SE520565C2 - Sätt och apparat vid framställning av föremål genom FFF - Google Patents

Description

lO :zs sgp ses *WO 93/25336 beskriver en process för skiktvis uppbyggnad av kroppar av pulver, där utvalda partier av varje skikt, som skall bilda produkten, behandlas med tunna strålar av ett bindemedel, vilket löst sammanhåller kroppen. Det obundna pulvermaterialet utgör stödmaterial under skiktningen och avlägsnas senare. Den löst sammanhållna kroppen kan aven underkastas ytterligare en behandling för att stärka dess hâllfasthet.

Skiktvis värmebehandling eller kemisk reaktion, tex. SLS eller SLA, kan vara problematisk. Vid t.ex. lasersintring värms det översta skiktet kraftigt och binder samtidigt till det föregående lagret. Vid avsvalning strax efteråt krymper materialet och skjuvspanningar uppstår. Dessa visar sig genom att de yttre hörnen på detaljen böjs uppåt.

UPPFINNINGENS ÄNDAMÅL OCH LÖSNING PÅ PROBLEMET Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma ett satt och en anordning för Fri- Form-Framställning av föremål med hög produktionshastighet BE SKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nedan att närmare beskrivas i ett utföringsexempel med hänvisning till bifogade ritningarna.

Fig. l visar i perspektiv en partiell vy av en apparat för genomförandet av sättet enligt uppfinningen.

Fig. 2 visar snittytan av apparaten enligt fig. l.

Fig. 3 visar i perspektiv hela apparaten sedd snett uppifrån.

Fig. 4 visar i större skala ett snitt genom pulverpåföraren.

Fig. 5 visar sohematiskt en fas i uppbyggnaden av pulverskikten. cAMyi-'ileswixtïmvisez isiansswpa r Mrmooobsps 5230 565 I s ~ l , l i BESKRIVNING AV NÅGRA UTFÖRINGSEXEMPEL Metodbeskrlvning Metoden bygger på att endast ett pulverformigt basmaterial A anvands för såväl produkten som skall tillverkas, som för de partier som bildar stöd under tillverkningen. För att inte stödpartierna 36 skall delta i föreningen under samrnanbindningsprocessen, då pulverkornen förenas, tillföres skiktvis ett tillsatsmedel Bl, som deaktiverar pulverkornen, så att de inte förenas inom de behandlade områden. Alternativt eller i kombination kan de delar av basmaterialet A, som skall bilda produkten, de s.k. produktpartierna 37, behandlas med ett aktiverande tillsatsmedel BZ, som har till syfte att under sammanbindningsprocessen förena dessa pulverkorn, medan stödpartiernas korn förbli väsentligen opåverkade, dvs. lösa. Efter tillverkningen av produkten skall stödmaterialet fortfarande vara i sådan form att den mer eller mindre solida produkten lätt kan rensas från stödmaterialet.

Den stora fördelen med detta tillverkningssätt är snabbheten i framställningen och att inga oönskade spänningar “bakas” in i produkten.

Det pulverformiga basmaterialet A sprids ut med en pulverpåförare över en avgränsad yta, som kan utgöras av kolven till en cylinder, som utgör behållaren i vilken framställningen av hela produkten sker. Under tillverkningsprocessen sänks kolven stegvis, så att ett nytt skikt kan påföras. Pulverkornen bör vara sfäriska och har en diameter mellan 10-120 um för att ha god flytbarhet och packningsbenägenhet. Materialet kan vara keramer, metaller eller polymerer. Vid tillverkning av tex. gjutformar för metallgjutning är det lämpligt att använda keramiska material. Uppskattningsvis utgör basmaterialet A cirka,90-98 % av den totala mängden. En av anledningarna till att tillverkningshastiglíeten blir hög an applicera materialet snabbt, då endast små mängder aktiverande eller deaktiverande tillsatsmedel B behöver tillföras.

C:\lvlyFilæ\PATEN'I\Pl592lSE.A3S.wpd * NÜPZOOO-Oó-OS lO '25 520 565 ' Tíllsatsmedlet B har som sagt till uppgift att aktivera eller deaktivera bas- materialet, beroende på om det är fråga om produkt- eller stödpartierna som skall behandlas, vilket basmaterial det gäller och valet av tillsatsmedel.

