erhaltene und ausgehärtete Gießform eine außerordentlich gute Feuchtebeständigkeit auf weist. Zusammenfassung der Erfindung The inventors have therefore set themselves the task of developing a method for the 3-dimensional printing of casting molds, in which water glass binding agent is selectively dosed directly via a print head onto the spread building material mixture, with the spread building material mixture containing a preferably powdered additive includes, which on the one hand minimizes the fluid migration of the dosed water glass binder and on the other hand leads to the later obtained and hardened casting mold having an extremely good moisture resistance. Summary of the Invention
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen An sprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Verfah rens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder nachfolgend be schrieben. This object is achieved with a method having the features of the independent claims. Advantageous further developments of the method according to the invention are the subject matter of the dependent patent claims or are described below.
Das Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Körpern umfasst dabei zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines feuerfesten Formgrundstoffs sowie eines hydrophobierten Metalloxids als Bestandteile einer Baustoffmischung, wobei das hydropho- bierte Metalloxid mit siliziumorganischen Verbindungen hydrophobiert ist und der Anteil des hydrophobierten Metalloxids 0,0001 Gew.% bis kleiner als 0,4 Gew.%, bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff beträgt; b) Ausbreiten einer dünnen Schicht der Baustoffmischung mit einer Schichtdicke von 0,05 mm bis 3 mm, bevorzugt 0,1 mm bis 2 mm und besonders bevorzugt 0,1 mm bis 1 mm der Baustoffmischung, wobei die Baustoffmischung das hyd- rophobierte Metalloxid umfasst; c) Bedrucken ausgewählter Bereiche der dünnen Schicht mit einem Bindemittel umfassend Wasserglas und d) mehrfaches Wiederholen der Schritte b) und c). The method for building up bodies in layers comprises at least the following steps: a) Provision of a refractory basic mold material and a hydrophobic metal oxide as components of a building material mixture, the hydrophobic metal oxide being hydrophobic with organosilicon compounds and the proportion of the hydrophobic metal oxide being 0.0001% by weight .% to less than 0.4% by weight, based on the refractory mold base material; b) Spreading out a thin layer of the building material mixture with a layer thickness of 0.05 mm to 3 mm, preferably 0.1 mm to 2 mm and particularly preferably 0.1 mm to 1 mm of the building material mixture, the building material mixture comprising the hydrophobic metal oxide ; c) printing selected areas of the thin layer with a binder comprising water glass and d) repeating steps b) and c) multiple times.
Der Körper kann ein Kern oder eine Form (hier zusammen als Gießform(en) be zeichnet) sein. Wird die Baustoffmischung zur Fierstellung von Gießformen verwen det, kann diese auch als Formstoffmischung bezeichnet werden. The body may be a core or a mold (collectively referred to herein as a mold(s)). If the building material mixture is used to create casting molds, it can also be referred to as a molding material mixture.
Das hydrophobierte Metalloxid wird als partikulärer Feststoff eingesetzt und liegt als partikulärer Feststoff in der Baustoffmischung vor. Das hydrophobierte Metalloxid kann als Pulver, Aufschlämmung (Dispersion) oder als Gel eingesetzt werden. Das hydrophobierte Metalloxid wird dabei in partikulärer Form in der Baustoffmischung gleichmäßig verteilt, insbesondere bevor die Baustoffmischung in dünnen Schichten ausgebreitet wird. Das Flydrophobierte Metalloxid ist insbesondere aus einem Sub strat aufgebaut umfassend das Metalloxid, wobei die Oberfläche des Substrats mit siliziumorganischen Verbindungen hydrophobiert ist. Bei Verwendung des hydrophobierten Metalloxids als Teil der Baustoffmischung ha ben die damit hergestellten Körper die folgenden Eigenschaften: The hydrophobic metal oxide is used as a particulate solid and is present as a particulate solid in the building material mixture. The hydrophobic metal oxide can be used as a powder, suspension (dispersion) or gel. The hydrophobic metal oxide is evenly distributed in particulate form in the building material mixture, especially before the building material mixture is spread out in thin layers. The flydrophobized metal oxide is composed in particular of a substrate comprising the metal oxide, with the surface of the substrate being hydrophobicized with organosilicon compounds. When using the hydrophobic metal oxide as part of the building material mixture, the bodies produced with it have the following properties:
1 . Geometrische Vorgaben können sehr gut eingehalten werden 1 . Geometric specifications can be met very well
2. Gute Festigkeiten, insbesondere nach thermischer Härtung 2. Good strength, especially after thermal curing
3. Sehr gute Lagerstabilität 3. Very good storage stability
4. Gute Zerfallseigenschaften nach dem Metallguss 4. Good decay properties after metal casting
5. Eine minimale Emission von CO2 oder anderen organischen Pyrolyseproduk ten während des Gießvorgangs und Abkühlens, da nur eine minimale Menge an organischen Komponenten eingesetzt wird. 5. A minimal emission of CO2 or other organic pyrolysis products during the casting process and cooling, as only a minimal amount of organic components is used.
Überraschend wurde gefunden, dass das hydrophobierte Metalloxid sowohl die Fluidmigration des aufgetragenen flüssigen Bindemittels minimiert als auch die Feuchtebeständigkeit der ausgehärteten Gießform deutlich erhöht, wobei gleich zeitig die absoluten Festigkeiten kaum negativ beeinflusst werden. Weiterhin wird die Emission von organischen Pyrolyseprodukten auf ein Minimum reduziert, da das hydrophobierte Metalloxid in sehr geringen Mengen dosiert werden kann. Surprisingly, it was found that the hydrophobicized metal oxide both minimizes the fluid migration of the applied liquid binder and significantly increases the moisture resistance of the hardened casting mold, with the absolute strengths being hardly negatively affected at the same time. Furthermore, the emission of organic pyrolysis products is reduced to a minimum, since the hydrophobic metal oxide can be dosed in very small quantities.
Weiterhin kommt es beim schichtweisen Aufträgen der Baustoffmischung nicht zu Verklumpungen oder einer „stumpfen“ Baustoffmischung, da die gute Fließ- oder Rieselfähigkeit der Baustoffmischung durch den Einsatz des hydrophobierten Me talloxids erhalten bleibt. Furthermore, when the building material mixture is applied in layers, there is no clumping or a "blunt" building material mixture, since the good flowability or pourability of the building material mixture is retained through the use of the hydrophobic metal oxide.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Das erfindungsgemäße Bindemittel ist für das 3-dimensionale Drucken von Gieß formen vorgesehen. Das Bindemittel dient als Druckflüssigkeit, mit welcher ein schichtweise aufgetragenes Material wie beispielsweise ein feuerfester Formgrund stoff (z.B. Quarzsand) und ggfs ein oder mehrere Additive, zusammen als Baustoff mischung bezeichnet, selektiv bedruckt wird. Die Baustoffmischung enthält das Bin demittel noch nicht. Üblicherweise folgt nach dem schichtweisen Auftrag der Bau stoffmischung von einer oder mehreren Schichten (z.B. zwei oder drei), insbeson dere eine Schicht, jeweils ein selektiver Druckvorgang - dieser Vorgang wiederholt sich so lange bis der gesamte Druckvorgang abgeschlossen ist und die Gießform erhalten werden kann. Die Härtung des Bindemittels kann auf üblichen Wegen erfolgen. So ist es einerseits möglich, der schichtweise aufgetragenen Baustoffmischung ein oder mehrere Was serglashärter zuzusetzen, welche die unmittelbare Aushärtung des aufgedruckten wasserglashaltigen Bindemittels auf chemischem Wege erwirken. The binder according to the invention is intended for the 3-dimensional printing of casting molds. The binder serves as a printing fluid with which a material applied in layers, such as a refractory base material (e.g. quartz sand) and, if necessary, one or more additives, collectively referred to as a building material mixture, is selectively printed. The building material mixture does not yet contain the binder. Usually, after the layer-by-layer application of the building material mixture of one or more layers (e.g. two or three), in particular one layer, a selective printing process follows - this process is repeated until the entire printing process is complete and the casting mold can be obtained. The binder can be cured in the usual ways. On the one hand, it is possible to add one or more water glass hardeners to the building material mixture applied in layers, which cause the immediate chemical hardening of the printed water glass-containing binder.
Auch ist es möglich, das aufgetragene Wasserglas mithilfe von sauren Gasen wie CO2 auszuhärten - allerdings ist diese Variante weniger bevorzugt. It is also possible to harden the applied water glass using acid gases such as CO2 - although this variant is less preferred.
Auf der anderen Seite kann auch eine thermische Härtung erfolgen. Es ist beispiels weise möglich, dass nach Abschluss eines oder jeden zweiten oder dritten Druck vorgangs (unmittelbar bevor, während oder nachdem die nächste Schicht der Bau stoffmischung aufgetragen wird) eine thermische Härtung erfolgt, indem die Mi schung aus Baustoffmischung und Bindemittel beispielsweise mithilfe eines Infra rotlichts bestrahlt wird. In dieser schichtweisen Härtung kann das Infrarotlicht z.B. in Form eines Spots dem Druckkopf nachgeführt werden. Es ist natürlich auch mög lich, diese Art der thermischen Härtung erst nach mehreren aufgetragenen Schich ten etappenweise durchzuführen. Auch ist es möglich, die thermische Härtung erst nach Beendigung des letzten Druckvorgangs vorzunehmen - die Schritte „Aufträ gen einer Schicht der Baustoffmischung“ und anschließender „Druckvor gang“ wechseln sich so lange ab, bis die letzte Schicht bedruckt wurde, die nötig ist, um die Gießform vollständig herzustellen. Die aufgetragenen und teilweise be druckten Schichten verweilen hierfür z.B. in einer sogenannten „Jobbox“, die an schließend z.B. in einem Mikrowellenofen oder in einem Umluftofen, überführt wer den kann, um die thermische Härtung durchzuführen. Die thermische Aushärtung erfolgt bevorzugt durch Mikrowellen und vorzugsweise nach Beendigung des ge samten Druckvorgangs im Mikrowellenofen. On the other hand, thermal curing can also take place. It is possible, for example, that after the completion of one or every second or third printing process (immediately before, during or after the next layer of the building material mixture is applied), thermal curing takes place by mixing the building material mixture and binder, for example, with the help of an infra is irradiated with red light. In this layered curing, the infrared light can follow the print head in the form of a spot, for example. Of course, it is also possible to carry out this type of thermal curing in stages only after several layers have been applied. It is also possible to carry out the thermal hardening only after the last printing process has been completed - the steps "application of a layer of the building material mixture" and subsequent "printing process" alternate until the last layer has been printed, which is necessary to complete the casting mold. For this purpose, the applied and partially printed layers remain, for example, in a so-called “job box”, which can then be transferred, for example, to a microwave oven or a convection oven in order to carry out thermal curing. The thermal curing is preferably carried out by microwaves and preferably after the end of the entire printing process in the microwave oven.
Als feuerfester Formgrundstoff können für die Herstellung von Gießformen übliche und bekannte Materialien verwendet werden. Geeignet sind beispielsweise Quarz sand, Zirkonsand oder Chromerzsand, Olivin, Vermiculit, Bauxit, Schamotte sowie künstliche Formgrundstoffe, wie Glasperlen, Glasgranulat und/oder Aluminiumsili katmikrohohlkugeln, insbesondere mehr als 50 Gew.% Quarzsand bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff. Um Kosten gering zu halten, beträgt der Anteil an Quarzsand am feuerfesten Formgrundstoff vorteilhafterweise größer als 70 Gew.%, bevorzugt größer als 80 Gew.% und insbesondere bevorzugt größer als 90 Gew.%. Dabei ist es nicht notwendig, ausschließlich Neusande einzusetzen. Im Sinne einer Ressourcenschonung und zur Vermeidung von Deponiekosten ist es sogar vorteil haft, einen möglichst hohen Anteil an regeneriertem Altsand zu verwenden, wie er aus gebrauchten Formen durch Recyceln erhältlich ist. Customary and known materials can be used as the refractory base material for the production of casting molds. Suitable are, for example, quartz sand, zircon sand or chrome ore sand, olivine, vermiculite, bauxite, fireclay and artificial basic molding materials such as glass beads, glass granules and/or aluminum silicate hollow microspheres, in particular more than 50% by weight quartz sand based on the refractory basic molding material. In order to keep costs low, the proportion of quartz sand in the refractory basic molding material is advantageously greater than 70% by weight, preferably greater than 80% by weight and particularly preferably greater than 90% by weight. It is not necessary to use only new sand. In order to conserve resources and avoid landfill costs, it is even advantageous to use the highest possible proportion of regenerated used sand, as can be obtained from used molds through recycling.
Unter einem feuerfesten Formgrundstoff werden Stoffe verstanden, die einen hohen Schmelzpunkt (Schmelztemperatur) aufweisen. Vorzugsweise ist der Schmelzpunkt des feuerfesten Formgrundstoffs größer als 600°C, bevorzugt größer als 900°C, besonders bevorzugt größer als 1200°C und insbesondere bevorzugt größer als 1500°C. A refractory basic molding material is understood to mean substances that have a high melting point (melting point). The melting point of the refractory basic mold material is preferably greater than 600°C, preferably greater than 900°C, particularly preferably greater than 1200°C and particularly preferably greater than 1500°C.
