ES2230086T3 - Metodo y aparato para fabricar una pieza estructural mediante la tecnica de deposicion multi-capa y moldeo macho fabricado con el metodo. - Google Patents

Abstract

Un método para fabricar una pieza estructural mediante una técnica de deposición de varias capas, en particular una pieza estructural en forma de un molde de fundición o un macho de fundición, comprendiendo dicha técnica la deposición de material a granel en partículas en varias capas adyacentes apiladas que se unen entre sí por subáreas predeterminadas de las correspondientes capas adyacentes, en el cual a) se deposita una primera capa porosa de material en partículas a granel consistente en partículas de un tamaño predeterminado a fin de formar una capa de un espesor predeterminado; b) se aplica una dosis predeterminada de un material aglomerante líquido sobre por lo menos una subárea de la primera capa, de manera que el material aglomerante líquido penetre por lo menos en la subárea de la primera capa y se distribuya dentro de la súbárea, humedeciendo las partículas de la subárea y quedando una predeterminada porosidad residual de la subárea una vez distribuido el material aglomerante líquido.

Description

Método para fabricar una pieza estructural mediante la técnica de deposición multi-capa y moldeo macho fabricado con el método.

El presente invento hace referencia a un método para fabricar una pieza estructural mediante una técnica de deposición de varias capas, en particular una pieza en forma de un molde de fundición o un macho de fundición, un aparato para realizar el método así como los moldes y machos de fundición fabricados de acuerdo con el método.

Un procedimiento convencional de fabricación de moldes y machos para fundir metales utiliza arena croning, un material granular consistente en partículas de arena recubiertas de resina, por ejemplo arena de cuarzo o circón, con la cual se llenan armazones. Se forma dentro del armazón una cavidad negativa del molde al insertar un modelo positivo de la pieza estructural a producir y se rellena con la arena croning. Usualmente, el completo relleno del armazón con arena croning, que sustancialmente será utilizada como moldeo, es luego unida en una fase mediante un procedimiento térmico. La fabricación de este modelo positivo se lleva a cabo con los procesos convencionales de realización de modelos tales como fresado y torneado con control numérico, por lo cual se requiere tiempo y resulta caro.

Con ayuda de una técnica de deposición, también conocida como procedimiento de rápida formación de prototipo, en que el material del molde se aplica y solidifica a capas, pueden fabricarse moldes, modelos u otras piezas estructurales de manera más rápida y con menores costes.

La sinterización con láser selectivo (SLS), de acuerdo con la patente WO-88/02677, es un ejemplo de un método conocido que emplea una técnica de deposición (es decir un procedimiento de rápida formación de prototipo). En este procedimiento se aplica a capas un material granular de sinterización. La capa correspondiente superior del material de sinterización se funde parcial y selectivamente mediante un haz de láser giratorio, uniendo de este modo entre sí el material previamente granular por predeterminadas subáreas. A continuación, se deposita la siguiente capa de material granular y se funde parcial y selectivamente, uniéndose el material de las áreas parcialmente fundidas dentro de la capa y entre la capa superior y la capa inferior. De esta manera, se forma un cuerpo tridimensional sólido consistente en un material granular sinterizado unido entre sí por medio de fusión.

Sin embargo, los aparatos para llevar a cabo el procedimiento SLS son complejos y caros, de modo especial en lo que respecta a la necesaria técnica de barrido por láser. El haz láser en uno de tales aparatos tan sólo puede hacerse girar en un grado limitado, de manera que el tamaño máximo de la pieza estructural a producir resulta limitado. Además, algunos materiales no pueden usarse para este procedimiento, puesto que su punto de fusión es demasiado elevado o demasiado bajo. Las bajas temperaturas de fusión causan imprecisiones en la fabricación, las altas temperaturas de fusión requieren una maquinaria complicada y dan como resultado una baja velocidad de fabricación. Aparte de todo ello, la velocidad de fabricación ya es baja, debido a que se utiliza un proceso de barrido por láser, de manera que el procedimiento SLS precisa relativamente tiempo y por tanto es caro e inadecuado.

En la patente US-5.182.170 (Marcus y otro) se describe un procedimiento tipo SLS. En este procedimiento se aplica a una base una capa de polvo mezclado con un material aglomerante. El polvo se expone a una atmósfera de un gas reactivo, de manera que se activa el polvo. En dicha atmósfera se admite calor local y selectivamente sobre el polvo. Esto produce una reacción química selectiva del polvo mezclado con el aglomerante, solidificándose selectivamente el polvo. Por ejemplo, puede servir un láser como fuente de calor.

Se conoce otro método que emplea una técnica de deposición a través de la patente EP-0.431.924 B1 (equivalente a la US-5.204.055 de Sachs y otro). En este procedimiento se deposita una capa de un material en partículas (por ejemplo cerámica o metal). Aplicando selectivamente un material aglomerante a una área predeterminada de la capa de partículas se une entre sí y a la capa producida en el ciclo precedente. El procedimiento se va repitiendo capa a capa. En una última fase se retira el material en partículas que ha permanecido sin humedecer por el material aglomerante y que por tanto no se ha unido. De esta manera se ha creado un cuerpo tridimensional, capa a capa. El material aglomerante puede aplicarse a bajo coste por medio de un cabezal de dosificación por goteo a petición (por ejemplo un cabezal de impresión por chorro de tinta). El material en partículas puede ser, por ejemplo, polvo cerámico, los materiales aglomerantes, por ejemplo una suspensión coloidal. El material aglomerante está hecho para endurecer cuando se aplica energía, por ejemplo en forma de radiación, o bien fragua automáticamente al cabo de cierto tiempo a través de una reacción química.