Aktiveringen av produktpartierna kan ske genom att tillsatsmedlet B: l. sänker pulverkornens smalt- eller sintringstemperatur och/eller det tillförda tillsatsmedlet har liten diameter. Ytenergin är högre för små korn, vilket gör att dessa smälter eller sintrer vid en lägre temperatur; 2. reagerar med basmaterialet, så att en sammanbindning sker under föreningsprocessen. För metaller kan detta vara att sänka smält- eller sintringstemperaturen, så kallad aktiverad sintring, 3. fungerar som katalysator så att basmaterialet reagerar med sig själv.

Deaktiveringen av stödpartierna kan ske genom att tillsatsmedlet B på de påförda ställena: - förhindrar att basmaterialets pulverkorn binds samman under förenings- processen, tex. förhindrar sintring av basmaterialet; - förhindrar infiltration av basmaterialet.

Alternativt kan användas både ett aktiverande och ett deaktiverande tillsatsmedel i produktpartierna respektive stödpartierna.

Tillsatsmedlet B kan tillföras på olika satt. Då processen liknar utskrift på papper kan den teknik användas, som finns utvecklade för detta ändamål. Det kan VñfflI ~ inkjet, bubblejet eller liknande metoder, som utnyttjar perkulatoreffekten. - olika typer av piezzo skrivare, ° continuous pressure jet 1...

BG .es ietoder av typen ”laserskrivareï Där laddas partiklar upp och - elektrostatis deponeras sedan på t ex en överföringsrulle som sedan valsar ut partiklarna.

CÅMyFileQPATENTWl 592 l SE.A3S.wpd ' IvIRÛOOG-OG-OS . , - « m lO l5 52o,5e5 ~ tonerjet.

Om inkjet-skrivare användes för att tillföra tillsatsmedel B och detta innehåller partiklar måste dessa vara dispergerade. Många material går att dispergera om partiklarna är tillräckligt små. Kiseldioxid är ett exempel på ett material som kan vara dispergerat. Material som kan lösas upp i vätska (t ex vatten) går också bra att använda, ADF (amoniumdivätefosfat) och vattenglas dvs. alkalisilikater (natrium-, kalium och litiumsilikater samt andra) är exempel på sådana material.

Oavsett vilken typ av teknik som används for att tillföra tillsatsmedel B, kan en kanal eller deponeringsposition sättas ur funktion. Detta leder till att den tänkta formen eller detaljen delas i tvâ delar, då ingen aktivering sker där tillsatsmedel B saknas. För att undvika detta problem och göra processen robust, kan deponeringsanordningen flyttas tvärs rörelseriktningen efter varje lager.

Förflyttningen är liten (motsvarande en eller några kornstorlekar) och utförs enligt en metod som säkerställer att formen eller detaljen inte tappar styrka även om ett flertal kanaler är satta ur funktion.

Föratt ytterligare säkerställa fullgoda formar eller detaljer kan ett instrument anordnas, som under tillverkningsprocessens gång systematiskt kontrollera att deponeringsanordningen för tillsatsmedel B fungerar tillfredsställande. Ett sådant instrument kan vara en detektor, som med ljusstrålar eller liknande avkänner skrivarens munstycken med avseende på deras droppaktivitet.

Nästa steg i tillverkningssättet är föreningsprocessen, då produkten skapas.

Aktiveringen eller deaktiveringen av tillsatsmedlet kan ske: då alla skikt är lagda; stegvis under tillverkningsprocessen. Skiktpåläggningen avbryts och aktivering/deaktivering utförs på det som gjorts, därefter fortsätter processen. .. ,. 1,-.. e v H1, 4 f ll n" ' ' ^^ ' etta kan tea. ske gener" att gas eller varme tilhors for att aktivera det eller de E? sist pålagda skikten; C:\}vlyFiles\PATEl\"T\Pl5921SE.A3S.wpd ' MIÜZOOO-OtS-OS t. »se 529 ses kontinuerligt under hela tillverkningsprocessen genom att en viss miljö finns närvarande under uppbyggnadsprocessen. Denna kan exempelvis vara en gas eller värmestrålning.

Aktiveringen sker tex. genom att en gas tillförs eller att temperaturen höjs.

Fördelen med att göra detta efter det att alla skikt är lagda är : tid per skikt minskas; inre spänningar byggs inte in; apparaten för deponering och skiktning frigörs för vidare produktion, eftersom föreningsprocessen kan utföras separerat från pulverpåföringen och skiktningen.

Om t ex vattenglas har sprutats på i flytande form, kan man få detta att falla ut genom att förändra pH't. Detta kan ske med en vätska eller med en gas, Lex.