Der feuerfeste Formgrundstoff macht vorzugsweise größer 80 Gew.%, insbeson dere größer 90 Gew.%, besonders bevorzugt größer 95 Gew.%, der Baustoffmi schung aus. The refractory basic molding material preferably makes up more than 80% by weight, in particular more than 90% by weight, particularly preferably more than 95% by weight, of the building material mixture.
Ein geeigneter feuerfester Formgrundstoff, der auch Bestandteil der Baustoffmi schung eingesetzt werden kann, wird z.B. in der WO 2008/101668 A1 (= US 2010/173767 A1 ) beschrieben. Gleichfalls geeignet sind Regenerate einsetzbar, die durch Waschen und anschließende Trocknung zerkleinerter gebrauchter Formen erhältlich sind. In der Regel können die Regenerate mindestens ca. 70 Gew.% des feuerfesten Formgrundstoffs ausmachen, bevorzugt mindestens ca. 80 Gew.% und besonders bevorzugt größer 90 Gew.%. A suitable refractory basic molding material, which can also be used as a component of the building material mixture, is described, for example, in WO 2008/101668 A1 (=US 2010/173767 A1). It is also possible to use regenerated materials which are obtainable by washing and then drying comminuted used forms. As a rule, the regenerated material can make up at least about 70% by weight of the refractory basic molding material, preferably at least about 80% by weight and particularly preferably more than 90% by weight.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es für bestimmte Anwendungen vor teilhaft sein, Regenerate einzusetzen, die durch rein mechanische Behandlung ge wonnen wurden. Unter einer mechanischen Behandlung wird verstanden, dass zu mindest ein Teil des im Altsand verbliebenen Bindemittels durch ein Schleif- oder Prallprinzip vom Sandkorn entfernt wird. Diese Regenerate können je nach Bedarf eingesetzt werden. Der Anteil dieser Regenerate kann beispielsweise größer 5 Gew.%, bevorzugt größer 20 Gew.%, weiter bevorzugt größer 50 Gew.%, beson ders bevorzugt größer 70 Gew.% und insbesondere bevorzugt größer 80 Gew.% des feuerfesten Formgrundstoffs ausmachen. Solche Regenerate werden beispiels weise eingesetzt, um eine (Vor- bzw. Teil-)Flärtung des aufgetragenen Bindemittels zu erwirken. Die mittlere Partikelgröße des feuerfesten Formgrundstoffs liegt in der Regel zwi schen 50 gm und 600 gm, vorzugsweise zwischen 70 gm und 400 gm, bevorzugt zwischen 80 gm und 300 gm und besonders bevorzugt zwischen 100 gm und 200 gm. Die Partikelgröße lässt sich z.B. durch Siebung nach DIN 66165 Teil 2 bestim men. Besonders bevorzugt sind Teilchenformen/Körnungen mit größter Längenaus dehnung zu kleinster Längenausdehnung (rechtwinkelig zueinander und jeweils für alle Raumrichtungen) von 1 :1 bis 1 :5 oder 1 :1 bis 1 :3, d.h. solche die z.B. nicht faserförmig sind. In one embodiment of the invention, it can be advantageous for certain applications to use regenerated materials that have been obtained by purely mechanical treatment. Mechanical treatment means that at least part of the binder remaining in the used sand is removed from the sand grain by means of a grinding or impact principle. These regenerated materials can be used as required. The proportion of these regenerates can, for example, be greater than 5% by weight, preferably greater than 20% by weight, more preferably greater than 50% by weight, particularly preferably greater than 70% by weight and particularly preferably greater than 80% by weight of the refractory base molding material. Such regenerated materials are used, for example, to effect a (pre- or partial) flattening of the applied binder. The mean particle size of the refractory basic molding material is generally between 50 gm and 600 gm, preferably between 70 gm and 400 gm, preferably between 80 gm and 300 gm and particularly preferably between 100 gm and 200 gm. The particle size can be determined, for example, by sieving according to DIN 66165 Part 2. Particular preference is given to particle shapes/grains with the greatest linear expansion to the smallest linear expansion (at right angles to one another and for all spatial directions) of 1:1 to 1:5 or 1:1 to 1:3, ie those which are not fibrous, for example.
Der feuerfeste Formgrundstoff weist einen rieselfähigen Zustand auf. The refractory base material is free-flowing.
Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass das hydrophobierte Metalloxid sowohl die Fluidmigration des aufgetragenen Wasserglasbindemittels minimiert als auch die Feuchtebeständigkeit der ausgehärteten Gießform deutlich erhöht, wobei gleichzeitig die absoluten Festigkeiten kaum negativ beeinflusst werden. Weiterhin wird die Emission von organischen Pyrolyseprodukten auf ein Minimum reduziert, da das hydrophobierte Metalloxid in sehr geringen Mengen dosiert wer den kann. Surprisingly, it has now been shown that the hydrophobicized metal oxide both minimizes the fluid migration of the applied water glass binder and significantly increases the moisture resistance of the hardened casting mold, with the absolute strengths being hardly negatively influenced at the same time. Furthermore, the emission of organic pyrolysis products is reduced to a minimum, since the hydrophobic metal oxide can be dosed in very small quantities.
Weiterhin kommt es beim schichtweisen Aufträgen der Baustoffmischung nicht zu Verklumpungen oder einer „stumpfen“ Baustoffmischung, da die gute Fließ- oder Rieselfähigkeit der Baustoffmischung durch den Einsatz des hydrophobierten Me talloxids erhalten bleibt. Furthermore, when the building material mixture is applied in layers, there is no clumping or a "blunt" building material mixture, since the good flowability or pourability of the building material mixture is retained through the use of the hydrophobic metal oxide.
Bei dem hydrophobierten Metalloxid ist das Metalloxid das Substrat, dessen Ober fläche mit der siliziumorganischen Substanz versehen ist. Das hydrophobierte Me talloxid liegt in partikulärer Form vor. Das Metalloxid ist vorzugsweise amorph und synthetischen Ursprungs. In the case of the hydrophobic metal oxide, the metal oxide is the substrate whose surface is provided with the organosilicon substance. The hydrophobic metal oxide is in particulate form. The metal oxide is preferably amorphous and synthetic in origin.
Vorzugsweise ist das Metalloxid ausgewählt aus der Gruppe Siliziumdioxid, Alumi niumoxid, Titandioxid oder Mischoxiden aus dieser Gruppe (z.B. Aluminium-Sili- zium-Mischoxiden), insbesondere enthaltend oder bestehend aus Siliziumdioxid. Bevorzugt ist das Metalloxid aus synthetischem amorphen Siliziumdioxid, insbeson dere bevorzugt handelt es sich bei dem Metalloxid um pyrogene Kieselsäure oder Fällungskieselsäure. Das Metalloxid schließt Hydroxyoxide wie z.B. Boehmit (AIO(OH)) ein und Oxide bzw. Hydroxyoxide der Halbmetalle wie Silizium. Zur Hydrophobierung der Oberfläche des Metalloxides und damit des anorgani schen Substrats können folgende siliziumorganischen Substanzen eingesetzt wer den: Silane, Siloxane, Silazane. Besonders bevorzugt sind der Einsatz von C1- bis C6-Alkylsilazanen, Poly(C1 bis C6-)alkylsiloxanen und C1- bis C6-Alkylsilanen, ins besondere bevorzugt sind Hexamethyldisilazan, Polydimethylsiloxane und Chlor(C1- bis C6-)alkylsilane. In einer Ausgestaltung wird das Metalloxid, insbeson dere amorphes Siliziumdioxid, zunächst mit wenigstens einer siliziumorganischen Verbindung hydrophobiert. Das so erhaltene hydrophobierte Metalloxid und der feu erfeste Formgrundstoff werden zusammengegeben und ergeben dann die Baustoff mischung, welche noch weitere Bestandteile umfassen kann. The metal oxide is preferably selected from the group consisting of silicon dioxide, aluminum oxide, titanium dioxide or mixed oxides from this group (eg aluminum-silicon mixed oxides), in particular containing or consisting of silicon dioxide. The metal oxide is preferably composed of synthetic amorphous silicon dioxide, and the metal oxide is particularly preferably pyrogenic silica or precipitated silica. The metal oxide includes hydroxy oxides such as boehmite (AlO(OH)) and oxides or hydroxy oxides of semimetals such as silicon. The following organosilicon substances can be used to make the surface of the metal oxide and thus the inorganic substrate hydrophobic: silanes, siloxanes, silazanes. Particular preference is given to the use of C1 to C6 alkylsilazanes, poly(C1 to C6) alkylsiloxanes and C1 to C6 alkylsilanes, particular preference being given to hexamethyldisilazane, polydimethylsiloxanes and chloro(C1 to C6) alkylsilanes. In one configuration, the metal oxide, in particular amorphous silicon dioxide, is first hydrophobicized with at least one organosilicon compound. The hydrophobic metal oxide obtained in this way and the refractory base molding material are combined and then result in the building material mixture, which can also include other components.
Die Oberflächenmodifizierung umfasst besonders bevorzugt Alkylsiloxygruppen wie C1- bis C6-Alkylsiloxygruppen, insbesondere bevorzugt Trimethylsiloxy- und Dime- thylsiloxygruppen. The surface modification particularly preferably comprises alkylsiloxy groups such as C1 to C6 alkylsiloxy groups, particularly preferably trimethylsiloxy and dimethylsiloxy groups.
Die siliziumorganischen Substanzen bilden vorzugsweise eine kovalente Bindung mit dem Metalloxid aus, indem OH-Funktionalitäten des anorganischen Substrats mit der siliziumorganischen Substanz umgesetzt sind. The organosilicon substances preferably form a covalent bond with the metal oxide by reacting OH functionalities of the inorganic substrate with the organosilicon substance.
Die siliziumorganische Verbindung weist insbesondere keine Substituenten mit ei nem hydrophilen Ende auf, insbesondere im Fall der Physiosoprtion, ggf. aber auch grundsätzlich, insbesondere nicht erwünscht sind siliziumorganische Verbindung umfassend als Endgruppe eine Hydroxy- (-OH), Ethoxy- (-CH2CH2-O-), eine Hydro- xyiat- (-0- ), eine Amino- (-NH2), eine Ammonium- (-NH4+ ), eine Carboxyl- (-COOH) oder eine Carboxylat-Gruppe. In particular, the organosilicon compound has no substituents with a hydrophilic end, particularly in the case of physiotherapy, but possibly also in principle, particularly not desired are organosilicon compounds containing a hydroxy (—OH), ethoxy— (—CH2CH2—O -), a hydroxyate (-0-), an amino (-NH2), an ammonium (-NH4+), a carboxyl (-COOH) or a carboxylate group.
Die BET-Oberfläche gemäß DIN EN ISO 9277 (Stickstoff) des hydrophobierten Me talloxids kann über breite Bereiche variieren und liegt vorzugsweise im Bereich zwi schen 2 und 500 m2/g. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die spezifische Oberflä che nicht allzu hoch sein sollte, da ansonsten die Mischbarkeit mit dem Formgrund stoff Schwierigkeiten bereitet, da das Material zu sehr staubt. Vorzugsweise beträgt die BET-Oberfläche kleiner als 300 m2/g, bevorzugt kleiner als 250 m2/g und beson ders bevorzugt kleiner 220 m2/g. Vorzugsweise beträgt die BET-Oberfläche größer als 5 m2/g, bevorzugt größer 7 m2/g. The BET surface area according to DIN EN ISO 9277 (nitrogen) of the hydrophobic metal oxide can vary over a wide range and is preferably in the range between 2 and 500 m 2 /g. However, it has been shown that the specific surface area should not be too high, otherwise miscibility with the base material causes difficulties, since the material produces too much dust. The BET surface area is preferably less than 300 m 2 /g, preferably less than 250 m 2 /g and particularly preferably less than 220 m 2 /g. The BET surface area is preferably greater than 5 m 2 /g, preferably greater than 7 m 2 /g.
Der Anteil des hydrophobierten Metalloxids in der Baustoffmischung sollte sehr ge ring sein, auch um die Emission von organischen Pyrolyseprodukten auf ein Mini mum zu reduzieren. Vorzugsweise beträgt der Anteil des hydrophobierten Metalloxids bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff kleiner als 0,2 Gew.% und insbesondere bevorzugt kleiner als 0,1 Gew.% und andererseits größer als 0,001 Gew.% und bevorzugt größer als 0,005 Gew.%. The proportion of hydrophobic metal oxide in the building material mixture should be very low, also in order to reduce the emission of organic pyrolysis products to a minimum. Preferably, the proportion of the hydrophobic Metal oxide based on the refractory basic molding material less than 0.2% by weight and particularly preferably less than 0.1% by weight and on the other hand greater than 0.001% by weight and preferably greater than 0.005% by weight.
Der Trocknungsverlust des hydrophobierten Metalloxids zum Zeitpunkt des Einsat zes in der Baustoffmischung liegt typischerweise unter 10 Gew.%, vorzugsweise unter 5 Gew.%, bevorzugt unter 2 Gew.% und insbesondere bevorzugt unter 1 Gew.%, gemessen nach DIN EN ISO 787-2 (Anteil der bei 105°C flüchtigen Sub stanzen in Gew.%). The loss on drying of the hydrophobicized metal oxide at the time of use in the building material mixture is typically below 10% by weight, preferably below 5% by weight, preferably below 2% by weight and particularly preferably below 1% by weight, measured according to DIN EN ISO 787- 2 (percentage of substances that are volatile at 105°C in % by weight).