En el procedimiento de acuerdo con la patente EP-0.431.924 B1 el material aglomerante ocasiona un problema, puesto que debe ser aplicado en grandes cantidades para asegurar una unión estable. Al objeto de conseguir una unión entre las partículas vecinas dentro de una capa o dentro de capas contiguas, el material aglomerante debe llegar a las áreas de contacto entre partículas vecinas tan exactamente como sea posible. A fin de garantizar esto, se emplea un exceso de material aglomerante. Esto hace que el material aglomerante se distribuya de manera no homogénea en la capa de partículas, formando acumulaciones relativamente grandes de material aglomerante en cavidades de la capa de partículas. Al solidificarse el material, las acumulaciones forman inclusiones que perjudican la calidad de la pieza.

La gran cantidad de material aglomerante que debe aplicarse genera otros dos problemas. Es una ventaja que los dispositivos de impresión por goteo a demanda, que suelen emplearse para aplicar el material aglomerante, sean artículos estándares disponibles en el mercado, así que el procedimiento de aplicar el aglomerante puede llevarse a cabo a bajo coste; no obstante, tan sólo pueden alcanzar una limitada velocidad de salida de material. Por consiguiente, la velocidad de fabricación que puede alcanzarse con el procedimiento, en que el material aglomerante se aplica tal como se ha descrito antes, queda sumamente limitado mientras se utilicen los económicos dispositivos de impresión por goteo a demanda. Además, cuando se utiliza un cabezal de impresión por goteo a demanda el aglomerante tiende a endurecer también en el cabezal de impresión y por tanto obstruye el cabezal de impresión, lo cual hace necesaria una frecuente limpieza del cabezal de impresión, lo que a su vez requiere tiempo y resulta caro.

Por tanto, la especificación de la patente DE-19.723.892 B (Höchsmann y otro), (solicitud de patente US-09/089.444) sugiere un método distinto para producir moldes. En lugar de material en partículas, se deposita un material compuesto que comprende partículas con un material aglomerante que las recubre. En una siguiente fase se aplica selectivamente un agente moderador, de manera que la energía específica necesaria para unir y solidificar así el material compuesto, fundiendo parcialmente o por reacción química del material aglomerante, se reduce o incrementa a partir de un nivel inicial con una pequeña cantidad diferencial hasta un nivel final distinto del nivel inicial. Por consiguiente, la energía es inducida con un nivel de energía especifica entre el nivel inicial y el nivel final, así que ni el área humedecida por el agente moderador ni el área libre de agente moderador se solidificará, en función de la energía específica haya sido reducida o aumentada. Dado que se necesita aplicar una cantidad notablemente menor de agente moderador que en el caso de aplicar selectivamente un aglomerante, pueden conseguirse altas velocidades de fabricación incluso cuando se utilizan económicos cabezales de impresión por goteo a demanda.

Sin embargo, dado que el agente moderador se distribuye de una manera relativamente incontrolada en la capa superior y en la estructura que ya está formada, puede salir perjudicada la claridad de modulación entre las partes solidificadas y sin solidificar de la capa, y por tanto la precisión de la fabricación.

Un proceso similar al presentado en la patente DE-19.723.892 es descrito en la WO-98/09798 (Brendt). En contraste con la DE-19.723.892, la WO-98/09798 describe un procedimiento en se aplica una mezcla de partículas de relleno y partículas adhesivas para formar una capa. En una siguiente fase se aplica un líquido (un disolvente) que activa el adhesivo en una subárea de la capa, de manera que las partículas de la capa se adhieren entre sí de tal modo que las partículas en dicha subárea forman un solo cuerpo. Por ejemplo, puede usarse maltodextrina como relleno, por ejemplo sucrosa como adhesivo, y por ejemplo agua como líquido de activación (disolvente). En este procedimiento la precisión de fabricación alcanzable también está limitada por el hecho de que el líquido empleado para la activación (o disolvente, respectivamente) puede esparcirse de manera incontrolada en la capa superior.

El presente invento resuelve el problema proporcionando un rápido procedimiento para realizar prototipos para la fabricación de piezas, en particular moldes o machos, el cual puede ser realizado con un aparato económico y al mismo tiempo combina una alta velocidad de fabricación con una buena precisión de fabricación, así como proporcionado un aparato económico para llevar a cabo el método.

Los objetivos del invento se consiguen mediante un método para fabricar una pieza estructural mediante una técnica de deposición de varias capas, en particular una pieza estructural en forma de un molde de fundición o un macho de fundición, comprendiendo dicha técnica la deposición de material en partículas formando varias capas adyacentes apiladas que se unen entre sí por subáreas predeterminadas de las correspondientes capas adyacentes, en el cual

a) se deposita una primera capa porosa de material en partículas a granel o esparcible, consistente en partículas de un tamaño predeterminado, a fin de formar una capa de un espesor predeterminado;

b) aplicar una dosis predeterminada de un material aglomerante líquido sobre por lo menos una subárea de la primera capa, de manera que el material aglomerante líquido penetre por lo menos en la subárea de la primera capa y se distribuye dentro de la subárea, con lo cual humedece las partículas de la subárea y queda una predeterminada porosidad residual de la subárea una vez distribuido el material aglomerante;

c) se aplica selectivamente una dosis predeterminada de un agente líquido de curado, que hace fraguar el material aglomerante dentro de un periodo de tiempo predeterminado, a la subárea predeterminada de la primera capa que contiene el material aglomerante, de modo que el agente de curado se distribuye en la subárea predeterminada de la primera capa;

d) se deposita una segunda capa de acuerdo con la fase a) sobre la primera capa que contiene el material aglomerante y el agente de curado, siendo tratado con un material aglomerante de acuerdo con la fase b) y se trata con un agente líquido de curado de acuerdo con la fase c) en la subárea predeterminada de la primera capa, solapando por lo menos parte de la subárea de la primera capa;

siendo aplicado al agente de curado a la subárea predeterminada de la segunda capa dentro de un periodo de tiempo predeterminado durante el cual el material aglomerante de la primera capa fragua selectivamente en la subárea de la primera capa, de modo que el material aglomerante en la subárea de la segunda capa se une al material aglomerante que está fraguando en la subárea de la primera capa antes de que el material aglomerante que está fraguando en la subárea de la primera capa haya fraguado del todo.

