JP2020520808A - 粒状材料およびバインダからなる成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセス、３ｄ印刷装置、ならびに成形部品 - Google Patents

Abstract

粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセスが開示されており、成形部品（１００）は、３Ｄ印刷によって製造（Ｓ７２）されその製造後に加熱装置（４０）を使用して加熱（Ｓ３０）される部品であり、加熱された成形部品（１００）は、水を供給することにより生成された気体水で富化された雰囲気に曝される（Ｓ５０）。【選択図】図１

Description

本発明は、粒状材料およびバインダからなる成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセス、対応する３Ｄ印刷装置、ならびにこのプロセスで処理され３Ｄ印刷装置で製造された成形部品に関する。

成形部品の関連パラメータは、熱間強度である。鋳造技術では、たとえば、使用される成形部品、すなわち鋳造用の成形部品（たとえば、鋳造コアまたは鋳造鋳型、たとえば鋳造鋳型セクション）の熱間強度は重要なパラメータである。使用する成形部品の熱間強度が低すぎる場合、成形部品は鋳造プロセス中にその形状を変え、寸法安定性を失い、および／または亀裂を被り、ひいては鋳造部品の欠陥につながる可能性がある。

砂などの粒状材料と、粒状材料の粒子を一緒に保持または結合／接着するバインダとで作られた成形部品の場合、熱間強度は一般に粉末添加剤などの添加剤を添加することで改善できる。しかし、添加剤の添加は追加のコストと労力を伴い、限られた範囲でのみ熱間強度を高めることができる。

鋳造用の成形部品は、他の成形部品と同様に、たとえばコア射出／ブローイングによって、またはいわゆる３Ｄ印刷プロセスにおける生成的製造プロセス、たとえばバインダ噴射によって従来通りに製造することができる。

この点に関して、出願人は、同じ粒状材料、同じバインダ、および（利用可能な場合）同じ添加剤を使用する場合、３Ｄ印刷を使用して製造された成形部品の熱間強度は、たとえばコア射出によって製造された成形部品の熱間強度と異なる場合があることを認識してきた。この理由の１つは、おそらくそれぞれの技術の基礎となる様々な製造条件である。３Ｄ印刷では、成形部品は、固化していない／ばらばらの粒状材料を層状に適用し、次に粒状材料をそれぞれの層のバインダで選択的に固化することにより製造される（たとえば、ドイツ特許出願公開第１０ ２０１４ １１２ ４４７号明細書および第１０ ２００９ ０５６ ６８７号明細書を参照されたく、その開示内容はこの参照により本明細書に含まれる）。一方、コア射出／ブローイングでは、バインダと混合された粒状材料が、加圧下および高温で鋳型内に射出／ブローイングされる。

これに関して、本願の発明者らは、ケイ酸塩／水ガラスがバインダとして使用される場合、３Ｄ印刷された成形部品の熱間強度は、添加剤の添加および／またはバインダのおそらく複雑な硬化プロセスの適用を必要とする異なる製造条件のために、射出／ブローイング成形部品の熱間強度と比較して著しく低下する可能性があることを発見した。

欧州特許出願公開第２ １６３ ３２８ Ａ１号明細書は、溶融金属を鋳造する鋳造鋳型の成形部品の製造方法を開示しており、水ガラスで被覆された鋳型基材を含むコアまたは鋳物砂を、成形部品を形成するキャビティに充填し、コアまたは鋳物砂を硬化剤として蒸気と接触させ、硬化および固化させて成形部品を形成する。

ラマクリシュナン、ロバートによる「３−Ｄ−Ｄｒｕｃｋｅｎ ｍｉｔ ｅｉｎｅｍ ａｎｏｒｇａｎｉｓｃｈｅｎ Ｆｏｒｍｓｔｏｆｆｓｙｓｔｅｍ」（無機成形材料システムを使用した３Ｄ印刷）（ミュンヘン工科大学論文）は、無機的に結合した鋳造鋳型および鋳造コアを製造する積層造形プロセスを開示している。

本発明の目的とみなすことができるのは、粒状材料およびバインダからなる、高められた／適切な熱間強度の成形部品を得ることができるプロセスおよび３Ｄ印刷装置を提供することである。改良された熱間強度を有する成形部品を提供することも、本発明の目的とみなすことができる。

この目的のために、本発明は、請求項１に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセス、請求項１５に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセスと組み合わせた粒状材料およびバインダからなる成形部品を製造するための３Ｄ印刷プロセス、請求項１７に記載の３Ｄ印刷装置、および請求項１９に記載の成形部品を提供する。本発明のさらなる実施形態は、従属請求項に記載されている。

具体的には、発明者らは、新しい添加剤の研究や既知の添加剤の最適化など、従来の「調整ねじ」を明らかに変えないが、製造された成形部品の後処理という新方面を開いた。これにより、添加剤の使用を部分的または完全に省くことが可能になり、これは、多くの利点（コスト削減、プロセスの簡素化、特に３Ｄ印刷の場合に粉末のリサイクルなどを含む粉末／粒状材料の簡便な取り扱い）、または通常のレベルを超えた熱間強度のさらなる増大につながり得る。その際、発明者らは、驚くべきことに、成形部品、特にそのバインダを加熱状態の気体水に曝すことにより、熱間強度を高めることができることを発見した。水の供給は成形部品の熱間強度を促進しないという予想に反して、気体水の供給と浸透は成形部品の熱間強度の大幅な増大につながる可能性があることが認識された。さらに、提案されている後処理は、実装が簡単で効率が高い。加熱された成形部品への気体水の浸透は、バインダの一種の（追加の）架橋をもたらし、それが成形部品の熱間強度の増大をもたらすと想定される。