Der Kohlenstoffgehalt (total) des hydrophobierten Metalloxids bestimmt nach DIN ISO 10694 beträgt vorzugsweise größer 0 Gew.% bis 15 Gew.%, bevorzugt 0,1 Gew.% bis 8 Gew.%, besonders bevorzugt 0,25 Gew.% bis 7 Gew.% und ganz besonders bevorzugt 0,5 Gew.% bis 6 Gew.%. The carbon content (total) of the hydrophobic metal oxide determined according to DIN ISO 10694 is preferably greater than 0% by weight to 15% by weight, preferably 0.1% by weight to 8% by weight, particularly preferably 0.25% by weight to 7% by weight .% and most preferably 0.5% to 6% by weight.
Der pH-Wert des hydrophobierten Metalloxids gemäß DIN EN ISO 787-9 (gemes sen als 4 Gew.%ige Dispersion in ein Teil Wasser und ein Teil Methanol (Volumen)) beträgt nach einer bevorzugten Ausgestaltung 3 bis 11 , bevorzugt 3,5 bis 10 und besonders bevorzugt 4 bis 9 bei 25°C. According to a preferred embodiment, the pH of the hydrophobic metal oxide according to DIN EN ISO 787-9 (measured as a 4% by weight dispersion in one part water and one part methanol (by volume)) is 3 to 11, preferably 3.5 to 10 and more preferably 4 to 9 at 25°C.
Der Siebrückstand (> 40 pm) des hydrophobierten Metalloxids gemäß DIN EN ISO 787-18 beträgt nach einer bevorzugten Ausgestaltung 0 bis 2,5 Gew.%, bevorzugt 0 bis 1 ,5 Gew.% und besonders bevorzugt 0 bis 1 Gew.%. According to a preferred embodiment, the sieve residue (>40 μm) of the hydrophobicized metal oxide according to DIN EN ISO 787-18 is 0 to 2.5% by weight, preferably 0 to 1.5% by weight and particularly preferably 0 to 1% by weight.
Der Metalloxid-Gehalt, insbesondere Si02-Gehalt des hydrophobiertes Metalloxids gemäß DIN EN ISO 3262-19 liegt nach einer Ausgestaltung typischerweise über 75 Gew.%, bevorzugt über 80 Gew.%, besonders bevorzugt über 90 Gew.% und ganz besonders bevorzugt über 95 %. According to one embodiment, the metal oxide content, in particular Si02 content of the hydrophobicized metal oxide according to DIN EN ISO 3262-19, is typically over 75% by weight, preferably over 80% by weight, particularly preferably over 90% by weight and very particularly preferably over 95 %.
Der relative Restsilanol (Si-OH)-Gehalt des hydrophobierten Metalloxids beschreibt die verbleibenden OH-Gruppen nach der Hydrophobierung. Dieser ergibt sich aus der Anzahl der OH-Gruppen der eingesetzten hydrophilen Kieselsäure (mit ca. 2 SiOH/nm2), die mittels der oben genannten hydrophobierten Metalloxide bearbeitet wurde, und der Anzahl der OH-Gruppen der daraus resultierenden hydrophobierten Kieselsäure. Dabei sind bevorzugt Restsilanol-Gehalte von 5 bis 75 %, besonders bevorzugt 15 bis 60 % und ganz besonders bevorzugt 22 bis 55 %. Das Bindemittel enthält Wassergläser, die beispielsweise durch Lösen von glasar tigen Lithium-, Natrium- und/oder Kaliumsilikaten in Wasser hergestellt werden. Be vorzugt werden Wassergläser, die zumindest Natrium enthalten, dessen Gehalt als Na20 angegeben wird. The relative residual silanol (Si-OH) content of the hydrophobic metal oxide describes the remaining OH groups after hydrophobic treatment. This results from the number of OH groups of the hydrophilic silica used (with approx. 2 SiOH/nm 2 ), which was processed using the above-mentioned hydrophobic metal oxides, and the number of OH groups of the resulting hydrophobic silica. Residual silanol contents of 5 to 75% are preferred, particularly preferably 15 to 60% and very particularly preferably 22 to 55%. The binder contains water glasses, which are produced, for example, by dissolving vitrified lithium, sodium and/or potassium silicates in water. Be preferred are water glasses that contain at least sodium, the content of which is given as Na20.
Vorzugsweise ist das Verhältnis Na20 / M2O (mit jeweils M= Na, K und Li, dies gilt auch nachfolgend) im Bindemittel größer als 0,4, bevorzugt größer als 0,5 und wei ter bevorzugt größer als 0,6 und insbesondere bevorzugt größer als 0,7, wobei M2O für die Summe der Stoffmengen von Lithium-, Natrium- und Kalium berechnet als Oxid in dem Bindemittel steht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist M2O gleich Na20. The Na 2 O/M 2 O ratio (with M=Na, K and Li in each case, this also applies below) in the binder is preferably greater than 0.4, preferably greater than 0.5 and more preferably greater than 0.6 and particularly preferably greater as 0.7, where M2O is the sum of the moles of lithium, sodium and potassium calculated as the oxide in the binder. In a preferred embodiment, M2O is Na 2 O.
Das Bindemittel weist nach einer Ausgestaltung ein molares Modul S1O2/M2O von größer 1 ,4, vorzugsweise größer 1 ,6, bevorzugt größer 1 ,8, weiter bevorzugt größer 1 ,9 auf. Das Wasserglas weist vorzugsweise ein molares Modul von kleiner 2,8, vorzugsweise kleiner 2,6, bevorzugt kleiner 2,5, insbesondere bevorzugt kleiner 2,4 auf. According to one embodiment, the binder has a molar modulus S1O2/M2O of greater than 1.4, preferably greater than 1.6, preferably greater than 1.8, more preferably greater than 1.9. The water glass preferably has a molar modulus of less than 2.8, preferably less than 2.6, preferably less than 2.5, particularly preferably less than 2.4.
Das Bindemittel weist nach einer Ausgestaltung einen Feststoffante il von kleiner 42 Gew.%, vorzugsweise kleiner 40 Gew.%, bevorzugt kleiner 38 Gew.%, besonders bevorzugt kleiner 37 Gew.% auf. Der verbleibende Rest des Bindemittels besteht vorzugsweise aus Wasser. According to one embodiment, the binder has a solids content of less than 42% by weight, preferably less than 40% by weight, preferably less than 38% by weight, particularly preferably less than 37% by weight. The remainder of the binder preferably consists of water.
Das Bindemittel weist nach einer Ausgestaltung einen Feststoffante il von größer 20 bis kleiner 42 Gew.%, vorzugsweise größer 24 bis kleiner 38 Gew.%, bevorzugt größer 27 bis kleiner 37 Gew.% auf. Der Feststoffanteil wird bestimmt, indem die Flüssigkeit vorsichtig abgedampft wird, das Bindemittel somit getrocknet und an schließend bei 600°C für 1 h in einer Luftatmosphäre erhitzt wird. Das verbleibende oxidische Material wird zur Bestimmung des Feststoffgehalts gewogen. According to one embodiment, the binder has a solids content of greater than 20 to less than 42% by weight, preferably greater than 24 to less than 38% by weight, preferably greater than 27 to less than 37% by weight. The solids content is determined by carefully evaporating the liquid, thus drying the binder and then heating it at 600° C. for 1 hour in an air atmosphere. The remaining oxidic material is weighed to determine the solids content.
Unabhängig hiervon ist die Stoffmenge an S1O2 und M2O (berechnet als mol%) im Bindemittel i.d.R. kleiner als 16 mol%, vorzugsweise kleiner als 15 mol%, bevorzugt kleiner als 14 mol%, insbesondere bevorzugt kleiner als 13,5 mol%. Weiterhin ist diese Stoffmenge i.d.R. größer als 7 mol%, vorzugsweise größer als 8 mol%, be vorzugt größer als 9 mol%, besonders bevorzugt größer als 10 mol% und insbeson dere bevorzugt größer als 10,5 mol%. Das Bindemittel darf nicht zu dünnflüssig, aber auch nicht zu dickflüssig sein. Die dynamische Viskosität wird mithilfe eines Brookfield-Rotationsviskosimeters ge messen . Bei einer Temperatur von 25°C hat das erfindungsgemäße Bindemittel nach einer bevorzugten Ausgestaltung eine Viskosität von kleiner als 20 mPas, vor zugsweise kleiner als 18 mPas, bevorzugt kleiner als 16 mPas und insbesondere bevorzugt kleiner als 14 mPas. Auch unabhängig hiervon hat bei einer Temperatur von 25°C hat das Bindemittel nach einer Ausgestaltung eine Viskosität von größer als 3 mPas, vorzugsweise größer als 5 mPas, bevorzugt größer als 7 mPas und insbesondere bevorzugt größer als 8 mPas. Die Messung der Viskosität erfolgt auf einem Brookfield-Rotationsviskosimeter mit der Messgeometrie Spindel 18 bei einer Viskosität bis 16 mPas und einer Geschwindigkeit von 200 U/min und bei einer Vis kosität von unter 16 mPas mit der Messgeometrie Spindel UL-Adapter mit einer Geschwindigkeit von 50 U/min. Irrespective of this, the amount of S1O2 and M2O (calculated as mol%) in the binder is generally less than 16 mol%, preferably less than 15 mol%, preferably less than 14 mol%, particularly preferably less than 13.5 mol%. Furthermore, this amount of substance is generally greater than 7 mol%, preferably greater than 8 mol%, preferably greater than 9 mol%, particularly preferably greater than 10 mol% and in particular preferably greater than 10.5 mol%. The binder must not be too thin, but not too thick either. The dynamic viscosity is measured using a Brookfield rotational viscometer. At a temperature of 25° C., according to a preferred embodiment, the binder according to the invention has a viscosity of less than 20 mPas, preferably less than 18 mPas, preferably less than 16 mPas and particularly preferably less than 14 mPas. Also independently of this, at a temperature of 25° C., according to one embodiment, the binder has a viscosity of greater than 3 mPas, preferably greater than 5 mPas, preferably greater than 7 mPas and particularly preferably greater than 8 mPas. The viscosity is measured on a Brookfield rotational viscometer with the spindle 18 measuring geometry at a viscosity of up to 16 mPas and a speed of 200 rpm and at a viscosity of less than 16 mPas with the UL adapter spindle measuring geometry at a speed of 50 rpm
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Dichte des Bindemittels kleiner alsAccording to a preferred embodiment, the density of the binder is less than
2.5 g/cm3, bevorzugt kleiner als 2,0 g/cm3 und insbesondere bevorzugt kleiner als2.5 g/cm 3 , preferably less than 2.0 g/cm 3 and particularly preferably less than
1.5 g/cm3. Auch unabhängig hiervon ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung die Dichte größer 1 ,0 g/cm3, bevorzugt größer als 1 ,05 g/cm3 und insbesondere bevor zugt größer 1 ,1 g/cm3. Die Messung der Dichte erfolgt über die Biegeschwinger- Methode. 1.5g /cm3 . Also independently of this, according to a preferred embodiment, the density is greater than 1.0 g/cm 3 , preferably greater than 1.05 g/cm 3 and particularly preferably greater than 1.1 g/cm 3 . The density is measured using the oscillating U-tube method.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Oberflächenspannung des Bindemit tels kleiner als 60 mN/m, bevorzugt kleiner 50 mN/m und insbesondere bevorzugt kleiner 45 mN/m. Auch unabhängig hiervon ist die Oberflächenspannung des Bin demittels nach einer Ausgestaltung größer als 15 mN/m, bevorzugt größer 20 mN/m und insbesondere größer 25 mN/m. Die Messung der Oberflächenspannung erfolgt nach der Ringmethode nach DeNoüy (bei 25°C). According to a preferred embodiment, the surface tension of the binder is less than 60 mN/m, preferably less than 50 mN/m and particularly preferably less than 45 mN/m. Regardless of this, the surface tension of the binding agent is, according to one embodiment, greater than 15 mN/m, preferably greater than 20 mN/m and in particular greater than 25 mN/m. The surface tension is measured using the DeNoüy ring method (at 25°C).
Das Bindemittel sollte eine klare Lösung und möglichst frei von gröberen Partikeln sein, die in ihrer größten Ausdehnung eine Größe zwischen mehreren Mikrometern bis mehreren Millimetern aufweisen und beispielsweise aus Verunreinigungen stammen können. Kommerziell erhältliche Wasserglas-Lösungen weisen diese grö beren Partikel in der Regel auf. Die Partikelgrößen im Wasserglas und auch im Bindemittel werden mit Hilfe von dynamischer Lichtstreuung gemäß DIN/ISO 13320 (z.B Horiba LA 950, Fraunhofer Methode) bestimmt. Der ermittelte Dgo-Wert (jeweils auf das Volumen bezogen) gilt hierbei als Maß für die größeren Partikel - er bedeutet, dass 90% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert. Das erfindungsgemäße Wasserglas weist insbeson dere einen Deo-Wert (ermittelt durch dynamische Lichtstreuung) kleiner als 20 gm, bevorzugt kleiner als 10 gm und insbesondere bevorzugt kleiner als 5 gm auf. The binder should be a clear solution and as far as possible free from coarser particles which, at their largest extent, have a size between several micrometers and several millimeters and can originate, for example, from impurities. Commercially available water glass solutions usually have these coarser particles. The particle sizes in the water glass and also in the binder are determined using dynamic light scattering in accordance with DIN/ISO 13320 (eg Horiba LA 950, Fraunhofer method). The determined Dgo value (based on the volume in each case) is used as a measure for the larger particles - it means that 90% of the particles are smaller than the specified value. In particular, the water glass according to the invention has a deodorant value (determined by dynamic light scattering) of less than 20 gm, preferably less than 10 gm and particularly preferably less than 5 gm.