C02. Vidare kan aluminiumoxid bindas samman med en kiseloxid-SOL* under en värmeprocess. Deaktivering kan ske om en SOL med en keram sprutas på metall för att förhindra senare sintring och infiltration med annan metall.

Ett alternativt sätt att aktivera eller deaktívera är att enbart använda kemiska processer, varvid ytterligare ett medel tillförs, tex. C02 som sänker Ph och därmed faller ut vattenglas eller partiklarna i en SOL. Som alternativ kan t ex ammoniak användas.

Efter sammanbindningen av pulverkornen rensas produkten. Om materialet består av sfäriska korn kan detta ske genom att detaljen lyfts upp ur behållaren och blåses ren. För mer svårrensade material kan andra metoder behövas, som t ex borstning. Det material som inte bildar detalj kan eventuellt återanvändas.

Beroende på vad produkten ska användas till kan den behandlas i ytterligare ett steg. Om det gäller att göra gjutformar för metallgjutning kan gjutforrnen, som då är den tillverkade produkten, tex. infiltreras med vattenglas för att öka styrkan. Alternativt kan en SOL med kiseloxid användas med en efterföljande l En SOL ar en dispergerad keram, typiskt kiseloxid eller ialurniniumoxid som har en storlek mellan 5 -200 nm.

ClMyl-'iledPATT-TNTWl591lSE.A3S.\-vpd ' NfJÜZOOO-Oö-OS 5201565 sintring för att få en mycket stark gjutform och släta ytor. Denna metod går även bra att använda om keramiska detaljer ska tillverkas, istället för gjutformar.

Apparatbeskrivning Den på. ritningarna visade apparaten är en laboratorieapparat, men innehåller alla de delar som erfordras för en tillverkning i större skala. Apparaten innefattar en pulverpåförare 10, som är förskjutbar längs en linjärstyrning 12 över en bordsskiva 14, i vilken en produktionsbehållare 16 är infälld, vars mynning 18 är belägen i bordsskivans plan. Pulverpåföraren 10 sveper över mynningen 18 och avlämnar en viss pulvermängd. Pulverpåföraren består av två avlånga plattor 20, se Pig. 4, som mellan sig bildar en spalt 22, där pulvret rinner ner, och som rakar pulvret över behållarens mynningl8. De båda plattorna vibreras med hjälp av var sin vibrator 23, som kan vara en piezzo-cell, en moving coil (högtalare utan papperskon) eller liknande. Frekvensen ligger lämpligen mellan 50-10000 Hz.

Produktionsbehållarens 16 botten 17 utgöres av en i behållaren förskjutbar kolv, vars kolvstång 19 kan löstagbart förbindas med kolven via en kopplingsanordning 35, exempelvis en sugkopp, som med hjälp av ett undertryck kan åstadkomma en snabb sammankoppling och därmed även ett snabbt byte av produktionsbehållare, när skiktningsproceduren är avslutad. Kolvstångens 19 motsatta ände är fäst till en konsol 21, som medelst en skruvmutter-mekanísm 25 kan höjas och sänkas med hjälp av en motor 27, Pulverpåföraren 10 rymmer endast en mindre mängd pulver A, motsvarande ett eller nâgra utlagda skikt 24, för att reducera totalvikten. Detta gör att massan blir mindre och att större aocelerationer och en snabbare utläggning kan genomföras. Nivån avkänns med en ljud- eller ljusbaserad avståndsmatare. Vid behov-fylls pulverpåföraren med nytt pulver från ett magasin 26. 1 tig. 1 - 3 visas pulverpåföraren dockad till magasinet för eventuell påfyllning.

C:\MyFiles\PATENT\P1592lSE.A3S.wpd ' NÜJQOOO-Oó-OX l5 520 565 Såväl pulverpâförarens munstycke 20, som har formen av två vertikala plattor med en smal utmatningsspringa mellan plattorna, som magasinets 26 väggar är lämpligen uppvärmbara. Pulvret värms i magasinet 26 till ca 100 - 150°C för att förhindra fuktupptagning, som försämrar fiytbarheten hos pulvret och ännu högre temperatur råder i pulverpåföraren. Genom att pulvret är förvärmt sker torkningen av pulvret snabbt. En slidventil 28 i botten av magasinet öppnas och en viss mängd pulver A töms ner i pâföraren 10. Detta sker då nivåavkännaren indikerar att pulvernivån i pâföraren är låg. Påfyllningen sker i vändläget för att inte reducera tillverkningshastigheten.