本発明の様々な態様によれば、粒状材料およびバインダからなる成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセス（言い換えると、製造された成形部品が後処理プロセスにかけられ、その少なくとも一部の熱間強度が増大する熱間強度増大のための後処理プロセス）が提供され、製造された成形部品は３Ｄ印刷で製造された成形部品であり、製造された後に加熱装置を使用して加熱され、加熱された成形部品は、水を供給することによって生成される気体水で富化された雰囲気に曝される。

この点において、熱間強度を高めるためには、成形部品を加熱し、加熱された成形部品を、水を供給することによって生成される気体水で富化された雰囲気（以下「水雰囲気」ともいう）に曝す必要がある。成形部品が、水の供給により生成される気体水で富化された雰囲気に曝されることなく単に加熱される場合、成形部品の熱間強度の顕著な増大は達成されない。

たとえば、加熱された成形部品を、水を供給することにより生成された気体水で富化された雰囲気に曝すために、外部水、すなわち成形部品自体、たとえばそのバインダに由来しない水を供給してもよい。（外部）水は最初に液体の形で供給され、その後蒸発する。たとえば、液体水は、雰囲気の加熱された状態で雰囲気（たとえば、加熱装置の加熱室）に水を注入することにより供給され、および／または液体水は、雰囲気内の開いた容器に配置されてもよい（たとえば、加熱前に）。代替的または追加的に、水は、たとえば気体混合物、たとえば空気混合物に含まれる気体形態で既に供給されていてもよい。後者の場合、気体混合物は、たとえば、加熱装置の外部環境よりも気体水含有量が高く（たとえば、含有量はｇ／ｍ^３に対して少なくとも２または３倍増加）、そのため、成形部品が曝される雰囲気の気体水による富化が可能である。したがって、気体水で富化された雰囲気は、気体水含有量が加熱装置の外部環境の気体水含有量よりも大きい雰囲気であると理解することができる（たとえば、含有量はｇ／ｍ^３に対して少なくとも２または３倍増加）。したがって、水を供給することによって生成される気体水で富化された雰囲気は、水の供給から生じる外部気体水と、成形部品自体から生じる内部気体水とを含んでもよい。

水の供給は、たとえば、一度だけまたは複数回、および／または連続的に、または時限／断続的に起こり得る。

たとえば、成形部品と液体水との直接の接触は排除または回避される、すなわち最小限に抑えられる。成形部品が気体水ではなく液体水に曝されると、成形部品が崩壊する可能性がある。

成形部品の加熱および成形部品の気体水で富化された雰囲気への暴露は、たとえば、連続的にまたは重複して、部分的または完全に起こり得る。気体水で富化された雰囲気は、たとえば、加熱装置または加熱室／その加熱空間により、または別の空間、たとえば加熱空間の下流の空間により／その中で形成され得る。

成形部品は、たとえば、添加剤を添加せずに製造することができる。本出願の意味の範囲内で、添加物は、成形部品の熱間強度を調整または増大させるために、製造中に粒状材料および／またはバインダに添加される物質であると理解され得る。しかしながら、本発明は、そのような添加剤の使用を排除するものではなく、１つ以上の添加剤を使用して、熱間強度をさらに高めることができる。

本発明の様々な態様によれば、成形部品は、たとえば、鋳造用の成形部品、たとえば、鋳造コアまたは鋳造鋳型、たとえば、鋳造鋳型セクションであってもよい。鋳造用の成形部品は、たとえば、金属鋳造用の成形部品、すなわち、たとえばアルミニウム鋳造、ねずみ鋳鉄、可鍛鋳鉄または鋳鋼に使用される鋳造用の成形部品であってもよい。鋳造部品の熱間強度は鋳造技術において特に重要であるため、本発明は鋳造用の成形部品に特に有用である。

本発明の様々な態様によれば、バインダは、たとえば、水ガラスを含んでもよい。水ガラスは、たとえば、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウムおよびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。たとえば、バインダは、少なくとも１つの（水溶性）ケイ酸塩を含んでもよい。たとえば、バインダは、水溶性アルカリケイ酸塩を含んでもよく、アルカリケイ酸塩は、たとえば、水溶性ケイ酸ナトリウム、水溶性ケイ酸カリウム、水溶性ケイ酸リチウムおよびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。乾燥／硬化バインダは、たとえば、シリカおよび／またはメタシリケートを含み得る。たとえば、水ガラスを固体または乾燥した形で粒状材料に加え、水を粒状材料と固体バインダの層に、プリントヘッドを使用して一定量で適用して、バインダを選択的にエッチング／部分的に溶解することができる。あるいは、水ガラスは、プリントヘッドにより、流動性の形態、たとえば水溶液の形態で、一定量でおよび選択的な方法で粒状材料の層に適用されてもよい。水ガラスは、他のバインダと比較して環境にやさしいバインダであり、たとえば、鋳造中に有害で危険な蒸気／放出物を生成しないため、水ガラスの使用は有利であり得る。加えて、特に水ガラスが使用され、特に成形部品が印刷される場合に、機能的熱間強度の提供が要求される場合を考えると、本発明はここでも特に重要である。

本発明の様々な態様によれば、粒状材料は、たとえば、砂粒子を含むことができる。砂粒子は、粒径が０．０６３ｍｍ〜２ｍｍの天然および／または無機材料で合成製造された粒子であると理解することができる。たとえば、砂粒子は、石英砂粒子、アルミナ砂粒子、ケイ酸アルミニウム砂粒子、ジルコン砂粒子、かんらん石砂粒子、ケイ酸塩砂粒子、クロマイト砂粒子、およびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。たとえば、砂粒子は、９０〜２５０μｍ、たとえば９０〜２００μｍ、たとえば１１０〜１８０μｍの平均粒径を有し得る。