Unabhängig hiervon weist das erfindungsgemäße Wasserglas in Bezug auf darin enthaltenen Feststoff einen Dioo-Wert von insbesondere kleiner als 25 gm, bevor zugt kleiner als 20 gm und besonders bevorzugt kleiner als 10 gm auf. Irrespective of this, the water glass according to the invention has a Dioo value of in particular less than 25 gm, preferably less than 20 gm and particularly preferably less than 10 gm in relation to the solid contained therein.
Oben beschriebene Wassergläser oder das Bindemittel enthaltend Wassergläser lassen sich beispielsweise durch geeignete Filtration erhalten - beispielsweise eig nen sich Filter mit einem Siebdurchmesser von 25 gm, bevorzugt 10 gm und be sonders bevorzugt 5 gm. Bevorzugt ist Wasserglas oder ein Bindemittel, das Parti kel mit einer Größe von maximal 1 gm enthält bevorzugt gar keine Partikel enthält. Water glasses described above or the binder containing water glasses can be obtained, for example, by suitable filtration - for example, eig nen are filters with a sieve diameter of 25 gm, preferably 10 gm and be particularly preferably 5 gm A maximum size of 1 gm preferably contains no particles at all.
In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Bindemittel Anteile an Li thium-Ionen aufweisen. Das molare Verhältnis von L12O / M2O kann über weite Be reiche variieren, beispielsweise zwischen 0,01 und 0,3. Vorzugsweise liegt das Ver hältnis im Bereich zwischen 0,03 und 0,17, bevorzugt zwischen 0,035 und 0,16 und insbesondere bevorzugt zwischen 0,04 und 0,14. In one embodiment, the binder according to the invention can have proportions of lithium ions. The molar ratio of L12O / M2O can vary over a wide range, for example between 0.01 and 0.3. The ratio is preferably in the range between 0.03 and 0.17, preferably between 0.035 and 0.16 and particularly preferably between 0.04 and 0.14.
In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Bindemittel Anteile an Ka lium-Ionen aufweisen. Das molare Verhältnis von K2O / M2O kann über weite Berei che variieren, beispielsweise zwischen 0,01 und 0,3. Vorzugsweise liegt das Ver hältnis im Bereich zwischen 0,01 und 0,17, bevorzugt zwischen 0,02 und 0,16 und insbesondere bevorzugt zwischen 0,03 und 0,14. In one embodiment, the binder according to the invention can contain proportions of potassium ions. The molar ratio of K2O / M2O can vary over a wide range, for example between 0.01 and 0.3. The ratio is preferably in the range between 0.01 and 0.17, preferably between 0.02 and 0.16 and particularly preferably between 0.03 and 0.14.
Ein Zusatz von anderen Netzwerkbildnern als Silikat kann sowohl die Thermostabi- lität erhöhen als auch die Reaktivität reduzieren. Es kann daher ein Netzwerkbildner aus der Gruppe der Phosphate dem Bindemittel zugesetzt und in dem Bindemittel gelöst sein, insbesondere Alkaliphosphate (z.B. Natriumhexametaphosphat oder Natriumpolyphosphate) haben sich als positiv herausgestellt. Unter den Alkaliphosphaten sind Alkaliorthophosphate wie Trinatriumphosphat (Na3P04) nicht bevorzugt. Bevorzugt sind insbesondere Natriumpolyphosphate und/oder Natriummetaphosphate. The addition of network formers other than silicate can both increase thermal stability and reduce reactivity. A network former from the group of phosphates can therefore be added to the binder and dissolved in the binder; alkali metal phosphates in particular (eg sodium hexametaphosphate or sodium polyphosphate) have proven to be positive. Among the alkali phosphates, alkali orthophosphates such as trisodium phosphate (Na 3 PO 4 ) are not preferred. Sodium polyphosphates and/or sodium metaphosphates are particularly preferred.
Andere dem Bindemittel alternativ oder zusätzlich zusetzbare Netzwerkbildner sind Borate, insbesondere Alkaliborate, z.B. Di-Natrium-tetraborat-decahydrat. Auch diese sind im Bindemittel gelöst. Other network formers that can be added to the binder as an alternative or in addition are borates, in particular alkali metal borates, e.g. disodium tetraborate decahydrate. These are also dissolved in the binder.
Die Mengen der Alkalimetalle, die sich aus den Anteilen der Alkaliborate und/oder Alkaliphosphate an der Gesamtmenge des Bindemittels (inklusive Verdünnungsmit tel) ergeben, werden als Oxide berechnet und tragen zur Gesamtstoffmenge (d.h. die Summe der einzelnen Stoffmengen) von Lithium-, Natrium- und Kalium-Oxid in der gesamten wässrigen Lösung bei. Folglich wird - gemäß dieser Festsetzung - durch die Zugabe von Alkaliboraten und/oder Alkaliphosphaten auch das molare Modul S1O2/M2O beeinflusst. The amounts of alkali metals resulting from the proportions of alkali borates and/or alkali phosphates in the total amount of the binder (including diluent) are calculated as oxides and contribute to the total amount (i.e. the sum of the individual amounts) of lithium, sodium and potassium oxide in the entire aqueous solution. Consequently - according to this stipulation - the addition of alkali metal borates and/or alkali metal phosphates also influences the molar modulus S1O2/M2O.
Der Gehalt an Boraten im Bindemittel, insbesondere der Gehalt an Alkaliboraten, wird als B2O3 berechnet. Das molare Verhältnis von B2O3/S1O2 kann über weite Be reiche variieren, beispielsweise von 0 bis 0,5. Vorzugsweise ist dieses Verhältnis kleiner als 0,3, bevorzugt kleiner als 0,2, besonders bevorzugt kleiner als 0,1 , ins besondere bevorzugt kleiner als 0,08 und ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,06. Vorzugsweise ist dieses Verhältnis größer gleich 0. In einer weiteren Ausfüh rungsform ist dieses Verhältnis bevorzugt größer als 0,01 , insbesondere bevorzugt größer als 0,02. Borate im Sinne der Erfindung sind Bor-Verbindungen in der Oxi dationsstufe III die nur an Sauerstoff direkt gebunden sind, d.h. Sauerstoffatome sind die direkten Bindungspartner des Bors in der Verbindung. The borates content in the binder, in particular the alkaline borates content, is calculated as B2O3. The molar ratio of B2O3/S1O2 can vary over a wide range, for example from 0 to 0.5. This ratio is preferably less than 0.3, preferably less than 0.2, particularly preferably less than 0.1, particularly preferably less than 0.08 and very particularly preferably less than 0.06. This ratio is preferably greater than or equal to 0. In a further embodiment, this ratio is preferably greater than 0.01, particularly preferably greater than 0.02. Borates within the meaning of the invention are boron compounds in oxidation stage III which are only directly bound to oxygen, i.e. oxygen atoms are the direct binding partners of the boron in the compound.
Der Gehalt an Phosphaten im Bindemittel, insbesondere der Gehalt an Alkaliphos phaten, wird als P2O5 berechnet. Das molare Verhältnis von P2O5/S1O2 kann über weite Bereiche variieren, beispielsweise von 0 bis 0,5. Vorzugsweise ist dieses Ver hältnis kleiner als 0,4, bevorzugt kleiner als 0,3, weiter bevorzugt kleiner als 0,25, insbesondere bevorzugt kleiner als 0,2 und ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,15. Vorzugsweise ist dieses Verhältnis größer 0, bevorzugt größer als 0,01 , ins besondere bevorzugt größer als 0,02. Phosphate im Sinne der Erfindung sind Phosphor-Verbindungen in der Oxidations stufe V, die nur an Sauerstoff direkt gebunden sind, d.h. Sauerstoffatome sind die direkten Bindungspartner des Phosphors in der Verbindung. The phosphate content in the binder, in particular the alkaline phosphate content, is calculated as P2O5. The molar ratio of P2O5/S1O2 can vary over a wide range, for example from 0 to 0.5. This ratio is preferably less than 0.4, preferably less than 0.3, more preferably less than 0.25, particularly preferably less than 0.2 and very particularly preferably less than 0.15. This ratio is preferably greater than 0, preferably greater than 0.01, particularly preferably greater than 0.02. In the context of the invention, phosphates are phosphorus compounds in the oxidation state V, which are directly bound only to oxygen, ie oxygen atoms are the direct binding partners of the phosphorus in the compound.
In einerweiteren Ausführungsform kann das Bindemittel auch aluminiumhaltig sein, wobei der Anteil des Aluminiums dann als AI2O3 berechnet wird. Üblicherweise be trägt der Anteil des AI2O3 dann weniger als 2 Gew.%, bezogen auf die Gesamt masse des Bindemittels. In a further embodiment, the binder can also contain aluminum, in which case the proportion of aluminum is calculated as Al2O3. The proportion of Al2O3 is then usually less than 2% by weight, based on the total mass of the binder.
In einer bevorzugten Ausführungsform können dem Bindemittel oberflächenaktive Substanzen zugesetzt sein, um die Oberflächenspannung des Bindemittels zu be einflussen. Der Anteil dieser oberflächenaktiven Substanzen liegt in der Regel zwi schen 0,01 und 4,0 Gew.%, vorzugsweise zwischen 0,1 und 3,0 Gew.%. In a preferred embodiment, surface-active substances can be added to the binder in order to influence the surface tension of the binder. The proportion of these surface-active substances is generally between 0.01 and 4.0% by weight, preferably between 0.1 and 3.0% by weight.
Geeignete oberflächenaktive Substanzen im Bindemittel sind beispielsweise in derSuitable surface-active substances in the binder are, for example, in
DE 102007051850 A1 beschrieben, darunter vorzugsweise anionische Tenside, die eine Sulfat- und/oder Sulfonatgruppe tragen, insbesondere C8-Aikylsulfate. Weitere geeignete oberflächenaktive Substanzen sind beispielsweise Poiyacrylat-Salze (z.B. des Natriums - beispielsweise Dispex N40 - Ciba) oder Silikontenside für wässrige Systeme (z.B. Byk 348, Altana). Auch oberflächenaktive Substanzen auf Trisiioxan- oder Glycol (z.B. Polyethylenglycol) - Basis können eingesetzt werden. DE 102007051850 A1, including preferably anionic surfactants which carry a sulfate and/or sulfonate group, in particular C8 alkyl sulfates. Other suitable surface-active substances are, for example, polyacrylate salts (e.g. of sodium - for example Dispex N40 - Ciba) or silicone surfactants for aqueous systems (e.g. Byk 348, Altana). Surface-active substances based on trisioxane or glycol (e.g. polyethylene glycol) can also be used.
In einer weiteren Ausführungsform können dem Bindemittel Glykole hinzugesetzt sein, um das Bindemittel etwas „gutmütiger“ bzw. leichter applizierbar zu machen. Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Glykolen um Polyethylenglykol, wobei nie dermolekulares Polyethylenglykol wie PEG 200 besonders bevorzugt ist. Das ein gesetzte Polyethylenglykol hat ein mittleres Molekulargewicht kleiner 1000 g/mol, bevorzugt kleiner 500 g/mol und besonders bevorzugt kleiner 400 g/mol. In a further embodiment, glycols can be added to the binder in order to make the binder somewhat more "good-natured" or easier to apply. These glycols are preferably polyethylene glycol, low molecular weight polyethylene glycol such as PEG 200 being particularly preferred. The polyethylene glycol used has an average molecular weight of less than 1000 g/mol, preferably less than 500 g/mol and particularly preferably less than 400 g/mol.
Die Zugabe des Glykols bezogen auf das Bindemittel liegt im Bereich von 0,01 Gew.-% bis 2 Gew.-%, bevorzugt von 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% und besonders bevorzugt von 0,2 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%. In einer weiteren Ausführungsform können dem Bindemittel auch Alkohole hinzuge setzt sein, um das Bindemittel applizierbarer zu machen. Vorzugsweise handelt es sich um dreiwertige Alkohole, wobei Glycerin besonders bevorzugt ist. Die Zugabe des Glykols bezogen auf das Bindemittel liegt im Bereich von 0,01 Gew -% bis 2 Gew.-%, bevorzugt von 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% und besonders bevorzugt von 0,2 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%. The addition of the glycol, based on the binder, is in the range from 0.01% by weight to 2% by weight, preferably from 0.1% by weight to 1% by weight and particularly preferably from 0.2% by weight. -% to 0.7% by weight. In a further embodiment, alcohols can also be added to the binder in order to make the binder easier to apply. They are preferably trihydric alcohols, with glycerol being particularly preferred. The addition of the glycol, based on the binder, is in the range from 0.01% by weight to 2% by weight, preferably from 0.1% by weight to 1% by weight and particularly preferably from 0.2% by weight. % to 0.7% by weight.