De acuerdo con el método del presente invento se aplica una cierta dosis de material aglomerante en estado liquido a la capa de partículas que ha sido depositada previamente, de modo que el material en partículas es puramente humedecido por el material aglomerante líquido y se evita que el material aglomerante se esparza de manera no homogénea formando acumulaciones locales de aglomerante, las cuales reducirían la calidad de las piezas fabricadas de acuerdo con el procedimiento. El material aglomerante puede aplicarse a toda la superficie de la capa, lo que permite alcanzar altas velocidades de fabricación en comparación con otros procedimientos.

De acuerdo con el método del presente invento, el material aglomerante y el agente de curado se seleccionan de tal modo que puedan actuar como componente de un adhesivo de dos componentes. El aglomerante se aplica por lo menos sobre la correspondiente subárea de la capa respectiva; el agente de curado es el material que se aplica selectivamente únicamente en las subáreas que deben fraguar. Cuando se utiliza una combinación adecuada de material aglomerante y agente de curado, tan solo hay que aplicar una pequeña cantidad de agente de curado a fin de hacer fraguar una gran cantidad de material aglomerante. Esta única pequeña cantidad de agente de curado puede ser aplicada fácilmente a bajo coste por medio de un cabezal convencional de impresión de goteo a demanda, que tan solo puede suministrar cantidades limitadas de material. Además, dado que el agente de curado sólo no fragua, y por tanto permanece líquido, se evita que el cabezal de impresión quede obstruido durante el proceso de aplicación.

El material aglomerante, el agente de curado, las dosis del material aglomerante y del agente de curado, una respecto al otro, y al correspondiente volumen de material en partículas por capa, así como las condiciones del procedimiento, se ajustan de tal manera que el tiempo de fraguado del material aglomerante en la subárea predeterminada de la primera capa no haya fraguado por completo cuando se aplica la segunda capa y se trata con material aglomerante y agente de curado. Esto garantiza que el material aglomerante y/o el agente de curado penetran en la capa inferior únicamente en un pequeño grado y que las subáreas de las capas individuales se unen entre sí en las porciones solapadas de las mismas, de modo que se crea un cuerpo tridimensional coherente.

El uso de un adhesivo de dos componentes adecuado también tienen ventajas en comparación con un sistema que utilice un aglomerante y un moderador por medio del cual se activa el aglomerante. Dado que, según el método del presente invento, el material aglomerante empieza a fraguar solo pero inmediatamente una vez ha sido aplicado el agente de curado, se evita que el aglomerante y/o el agente de curado fluyan de una manera incontrolada entre las subáreas a fraguar y las subáreas que no deben fraguar, o por lo menos que su flujo quede reducido considerablemente, de manera que aumenta la precisión de la fabricación.

Como material en partículas se utiliza preferiblemente arena, por ejemplo, una arena de cuarzo, una arena de silicato, una arena de cromita, una arena de olivino o una arena de circón, que pueden ser sin tratar. No obstante, también es posible usar alguno otro material en partículas a granel adecuado. Los materiales no tratados tienen la ventaja de ser más económicos que los materiales que ya han sido previamente tratados con un aglomerante, los cuales se requieren, por ejemplo, para métodos de sinterización con láser.

El tamaño de partículas del material en partículas será del orden de 100 a 200 \mum, preferiblemente de 110 a 160 \mum. También es posible usar partículas mayores o mayores. Sin embargo, las partículas que son demasiado pequeñas pueden ser muy fácilmente influidas por soplos de aire, lo cual hace bastante difícil hacer una deposición homogénea de las partículas. Con partículas demasiado grandes (la superficie de) la pieza estructural terminada tendrá una estructura granular no deseable. Normalmente, el diámetro medio o tamaño medio, respectivamente, de las partículas es de aproximadamente 140 \mum.

El espesor de las capas individuales de material en partículas es variable. Las capas finas permiten producir detalles constructivos de la pieza estructural a fabricar con una mayor resolución. Sin embargo, cuando las capas son muy delgadas, no puede aumentarse la resolución con otra reducción del espesor, dado que la resolución está entonces limitada por fluctuaciones del procedimiento. Asimismo, si las capas son demasiado delgadas, la velocidad de fabricación será baja, dado que se requiere un mayor número de fases de deposición de la capa. Si las capas son más gruesas, aumenta la velocidad de fabricación alcanzable; no obstante, esto no sigue siendo verdad para cualquier espesor de capa deseado. Cuando las capas son demasiado gruesas, es difícil aplicar el material aglomerante y el agente de curado de una manera homogénea a la capa del material en partículas, así que dichas fases requieren más tiempo y la velocidad de fabricación no puede incrementarse considerablemente o incluso deberá reducirse si el espesor de la capa se aumenta más. Además, si se emplean capas gruesas, tan solo puede conseguirse una menor resolución con respecto a los detalles constructivos de la pieza estructural a producir. Preferiblemente, el espesor de capa abarca desde 0,15 a 0,3 mm, dado que así por un lado puede conseguirse una velocidad de fabricación relativamente elevada y, por otro lado se puede alcanzar una unión suficiente entre las capas sucesivas, así como una suficiente resolución con respecto a los detalles de la pieza estructural.