本発明の様々な態様によれば、成形部品は、たとえば、バインダ噴射によって製造された成形部品であってもよい。あるいは、成形部品は、別の生成的製造プロセスによって製造された部品であってもよい。バインダ噴射は、流動性バインダ（たとえば、水ガラスまたはその水溶液）または流動性バインダ前駆体または流動性バインダ成分（たとえば、粒状材料に固体水ガラスが添加される場合の水）を、印刷装置、たとえばプリントヘッドを用いて、固化していない粒状材料層に選択的に適用して、粒状材料の粒子を選択的に結合または接着または固化させて、１層ずつ成形部品を製造する積層造形プロセスである。３Ｄ印刷で成形部品を製造するための適切なプロセスおよび装置は、たとえば、ドイツ特許出願公開第１０ ２０１４ １１２ ４４７号明細書および同第１０ ２００９ ０５６ ６８７号明細書に記載されており、その開示内容はこの参照により組み込まれる。ここでも、冒頭で説明したように、３Ｄ印刷の場合、たとえばバインダとして水ガラスを使用するとき、従来のプロセスと比較して異なる熱間強度が観察されるため、本発明が有用となる。３Ｄ印刷では、複雑な成形部品を簡単に、費用対効果の高い方法で製造できる。レーザ焼結などの他の積層造形プロセスと比較して、成形部品はバインダ噴射を使用してより速く製造でき、使用する機器はそれほど複雑ではないため、バインダ噴射は他の積層造形プロセスよりも安価である。

本発明の様々な態様によれば、成形部品は、たとえば、製造後にばらばらの粒状材料のバルクに埋め込むことができ、バルクは、たとえば成形部品（または複数の成形部品）とともに成形箱に入った形で受け取ることができ、成形部品は、成形部品を加熱する前にバルクから取り出すことができる。成形部品を取り出すための適切な方法は、たとえば、ドイツ特許出願公開第１０ ２０１２ １０６ １４１号明細書および同第１０ ２０１４ １１２ ４４６号明細書に記載されており、その開示内容はこの参照により組み込まれる。最も単純な場合、成形部品は、開梱するために手でバルクから取り外され、したがって、固化していない粒状材料から分離され得る。加熱前の開梱により、後処理プロセスを効率的に実行して熱間強度を高めることができるが、成形部品を含むバルク材料全体を後処理プロセスで利用できるようにすることも考えられる。たとえば、成形部品自体を加熱する必要があり、成形部品を取り巻く粒状材料のバルクは加熱する必要がない場合、成形部品を加熱する前または成形部品を加熱装置に供給する前に成形部品を取り出すことにより、熱間強度を高めるための後処理プロセスをより速く、より費用効率の高い方法で実行でき、成形部品を気体水に容易かつ効果的に曝すこともできる。加えて、加熱装置は、それに応じてより小さくなるように寸法設定されてもよい。

代替的または追加的に、本発明による後処理プロセスでは、成形部品を加熱する前に、バインダの硬化（したがって成形部品の硬化）、たとえば熱硬化を実行することができる。たとえば、後処理プロセスでは、成形部品の製造後の開梱の前および／または後に硬化を実行でき、たとえば、マイクロ波デバイスを使用して開梱前に硬化を実行することができるが、そのために、たとえば、成形箱をバルク材料と一緒にマイクロ波デバイスに配置してもよい。代替的または追加的に、成形部品の製造中にたとえば赤外線放射による繰り返し硬化（たとえば、重層的）を実行することができる（機械内プロセス）。硬化は、未加工部品の強度、または必要に応じて、成形部品の除去強度を高めることができ、これは、たとえば、複雑または重い成形部品の場合に有利である。しかし、本発明によれば、硬化工程は任意であり、したがって、必ずしも必要ではない。なぜなら、製造された成形部品は、別個の硬化プロセスがなくても十分な未加工部品強度を既に示している可能性があるからである（たとえば、粘度の最適化された調整および同様の手段の結果としての水ガラス溶液の印刷の場合）。本発明による処理プロセスを適用／通過した後、バインダ（したがって成形部品も）は、マイクロ波装置を使用した硬化が実行されていなくても、実行された後と少なくとも同じ硬度を有することができるので、本発明による後処理プロセスは、たとえば、マイクロ波装置を使用した硬化を省くことができる。したがって、本発明による後処理プロセスは、たとえば、成形部品を硬化するための中間後処理なしで実行でき、したがって、たとえば、製造プロセス（おそらく、開梱を含む３Ｄ印刷プロセス）の直後に行うことができる。

本発明の様々な態様によれば、処理された成形部品（すなわち、本発明による後処理プロセスを受けた成形部品）の熱間強度（たとえば、高温曲げ強度）は、元の熱間強度（本発明の後処理プロセスを実行する前）と比べて、少なくとも３０％、たとえば少なくとも４０％、たとえば少なくとも５０％、たとえば少なくとも６０％、たとえば少なくとも７０％、たとえば少なくとも８０％、たとえば少なくとも９０％、たとえば少なくとも１００％、たとえば少なくとも１５０％、たとえば少なくとも２００％、たとえば５００％まで増大させることができる。（本発明による後処理プロセスの前後の）それぞれの熱間強度を決定するために、たとえば、以下に説明するように測定を実行することができる。たとえば、鋳造用の複雑な成形部品の場合、実際の成形部品と同じ材料の試料を、それぞれの熱間強度の測定のために実際の成形部品と同じ製造プロセスで作ることができ、次いで試料を同じ条件下で同じ後処理（本発明による熱間強度を高めるための後処理プロセスを含む）にかけることができる。その後、試料でそれぞれの測定を行い、熱間強度の増大を計算するために成形部品に追加できる。代替的または追加的に、それぞれの熱間強度は、たとえば成形部品自体で、たとえばその寸法精度に基づいて定性的に、および／またはコア破損の場合に決定されてもよい。