Je nach Anwendung und gewünschtem Festigkeitsniveau werden vorzugsweise zwischen 0,5 Gew.% und 7 Gew.% des auf Wasserglas basierenden Bindemittels eingesetzt, bevorzugt zwischen 0,75 Gew.% und 6 Gew.%, besonders bevorzugt zwischen 1 Gew.% und 5,0 Gew.% und insbesondere bevorzugt zwischen 1 Gew.% und 4,0 Gew.%, jeweils bezogen auf den Formgrundstoff. Die Angaben beziehen sich auf die Gesamtmenge des Wasserglasbindemittels, einschließlich des (insbe sondere wässrigen) Lösungs- bzw. Verdünnungsmittels und des (etwaigen) Fest stoffanteils (zusammen = 100 Gew.%). Depending on the application and the desired strength level, preferably between 0.5% by weight and 7% by weight of the binder based on water glass are used, preferably between 0.75% by weight and 6% by weight, particularly preferably between 1% by weight and 5 0.0% by weight and particularly preferably between 1% by weight and 4.0% by weight, based in each case on the basic molding material. The information relates to the total amount of the water glass binder, including the (particularly aqueous) solvent or diluent and the (possible) solid material content (total = 100% by weight).
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Baustoffmischung einen Anteil ei nes partikulären amorphen Siliziumdioxids enthalten, um das Festigkeitsniveau der Gießformen zu erhöhen. Eine Steigerung der Festigkeiten der Gießformen, insbesondere die Steigerung der Fleißfestigkeiten, kann im automatisierten Ferti gungsprozess vorteilhaft sein. Synthetisch hergestelltes amorphes Siliciumdioxid ist besonders bevorzugt. In a preferred embodiment, the building material mixture can contain a proportion of particulate amorphous silicon dioxide in order to increase the strength level of the casting molds. An increase in the strength of the casting moulds, in particular the increase in the tear strength, can be advantageous in the automated production process. Synthetically produced amorphous silica is particularly preferred.
Die mittlere Partikelgröße (inkl. etwaiger Agglomerate) des amorphen Siliziumdio xids beträgt vorzugsweise weniger als 300 pm, bevorzugt weniger als 200 pm, ins besondere bevorzugt weniger als 100 pm. Der Siebrückstand des partikulären amorphen S1O2 bei einem Durchgang durch ein Sieb mit 125 pm Maschenweite (120 mesh) beträgt vorzugsweise nicht mehr als 10 Gew.%, besonders bevorzugt nicht mehr als 5 Gew.% und ganz besonders bevorzugt nicht mehr als 2 Gew.%. Unabhängig hiervon beträgt der Siebrückstand auf einem Sieb mit einer Maschen weite von 63 pm weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 8 Gew.%. Die Bestimmung des Siebrückstands erfolgt dabei nach dem in der DIN 66165 (Teil 2) beschriebenen Maschinensiebverfahren, wobei zusätzlich ein Kettenring als Sieb hilfe verwendet wird. Das nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eingesetzte partikuläre amor phe Siliziumdioxid hat einen Wassergehalt von kleiner 15 Gew.%, insbesondere kleiner 5 Gew.% und besonders bevorzugt von kleiner 1 Gew.% (Trocknung bis zur Massenkonstanz bei 105°C). The mean particle size (including any agglomerates) of the amorphous silicon dioxide is preferably less than 300 μm, preferably less than 200 μm, particularly preferably less than 100 μm. The sieve residue of the particulate amorphous S1O2 when passing through a 125 μm sieve (120 mesh) is preferably not more than 10% by weight, more preferably not more than 5% by weight and most preferably not more than 2% by weight. . Irrespective of this, the sieve residue on a sieve with a mesh size of 63 μm is less than 10% by weight, preferably less than 8% by weight. The sieving residue is determined according to the machine sieving method described in DIN 66165 (Part 2), with a chain ring also being used as a sieving aid. The particulate amorphous silicon dioxide preferably used according to the present invention has a water content of less than 15% by weight, in particular less than 5% by weight and particularly preferably less than 1% by weight (drying to constant mass at 105° C.).
Das partikulare amorphe S1O2 wird als Pulver (einschließend Stäube) eingesetzt. The particulate amorphous S1O2 is used as a powder (including dust).
Als amorphes S1O2 können sowohl synthetisch hergestellte als auch natürlich vor kommende Kieselsäuren eingesetzt werden. Letztere sind z.B. aus DE 102007045649 bekannt, sind aber nicht bevorzugt, da sie i.d.R. nicht unerhebliche kristalline Anteile enthalten und deshalb als karzinogen eingestuft sind. Unter syn thetisch wird nicht natürlich vorkommendes amorphes S1O2 verstanden, d. h. des sen Herstellung eine bewusst durchgeführte chemische Reaktion umfasst, wie sie von einem Menschen veranlasst wird, z.B. die Herstellung von Kieselsolen durch lonenaustauschprozesse aus Alkalisilikatlösungen, die Ausfällung aus Alkalisilikat lösungen, die Flammhydrolyse von Siliciumtetrachlorid, die Reduktion von Quarz sand mit Koks im Lichtbogenofen bei der Herstellung von Ferrosilicium und Silicium. Das nach den beiden letztgenannten Verfahren hergestellte amorphe S1O2 wird auch als pyrogenes S1O2 bezeichnet. Both synthetically produced and naturally occurring silicic acids can be used as amorphous S1O2. The latter are known, for example, from DE 102007045649, but are not preferred since they usually contain not inconsiderable crystalline fractions and are therefore classified as carcinogenic. By synthetic is meant non-naturally occurring amorphous S1O2, i.e. H. the production of which includes a deliberately carried out chemical reaction, as initiated by a human being, e.g. the production of silica sols by ion exchange processes from alkali silicate solutions, precipitation from alkali silicate solutions, flame hydrolysis of silicon tetrachloride, reduction of quartz sand with coke in an electric arc furnace in the Production of ferrosilicon and silicon. The amorphous S1O2 produced by the last two methods is also referred to as pyrogenic S1O2.
Gelegentlich wird unter synthetischem amorphen Siliziumdioxid nur Fällungskiesel säure (CAS-Nr. 112926-00-8) und flammhydrolytisch hergestelltes S1O2 (Pyrogenic Silica, Fumed Silica, CAS-Nr. 112945-52-5) verstanden, während das bei der Fer rosilicium- bzw. Siliciumherstellung entstandene Produkt lediglich als amorphes Si liziumdioxid (Silica Fume, Microsilica, CAS-Nr. 69012-64-12) bezeichnet wird. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird auch das bei der Ferrosilicium- bzw. Siliciumherstellung entstandene Produkt als amorphes S1O2 verstanden. Occasionally, synthetic amorphous silicon dioxide is understood to mean only precipitated silica (CAS No. 112926-00-8) and S1O2 produced by flame hydrolysis (pyrogenic silica, fumed silica, CAS No. 112945-52-5), while that used in ferrosilicon or silicon production is simply referred to as amorphous silicon dioxide (Silica Fume, Microsilica, CAS No. 69012-64-12). For the purposes of the present invention, the product formed during the production of ferrosilicon or silicon is also understood to be amorphous SiO2.
Bevorzugt eingesetzt werden Fällungskieselsäuren und pyrogenes, d.h. flammhyd rolytisch oder im Lichtbogen hergestelltes Siliziumdioxid. Insbesondere bevorzugt eingesetzt werden durch thermische Zersetzung von ZrSi04 hergestelltes amorphes Siliziumdioxid (beschrieben in der DE 102012020509) sowie durch Oxidation von metallischem Si mittels eines sauerstoffhaltigen Gases hergestelltes S1O2 (beschrie ben in der DE 102012020510). Bevorzugt ist auch Quarzglaspulver (hauptsächlich amorphes Siliziumdioxid), das durch Schmelzen und rasches Wiederabkühlen aus kristallinem Quarz hergestellt wurde, so dass die Partikel kugelförmig und nicht splittrig vorliegen (beschrieben in der DE 102012020511). Die mittlere Primärpartikelgröße des partikulären amorphen Siliziumdioxids kann zwischen 0,05 pm und 10 pm, insbesondere zwischen 0,1 pm und 5 pm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 pm und 2 pm betragen. Die Primärpartikelgröße kann z.B. mit Hilfe von dynamischer Lichtstreuung (z.B. Horiba LA 950) bestimmt sowie durch Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen (REM-Aufnahmen mit z.B. Nova NanoSEIVI 230 der Firma FEI) überprüft werden. Des Weiteren konnten mit Hilfe der REM- Aufnahmen Details der Primärpartikelform bis in die Größenordnung von 0,01 pm sichtbar gemacht werden. Die Siliziumdioxid-Proben wurden für die REM-Messun- gen in destilliertem Wasser dispergiert und anschließend auf einem mit Kupferband beklebten Aluminiumhalter aufgebracht, bevor das Wasser verdampft wurde. Preference is given to using precipitated silicas and pyrogenic silicon dioxide, ie silicon dioxide produced by flame hydrolysis or by arcing. Particular preference is given to using amorphous silicon dioxide produced by thermal decomposition of ZrSiO4 (described in DE 102012020509) and S1O2 produced by oxidation of metallic Si using an oxygen-containing gas (described in DE 102012020510). Quartz glass powder (mainly amorphous silicon dioxide), which was produced from crystalline quartz by melting and rapid cooling again, is also preferred, so that the particles are spherical and not splintered (described in DE 102012020511). The mean primary particle size of the particulate amorphous silicon dioxide can be between 0.05 μm and 10 μm, in particular between 0.1 μm and 5 μm, particularly preferably between 0.1 μm and 2 μm. The primary particle size can be determined, for example, with the aid of dynamic light scattering (eg Horiba LA 950) and checked by means of scanning electron micrographs (REM images with, for example, Nova NanoSEIVI 230 from FEI). Furthermore, with the help of the REM images, details of the primary particle shape down to the order of 0.01 pm could be made visible. For the SEM measurements, the silicon dioxide samples were dispersed in distilled water and then placed on an aluminum holder covered with copper tape before the water was evaporated.
Des Weiteren wurde die spezifische Oberfläche des partikulären amorphen Silizi umdioxids mithilfe von Gasadsorptionsmessungen (BET-Verfahren, Stickstoff) nach DIN 66131 bestimmt. Die spezifische Oberfläche des partikulärem amorphen S1O2 liegt zwischen 1 und 200 m2/g, insbesondere zwischen 1 und 50 m2/g, besonders bevorzugt zwischen 1 und 30 m2/g. Ggfs können die Produkte auch gemischt wer den, z.B. um gezielt Mischungen mit bestimmten Partikelgrößenverteilungen zu er halten. Furthermore, the specific surface area of the particulate amorphous silicon dioxide was determined using gas adsorption measurements (BET method, nitrogen) in accordance with DIN 66131. The specific surface area of the particulate amorphous S1O2 is between 1 and 200 m 2 /g, in particular between 1 and 50 m 2 /g, particularly preferably between 1 and 30 m 2 /g. If necessary, the products can also be mixed, eg in order to obtain mixtures with specific particle size distributions.
Je nach Herstellungsart und Produzent kann die Reinheit des amorphen S1O2 stark variieren. Als geeignet haben sich Typen mit einem Gehalt von mindestens 85 Gew.% Siliziumdioxid erwiesen, bevorzugt von mindestens 90 Gew.% und beson ders bevorzugt von mindestens 95 Gew.%. Je nach Anwendung und gewünschtem Festigkeitsniveau werden zwischen 0,1 Gew.% und 2 Gew.% des partikulären amorphen S1O2 eingesetzt, vorzugsweise zwischen 0,1 Gew.% und 1 ,8 Gew.%, be sonders bevorzugt zwischen 0,1 Gew.% und 1 ,5 Gew.%, jeweils bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff. Depending on the type of production and producer, the purity of the amorphous S1O2 can vary greatly. Types with a silicon dioxide content of at least 85% by weight, preferably at least 90% by weight and particularly preferably at least 95% by weight, have proven to be suitable. Depending on the application and the desired level of strength, between 0.1% by weight and 2% by weight of the particulate amorphous S1O2 are used, preferably between 0.1% by weight and 1.8% by weight, particularly preferably between 0.1% by weight % and 1.5% by weight, based in each case on the refractory base molding material.
Bezogen auf das Gesamtgewicht des Bindemittels (einschließlich Verdünnungs- bzw. Lösungsmittel) ist das amorphe S1O2 vorzugsweise in einem Anteil von 1 bis 80 Gew.%, vorzugsweise 2 bis 60 Gew.%, enthalten, besonders bevorzugt von 3 bis 55 Gew.% und insbesondere bevorzugt zwischen 4 bis 50 Gew.%. Oder unab hängig hiervon bevorzugt, bezogen auf das Verhältnis Feststoffante il des wasser glasbasierenden Bindemittels (bezogen auf die Oxide, d.h. Gesamtmasse aus Al kalimetalloxiden M2O und Siliziumdioxid) zu amorphem S1O2 von 10:1 bis 1 :1 ,2 (Ge wichtsteile). Das amorphe S1O2 ist dem Feuerfeststoff bzw. der Baustoffmischung vor der Bin demittelzugabe zugegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei Verwendung von amorphem S1O2 somit weiterhin durch eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale gekennzeichnet: Based on the total weight of the binder (including diluent or solvent), the amorphous S1O2 is preferably present in a proportion of 1 to 80% by weight, preferably 2 to 60% by weight, particularly preferably 3 to 55% by weight and particularly preferably between 4 to 50% by weight. Or independently of this, preferred, based on the ratio of solids content of the water-glass-based binder (based on the oxides, ie total mass of alkali metal oxides M2O and silicon dioxide) to amorphous S1O2 of 10:1 to 1:1.2 (parts by weight). The amorphous S1O2 is added to the refractory material or the building material mixture before the binder is added. The method according to the invention is therefore further characterized by one or more of the following features when using amorphous S1O2:
(a) Das amorphe Siliziumdioxid wird nur der Baustoffmischung zugesetzt. (a) The amorphous silicon dioxide is only added to the building material mixture.