Vinkelrätt mot påförarens 10 rörelseriktning är anordnad en andra linjärstyrning , längs vilken en deponeringsanordning 31 är förskjutbar. Denna är i det visade utföringsexemplet försedd med en “skrivare” 32 av typen inkjet eller elektro- statisk påföring av tillsatsmedelet B för behandling av pulverskikten. Om skrivaren 32 inte kan täcka hela avståndet över behållarmynningen 18, dvs. täcka hela ytan i ett svep, kan den även vara rörlig förutom längs linjärstyrningen 30 , X-koordinaten, även parallellt med påförarens 10 rörelseriktning,Y-koordinaten.

Vid användning av skrivare av typen inkjet tillförs en relativ stor mängd vätska, av vilken endast en mindre del utgör aktiv substans. En större mängd är vatten eller lösningsmedel. För att påskynda torkningen och förhindra att vätska med hjälp av kapilläreffekten sprider sig i pulvret och orsakar dålig kontrast i konturerna måste en snabb torkning ske. Genom att ha hög temperatur på pulvret i magasinet och framförallt i påföraren slipper man att använda värmelampa, mikrovågor, etc. Temperaturen på pulvret bör vara mellan 40-400°C, företrädesvis mellan 90-150°C. Om torkningen sker långsamt kommer nästkommande lager att förhindra diffusionen ur bädden.

För att undvika att tidigare utlagt pulver, speciellt sådana partier, som är belagda med tillsatsmedel B, hakar fast i plattornas 20 skrapkant, är dessa kanter fasade cirka 10°. Detta i kombination med skakningsrörelserna från vibratorerna 23 gör att uppstickande korn pressas ner i pulverbädden utan att släpas med. Eventuellt kan plattorna 20 vibreras även i höjdled. Som ett ytterligare alternativ kan två CI\MyFiles\PATEN'I\P1592lSE.A3 Smvpd * MRWOOO-Oö-OS lO 52Cb-565 höj- och sänkbara valsar (ej visade) monteras, en på var sin sida om påföraren, vilka har till syfte att trycka ner eventuellt uppstickande korn. Valsen roterar så att ingen glidning uppstår mellan pulver och vals. Valsens kontaktyta ligger strax under skrapkanten på den sida som går före skrapan. På andra sidan höjs valsen upp.

Beroende på typen av tillsatsmedel, vilka aktiva substanserna som ingår och vilka bärvätskor som användes måste även skrivarnas munstycken anpassas därefter.

Skrivare som använder piezzo-baserad teknik har den fördelen att de inte slits ut, vilket kan ge en betydligt lägre driftskostnad jämfört med bubblejet. Genom att förse skrivarna med ett stort antal munstycken, tex. 5000, som täcker hela skrivbredden i ett svep, kan tillverkningshastigheten ytterligare ökas. Även den konstruktionslösningen att anordna deponeringsanordningens 31 skrivriktning vinkelrätt mot pulverpâförarens rörelseriktning bidrar till att spara tid, då påförarens returrörelse kan utnyttjas aktivt.

För att under skiktningsproceduren undvika mekaniska spänningar i materialet, som kan uppstå i byggvolymen samt för att påskynda torkningen hålls byggvolymen vid en förhöjd temperatur av cirka l50°C, genom att värma behållarens 16 sidor och eventuellt dess kolv med värmeelement (ej visade).

I Pig. 5 visas några av de första skikten i behållaren 16 och efter behandlingen av vissa partier i de olika skikten med tillsatsmedel B. Materialet i de obehandlade partier 36 förbli vid en senare föreningsprocess väsentligen opåverkade eller endast löst sammanfogade, dvs. de bakar inte samman till en fast kaka, utan kan ha fortfarande lös eller stark porös karaktär som latt kan brytas sönder. De partier som är betecknade 37 är i detta exempel behandlade med ett aktivt tillsatsmedel B och är de delar som vid sammanfognings-processen, tex. genom en värmebehandling, sintra samman till enflmer eller mindre solid kropp.

Materialbeskrivning C:\MyFilæ\PATEN'l'\Pl592lSE.A3S.wpd ' MR'2000-06-08 lO 5261 565 Nedan kommer ett antal materialkombinationer att beskrivas, avsedda för att tillverka t.ex. keramiska gjutformar för metallgjutning, men det är givetvis möjligt att använda samma metoder för att tillverka andra produkter i andra material. I detta specifika fall utgör gjutformen den produkt som skall tillverkas enligt FFF-metoden.