本発明の様々な態様によれば、加熱された成形部品は気体水で富化された雰囲気中で気体水に曝されてもよく、その結果、たとえば、気体水は成形部品の少なくともその一部分に浸透し、浸透により、たとえばバインダのポリマー構成を変更するなどしてバインダを改変することにより、少なくともその部分で（たとえば、その部分でのみ主に／実質的に）熱間強度が増大する。その一部分は、たとえば、成形部品のリムゾーン（すなわち、外縁領域）、たとえば、少なくとも２５０μｍ、たとえば少なくとも５００μｍ、たとえば少なくとも１ｍｍ、たとえば少なくとも５ｍｍ、たとえば少なくとも１ｃｍ、たとえば少なくとも２ｃｍの深さのリムゾーンを含むかそれであってもよい。リムゾーンまたはその深さという用語は、成形部品の表面から成形部品内に、成形部品の表面に直交する方向に延びる成形部品の領域を指す。本発明者らは、鋳造プロセス中の成形部品の形状の変化、寸法安定性の低下、および／または亀裂を防止するには、（少なくとも主に）成形部品のリムゾーンでのみ熱間強度を増大させることで十分であることを発見した。

たとえば、本発明の様々な態様によれば、加熱装置は、連続炉、対流炉、対流式オーブン、熱風炉およびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。たとえば、加熱装置は、成形部品を受容／収容できる加熱空間を有してもよい。加熱装置は、たとえば、液体および／または気体水を加熱室に注入することができる、たとえば１つ以上の注入ノズルの形態の給水装置を備えてもよい。代替的または追加的に、加熱装置は、たとえば、加熱空間に配置され、液体水を受容することができる、または液体水を受容／収容する容器を備えてもよい。たとえば、加熱装置はまた、１つ以上のセンサ、たとえば、加熱空間の温度を決定する温度センサおよび／または加熱空間の湿度、すなわち加熱空間雰囲気中の気体水含有量を決定する湿度センサを備えてもよい。加熱装置は、たとえばセンサによって決定された温度および／または湿度を考慮することにより、所定の期間（以下を参照）、加熱空間内に水を供給するように給水装置を制御する制御装置を備えてもよい。加熱装置は、たとえば、３Ｄプリンタおよび上記の任意のマイクロ波装置とは別個の装置であってもよく、たとえば、それらに隣接して配置されてもよく、輸送システム、たとえばドライバレス輸送システムによって３Ｄプリンタおよび／またはマイクロ波装置に接続されてもよい。

本発明の様々な態様によれば、加熱された成形部品は、たとえば、製造後（上記参照）に、加熱装置の加熱空間に供給され、加熱装置を使用して加熱されてもよい。たとえば、加熱空間は閉じた加熱空間であってもよい。たとえば、加熱された成形部品は、たとえば成形部品が受容／収容された、または受容／収容される加熱装置の加熱空間に水を供給することにより、加熱装置内の気体水で富化された雰囲気に曝される場合がある。上述のように、水は、たとえば上記のプロセス／デバイスのいずれか１つによって、液体および／または気体の形で加熱空間に供給されてもよい。言い換えると、たとえば、加熱および水雰囲気への曝露は、共通のまたは同じ加熱空間で実行され、簡単な後処理プロセスを可能にする。これは、水雰囲気が加熱空間雰囲気であっても、あるいは加熱空間内に形成されてもよいことを意味する。たとえば、加熱状態の加熱空間雰囲気は、給水装置によって液体水が供給されるので、液体水は加熱空間内の加熱状態により蒸発し、これにより水雰囲気の形成に寄与することができる。

本発明の様々な態様によれば、加熱された成形部品は、たとえば、少なくとも３０秒間の所定の期間、たとえば少なくとも４５秒間、たとえば少なくとも６０秒間、たとえば少なくとも２分間、たとえば少なくとも３分間、たとえば少なくとも４分間、たとえば少なくとも５分間、水を供給することによって生成された気体水で富化された雰囲気に曝され得る。この下限は、成形部品のサイズおよび／または熱間強度要件および／または上記リムゾーンの所望の深さに応じて変化し得る。ただし、これらの値は試験で決定されているため、いずれの場合も満足のいく結果が得られる。たとえば、所定の期間の上限は６０分、たとえば４５分、たとえば３０分に設定されてもよく、下限と上限に示された値は必要に応じて組み合わされてもよい。所定の期間中、たとえば、以下で指定される温度／最低温度および／または気体水含有量を、たとえば全期間にわたって、たとえば期間の少なくとも９５％以上、たとえば期間の少なくとも９０％以上、たとえば期間の少なくとも８５％以上、たとえば期間の少なくとも８０％以上維持することが可能である。

本発明の様々な態様によれば、成形部品またはその少なくとも一部（たとえば、上記のリムゾーン）は、１５０°Ｃ以上、たとえば１７５°Ｃ以上、たとえば２００°Ｃ以上、たとえば２２５°Ｃ以上、たとえば２５０°Ｃ以上の温度まで加熱されてもよい。最低温度も様々な要因に依存するが、指定された値で適切な結果を得ることができる。たとえば、適切な最高温度は３５０°Ｃ、たとえば３００°Ｃとして指定でき、最低温度と最高温度の値は必要に応じて組み合わせることができる。たとえば、例示的な範囲を２６０〜２８０°Ｃとしてもよい。