(b) Das amorphe Siliziumdioxid weist eine nach BET bestimmte Oberfläche zwi schen 1 und 200 m2/g, vorzugsweise größer gleich 1 m2/g und kleiner gleich 30 m2/g, besonders bevorzugt von kleiner gleich 15 m2/g auf. (b) The amorphous silicon dioxide has a BET surface area between 1 and 200 m 2 /g, preferably greater than or equal to 1 m 2 /g and less than or equal to 30 m 2 /g, particularly preferably less than or equal to 15 m 2 /g .
(c) Das amorphe Siliziumdioxid ist aus der Gruppe bestehend aus: Fällungskie selsäure, flammhydrolytisch oder im Lichtbogen hergestelltem pyrogenen Si liziumdioxid, durch thermische Zersetzung von ZrSi04 hergestelltes amor phen Siliziumdioxid, durch Oxidation von metallischem Silizium mittels eines sauerstoffhaltigen Gases hergestelltes Siliziumdioxid, Quarzglaspulver mit kugelförmigen Partikeln, das durch Schmelzen und rasches Wiederabkühlen aus kristallinem Quarz hergestellt wurde, und deren Mischungen ausgewählt und ist vorzugsweise durch thermische Zersetzung von ZrSi04 hergestelltes amorphes Siliziumdioxid. (c) The amorphous silicon dioxide is selected from the group consisting of: precipitated silicon dioxide, pyrogenic silicon dioxide produced by flame hydrolysis or by electric arc, amorphous silicon dioxide produced by thermal decomposition of ZrSiO4, silicon dioxide produced by oxidation of metallic silicon using an oxygen-containing gas, quartz glass powder with spherical particles prepared by melting and rapidly recooling crystalline quartz, and mixtures thereof, and is preferably amorphous silica prepared by thermal decomposition of ZrSiO 4 .
(d) Das amorphe Siliziumdioxid wird vorzugsweise in Mengen von 0,1 bis 2 Gew.%, besonders bevorzugt 0,1 bis 1 ,5 Gew.%, jeweils bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff eingesetzt. (d) The amorphous silicon dioxide is preferably used in amounts of 0.1 to 2% by weight, particularly preferably 0.1 to 1.5% by weight, based in each case on the refractory base molding material.
(e) Das amorphe Siliziumdioxid weist einen Wassergehalt von kleiner 5 Gew.% und besonders bevorzugt kleiner 1 Gew.% auf. (e) The amorphous silicon dioxide has a water content of less than 5% by weight and particularly preferably less than 1% by weight.
(f) Das amorphe Siliziumdioxid ist partikuläres amorphes Siliziumdioxid, vor zugsweise mit einem mittleren durch dynamische Lichtstreuung bestimmten primären Partikeldurchmesser zwischen 0,05 pm und 10 pm, insbesondere zwischen 0,1 pm und 5 pm und besonders bevorzugt zwischen 0,1 pm und 2 pm. (f) The amorphous silicon dioxide is particulate amorphous silicon dioxide, preferably with an average primary particle diameter determined by dynamic light scattering between 0.05 μm and 10 μm, in particular between 0.1 μm and 5 μm and particularly preferably between 0.1 μm and 2 pm.
In einerweiteren Ausführungsform ist der Baustoffmischung vor der Bindemittelzu gabe fakultativ ein anorganischer Härter für Bindemittel auf Wasserglasbasis zu gesetzt. Solche anorganischen Härter sind z.B. Phosphate wie beispielsweise Li thopix P26 (ein Aluminiumphosphat der Fa. Zschimmer und Schwarz GmbH & Co KG Chemische Fabriken) oder Fabutit 748 (ein Aluminiumphosphat der Fa. Che mische Fabrik Budenheim KG). Andere anorganische Härter für Bindemittel auf Wasserglasbasis sind beispielsweise Calciumsilikate und deren Hydrate, Calci- umaluminate und deren Hydrate, Aluminiumsulfat, Magnesium- und Calciumcar bonat. Das Verhältnis von Härter zu Bindemittel kann je nach gewünschter Eigenschaft, z.B. Verarbeitungszeit und/oder Ausschalzeit der Baustoffmischungen, variieren. Vorteilhaft liegt der Härteranteil (Gewichtsverhältnis von Härter zu Bindemittel und im Falle von Wasserglas die Gesamtmasse der Silikatlösung oder anderen in Lö sungsmitteln aufgenommenen Bindemitteln) bei größer gleich 5 Gew.%, vorzugs weise bei größer gleich 8 Gew.%, insbesondere bevorzugt bei größer gleich 10 Gew.%, jeweils bezogen auf das Bindemittel. Die oberen Grenzen liegen bei klei ner gleich 25 Gew.% bezogen auf das Bindemitttel, vorzugsweise bei kleiner gleich 20 Gew.%, besonders bevorzugt bei kleiner gleich 15 Gew.%. In a further embodiment, an inorganic hardener for binders based on water glass is optionally added to the building material mixture before the binder is added. Such inorganic hardeners are, for example, phosphates such as Li thopix P26 (an aluminum phosphate from Zschimmer und Schwarz GmbH & Co KG Chemische Fabriken) or Fabutit 748 (an aluminum phosphate from Chemische Fabrik Budenheim KG). Other inorganic hardeners for binders based on water glass are, for example, calcium silicates and their hydrates, calcium aluminates and their hydrates, aluminum sulfate, magnesium and calcium carbonate. The ratio of hardener to binder can vary depending on the desired property, eg processing time and/or stripping time of the building material mixture. The proportion of hardener (weight ratio of hardener to binder and, in the case of water glass, the total mass of the silicate solution or other binders contained in the solvent) is advantageously greater than or equal to 5% by weight, preferably greater than or equal to 8% by weight, particularly preferably greater than or equal to 10% by weight, in each case based on the binder. The upper limits are less than or equal to 25% by weight, based on the binder, preferably less than or equal to 20% by weight, particularly preferably less than or equal to 15% by weight.
Unabhängig hiervon werden zwischen 0,05 Gew.% und 2 Gew.% des anorgani schen Härters eingesetzt, vorzugsweise zwischen 0,1 Gew.% und 1 Gew.%, be sonders bevorzugt zwischen 0,1 Gew.% und 0,6 Gew.%, jeweils bezogen auf den Formgrundstoff. Irrespective of this, between 0.05% by weight and 2% by weight of the inorganic hardener are used, preferably between 0.1% by weight and 1% by weight, and particularly preferably between 0.1% by weight and 0.6% by weight .%, in each case based on the mold base material.
Sobald die Festigkeiten es gestatten, kann die ungebundene Baustoffmischung im Anschluss von der Gießform entfernt und die Gießform der weiteren Behandlung, z.B. der Vorbereitung zum Metallguss zugeführt werden. Das Entfernen der unge bundenen von der gebundenen Baustoffmischung gelingt beispielsweise durch ei nen Auslauf, sodass die ungebundene Baustoffmischung herausrieseln kann.As soon as the strength permits, the unbound building material mixture can then be removed from the mold and the mold can be used for further treatment, e.g. preparation for metal casting. The unbound building material mixture can be removed from the bound building material mixture by means of an outlet, for example, so that the unbound building material mixture can trickle out.
Die gebundene Baustoffmischung (Gießform) kann beispielsweise mithilfe von Druckluft oder durch Pinseln von Resten der ungebundenen Baustoffmischung be freit werden. The bound building material mixture (casting mold) can be freed from residues of the unbound building material mixture, for example using compressed air or by brushing.
Die ungebundene Baustoffmischung kann für einen neuen Druckvorgang wieder verwendet werden. The unbound building material mixture can be reused for a new printing process.
Das Bedrucken erfolgt z.B. mit einem eine Vielzahl von Düsen aufweisenden Druckkopf, wobei die Düsen vorzugsweise einzeln selektiv ansteuerbar sind. Nach einer weiteren Ausgestaltung wird der Druckkopf zumindest in einer Ebenen von einem Computer gesteuert bewegt und die Düsen tragen das flüssige Bindemittel schichtweise auf. Der Druckkopf kann z.B. ein Drop-on-Demand Druckkopf mit Bubble-Jet oder vorzugsweise Piezo-Technik sein. BEISPIELE The printing takes place, for example, with a print head having a large number of nozzles, the nozzles preferably being individually selectively controllable. According to a further embodiment, the print head is moved under the control of a computer at least in one plane and the nozzles apply the liquid binding agent in layers. The print head can be, for example, a drop-on-demand print head with bubble jet or, preferably, piezo technology. EXAMPLES
Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Versuchsbeispielen erläutert, ohne je doch auf diese beschränkt zu sein. The invention is explained below on the basis of test examples, but without being restricted to these.
Sofern keine anderen Angaben gegeben sind, beziehen sich alle Verhältnisse und Prozentangaben auf das Gewicht. Unless otherwise indicated, all ratios and percentages are by weight.
Beispiel 1: Untersuchung der Maßhaltigkeit Example 1: Examination of dimensional accuracy
Um die Maßhaltigkeit von Bauteilen beim Aufbau dreidimensionaler Körper zu be werten, wurde eine Formgrundstoffmischung, bestehend aus Sand GS 14 (mittlerer Korndurchmesser 0,14 mm) mit zusätzlichen 0,8 Gew.-% eines pulverförmigen Ad ditivs (amorphes S1O2) (Formgrundstoffmischung 1 ) in einem Flügelmischer homo genisiert. In order to evaluate the dimensional accuracy of components when building three-dimensional bodies, a basic molding material mixture consisting of sand GS 14 (mean grain diameter 0.14 mm) with an additional 0.8% by weight of a powdered additive (amorphous S1O2) (primary molding material mixture 1 ) homogenized in a paddle mixer.
Formstoffmischung 1 wurde zur Fierstellung der Formstoffmischungen 2 bis 6 weiter mit Additiven versetzt. Folgende Formstoffmischungen wurden so in einem Flügel mischer hergestellt: Molding material mixture 1 was further mixed with additives to prepare the molding material mixtures 2 to 6. The following molding material mixtures were produced in a blade mixer:
Formstoffmischung 2: Formstoffmischung 1 + 0,05 Gew.-% Additiv 1 (FIDK Fl 30 der Firma Wacker, an der Oberfläche dimethylsiloxy substituiert)Molding material mixture 2: Molding material mixture 1 + 0.05% by weight of additive 1 (FIDK Fl 30 from Wacker, dimethylsiloxy-substituted on the surface)
Formstoffmischung 3: Formstoffmischung 1 + 0,1 Gew.-% Additiv 2 (FIDK Fl 13 L der Firma Wacker, an der Oberfläche dimethylsiloxy substituiert) Formstoffmischung 4: Formstoffmischung 1 + 0,05 Gew.-% Additiv 3 (FIDK Fl 2000 der Firma Wacker, an der Oberfläche trimethylsiloxy substituiert) Formstoffmischung 5: Formstoffmischung 1 + 0,02 Gew.-% Additiv 4 (Oberfläche mit Silikonöl AP 100 der Firma Wacker belegt, Vergleich) Molding material mixture 3: Molding material mixture 1 + 0.1% by weight of additive 2 (FIDK Fl 13 L from Wacker, dimethylsiloxy substituted on the surface) Molding material mixture 4: Molding material mixture 1 + 0.05% by weight of additive 3 (FIDK Fl 2000 der Wacker company, trimethylsiloxy substituted on the surface) Molding material mixture 5: Molding material mixture 1 + 0.02% by weight of additive 4 (surface covered with silicone oil AP 100 from Wacker, comparison)
Formstoffmischung 6: Formstoffmischung 1 + 0,02 Gew.-% Additiv 5 (Oberflächen belegung mit Polyethermodifiziertem Trisiloxan gemäß DE 102018200607 A1 , Ver gleich) Molding material mixture 6: Molding material mixture 1 + 0.02% by weight of additive 5 (surface coating with polyether-modified trisiloxane according to DE 102018200607 A1, comparison)
Formstoffmischung 7: Formstoffmischung 1 + 0,1 Gew.-% Additiv 6 (SIPERNAT D10/1 der Firma EVONIK, an der Oberfläche polydimethylsiloxy substituiert)Molding material mixture 7: Molding material mixture 1 + 0.1% by weight of additive 6 (SIPERNAT D10/1 from EVONIK, polydimethylsiloxy-substituted on the surface)
Die Fierstellung der Probenkörper erfolgte auf einem kommerziellen Drucksystem (VX 200 der Firma Voxeljet AG). Als Bindemittel im Druckprozess wurde eine alka lische Silikatlösung (Wasserglas mit einer Viskosität von etwa 11 mPas bei 25°C, molares Modul S1O2/M2O von 2,0, Feststoffgehalt von 29 Gew.%, von der Firma ASK Chemicals GmbH) eingesetzt. Die Menge an Bindemittel wurde bei allen Versuchen auf 3,5 Gewichtsteile bezogen auf 100 Gewichtsteile Formgrundstoffmi schung festgesetzt. Als Probenkörper wurden Biegeriegel mit den Abmessungen (22,36 mm x 22,36 mm x 170,00 mm) hergestellt. Nach dem Druck wurden die Pro benkörper in einer Mikrowelle für 4,5 min bei einer Leistung von 1000 Watt ausge- härtet. The specimens were produced on a commercial printing system (VX 200 from Voxeljet AG). An alkaline silicate solution (water glass with a viscosity of about 11 mPas at 25° C., molar modulus S1O2/M2O of 2.0, solids content of 29% by weight, from ASK Chemicals GmbH) was used as the binder in the printing process. The amount of binder was at all Experiments fixed at 3.5 parts by weight based on 100 parts by weight Formgrundstoffmi research. Bending bars with the dimensions (22.36 mm x 22.36 mm x 170.00 mm) were produced as test specimens. After printing, the specimens were cured in a microwave for 4.5 minutes at a power of 1000 watts.