El espesor de la capa puede variarse durante el proceso de fabricación de una pieza. Por ejemplo, en aquellas áreas de la pieza estructural que comprenden sólo unos pocos detalles constructivos pueden seleccionarse una capa de mayor espesor a fin de aumentar la velocidad de fabricación. En aquellas áreas de la pieza estructural en que existan detalles constructivos más complejos y pequeños puede seleccionarse un espesor de capa reducido, a fin de que en dichas áreas aumente la resolución y la exactitud de fabricación.

Se selecciona el material aglomerante lo bastante líquido para que se pueda aplicar una dosis predeterminada a la capa de partículas y para que se distribuya dentro de la capa de partículas mediante las fuerzas capilares que actúan en las cavidades existentes entre las partículas, a fin de que dichas partículas queden humedecidas. Estos procedimientos pueden optimizarse seleccionando una viscosidad adecuada y una tasa de dosificación del material aglomerante. La cantidad de aglomerante se determina de manera que se mantenga una cantidad residual de porosidad en la capa de partículas, así que en la fase consecutiva de aplicación del agente líquido de curado también dicho agente de curado se expanda por la capa de partículas que ha sido tratada con el material aglomerante, por medio de las fuerzas capilares que actúan en las cavidades, y humedezca las partículas que ya han sido humedecidas por el material aglomerante. Preferiblemente, la dosificación predeterminada del material aglomerante se selecciona de tal modo que la relación entre el material aglomerante y el material en partículas con respecto a sus pesos sea inferior al 4 por ciento, y preferiblemente que abarque del 2 al 3 por ciento. La cantidad de material aglomerante aplicado con respecto a la cantidad de material en partículas puede variar de una capa a otra.

Además, dosificando el material aglomerante adecuadamente, también es posible mantener una cierta porosidad residual en el cuerpo solidificado incluso después del fraguado, de manera que puedan escapar los gases que se producen en el consiguiente proceso de fundición.

Al fabricar un moldeo o macho, la dosificación del material aglomerante se selecciona de tal modo que cuando se usa el moldeo o el macho para producir una pieza colada de una masa fundida, por un lado el molde o macho resistan la presión de la masa fundida mientras la misma todavía no sea dimensionalmente estable, y por otro lado el material aglomerante se haya evaporado por lo menos en gran parte cuando la masa fundida ya se ha solidificado parcialmente hasta el punto que la fundición sea esencialmente estable dimensionalmente. Una vez la fundición ha solidificado el molde puede simplemente destruirse, de manera que la fundición puede sacarse muy fácilmente del molde (método de molde perdido).

El material aglomerante líquido puede aplicarse, por ejemplo, a la capa de partículas en forma de un chorro. No obstante, preferiblemente el material aglomerante se aplica en forma de gotas de líquido de un diámetro predeterminado, dado que de este modo el material aglomerante puede extenderse muy homogéneamente. El diámetro de las gotas alcanza preferiblemente desde 5 a 50 \mum. Con gotas cuyo diámetro es menor de aproximadamente 5 \mum, las fuerzas de fricción en el aire ya no son despreciables en relación con la gravedad, lo cual dificulta depositar de manera fiable las gotas sobre la capa de partículas. Por contra, las gotas grandes hacen que el líquido se extienda de una manera inadecuada en la capa de partículas.

En cuanto a los métodos para aplicar el material aglomerante líquido pueden usarse, por ejemplo, los denominados métodos sin aire en que material aglomerante puro es forzado a través de una boquilla bajo presión. El método de aerógrafo, en que el material aglomerante es conducido hacia un husillo, donde es arrastrado por medio de una rápida corriente de aire que pasa por el mandril, y el método de rotación, también son métodos adecuados. Mediante tales métodos el material aglomerante puede dosificarse en gotas muy finas y de manera muy precisa.

Preferiblemente se utiliza un atomizador o nebulizador (generador aerosol) para aplicar el material aglomerante. Los dispositivos que pueden emplearse para este procedimiento tienen la ventaja de que requieren solo unas pocas piezas en movimiento y por tanto son económicos.

El material aglomerante líquido puede ser aplicado sobre todas la superficie de la capa respectiva. No obstante, de acuerdo con el invento es posible aplicar material aglomerante líquido exclusivamente sobre la superficie superior de la subárea predeterminada de la capa respectiva. Una aplicación selectiva, no solo del agente de curado sino también del material aglomerante líquido sobre la correspondiente subárea, puede ser ventajosa si la subárea predeterminada de una capa superior se extiende lateralmente más allá de la subárea de una capa inferior adyacente, de manera que solapa una cierta parte de la capa inferior que no debe ser fraguada. Si dicha cierta parte también contiene un material aglomerante que entraría en contacto con una respectiva cantidad de agente de curado que penetrase en la unión entre dichas capas superior e inferior, puede producirse un efecto de fraguado no deseado en el material aglomerante de la citada cierta parte de la capa inferior cerca de la mencionada unión entre las capas inferior y superior. La aplicación selectiva del material aglomerante o la aplicación no selectiva del material aglomerante puede utilizarse a voluntad según se requiera.