本発明の様々な態様によれば、成形部品を加熱するために、たとえば、加熱装置またはその加熱空間は、１５０°Ｃ以上、たとえば１７５°Ｃ以上、たとえば２００°Ｃ以上、たとえば２２５°Ｃ以上、たとえば２５０°Ｃ以上の（炉）温度まで加熱されてもよい。たとえば、最高（炉）温度は３５０°Ｃ、たとえば３００°Ｃと指定でき、この点で、最低温度と最高温度に指定された値は、必要に応じて組み合わせることができる。たとえば、例示的な範囲を２６０〜２８０°Ｃとしてもよい。たとえば、加熱装置またはその加熱空間を最初に上記温度に加熱し、次いで加熱装置またはその加熱空間内の雰囲気を、水を供給することにより気体水で富化することができる。

本発明の様々な態様によれば、水を供給することにより生成される気体水で富化された雰囲気は、たとえば５０ｇ／ｍ^３以上、たとえば６０ｇ／ｍ^３以上、たとえば７０ｇ／ｍ^３以上、たとえば８０ｇ／ｍ^３以上、たとえば９０ｇ／ｍ^３以上、たとえば１００ｇ／ｍ^３以上、たとえば１２５ｇ／ｍ^３以上、たとえば１５０ｇ／ｍ^３以上、たとえば１７５ｇ／ｍ^３以上、たとえば以上２００ｇ／ｍ^３以上、たとえば３００ｇ／ｍ^３以上、たとえば４００ｇ／ｍ^３以上、たとえば５００ｇ／ｍ^３以上、たとえば６００ｇ／ｍ^３以上の気体水含有量を有してもよい。たとえば、雰囲気は上記の温度で、気体水で飽和、たとえば過飽和状態になるか、または雰囲気が１００°Ｃの気体水で飽和、たとえば過飽和状態になるように気体水分量を選択／設定できる。最小含有量は、加熱装置内の成形部品の滞留時間などの様々な要因にも依存する。

本発明の様々な態様によれば、粒状材料およびバインダから製造された成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセスと組み合わせて、粒状材料およびバインダから成形部品を製造するための３Ｄ印刷プロセスが提供され、３Ｄ印刷プロセスは、上記のように構成され、（直接または間接的に）成形部品の製造プロセスの後に続く。たとえば、粒状材料およびバインダから成形部品を製造する３Ｄ印刷プロセスは、バインダ噴射プロセス（上記参照）であってもよい。粒状材料およびバインダから成形部品を製造するための適切な３Ｄ印刷プロセスは、たとえば、ドイツ特許出願公開第 １０ ２０１４ １１２ ４４７号明細書および同第１０ ２００９ ０５６ ６８７号明細書に記載されており、その開示内容はこの参照により組み込まれる。製造プロセスでの使用に適したバインダは、たとえば水ガラス（上記参照）であり、バインダ噴射プロセスの場合、たとえば水溶液の形で、プリントヘッドを用いて一定量で、かつ以前に適用された固化していない粒状材料の層の部分領域に選択的に適用することができる。場合により、ばらばらの／固化していない粒状材料の層は、選択的に印刷された水ガラスのクリープ／浸透を（部分領域から）低減／防止する添加剤を含んでもよい。

本発明の様々な態様によれば、上記のプロセスのいずれか１つは、成形部品の熱間強度を（直接または間接的に）増大させるための後処理プロセスに続く、成形部品を使用して金属、たとえばアルミニウムまたはその合金を鋳造するプロセス／ステップと組み合わせて実行することができる。鋳造物は、たとえばエンジンブロックであってもよいが、もちろんそれに限定されない。

本発明の様々な態様によれば、上記プロセスのいずれか１つを実行するための３Ｄ印刷装置が提供され、３Ｄ印刷装置は、３Ｄプリンタと加熱装置とを備える。加熱装置は、上記のように構成できる。つまり、３Ｄプリンタによって製造された成形部品を受容／収容するように構成された加熱空間と、（たとえば成形部品を加熱空間に受容／収容する前／後に）加熱空間に気体水を供給するように構成された給水装置とを備えてもよい。たとえば、３Ｄプリンタは、成形プラットフォーム（たとえば、成形箱に含まれ得る）、コーティング装置（いわゆるリコータ）、および印刷ヘッドを備えた印刷デバイスを備え得る。適切な３Ｄプリンタは、たとえば、ドイツ特許出願公開第１０ ２０１４ １１２ ４４７号明細書および同第１０ ２００９ ０５６ ６８７号明細書に記載されており、その開示内容はこの参照により組み込まれる。３Ｄプリンタおよび加熱装置は、たとえば、互いに隣接するように配置されてもよく、および／または上述の輸送システムによって互いに接続されてもよい。本発明の様々な態様によれば、３Ｄ印刷装置は、たとえば、所定の期間、加熱空間に水を供給するように給水装置を制御するように構成された制御装置も含むことができる。たとえば、制御装置は、所定量の水を加熱空間に供給するように供給装置を制御するように構成されてもよい。制御装置は、たとえば噴射ノズルに結合されてこれを制御、たとえば、噴射ノズルの開状態および閉状態を制御してもよい。制御装置は、たとえば、加熱空間の温度を制御するように構成されてもよい。加熱空間には、たとえば、制御装置に結合され、加熱空間の温度を判定するように構成された温度センサが配置されてもよい。加熱空間には、たとえば、制御装置に結合されるとともに、加熱空間の気体水含有量（および絶対空気湿度）を決定するように構成された湿度センサが配置されてもよい。