Zur Beurteilung der Maßhaltigkeit wurden die Breite und die Höhe der hergestellten Biegeriegel vermessen und mit den ursprünglichen Maßen der Druckdatei abgegli chen. Die Auswertung erfolgte über Mittelung von 6 Probenkörpern je Formstoffmi- schung. Die Maßabweichungen in Breite und Höhe für jede Formstoffmischung sind in Tabelle 1 dargestellt. To assess the dimensional accuracy, the width and height of the bending bars produced were measured and compared with the original dimensions of the print file. The evaluation was carried out by averaging 6 specimens per molding material mixture. The dimensional deviations in width and height for each molding compound are shown in Table 1.
Tabelle 1: Maßabweichungen unterschiedlicher Formstoffmischungen mit 3,5 % Binder INOTEC EP 5061 nach Härtung in der Mikrowelle (V = Vergleich) Table 1: Dimensional deviations of different molding material mixtures with 3.5% binder INOTEC EP 5061 after curing in the microwave (V = comparison)
Durchschnittliche Abwei- Durchschnittliche AbweiAverage dev Average dev
Formstoffm ischung chung in der Breite [mm] chung in der Höhe [mm]Molding mix in width [mm] in height [mm]
Formstoffmischung 1 (V) 1 ,34 1 ,36 Formstoffmischung 2 0,69 0,78 Formstoffmischung 3 0,44 0,43 Formstoffmischung 4 0,37 0,28 Formstoffmischung 5 (V) k.A. k.A. Formstoffmischung 6 (V) 0,23 0,20 Formstoffmischung 7 0,18 0,06 Molding material mixture 1 (V) 1.34 1.36 Molding material mixture 2 0.69 0.78 Molding material mixture 3 0.44 0.43 Molding material mixture 4 0.37 0.28 Molding material mixture 5 (V) kAkA Molding material mixture 6 (V) 0.23 0 .20 Molding mix 7 0.18 0.06
Für Formstoffmischung 5 konnten keine Werte zur Maßabweichung aufgezeichnet werden. Bei der Verarbeitung auf dem Drucksystem konnten keine Probenkörper erhalten werden, da ein nicht ausreichender Schichtverbund der einzelnen Schich ten die Herstellung von Probenkörpern verhinderte. Die Versuche zeigen, dass durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Additive deutlich geringere Maßabwei chungen der Probenkörper resultieren. Somit wird durch die erfindungsgemäßen Additive die Fluidmigration im Druckprozess deutlich herabgesetzt, was die Herstel lung von Bauteilen mit hoher Maßgenauigkeit ermöglicht. Beispiel 2: Untersuchung der Feuchtestabilität No values for the dimensional deviation could be recorded for molding material mixture 5. No test specimens could be obtained during processing on the printing system, since insufficient layer bonding of the individual layers prevented the production of test specimens. The tests show that the use of the additives according to the invention results in significantly lower dimensional deviations in the test specimens. Thus, the fluid migration in the printing process is significantly reduced by the additives according to the invention, which enables the production of components with high dimensional accuracy. Example 2: Investigation of moisture stability
In einer weiteren Versuchsreihe wurden analog zu Beispiel 1 Biegeriegel hergestellt. An je zwei Biegeriegeln wurde für jede untersuchte Formstoffmischung (Formstoff mischungen 1 bis 4 sowie 6 und 7) die Festigkeit 1 h nach der Fierstellung, 24 h nach Lagerung unter Raumbedingungen und 24 h nach Lagerung bei einem kon trollierten Klima von 30 °C und 49 % relativer Feuchtigkeit bestimmt. In a further test series, bending bars were produced analogously to example 1. The strength of each tested molding material mixture (molding material mixtures 1 to 4 as well as 6 and 7) was measured on two bending bars 1 hour after opening, 24 hours after storage under room conditions and 24 hours after storage in a controlled climate of 30 °C and 49 % relative humidity determined.
Die erhaltenen Festigkeiten sind in Tabelle 2 dargestellt. The strengths obtained are shown in Table 2.
Tabelle 2: Festigkeiten unterschiedlicher Formstoffmischungen mit 3,5 % Binder INOTEC EP 5061 nach Härtung in der Mikrowelle nach 1 h, 24 h unter Raumbe dingungen und 24 h bei 30 °C und 49 % relativer Feuchtigkeit (V = Vergleich)Table 2: Strengths of different molding material mixtures with 3.5% binder INOTEC EP 5061 after curing in the microwave after 1 hour, 24 hours under room conditions and 24 hours at 30 °C and 49% relative humidity (V = comparison)
Festigkeit Festigkeit nach 24 Strength Strength after 24
Festigkeit nach 24 1 h nach h Lagerung bei 30 h Lagerung beiStrength after 24 1 h after h storage at 30 h storage at
Formstoffmischung Herstel °C und 49 % rela Raumbedingun lung tiver Feuchtigkeit gen [N/cm2] [N/cm2] [N/cm2]Molding material mixture production °C and 49 % relative room conditions tive humidity gen [N/cm 2 ] [N/cm 2 ] [N/cm 2 ]
Formstoffmischung 1 (V) 422 409 285 (-33%) Formstoffmischung 2 407 424 380 (-7%) Formstoffmischung 3 377 395 358 (-5%) Formstoffmischung 4 392 394 370 (-6%) Formstoffmischung 5 (V) k.A. k.A. k.A. Formstoffmischung 6 (V) 425 408 336 (-21%) Formstoffmischung 7 431 420 366 (-15%) Formstoffmischung 1 zeigt einen schwachen Abfall der Festigkeit bei Lagerung un ter Raumbedingungen, jedoch einen drastischen Rückgang der Festigkeit bei La gerung bei 30 °C und 49 % relativer Feuchtigkeit. Molding mix 1 (V) 422 409 285 (-33%) Molding mix 2 407 424 380 (-7%) Molding mix 3 377 395 358 (-5%) Molding mix 4 392 394 370 (-6%) Molding mix 5 (V) kAkAkA Molding mix 6 (V) 425 408 336 (-21%) Molding mix 7 431 420 366 (-15%) Molding mixture 1 shows a slight drop in strength when stored under room conditions, but a drastic drop in strength when stored at 30° C. and 49% relative humidity.
Die erfindungsgemäße Formstoffmischung 2 weist bei einer ähnlichen Startfestig keit eine deutliche höhere Festigkeit nach Lagerung bei 30 °C und 49 % relativer Feuchtigkeit auf. Die erfindungsgemäßen Formstoffmischungen 2 bis 4 weisen ein analoges Verhalten auf, wenn auch bei leicht reduzierten Startfestigkeiten. Analog zur Bestimmung der Maßhaltigkeit konnten für Formstoffmischung 5 keine Festig keiten ermittelt werden. Grund hierfür ist ein unzureichender Schichtverbund bei der Herstellung der Proben auf dem kommerziellen Drucksystem VX 200. Formstoffmi schung 6 zeigt hohe Festigkeiten 1 h nach Probenherstellung, jedoch insbesondere bei Lagerung unter verschärften Klimabedingungen einen stärkeren relativen Fes tigkeitsabfall im Vergleich zu Formstoffmischungen 2 bis 4 (79 % verbleibende Fes tigkeit für Formstoffmischung 6, im Mittel 94 % für die erfindungsgemäßen Form stoffmischungen 2 bis 4). Formstoffmischung 7 weist hohe Festigkeiten nach 1 h und einen moderaten Abfall der Festigkeiten nach Lagerung bei 30 °C und 49 % relativer Luftfeuchtigkeit für 24 h auf. The molding material mixture 2 according to the invention has a similar initial strength and a significantly higher strength after storage at 30° C. and 49% relative humidity. The molding material mixtures 2 to 4 according to the invention exhibit analogous behavior, albeit with slightly reduced initial strengths. Similar to the determination of the dimensional accuracy, no strength could be determined for molding material mixture 5. The reason for this is insufficient layer bonding when producing the samples on the commercial VX 200 printing system. Molding material mixture 6 shows high strength 1 hour after sample production, but a greater relative strength drop compared to molding material mixtures 2 to 4 (79 % remaining strength for molding material mixture 6, on average 94% for molding material mixtures 2 to 4 according to the invention. Molding mixture 7 shows high strength after 1 h and a moderate drop in strength after storage at 30° C. and 49% relative humidity for 24 h.
Somit lässt sich durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Additive eine deutlich verbesserte Lagerstabilität, insbesondere unter verschärften klimatischen Bedin gungen, erzielen als ohne deren Einsatz oder mit dem Einsatz einer Formulierung gemäß DE 102018200607 A1. Dies ermöglicht dem Anwender eine Lagerung her gestellter Bauteile auch unter verschärften äußeren Bedingungen, ohne dabei die bislang auftretenden Festigkeitseinbußen hinnehmen zu müssen. Zusätzlich weisen die erfindungsgemäßen Formstoffmischungen 2 bis 4 mit einem organischen Koh lenstoffanteil (ohne Graphit) von maximal 0,00015 % (Zugabe von bis zu 0,1 % mit einem maximalen Kohlenstoffanteil von 15 %) ein sehr geringes Emissionspotenzial auf, insbesondere im Vergleich zu Formstoffmischung 6 nach DE 102018200607 A1 mit einem Kohlenstoffanteil von 0,01 % (Zugabe zur Formstoffmischung ab 0,01 % mit einem Kohlenstoffanteil von 100 %). Dies ermöglicht eine drastische Redu zierung der Emissionsbelastung bei Einsatz der erfindungsgemäßen Formstoffmi schungen. Thus, through the use of the additives according to the invention, a significantly improved storage stability, in particular under more severe climatic conditions, can be achieved than without their use or with the use of a formulation according to DE 102018200607 A1. This enables the user to store manufactured components even under tougher external conditions without having to accept the loss of strength that has occurred up until now. In addition, the molding material mixtures 2 to 4 according to the invention with an organic carbon content (without graphite) of at most 0.00015% (addition of up to 0.1% with a maximum carbon content of 15%) have a very low emission potential, in particular compared to Molding material mixture 6 according to DE 102018200607 A1 with a carbon content of 0.01% (addition to the molding material mixture from 0.01% with a carbon content of 100%). This enables a drastic reduction in emissions when using the molding mixtures according to the invention.