El agente de curado líquido también es aplicado, preferiblemente, en forma de gotas de líquido de un diámetro predeterminado, dado que de este modo el agente de curado puede extenderse muy homogéneamente. El diámetro de las gotas también abarca preferiblemente de 5 a 50 \mum.

Dado que el agente de curado se aplica selectivamente en subáreas, el procedimiento de aplicar el agente de curado requiere un dispositivo controlable. Un cabezal de impresión de goteo a demanda, como se conoce por ejemplo de las impresoras de chorro de tinta, es uno de estos dispositivos, siendo asimismo un dispositivo preferido pues, entre otras cosas, es económico. Pueden usarse cabezales de impresión que utilizan un sistema de chorro de burbujas o un sistema piezoeléctrico. Si se emplea un cabezal de impresión por goteo a demanda, el diámetro de las gotas del agente de curado abarca desde 30 a 50 \mum por motivos constructivos; actualmente no pueden generarse gotas más pequeñas por medio de cabezales de impresión de gotea a demanda estándares.

Puede usarse como material aglomerante cualquier material aglomerante líquido capaz de formar un sistema adhesivo mezclado de dos componentes junto con un agente de curado, por medio del cual fragua el material aglomerante. Por ejemplo puede usarse resina de furano, éster resol y resina fenólica. Como agente de curado puede emplearse un ácido orgánico.

Preferiblemente se utiliza un material aglomerante y un agente de curado que permitan llevar a cabo el procedimiento a temperatura ambiente, dado que así no se requieren aparatos innecesariamente complicados. La viscosidad del material aglomerante a 20ºC abarca, preferiblemente, de 25 a 50 mPas; la viscosidad del agente de curado, aplicado a 20ºC, abarca preferiblemente de 7 a 10 mPas.

Preferentemente se utiliza como material aglomerante resina de furano, que contenga preferentemente alcohol furfurilico en una proporción de por lo menos el 50 por ciento y etanodioilo en una proporción de aproximadamente el 4 por ciento, así como agua. El agente de curado preferido contiene ácido sulfónico de tolueno en una proporción del 45 al 55 por ciento, glicol dietileno en una proporción del 5 al 15 por ciento y ácido sulfúrico en una proporción del 1 por ciento como máximo. El material aglomerante preferido y el agente de curado preferido se utilizan preferiblemente en una relación de 2:1 en peso.

Además, el agente de curado puede disolverse con alcohol en una relación de aproximadamente 2:1, de modo que pueda aplicarse más fácilmente por medio de un cabezal de impresión por goteo a demanda. El alcohol se evapora durante el proceso de fraguado. También pueden añadirse aditivos como el alcohol en el agente de curado por otros motivos. Por un lado el tiempo de fraguado del material aglomerante y agente de curado combinado puede variar con la adición de aditivos. Por otro lado, en caso necesario, puede ajustarse la viscosidad del agente de curado de manera que sea posible llevar a cabo el método a temperatura ambiente.

Si tanto el material aglomerante como el agente de curado se aplican en forma de gotas, preferiblemente el agente de curado se diluye con alcohol de manera que las gotas del aglomerante y el agente de curado puedan aplicarse con la misma densidad de gotas por línea o densidad de gotas por superficie, respectivamente. Se prefiere una densidad de gotas por línea del orden de 100 a 600 dpi (gotas por pulgada).

El método de acuerdo con el presente invento es adecuado para fabricar diferentes piezas, por ejemplo modelos de diseño. Preferiblemente el método sirve para fabricar moldes o machos de fundición, preferentemente moldes.

De acuerdo con el presente invento, un aparto para la fabricación de piezas comprende los siguientes componentes:

una base;

una unidad de control;

un dispositivo de aplicación móvil que puede controlarse por medio de la unidad de control y mediante el cual pueden depositarse capas de un material en partículas a granel sobre la base o una capa anterior a fin de formar una capa de un espesor predeterminado;

un dispositivo dosificador de aglomerante que puede controlarse por medio de la unidad de control y que va montado en un carro desplazable y comprende una disposición de boquillas mediante las cuales puede aplicarse un material aglomerante en forma de gotas de un diámetro predeterminado sobre toda la superficie de la correspondiente capa o exclusivamente sobre un área seleccionada de la capa respectiva; y

un dispositivo dosificador de agente de curado que puede controlarse por medio de la unidad de control y que va montado sobre un carro y puede moverse perpendicularmente al sentido de desplazamiento del carro, y mediante el cual puede aplicarse un agente líquido de curado en forma de gotas de un diámetro predeterminado sobre áreas seleccionadas de la capa.

A continuación se describe una forma de realización preferida del invento, basándose en el dibujo. En el dibujo:

La figura 1a muestra una vista esquemática de una pieza estructural fabricada de acuerdo con una forma de realización preferida del método según el presente invento, en su sección transversal, en la fase final de producción;

La figura 1b muestra la pieza estructural de la figura 1a en su estado acabado;

La figura 2 muestra una forma de realización del aparato de acuerdo con el invento, mientras está trabajando el cabezal dosificador; y

La figura 3 muestra el aparato de la figura 2, mientras está siendo aplicado el material aglomerante.

La figura 1a muestra una vista esquemática de una pieza estructural fabricada de acuerdo con una forma de realización preferida del método de acuerdo con el invento, en su sección transversal, cuando ha terminado el proceso de fabricación, en la cual resulta evidente el principio del método. De acuerdo con el método para fabricar una pieza, se producen sucesivamente n capas, de s1 a sn. En una primera fase se aplica una primera capa de partículas s1 sobre toda la superficie. A continuación, en una segunda fase, se humedece toda la superficie de la capa de partículas con el material aglomerante. En una tercera fase, se aplica entonces el agente de curado en una subárea seleccionada t1 (sombreada) de la primera capa s1. Estas tres fases también son llevadas a cabo sucesivamente para las capas s2 a sn restantes. Las subáreas ti, tj para diferentes capas s1, sj generalmente difieren entre sí, pero por lo menos se solapan parcialmente, de modo que quedan firmemente unidas entre sí.