本発明の様々な態様によれば、上述のプロセスのいずれかにより（後）処理および／または製造された、または上述の３Ｄ印刷装置のいずれかにより製造され、したがって、少なくともそのリムゾーン／シェルの熱間強度が増大している成形部品が提供される。

本発明の例示的であるが非限定的な実施形態を図に示し、以下でより詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態による、粒状材料およびバインダからなる成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセスを示す。 本発明の第２の実施形態による、粒状材料およびバインダからなる成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセスを示す。 本発明の第３の実施形態による、粒状材料およびバインダからなる成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセスを示す。 本発明の第４の実施形態による、粒状材料およびバインダからなる成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセスを示す。 本発明の第５の実施形態による、金属を鋳造するプロセス／ステップと組み合わせた、粒状材料およびバインダからなる成形部品の熱間強度を高めるための後処理プロセスを示す。 発明の第６の実施形態による、３Ｄ印刷構成の簡略化された概略図を示す。 発明の第７の実施形態による、成形部品の簡略化された概略図を示す。

以下の詳細な説明では、その一部を形成し、本発明を実施することができる特定の実施形態が例示のために示されている添付の図を参照する。

他の実施形態を使用してもよく、本発明の保護範囲から逸脱することなく構造的または論理的な変更を行ってもよいことを理解されたい。本明細書で説明される様々な例示的な実施形態および態様の特徴は、特に明記しない限り組み合わせることができることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の保護範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。

この説明の範囲内で、「接続」、「接合」、「結合」などの用語を使用して、直接接続と間接接続の両方、および直接または間接結合を説明することがある。

図において、同一または類似の要素には、必要に応じて同一の参照符号が付けられる。

図１−５に示すように、粒状材料およびバインダからなる成形部品１００の熱間強度を高めるための後処理プロセス（以下「熱間強度を高めるプロセス」ともいう）では、本発明の様々な実施形態によると、３Ｄ印刷によって製造された成形部品１００は、製造後に加熱装置４０を使用して加熱され（ステップＳ３０）、加熱された成形部品１００は、水の供給によって生成された気体水で富化された雰囲気に曝される（ステップＳ５０）。したがって、本発明の様々な実施形態は、製造された成形部品１００の処理および後処理のプロセスをそれぞれ示している。

成形部品１００は、鋳造用の成形部品、たとえば、鋳造コアまたは鋳造鋳型または鋳造鋳型セクションであってもよい。成形部品１００を作る粒状材料は、砂粒子を含んでもよい。砂粒子は、石英砂粒子、アルミナ砂粒子、ケイ酸アルミニウム砂粒子、ジルコン砂粒子、かんらん石砂粒子、ケイ酸塩砂粒子、クロマイト砂粒子、およびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。成形部品１００を作るバインダは、たとえば、水ガラスまたはケイ酸塩、たとえばナトリウム水ガラスまたはケイ酸ナトリウムを含むことができる。バインダは、粒状材料の粒子を結合または接着し、したがってそれらを一緒に保持し得る。

成形部品１００は、３Ｄ印刷により製造された成形部品１００である（図２〜図４のステップＳ７２を参照）。たとえば、成形部品１００は、バインダ噴射により製造された成形部品１００であってもよい。成形部品１００は、たとえば、ドイツ特許出願公開第１０ ２０１４ １１２ ４４７号明細書および同第１０ ２００９ ０５６ ６８７号明細書に記載されたプロセスによって製造されてもよく、その開示内容はこの参照により本明細書に組み込まれる。この点で、たとえば、３Ｄプリンタのプリントヘッドを使用して、水ガラスを固化していない粒状材料の層に適用または印刷することができる。

３Ｄ印刷による製造後、成形部品１００は、たとえば成形部品１００と一緒に成形箱に受容／収容されるばらばらの粒状材料で作られたバルク材料に埋め込まれ、成形部品１００を加熱装置４０に供給する前にバルク材料から開梱される（図３および図４のステップＳ９０を参照）。任意で、成形部品１００を開梱する前に、バインダの硬化を実行することができる（図４のステップＳ１１０を参照）。硬化は、たとえば、マイクロ波デバイスを使用して実行することができる。代替的または追加的に、成形部品１００の製造中に、繰り返しの硬化、たとえば熱硬化を実行することができる。

本発明の様々な実施形態によれば、加熱された成形部品１００は、気体水で富化された雰囲気中の気体水に曝されてもよく、その結果、気体水は成形部品１００の少なくともその一部に浸透し、浸透により、たとえばバインダのポリマー構成を変更することでたとえばその部分のバインダを改変することにより、少なくともその部分の熱間強度が増大する。この部分は、成形部品１００のリムゾーン１０２、たとえば少なくとも２５０μｍの深さのリムゾーン１０２を含むことができる（図７を参照）。

このプロセスで使用される加熱装置４０は、任意の適切な加熱装置、たとえば、連続炉、対流炉、対流式オーブン、熱風炉、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。加熱された成形部品１００は、たとえば成形部品１００が受容／収容された、または受容／収容される加熱装置４０の加熱空間４２に（液体および／または気体）水を供給することにより、加熱装置４０内の気体水で富化された雰囲気に曝される場合がある。たとえば、加熱空間４２に液体水を含む開いた容器を供給または配置することにより、加熱された成形部品１００を加熱装置４０内の気体水で富化された雰囲気に曝すことができる。代替的または追加的に、適切な装置、たとえば噴射ノズルによって液体水を加熱空間４２に供給することにより、加熱された成形部品１００を加熱装置４０内の気体水で富化された雰囲気に曝すことができる。