Claims

Patentansprüche patent claims
1 . Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Körpern umfassend zumindest die fol genden Schritte: a) Bereitstellen eines feuerfesten Formgrundstoffs sowie eines hydrophobierten Metalloxids als Bestandteile einer Baustoffmischung, wobei das hydropho- bierte Metalloxid mit siliziumorganischen Verbindungen hydrophobiert ist und der Anteil des hydrophobierten Metalloxids 0,0001 Gew.% bis kleiner als 0,4 Gew.%, bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff beträgt; b) Ausbreiten einer dünnen Schicht der Baustoffmischung mit einer Schichtdicke von 0,05 mm bis 3 mm, bevorzugt 0,1 mm bis 2 mm und besonders bevorzugt 0,1 mm bis 1 mm der Baustoffmischung, wobei die Baustoffmischung das hyd- rophobierte Metalloxid umfasst; c) Bedrucken ausgewählter Bereiche der dünnen Schicht mit einem Bindemittel umfassend Wasserglas, und d) mehrfaches Wiederholen der Schritte b) und c). 1 . Method for building up bodies in layers, comprising at least the following steps: a) providing a refractory basic molding material and a hydrophobic metal oxide as components of a building material mixture, the hydrophobic metal oxide being hydrophobic with organosilicon compounds and the proportion of the hydrophobic metal oxide being 0.0001% by weight % to less than 0.4% by weight, based on the refractory mold base material; b) Spreading out a thin layer of the building material mixture with a layer thickness of 0.05 mm to 3 mm, preferably 0.1 mm to 2 mm and particularly preferably 0.1 mm to 1 mm of the building material mixture, the building material mixture comprising the hydrophobic metal oxide ; c) printing selected areas of the thin layer with a binder comprising water glass, and d) repeating steps b) and c) multiple times.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das hydrophobierte Metalloxid aufgebaut aus einem Substrat umfassend das Metalloxid, wobei die Oberfläche des Substrats mit der siliziumorganischen Verbindung hydrophobiert ist. 2. The method according to claim 1, wherein the hydrophobicized metal oxide is made up of a substrate comprising the metal oxide, wherein the surface of the substrate is hydrophobicized with the organosilicon compound.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metalloxid des hydrophobierten Metalloxids ausgewählt aus der der Gruppe Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandi oxid oder Mischoxiden aus dieser Gruppe und insbesondere amorphes Siliziumdi oxid ist oder umfasst. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the metal oxide of the hydrophobic metal oxide selected from the group consisting of silicon dioxide, aluminum oxide, titanium dioxide or mixed oxides from this group and in particular amorphous silicon dioxide is or comprises.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sili ziumorganische Verbindung sich mit OFI-Gruppen auf der Oberfläche des Metalloxi des chemisch umsetzt. 4. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the sili ziumorganische compound chemically reacts with OFI groups on the surface of the Metalloxi.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sili ziumorganische Verbindung ausgewählt ist aus Silanen, Siloxanen, Silazanen, ins besondere C1- bis C6 Alkylsilazanen, C1- bis C6 Alkylsilanen und weiter bevorzugt Flexamethyldisilazan oder ein Chlor(C1- bis C6-)alkylsilan ist. 5. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the silicon-organic compound is selected from silanes, siloxanes, silazanes, in particular C1- to C6-alkylsilazanes, C1- to C6-alkylsilanes and more preferably flexamethyldisilazane or a chlorine(C1- to C6- ) is alkylsilane.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das hydrophobierte Metalloxid auf der Oberfläche C1- bis C6- Alkylsiloxygruppen, ins besondere bevorzugt Trimethylsiloxy- und/oder Dimethylsiloxygruppen aufweist. 6. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the hydrophobic metal oxide on the surface has C1 to C6 alkylsiloxy groups, particularly preferably trimethylsiloxy and/or dimethylsiloxy groups.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sili ziumorganische Verbindung keinen Substituenten mit einem hydrophilen Ende auf weist. 7. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the organosili ziumorganic compound has no substituent with a hydrophilic end.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das hydrophobierte Metalloxid als Pulver, Aufschlämmung oder als Gel der Baustoffmi schung zugemischt wird, insbesondere Pulver, bevor die Baustoffmischung schicht weise ausgebreitet wird. 8. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the hydrophobic metal oxide is admixed as a powder, slurry or gel of the building material mixture, in particular powder, before the building material mixture is spread out in layers.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Me talloxid bzw. das Substrat des hydrophobierten Metalloxids synthetisches amorphes Siliziumdioxid umfasst oder daraus besteht, insbesondere pyrogene Kieselsäure oder Fällungskieselsäure umfasst oder daraus besteht. 9. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the metal oxide or the substrate of the hydrophobicized metal oxide comprises or consists of synthetic amorphous silicon dioxide, in particular comprises or consists of pyrogenic silica or precipitated silica.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das hydrophobierte Metalloxid durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale ge kennzeichnet ist: a) es weist eine BET-Oberfläche von 2 bis 500 m2/g, vorzugsweise von größer 5 m2/g bis kleiner als 300 m2/g und besonders bevorzugt von größer 7 m2/g bis kleiner als 220 m2/g auf; b) der Kohlenstoffgehalt des hydrophobierten Metalloxids beträgt größer 0 Gew.% bis 15 Gew.%, bevorzugt 0,1 Gew.% bis Gew.8 %, besonders bevorzugt 0,25 Gew.% bis 7 Gew.% und ganz besonders bevorzugt 0,5 Gew.% bis 6 Gew.%. c) der pH-Wert des hydrophobierten Metalloxids beträgt 3 bis 11 , bevorzugt 3,5 bis 10 und besonders bevorzugt 4 bis 9; d) der Metalloxid-Gehalt, insbesondere der Si02-Gehalt, des hydrophobierten Me talloxids beträgt über 75 Gew. %, bevorzugt über 80 Gew. %, besonders bevor zugt über 90 Gew. % und ganz besonders bevorzugt über 95 Gew. %; e) der relative Restsilanol (Si-OH)-Gehalt des hydrophobierten Metalloxids beträgt von 5 bis 75 %, besonders bevorzugt 15 bis 60 % und ganz besonders bevor zugt 22 bis 55 %. 10. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the hydrophobicized metal oxide is characterized by one or more of the following features: a) it has a BET surface area of 2 to 500 m 2 /g, preferably greater than 5 m 2 /g to less than 300 m 2 /g and more preferably from greater than 7 m 2 /g to less than 220 m 2 /g; b) the carbon content of the hydrophobicized metal oxide is greater than 0% by weight to 15% by weight, preferably 0.1% by weight to 8% by weight, particularly preferably 0.25% by weight to 7% by weight and very particularly preferably 0 .5% to 6% by weight. c) the pH of the hydrophobicized metal oxide is 3 to 11, preferably 3.5 to 10 and particularly preferably 4 to 9; d) the metal oxide content, in particular the SiO 2 content, of the hydrophobicized metal oxide is more than 75% by weight, preferably more than 80% by weight, particularly preferably more than 90% by weight and very particularly preferably more than 95% by weight; e) the relative residual silanol (Si—OH) content of the hydrophobicized metal oxide is from 5 to 75%, particularly preferably from 15 to 60% and very particularly preferably from 22 to 55%.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das hydrophobierte Metalloxid bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff zu größer 0,001 Gew.% bis kleiner als 0,2 Gew.% und insbesondere bevorzugt größer 0,005 Gew.% bis kleiner als 0,1 Gew.% eingesetzt wird. 11. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the hydrophobicized metal oxide is greater than 0.001% by weight to less than 0.2% by weight and particularly preferably greater than 0.005% by weight to less than 0.1% by weight, based on the refractory base molding material. % is used.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend weiterhin den Schritt der Aushärtung der bedruckten Bereiche, insbesondere durch Temperaturerhöhung, vorzugsweise bewirkt durch Mikrowellen und/oder Infrarot licht. 12. The method according to at least one of the preceding claims further comprising the step of curing the printed areas, in particular by increasing the temperature, preferably effected by microwaves and/or infrared light.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend weiterhin die folgenden Schritte: i) Härtung des Körpers nach Beendigung des schichtweisen Aufbaus in einem Ofen oder mittels Mikrowelle und ii) nachfolgendes Entfernen der ungebundenen Baustoffmischung von den zu mindest teilgehärteten bedruckten ausgewählten Bereichen. 13. The method according to at least one of the preceding claims further comprising the following steps: i) curing of the body after completion of the layered structure in an oven or by means of a microwave and ii) subsequent removal of the unbound building material mixture from the at least partially cured printed selected areas.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils auch unabhängig voneinander: a) der feuerfeste Formgrundstoff Quarzsand, Zirkonsand oder Chromerzsand, Oli vin, Vermiculit, Bauxit, Schamotte, Glasperlen, Glasgranulat, Aluminiumsilikat mikrohohlkugeln und deren Mischungen umfasst und vorzugsweise zu mehr als 50 Gew.% aus Quarzsand bezogen auf den feuerfesten Formgrundstoff besteht; und/oder b) die Baustoffmischung zu größer 80 Gew.%, vorzugsweise zu größer 90 Gew.%, und besonders bevorzugt zu größer 95 Gew.%, feuerfesten Formgrundstoff um fasst; und/oder c) der feuerfeste Formgrundstoff eine mittlere Partikelgröße von 50 pm bis 600 pm, bevorzugt zwischen 80 pm und 300 pm aufweist, bestimmt durch Siebanalyse. 14. The method according to at least one of the preceding claims, wherein in each case also independently of one another: a) the refractory basic molding material comprises quartz sand, zircon sand or chrome ore sand, olivin, vermiculite, bauxite, fireclay, glass beads, glass granules, aluminum silicate hollow microspheres and mixtures thereof and preferably more as 50% by weight of quartz sand based on the refractory mold base material; and/or b) the building material mixture comprises more than 80% by weight, preferably more than 90% by weight, and particularly preferably more than 95% by weight, of refractory basic molding material; and/or c) the refractory basic molding material has an average particle size of 50 μm to 600 μm, preferably between 80 μm and 300 μm, determined by sieve analysis.
15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wasserglas, einschließlich Lösungs-A/erdünnungsmittel in einer Menge zwischen 0,5 Gew.% und 7 Gew.%, bevorzugt zwischen 0,75 Gew.% und 6 Gew.% und be sonders bevorzugt zwischen 1 Gew.% und 5,0 Gew.%, bezogen auf den Form grundstoff eingesetzt wird. 15. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the water glass, including solvent A / diluent in an amount between 0.5 wt.% And 7 wt.%, Preferably between 0.75 wt.% And 6 wt.% And be particularly preferably between 1 wt.% And 5.0 wt.%, Based on the mold base material is used.
16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bedrucken mit einem eine Vielzahl von Düsen aufweisenden Druckkopf erfolgt; wo bei a) der Druckkopf vorzugsweise zumindest in einer Ebene von einem Computer ge steuert bewegbar ist und die Düsen das flüssige Bindemittel schichtweise auftragen; und/oder b) der Druckkopf vorzugsweise ein Drop-on-Demand Druckkopf mit Bubble-Jet oder Piezo-Technik ist. 16. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the printing takes place with a print head having a plurality of nozzles; where at a) the print head is preferably movable at least in one plane controlled by a computer and the nozzles apply the liquid binder in layers; and/or b) the print head is preferably a drop-on-demand print head with bubble jet or piezo technology.
17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Baustoffmischung weiterhin partikuläres amorphes Siliziumdioxids enthält, vorzugsweise zwischen 0,1 Gew.% und 2 Gew.% und besonders bevorzugt zwi schen 0,1 Gew.% und 1 ,5 Gew.%, jeweils bezogen auf den feuerfesten Formgrund stoff und vorzugsweise mit einer Partikelgröße von weniger als 300 pm, bevorzugt weniger als 200 pm, insbesondere bevorzugt weniger als 100 pm. 17. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the building material mixture also contains particulate amorphous silicon dioxide, preferably between 0.1% by weight and 2% by weight and particularly preferably between 0.1% by weight and 1.5% by weight. , in each case based on the refractory molding base material and preferably with a particle size of less than 300 μm, preferably less than 200 μm, particularly preferably less than 100 μm.
18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale gekennzeichnet ist:18. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the binder is characterized by one or more of the following features:
- das Wasserglas weist ein molares Modul S1O2/M2O von größer 1 ,4 bis kleiner 2,8, vorzugsweise größer 1 ,6 bis kleiner 2,6, bevorzugt größer 1 ,8 bis kleiner 2,5 und weiter bevorzugt größer 1 ,9 und kleiner 2,4 auf, wobei M2O für die Summe der molare Stoffmengen von Lithium-, Natrium- und Kalium, berechnet jeweils als Oxid, steht; the water glass has a molar modulus S1O2/M2O of greater than 1.4 to less than 2.8, preferably greater than 1.6 to less than 2.6, preferably greater than 1.8 to less than 2.5 and more preferably greater than 1.9 and less than 2.4, where M2O is the sum of the molar amounts of lithium, sodium and potassium, each calculated as the oxide;
- das Bindemittel weist eine dynamische Viskosität bei einer Temperatur von je weils bei 25°C von kleiner als 20 mPas, vorzugsweise kleiner als 14 mPas auf;- the binder has a dynamic viscosity at a temperature of in each case at 25° C. of less than 20 mPas, preferably less than 14 mPas;
- etwaige partikuläre Bestandteile im Bindemittel weisen einen D9o-Wert von klei ner als 20 pm, bevorzugt kleiner als 10 pm und insbesondere bevorzugt kleiner als 5 pm auf; any particulate components in the binder have a D90 value of less than 20 μm, preferably less than 10 μm and particularly preferably less than 5 μm;
- das Bindemittel enthält zumindest ein Phosphat oder zumindest ein Borat oder ein Phosphat und ein Borat. - the binder contains at least one phosphate or at least one borate or one phosphate and one borate.
19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel einen Feststoffanteil von größer 20 bis kleiner 42 Gew.%, vorzugsweise größer 24 bis kleiner 38 Gew.%, bevorzugt größer 27 bis kleiner 37 Gew.% aufweist. 19. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the binder has a solids content of greater than 20 to less than 42% by weight, preferably greater than 24 to less than 38% by weight, preferably greater than 27 to less than 37% by weight.
20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei etwa ige Partikel im Bindemittel 20. The method according to at least one of the preceding claims, wherein approximately ige particles in the binder
- einen D9o-Wert von kleiner als 20 pm, bevorzugt kleiner als 10 pm, besonders bevorzugt kleiner als 5 pm aufweisen und / oder - einen Dioo-Wert von kleiner als 25 pm, vorzugsweise kleiner als 15 pm, bevor zugt kleiner als 10 pm aufweist. - have a D90 value of less than 20 pm, preferably less than 10 pm, particularly preferably less than 5 pm and/or - have a Dioo value of less than 25 pm, preferably less than 15 pm, preferably less than 10 pm having.
21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel weiterhin oberflächenaktive Substanzen enthält, vorzugsweise Tenside, insbesondere zwischen 0,01 und 4,0 Gew.%, vorzugsweise zwischen 0,1 und 3,0 Gew.%. 21. The method according to at least one of the preceding claims, wherein the binder also contains surface-active substances, preferably surfactants, in particular between 0.01 and 4.0% by weight, preferably between 0.1 and 3.0% by weight.
22. Form oder Kern herstellbar nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 für den Metallguss, insbesondere den Eisen-, Stahl-, Kupfer- oder Aluminium-Guss. 22 mold or core producible according to at least one of claims 1 to 21 for metal casting, in particular iron, steel, copper or aluminum casting.
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