Una vez aplicado el agente de curado a la última capa sn y cuando la pieza estructural ya ha fraguado, se retira el material en partículas no solidificado; lo que queda es la pieza estructural acabada que aparece en la figura 1b.

Para fabricar un molde de fundición de acuerdo con el método según el presente invento, se aplica material en partículas y material aglomerante tal como se ha descrito antes. Por contra, el agente de curado se aplica en el área exterior de la subárea t1, i = 1... n. De este modo solidifican las áreas fuera de t1. Una vez completado el proceso y la pieza estructural ha fraguado, el material en partículas no solidificado de las subáreas t1, i = 1... n se elimina, de modo que el resultado es una pieza estructural con una cavidad en forma del cuerpo representado en la figura 1b.

En las figuras 2 y 3 se muestra un aparato de acuerdo con el invento para fabricar piezas. Dicho aparato comprende los siguientes componentes:

una base 1 que puede moverse en sentido vertical;

una unidad de control;

un dispositivo de aplicación móvil 2 que puede controlarse por medio de la unidad de control y con el cual pueden depositarse capas de un material en partículas a granel sobre la base 1 o sobre una capa previa para formar una capa de un espesor predeterminado;

un dispositivo atomizador 4 que puede controlarse por medio de la unidad de control y que va montado en un carro 42 pudiendo desplazarse horizontalmente y que comprende una disposición de boquillas 43 mediante las cuales puede atomizarse un material aglomerante líquido para formar gotas de un diámetro predeterminado y ser dosificado para ser aplicado sobre toda la superficie de la capa; y

un dispositivo dosificador 3 que puede controlarse por medio de la unidad de control, el cual puede moverse horizontalmente y mediante el cual puede atomizarse un agente líquido de curado para formar gotas de un diámetro predeterminado y ser aplicado en áreas seleccionadas de la capa.

La base 1 se extiende en un plano representado por el plano (x, y) formado por el eje x y el eje y, siendo el eje x perpendicular al eje y. La base 1 comprende un primer borde 51, un segundo borde 52, un tercer borde 53 y un cuarto borde 54. El primer y segundo bordes 51, 52 son esencialmente paralelos entre sí y corren esencialmente en la dirección y. El tercer y cuarto bordes 53, 54 son esencialmente paralelos entre sí y corren esencialmente en la dirección x. La base 1 puede ajustarse verticalmente en la dirección z que es perpendicular al plano (x, y).

El dispositivo de aplicación 2 para material en partículas comprende una caja oblonga 21 a lo largo del eje x, la cual está abierta por un borde inferior 211 y por un borde superior 212 y está construida para sostener el material en partículas y para aplicar el material en partículas a la base 1 o a la capa de partículas previamente aplicada. Cerca del borde inferior abierto 211 de la caja, que queda frente a la base 1, existe un dispositivo de descarga 22, que comprende palas de distribución y que pueden abrir varios grados o ser completamente cerradas. El dispositivo de aplicación 2 puede ser movido a lo largo del eje y, esencialmente desde el primer borde 51 al segundo borde 52 y viceversa, a diferentes velocidades.

El carro 42 con la disposición de boquillas 43 para aplicar el material aglomerante también está construido de manera que tiene una forma oblonga a lo largo del eje x y puede moverse a lo largo del eje y esencialmente desde el primer borde 51 al segundo borde 52 y viceversa. La disposición de boquillas 43 comprende una serie de boquillas ajustables para descargar el material aglomerante, estando las boquillas colocadas esencialmente de una manera lineal a lo largo de una línea entre el tercer borde 53 y el cuarto borde 54. Alternativamente, pueden montarse varias líneas de boquillas entre el tercer borde 63 y el cuarto borde 54 en la disposición de boquillas 43. Las boquillas en las diferentes líneas pueden colocarse de forma idéntica o de manera distinta.

El aparato dosificador 3 para aplicar el agente de curado puede moverse esencialmente a lo largo del carro 42 por eje x, desde el tercer borde 53 al cuarto borde 54, y viceversa. Esto significa que el dispositivo de aplicación 2 para el material en partículas y la disposición de boquillas 43 para aplicar el material aglomerante pueden moverse en la misma dirección x, mientras que el aparato dosificador 3 para aplicar el agente de curado se mueve perpendicularmente a la misma (la dirección y).

El método de acuerdo con el invento se lleva a cabo mediante el aparato de la forma de realización preferida del invento, como sigue.