Keram - ADP Keramen används som basmaterial A. Detta kan vara zirkoniumsand eller sfärisk aluminiumoxid. Dessa material är de som är billigast och därför lämpligast.

Andra material kan användas. Det är inget krav att runda korn används, men dessa ger bättre packning, mindre åtgång av tillsatsmedel, bättre flytegenskaper och därmed lättare rensning då ej aktiverat material ska hällas ur formen Lämplig kornstorlek är cirka 10-150 um. Mindre korn bör undvikas då kapilläreffekten gör att tillsatsmedlet sprids och ger mindre kontrast i den färdiga detaljen, mindre korn försvårar avluftningen vid gjutning, minskar effekten av aktivering, då mindre korn har högre ytenergi och sintrar lättare vid lägre temperaturer. Detta gör att hela kroppen kan fästa samman vid efterföljande aktivering dammbildning vid rensning ökar, hälsofarligt.

Större korn bör undvikas då skíkten annars blir alltför tjocka, Dessa skikt kommer då att synas i gjutformen och på detaljen.

C:\MyFile.=z\PATEN'FtP1592lSEnÅßSflfvpd ' lvflP2000-06-08 l0 52,0 5 6 5 - Experimentellt har man funnit att endast mycket små mängder tillsatsmedel i vätskeform BZ t ex pâförda med ink-jet-teknik behöver illföras för att senare sammanfoga ett helt sfäriskt pulver. För ADP har det visat sig att endast ca 2% av pulvrets massa behöver tillföras som aktiverings-vätska (B2) inkl de tillsatser som behövs för att skriva ut vätskan medelst inkjet-metoden för att aktivering ska ske då vi använder Zirikoniumsand. Detta bli då 0,45% ADP i torrsubstans.

Det finns två anledningar till att detta är möjligt: 1 Det bildas många kontaktpunkter mellan partiklarna. Den vätska som tillförs lägger sig mellan partiklarna. Om vätskan har en gynsam vätvinkel mot grundrnaterialet, dras partiklarna mot varandra. Detta gör att partiklarna ligger i kontakt med varandra, under förutsättning att en viss rörelse sker mellan det sist pålagda torra skiktet och tidigare skikt, i det ögonblick aktiveringsmedlet sprutas på. De krafter som verkar mellan kornen är mycket stora jämfört med gravitationen. Enligt t ex Randel German kan krafterna vara 10 000 gånger större för de partikelstorlekar runt50um.

Aktiveringsmedlet anrikas i kontaktpunkterna. Då aktiveringsvätskan (skrivarvätskan) torkar genom avdunstning anrikas aktíveringsmedlet till kontaktpunkten. Detta medför att en hög koncentration erhålls i kontaktpunkten. Vid den senare aktiveringen kan då reaktionen ske med full kraft då en hög koncentration av aktiveringsmedel finns tillgängligt i en viss punkt, på rätt ställe, nämligen i kontaktpunkterna mellan partiklarna. Det är ju just där som hela den porösa strukturen, eller skelettet bindas Sfimmafl.

Ett aktiverande tillsatsmedel BZ kan vara en lösning av vatten (100 viktandelar), ADP=ammoniumdivätefosfat (NH4H2PO4), (30 delar), Z-pyrolidon (lO delar) och isopropanol (2 delar). Även andra tillsatser kan finnas för-att förbättra cmyrualæaramwisszisansswpa t Mmooooeos l5 52Q12565 ' utskriftskvaliten och livslängden för munstyckena. Den aktiva substansen är ADP, resterande tillsatser är till för att kunna skriva ut vätskan medelst konventionella skrivarhuvud. Andra blandningar krävs för andra typer av skrivarhuvud.

Beroende på basmaterialets kornstorleksfördelning och tjockleken på varje pålagt skikt, beläggs varje skikt en eller flera gånger med tillsatsmedel. Tiden mellan varje skikt bör vara så lång, att vätskan hinner avdunsta, tex. mellan 1-5 sekunder.

Då skiktbildningen av gjutformen är klar i behållaren 16 avlägsnas denna och placeras i en ugn. Här värms detaljen upp till aktiveringstemperatur på upp till l90°C för att smälta ADP. Om ytterligare bindningar krävs, kan uppvärmning ske till 850-880°C och vidare till 1045°C.