このプロセスにおいて、成形部品１００またはその少なくとも一部は、たとえば、少なくとも１５０°Ｃの温度に加熱されてもよく、このプロセスにおいて、加熱された成形部品１００は、水を供給することによって生成された、たとえば５０ｇ／ｍ^３以上の気体水含有量を有する気体水で富化された雰囲気に、たとえば所定の期間（たとえば、少なくとも３０秒）曝されてもよい。

本発明の様々な実施形態によれば、処理された成形部品１００の熱間強度は、元の熱間強度と比較して（すなわち、未処理の成形部品の熱間強度と比較して）少なくとも３０％増大し得る。

熱間強度を増大させるための上記のプロセスの後に、成形部品１００を使用して金属、たとえばアルミニウムまたはその合金を鋳造するプロセス／ステップが続き得る（図５のステップＳ１３０を参照）。

図６に示されるように、本発明の実施形態による３Ｄ印刷装置は、３Ｄプリンタ２０と、３Ｄプリンタ２０によって製造される成形部品１００を受容／収容するように構成された加熱空間４２、および加熱空間４２に気体水を供給するように構成された給水装置４４を有する加熱装置４０とを含む。３Ｄプリンタ２０は、たとえば、ドイツ特許出願公開第１０ ２０１４ １１２ ４４７号明細書および同第１０ ２００９ ０５６ ６８７号明細書に記載されているように構成することができ、その開示内容はこの参照により本明細書に組み込まれ、たとえば、成形プラットフォームを備えた成形箱、コーティング装置、およびプリントヘッドを備えてもよい。加熱装置４０は、上述のように構成されてもよい。給水装置４４は、たとえば、気体水および／または液体水を加熱空間４２に供給するように構成された噴射ノズル４６を備えてもよい。

３Ｄ印刷装置は、給水装置４４を制御して、所定の期間、加熱空間４２に水を供給するように構成された制御装置６０をさらに含むことができる。制御装置６０は、たとえば、供給装置４４の噴射ノズル４６に結合されてこれを制御、たとえば、噴射ノズル４６の開状態および閉状態を制御してもよい。制御装置６０は、たとえば、加熱空間４２の温度を制御するように構成されてもよい。加熱空間４２には、たとえば、制御装置６０に結合され、加熱空間４２の温度を判定するように構成された温度センサ８０が配置されてもよい。たとえば、制御装置６０に結合され、加熱空間４２の気体水の含有量（および絶対空気湿度）を決定するように構成された湿度センサ８２が加熱空間４２に配置されてもよい。
試験例

以下に、本発明を検証するために出願人によって実施された一連の試験の試験例を示す。

表１は、様々な試料の相対熱間強度を示す。すべての試料は、同じ製造プロセスで同じ材料（試料１、３、および４に熱間強度向上添加剤が含まれていないことを除く）から製造され、同じ後処理（該当する場合）で処理された。この目的のために、試料は、粒状材料として石英砂を使用し、バインダとしてケイ酸ナトリウム（水溶液として印刷）を使用したバインダ噴射によって製造され、寸法は１７２ｍｍ×２２．４ｍｍ×８ｍｍ（「ＨＤＴ試験棒」、ＨＤＴ：高温変形試験）である。試料が３Ｄ印刷により製造された後、試料は開梱され、その後すぐに熱間強度を増大させるための本発明による方法に供された（試料１および２を除く）。個別の硬化は行わなかった。

表１に示されるように、熱間強度を高めるための添加剤は第１の試料に添加されず、試料は本発明によるプロセスで処理されなかった。熱間強度を改善するための添加剤は第２の試料に加えられ、試料は本発明によるプロセスで処理されなかった。熱間強度を高めるための熱間強度添加剤は、第３および第４の試料に加えられず、試料は本発明によるプロセスで処理された。熱間強度を改善するための添加剤を第５および第６の試料に加え、試料は本発明によるプロセスで処理された。第４の試料は第３の試料の複製であり、第６の試料は第５の試料の複製である。

熱間強度は、「ＢＥＮＥＴＬＡＢ」社の「ＨＯＴ−ＦＬＥＸ、高温変形試験機」を使用して決定した。熱間強度を決定するために、試料を試験装置に固定し、試験重量（質量：２６．０２ｇ）を備えた距離計を試料上に置き、試料をガス火炎（温度：約１，２００°Ｃ；試験装置では、燃料ガス流量５×１０^−８Ｌ／ｈおよび空気流量１３Ｌ／ｈなどを設定できる）により下から加熱し、試料のたわみを経時的に測定した。下向きの所定のたわみ（たとえば２ｍｍ）に達するまでの経過時間から、以下の相対的な熱間強度を決定した。第１の試料の相対熱間強度は１に設定した。他の試料の相対熱間強度は、対応する試料の経過時間を試料１の経過時間で割ることによって決定した。結果を表１に示す。

第１の試料と第３および第４の試料との比較は、本発明によるプロセスが、処理された成形部品１００の熱間強度を増大させることができることを示している。この成形部品１００には添加剤を加えていないが、元の成形部品１００の熱間強度と比較して１００％以上熱間強度が高まっている。第２の試料と第５および第６の試料との比較は、本発明によるプロセスが、処理された成形部品１００の熱間強度を増大させることができることを示している。すなわち、添加剤を加えて、元の成形部品１００の熱間強度と比較して約４０％熱間強度が高まっている。これは、本発明によるプロセスが、熱間強度を高めるために添加剤が加えられる成形部品１００の熱間強度を高めることもできることを意味する。