Al comienzo del proceso el dispositivo de aplicación 2, tal como puede verse por ejemplo en la figura 2, está situado en el primer borde 51 de la base 1. La caja 21 contiene material en partículas y el dispositivo de descarga 22 está cerrado. Se abre el dispositivo de descarga 22 de la caja 21, de manera que se aplica material en partículas a la base 1 entre el tercer borde 53 y el cuarto borde 54; al mismo tiempo se mueve el dispositivo de aplicación 2 a una velocidad constante a lo largo del eje y hasta el segundo borde opuesto 52, de manera que toda la base 1 queda cubierta por una capa homogénea de material en partículas. Entretanto, se mueve la caja 21 a través de la base 1 de tal modo que la capa de partículas ya aplicada sea alisada por el borde inferior 211 de la caja 21. La posición en la dirección z de la base con respecto a la caja 21 es ajustada de tal modo que, una vez alisada por la pala de distribución del borde inferior 211 de la caja 21, la capa de partículas tenga un deseado espesor de capa predeterminado. La velocidad de movimiento y/o el grado de abertura del dispositivo de cierre 22 son/es preferiblemente elegido y ajustado por medio de la unidad de control de tal modo que se aplique exactamente la cantidad de material en partículas a la base 1 que sea necesaria para obtener un espesor de capa predeterminado. Tan pronto como el dispositivo de aplicación 2 ha alcanzado el segundo borde 52, se interrumpe el suministro de materia en partículas.

Como siguiente fase, el carro 42, que hasta ahora ha estado en una posición de espera en el segundo borde 52, se mueve en la dirección y a una velocidad constante a través de la base 1, que ahora está cubierta por una capa de partículas, hasta que alcanza el primer borde 51. Al mismo tiempo se descarga material aglomerante de las boquillas de la disposición de boquillas 43, de manera que la capa de partículas es humedecida homogéneamente por el material aglomerante. La velocidad de movimiento del carro 42 se selecciona y ajusta por medio de la unidad de control de manera que se aplique o introduzca una cantidad predeterminada de material aglomerante dentro de la capa de partículas. Finalmente, el carro 42 se hace retroceder hasta el segundo borde 52 sin descargar ningún material.

En la siguiente fase del proceso, se aplica agente de curado en forma de gotas. Para ello, se utiliza el aparato dosificador 3, preferiblemente un cabezal dosificador de goteo a demanda, tal como se conoce de las impresoras de chorro de tinta. El aparato dosificador 3 está situado inicialmente, por ejemplo en el tercer borde 53 de la base 1 o fuera de la base cerca del tercer borde 53 (es decir, en la esquina formada por el segundo y tercer bordes 52, 53). Al iniciar esta fase del proceso, se controla el aparato dosificador de tal modo que se desplace en la dirección x desde el tercer borde 52 hasta el cuarto borde 54. Durante dicho proceso, se aplica agente de curado a la capa de partículas que contiene el material aglomerante en una subárea seleccionada de la sección entre los dos bordes con una predeterminada densidad de gotas por línea, en la dirección x. En una segunda fase, se hace retroceder el aparato dosificador hasta el tercer borde 53 sin aplicar agente de curado; al mismo tiempo, inmediatamente después o antes, se controla el carro 42 de manera que se desplace una pequeña distancia en dirección y hacia el primer borde 51 y vuelva a detenerse de nuevo. La pequeña distancia es comparable a la distancia de las gotas del agente de curado, que viene determinada por la densidad de la línea de gotas en dirección x. Una vez recorrida la pequeña distancia, el aparato dosificado 3 vuelve a moverse desde el tercer borde 53 al cuarto borde 54, aplicándose agente de curado en una subárea predeterminada, que usualmente difiere de la subárea a la que se ha aplicado agente de curado en el ciclo anterior. Las fases arriba descritas se van repitiendo hasta que el carro 42 ha alcanzado el primer borde 51, con lo cual la fase de aplicar agente de curado tiene lugar por última vez.

Ahora se ha terminado la primera capa, y está siendo aplicada la segunda capa de partículas. Para ello, primero se mueve la base 1 una pequeña distancia z en la dirección z separándose del aparato de aplicación 2. La distancia z se ajusta de tal modo que sea igual al espesor de capa predeterminado que deba ser aplicado a continuación para la segunda capa. En las siguiente fases, el material en partículas, el material aglomerante y el agente de curado son aplicados igual como en la primera capa (salvo en el hecho de que la subárea a humedecer por el agente de curado generalmente difiere de la subárea de la primera capa).

La aplicación del material en partículas para la segunda capa puede empezar en el segundo borde 52. Como alternativa, el dispositivo de aplicación 2 retrocede al primer borde 51 sin que sea aplicado ningún material; en este caso la aplicación del material en partículas se inicia en el primer borde 51, como en el caso de la primera capa.

Como alternativa al método antes mencionado, usualmente empleado con impresoras de chorro de tinta en que el movimiento del dispositivo dosificador 3 siempre empieza desde el mismo borde (53 ó 54), el agente de curado puede aplicarse tanto mientras el dispositivo dosificador 3 está siendo movido desde el tercer borde 53 al cuarto borde 54 como mientras esta retrocediendo desde el cuarto borde 54 al tercer borde 53. También es posible no volver a hacer retroceder el carro 42 una vez aplicado el material aglomerante, sino empezar a aplicar el agente de curado en el borde de la base 1 en que se ha terminado la aplicación del material aglomerante (en el presente caso se trata del primer borde 51). También es posible iniciar el movimiento del carro 42 para aplicar el material en el mismo borde de la base 1 en que se inicia el movimiento del dispositivo de aplicación 2 para aplicar material aglomerante.