Materialkombinationen (A110, - (NflgHzPOr), är ett exempel på ett keramiskt material. Andra kända materialsystem är t ex Al2O3 - BQO3; SiOz - 13203; SiO, - PzOg, Si02 - B20: - P20, Dessa system genererar olika keramiska eller glasartade material vid olika temperaturer För mer exakta processbetingelser kan en god uppfattning fås i de olika systemens fasdiagram, dar möjliga reaktioner och temperaturer visas.

Då produkten -i detta exempel gjutformen - har aktiverats, tas den ur ugnen och rensas. Därefter är formen klar för gjutning. Om en starkare gjutform önskas kan den rensade formen sprutas eller doppas i en lâgviskös silikat (vattenglas). Detta bindemedel används inom traditionell sandgjutning som bindemedel. Därefter fälls silikaten ut genom att tillföra C02, varvid pH-värdet sänks. Då formen är poros kan gasen penetrera hela formen och därmed kan hög styrka erhållas.

Alternativt kan esterhardning användas. Som ytterligare ett alternativ kan formen ånyo hettas upp så att torkning sker och därefter smältning av silikatet .

Ytterligare ett alternativ är att använda en kiseldioxid-sol. En lågviskös sol med högt kiseldioxid-innehåll är att föredra. Gjutformen sprutas eller doppas i solen.

Därefter sintras formen vid 900 - l0OO°C som ett sista steg före gjutning.

CïliMyFíleslfATßltïfiPl 592lSE.A3S.wpd ' NIRWOOO-Ûó-OS l0 520 51§_5 i Ännu ett alternativ är att doppa formen i en blandning av ADF och vatten.

Därefter kan formen hettas upp för att öka styrkan. Reaktionerna är desamma som vid den tidigare beskrivna aktiveringen.

Keram - Silikateflvattenglas) Då vattenglas används som tillsatsmedel B kan i princip de flesta material användas som basmaterial A, dvs. metaller, keramer och polymerer. Vid använd- ning av vattenglas används dess förmåga att binda andra material. Detta sker genom s. k. gelning. Bindverkan uppstår genom att en vattenglaslösning får gela och härda genom viskositetsökning. Detta sker genom torkning eller pH- påverkande tillsatser (hårdare). Vattenglas (alkalisilikater) är så gott som färg- och luktlösa, relativt viskösa vätskor. De är till sin kemiska natur lösningar av alkalisilikater i vatten med den summariska formeln: NaZO resp KzO - mSiOz-nHzO.

Ett alkalisilikat karaktäriseras kemiskt av förhållandet SiOz/NazO resp SiO2/K2O, även kallat ratiot och vattenhalten. Vattenhalten påverkar silikatets densitet och viskositet.

Natriumsilikater kan härdas så att mekaniska egenskaper erhålls for t ex gjutàndamål. Härdning av bindningar i vattenglas sker genom att kiselsyragel utfallet då koldioxid tas upp i bindefasen. Gelningen av natriumsilikat med koldioxid är komplex beroende på kolsyrareaktioner i den alkaliska vattenlösningen och polymeriseríng av silikatjoner. Härdningen sker genom koldíoxidupptagningen och dess jämvikter vattenlösning kan beskrivas med foljande reaktioner: C02 (g) + Hzo Û Hzco, där HQCOS = HQCO, + CO, är lösta i vattenlösningen.

Hzcogü rico; + Hm och ncog-Û cof + H(+).

Cz\Myi-'iles\PATEN'l\Pl 592lSE.A3S.wpd ' MRWÛOO-Oó-OB 5120 565 Vid höga halter av karbonater i natriumhaltig lösning kan natriumkarbonater utfallas.

:Na (+) + H2co,Û Nazco3 - nnzo (s) + 2H(+) Även natriumbikarbonat kan bildas.

Na (+) + Hzcoaü Naflcos (s) + H(+) Eftersom koldioxidgasningen enbart härdar lösningen indirekt bestämmer kiselkinetiken hastigheten på gelningen och därmed hållfasthetsuppbyggnaden.

Rörligheten av kiseljonerna (lösningens viskositet) bestämmer därför i hög grad hur snabbt de kan bilda ett hållfast nätverk. Av reaktionsforrnlerna kan man förstå att koldioxidtrycket utanför lösningen påverkar reaktionsjämvikterna. Ett lågt partialtryck av koldioxid ger mindre risk för utfällning av natriumkarbonat, vilket är detsamma som ”övergasning”.

Idag används normalt bindemedel med lågt ratio SiOz/NazO för att minska risken för ”övergasning”. Man kan visa att det krävs stora mänger koldioxid för att falla ut all kisel även om ett större ratio valjs. Därför är kiselutfallningen ofullständig i praktiska tillämpningar, vilket även förklarar att de mekaniska egenskaperna är lägre än för t ex torkningshardning.