第３および第４の試料と第５および第６の試料との比較は、本発明によるプロセスが使用される場合、本例では添加剤の添加を省略できることも示している。

本発明の特定の例示的な実施形態の前述の説明は、例示および説明のために提示された。網羅的であること、または開示された正確な形態に本発明を限定することは意図されておらず、上記の教示に照らして多くの修正および変形が可能であることは自明である。例示的な実施形態は、当業者が本発明の様々な例示的な実施形態ならびにその様々な代替形態および修正形態を製造および適用できるようにするために、本発明の特定の原理およびその実際の応用を説明するために選択および説明されている。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義されることが意図されている。

Claims (19)

1. 粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセスであって、
   前記成形部品（１００）は、３Ｄ印刷（Ｓ７２）によって製造された成形部品であり、製造された後に加熱装置（４０）を使用して加熱され（Ｓ３０）、
   前記加熱された成形部品（１００）は、水を供給することにより生成される気体水で富化された雰囲気に曝される（Ｓ５０）、粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
2. 前記成形部品（１００）は、鋳造用成形部品、たとえば、鋳造コアまたは鋳造鋳型または鋳造鋳型セクションである、請求項１に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
3. 前記バインダは水ガラス、たとえばケイ酸ナトリウムを含む、請求項１または２に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
4. 前記粒状材料は、砂粒子、たとえば石英砂粒子、アルミナ砂粒子、ケイ酸アルミニウム砂粒子、ジルコン砂粒子、かんらん石砂粒子、ケイ酸塩砂粒子、クロマイト砂粒子、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
5. 前記成形部品（１００）はバインダ噴射によって製造された成形部品である、請求項１から４のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
6. 前記成形部品（１００）は、製造後にたとえば前記成形部品（１００）と一緒に成形箱に受容されるばらばらの粒状材料で作られたバルクに埋め込まれ、前記成形部品（１００）を加熱する（Ｓ３０）前に前記バルクから開梱（Ｓ９０）され、および／または前記成形部品（１００）を加熱（Ｓ３０）する前に、前記バインダの硬化、たとえば熱硬化、たとえば開梱前（Ｓ１１０）および／または開梱後の硬化、たとえばマイクロ波装置を使用した開梱前の硬化が実行される、および／または前記成形部品（１００）の前記製造中に繰り返し硬化が実行される、請求項１から５のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
7. 前記処理された成形部品（１００）の熱間強度が元の熱間強度に対して少なくとも３０％増大する、請求項１から６のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
8. 前記加熱された成形部品（１００）は、気体水で富化された前記雰囲気中の気体水に曝され、その結果、前記気体水は前記成形部品（１００）の少なくともその一部分に浸透し、前記浸透により、たとえば前記バインダのポリマー構成を変更することでたとえば前記部分の前記バインダを改変することにより、少なくとも前記部分の熱間強度が増大する、請求項１から７のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
9. 前記部分は前記成形部品（１００）のリムゾーン（１０２）、たとえば、少なくとも２５０μｍの深さを有するリムゾーン（１０２）を含む、請求項８に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
10. 前記加熱装置（４０）は連続炉、対流炉、対流式オーブン、熱風炉、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１から９のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
11. 前記成形部品（１００）は、製造後に加熱装置（４０）の加熱空間（４２）に供給されて前記加熱装置（４０）を使用して加熱され、前記加熱された成形部品（１００）は、たとえば加熱のために前記成形部品（１００）が収容される前記加熱装置（４０）の前記加熱空間（４２）に水を供給することにより気体水で富化された前記雰囲気にたとえば前記加熱装置（４０）内で曝される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
12. 前記加熱された成形部品（１００）は、水を供給することにより生成された気体水で富化された前記雰囲気に所定の期間、少なくとも３０秒曝される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
13. 前記成形部品（１００）またはその少なくとも一部分が１５０°Ｃ以上の温度に加熱され、および／または前記成形部品（１００）を加熱するために、前記加熱装置（４０）またはその加熱空間（４２）が１５０°Ｃ以上の温度に加熱される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
14. 水を供給することによって生成される気体水で富化された前記雰囲気は５０ｇ／ｍ^３以上の気体水含有量を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセス。
15. 前記成形部品（１００）を製造するための前記３Ｄ印刷プロセスに続く、請求項１から１４のいずれか一項に記載の粒状材料およびバインダからなる成形部品（１００）の熱間強度を高めるための後処理プロセスと組み合わさった、粒状材料およびバインダから成形部品（１００）を製造するための３Ｄ印刷プロセス。
16. 前記成形部品（１００）の熱間強度を高めるための前記後処理プロセスに続く、前記成形部品（１００）を使用して金属、たとえばアルミニウムまたはその合金を鋳造する（Ｓ１３０）プロセス／ステップと組み合わさった、請求項１から１５のいずれか一項に記載のプロセス。
17. 請求項１から１６のいずれか一項に記載のプロセスを実行するための３Ｄ印刷装置であって、
    ３Ｄプリンタ（２０）と、
    前記３Ｄプリンタ（２０）によって製造された成形部品（１００）を受容／収容するように構成された加熱空間（４２）、および前記加熱空間（４２）に水を供給して前記加熱空間（４２）に気体水で富化された雰囲気を作り出す給水装置（４４）を有する加熱装置（４０）とを含む、３Ｄ印刷装置。
18. 前記給水装置（４４）を駆動して、所定の期間、前記加熱空間（４２）に水を供給するように構成された制御装置（６０）をさらに含む、請求項１７に記載の３Ｄ印刷装置。
19. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法によって処理／製造された、または請求項１７または１８に記載の３Ｄ印刷装置で製造された成形部品（１００）。