Claims (23)

1.Un método para fabricar una pieza estructural mediante una técnica de deposición de varias capas, en particular una pieza estructural en forma de un molde de fundición o un macho de fundición, comprendiendo dicha técnica la deposición de material a granel en partículas en varias capas adyacentes apiladas que se unen entre sí por subáreas predeterminadas de las correspondientes capas adyacentes, en el cual

a) se deposita una primera capa porosa de material en partículas a granel consistente en partículas de un tamaño predeterminado a fin de formar una capa de un espesor predeterminado;

b) se aplica una dosis predeterminada de un material aglomerante líquido sobre por lo menos una subárea de la primera capa, de manera que el material aglomerante líquido penetre por lo menos en la subárea de la primera capa y se distribuya dentro de la subárea, humedeciendo las partículas de la subárea y quedando una predeterminada porosidad residual de la subárea una vez distribuido el material aglomerante líquido;

c) se aplica selectivamente una dosis predeterminada de un agente de curado líquido que hace fraguar el material aglomerante dentro de un periodo de tiempo predeterminado, a la subárea predeterminada de la primera capa que contiene el material aglomerante, de modo que el agente de curado se distribuye en la subárea predeterminada de la primera capa;

d) se deposita una segunda capa de acuerdo con la fase a) sobre la primera capa que contiene el material aglomerante y el agente de curado, siendo tratado con un material aglomerante de acuerdo con la fase b) y se trata con un agente líquido de curado de acuerdo con la fase c) - en la subárea predeterminada de la primera capa que solapa por lo menos parte de la subárea de la primera capa, siendo aplicado el agente de curado a la subárea de la segunda capa dentro de un periodo de tiempo predeterminado durante el cual el material aglomerante de la primera capa fragua selectivamente en la subárea de la primera capa, de modo que el material aglomerante en la subárea de la segunda capa se une al material aglomerante que está fraguando en la subárea de la primera capa antes de que el material aglomerante que está fraguando en la subárea de la primera capa haya fraguado por completo.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en que el tamaño predeterminado de partículas abarca desde 100 a 200 \mum, preferiblemente de 110 a 160 \mum, y normalmente es del orden de 140 \mum.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en que el espesor predeterminado de la capa abarca desde 0,15 a 0,3 mm.

4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en que el material aglomerante líquido se aplica en forma de gotas de material aglomerante líquido de un predeterminado diámetro de gota.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, en que el diámetro predeterminado de gota de las gotas de aglomerante abarca desde 5 a 50 \mum.

6. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en que el agente de curado liquido se aplica en forma de gotas de agente de curado líquido de un predeterminado diámetro de gota.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, en que. el diámetro predeterminado de gota de las gotas del agente de curado abarca desde 5 a 50 \mum.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7, en que para aplicar las gotas del agente de curado se utiliza un cabezal de impresión de goteo a demanda que emplea sistemas de chorro de burbuja o piezoeléctrico.

9. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en que como material en partículas se utiliza una arena del grupo consistente en arena de cuarzo, arena de silicato, arena de cromita, arena de olivino y arena de circón.

10. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en que la dosis predeterminada del material aglomerante se selecciona de tal manera que la relación en peso del material aglomerante con relación al material en partículas abarca del 2 al 3 por ciento.

11. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en que se utiliza como material aglomerante un material del grupo consistente en resina de furano, éster resol y resina fenólica.

12. El método de acuerdo con la reivindicación 11, utilizando resina de furano con alcohol furfurilico en una proporción de por lo menos el 50 por ciento y etanodioilo en una proporción de aproximadamente el 4 por ciento.

13. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, utilizándose un ácido orgánico como agente de curado.

14. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en que el agente de curado comprende ácido sulfónico de tolueno en una proporción del 45 al 55 por ciento, glicol dietileno en una proporción del 5 al 15 por ciento y ácido sulfúrico en una proporción del 1 por ciento como máximo.

15. El método de acuerdo con las reivindicaciones 12 y 14, en que el material aglomerante y el agente de curado se emplean en una relación de aproximadamente 2:1 en peso.

16. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en que el agente de curado se disuelve con alcohol en una relación de aproximadamente 2:1.

17. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en que el material aglomerante y/o el agente de curado se aplica en la correspondiente fase b) y c), respectivamente, con una densidad de gotas por línea que van de 300 a 600 gotas por pulgada.

18. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, que en la fase (b) el material aglomerante líquido se aplica exclusivamente a dicha subárea.

19. Empleo del método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18 para fabricar un molde o un macho para un método de molde perdido.

20. Un aparato para la fabricación de piezas mediante una técnica de deposición, comprendiendo:

una base (que puede moverse verticalmente en dirección z;

una unidad de control;

un dispositivo de aplicación (2) que puede moverse horizontalmente en dirección y, el cual puede controlarse por medio de la unidad de control y con el cual pueden depositarse capas de un material en partículas a granel para formar una capa de un espesor predeterminado;

un dispositivo dosificador de aglomerante (4) que puede controlarse por medio de la unidad de control y que va montado en un carro (42) que, sobre la base, puede desplazarse horizontalmente en la dirección y, comprendiendo además el dispositivo dosificador de aglomerante (4) una disposición de boquilla (43) mediante la cual puede aplicarse un material aglomerante líquido en una cantidad dosificada en forma de gotas de un diámetro predeterminado sobre la capa; y

un dispositivo dosificador de agente de curado (3) que puede moverse horizontalmente en dirección x y controlarse por medio de la unidad de control y que va montado sobre un carro (42) mediante el cual puede aplicarse un agente líquido de curado en forma de gotas de una diámetro predeterminado en subáreas seleccionadas de la capa.

21. El aparato de acuerdo con la reivindicación 20, en que el dispositivo dosificador del agente de curado (3) es un cabezal de impresión por goteo bajo demanda que utiliza un sistema de chorro de burbuja o piezoeléctrico.

22. El aparato de acuerdo con la reivindicación 20 ó 21, en que el dispositivo dosificador del aglomerante (4) es un cabezal de impresión por goteo bajo demanda que utiliza un sistema de chorro de burbuja o piezoeléctrico.

23. Un molde o macho fabricado de acuerdo con el método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19.