Vid framställningen av friformsfrarnställda komponenter sprutas vattenglaset ut på de delar där basmaterialet senare ska bindas samman. Då silikatet kan fällas ut genom att sänka alkalihalten behöver inte fullständig torkning ske. Detta gör att en lägre temperatur kan hållas. Då det sista skiktet är tillverkat lyfts byggvolymen ut. Detaljen rensas därefter och är klar för gjutning. Om en starkare form önskas kan efterbehandling utföras enligt tidigare beskrivning.

Keram - Soler Solerna har med viss framgång pumpats med konventionella Skrivarhuvuden.

Såval metaller som keramer kan utgöra basmaterial vid mönstergenereringen.

C:\MyFilas\PATEN'l\Pl 592lSE.A3S.Wpd ' NRWOOO-Oó-ÛS l0 52-0- 565 Detta är möjligt genom att solerna endast utgör bindemedel för de partiklar som finns inom det genererade området och ej reagerar med dessa vid de använda temperaturerna. För gjutformar av keramiska material sker dock en konsolidering innan användning vid sådana temperaturer att reaktion mellan kiseldioxid och ex zirkonia eller alumnina äger rum. Det slutliga materialet får beståndsdelar som benämns chamotte, molochite, mullit, mm.

Soler kan beskrivas som kolloidala dispersioner av kiseldioxid partiklar i vattenbad. Begreppet kolloidal innebär “stabil dispersion av enstaka partiklar eller agglomerat”. Partiklarna (SiOz) är amorfa (ej kristallina) och har storlek från 5 - 150 nm. Genom att göra blandningen svagt basisk (pH = 9.5 -10) kan en stabil suspension erhållas. De amorfa partiklarnas blandbarhet har anpassats för många ändamål. Solerna kan innehålla så mycket som 30-50 viktsprocent silika.

När gelad silika upphettas successivt avgår först vatten från porer i materialet. Även en viss dehydrering sker där gelens struktur förändras. Upphettning av kiseldioxid upp till 300 grader kallas allmänt för “aktiveringï Från 150 upp till 600° behåller kiseldioxid sin aktiva yta, som uppstått vid aktiveringen, dock bildas bryggor mellan närstående partiklar (ökning av koaliscensfaktor).

Vid ytterligare höjning av temperaturen börjar den aktiva ytan att minska, gelen krymper och konsolideringen av materialet fortskrider. Dock förblir strukturen för kiseldioxid amorf anda till 1000-12009 Temperaturen beror på närvaro av andra material, som tex. Na, omgivande tryck samt porstorleken i gelen.

Omvandlingen till kristallin SiOz (glas) sker därefter i hastigt förlopp då den amorfa strukturen ej är stabil i temperaturområdet.

Metaller - Soler (alt. dispersioner) 1 likhet med basmaterial av keramer kan basmaterial av metall anvandas for FFF metoden som beskrivs. Tillsatsmedel B som används vid mönstergenereringen får här en motsatt verkan jämfört med beskrivningen av keram-sol systemet. Det mönstergenererade området” blir här det område som genom processen ska avlägsnas från den färdiga FFF produkten. Den direkttillverkade prodtikte-ns CÅMYFiIeSKPATENPPlSW lSE.A3S.W'pd ' LIRWOOO-Oóßâ l5 -16520 565 geometri och den mönstergenererade geometrin måste genom denna process beskrivas som inverser av varandra.

Då en keramisk sol eller dispersion läggs ut i mönster på ett lager av metallpulver kommer det keramiska materialet i mönstret att förhindra att pulverkornen inom mönstret konsolideras så att avgörande mekaniska egenskaper erhålls. De slutliga egenskaperna beror på hur stor andel kerampartiklar som finns närvarande. Även den påföljande infiltrationen av pulverkroppen kan påverkas av de keramiska partiklarna bland metallpulverpartiklarna.

Den mekanism för konsolideringen som hindras inom mönstergenererade områden utgörs främs av diffusionsprocesser. Vid normal konsolidering sker den initiella konsolideringen genom sk. ytdiffusion. I närheten till en kontaktpunkt mellan två metallkorn sker materialomflyttning, så att kornens totala yta minskar. Detta resulterar i att en s k “nacke” mellan de båda kornen uppstår.

Då en partikel finns mellan kornen kan den antingen helt skilja metallpartiklarna åt och på så sätt försvåra ytdíffusionen. Partikeln kan också ligga i närheten av en kontaktpunkt mellan två metallkorn och ändå försvåra diffusionen. Det senare kan ske genom att partikeln stör drivkraften för diffusionen så att t ex en ny partikel bildas genom att ytdiffusionen flyttar material från de ursprungliga metallkornen till partikeln istället för att material omflyttas mellan metallkornen.

När främmande partiklar finns närvarande vid infiltration av smältfas bland metallkornen sker interaktioner mellan smältan och partiklarna. Partiklarna som ligger fastlåsta genom den tidigare sintringen tvingar smaltfronten att stanna eller sakta in. Detta sker genom att smältan kröks kring partiklarna och på detta sätt ökar sin energi, Partiklarna, som i sig har valts så att de har hög vätningsvinkel mot smaltan, tvingar härigenom smältfronten att ta en annan väg, som blir de områden som ej har mönstergenererats.

Främmande partiklars inverkan på konsolidering av pulvermaterial är komplex men det ar i alla fall val kant att en hög renhet av ingående material ar en C:\lviyFil=s'tPATEN'I\Pl592lSE.A3S.wpd ' MRQOOO-Oó-OS 520 565 grundförutsättning för att fullständig konsolidering ska ske vid kompaktering av pulvermaterial.

Metall/keram komposit En blandning av metalliska och keramiska partiklar, sk. Cermets, kan användas för att utgöra basmaterial A. Den mönstergenererande vätskan B, som skrivs ut pâ succesiva lager av Cermetblandningen, har bindande verkan på partiklarna.

Detta innebar att mönstergenereringen kan göras för den geometri, som ska behållas efter torkning och sintring.

Då både metallisk och keramisk substans är närvarande sker inte sintring/kompaktering av Cermets med lika mekanismer, som vid sintring av homogena material. Ofta kompakteras Cermets med hjälp av ett yttre pålagt isostatiskt tryck (HIP). Kornpaktering av materialet sker vid en högre temperatur än vid kompaktering av metall. Materialen som ingår i Cermets kan tex. vara låg- eller högkolhaltiga stål (APM 2238, APM 231 l, APM 2389 samt snabbstål) och kerampartiklarna oxider, karbider och borider(.1\l2()3, TiN, Crg Cz och CrB).

Valet av kombination metall/keram är kritisk för de användningsområden där den skall tillämpas.

Vid tillämpning av Cermets bör både ADP, soler (kiselsol) och vattenglas fungera som bindande material, då bindemedlet enbart bäddar in partiklarna i mönstergenererande områden. Mönstergenererande områden kan bindas genom processning i relativt låg temperatur så att ingående fukt och vätska avdrivs. För att användbara egenskaper ska uppnås, bor kroppen/komponenten genomgå en sintringscykel med anpassad temperatur och tid, då skrivarvätskan B ingår som del i materialet.

Metall- dispergerad aktiverande metall, kol C:\MyFiles\PATEN'l'\P1592 l SE.A3S.wpd ' MRWOOO-Oó-OS 52Q8_565 i Kol är ett känt material som sänker smälttemperaturen för järn (Fe), jämför med järn-kol diagrammet. Bland Fe-pulver metoder är mekanisk inblandning av kol (sk. mechanieal alloying) en vanlig process att öka en pulvermängds förmåga att konsolidera under givna förutsättningar.

Om kol läggs ut i ett visst mönster, erhålls i dessa områden material som sintrar lättare än omgivande material. Med lämpligt val av sintringstemperatur kan mönstergenererade områden skiljas från omgivande material.

Andra ämnen som påverkar järn- och järnlegeringars sintringsbenägenhet på olika sätt är Bor (B), Boroxid (8203), Natriumklorid (NaCI), Järnfosfat (FeSP), (P), Ammoniumklorid (NPLCI), (NiB), Kisel (Si), Titan (Ti), Ammoniumfosfat (NH(PO3)) och (TiHI). Bor och fosfor smälttemperaturen (eutektskium) och gynnar därmed diffusionsprocesser i Fosfor sänker smaltfas.

Förteckning över hänvisningsbeteckningar A Basmaterial B tillsatsmedel pulverpåförare 12 första linjärstyrning 14 bordsskiva 16 produktionsbehållare 17 botten/kolv 18 behållarmynning 19 kolvstång spaltmunstycke/plattor 21 konsol I 22 spalt 23 " vibrator C:\l~1yFils\PATEN'l\Pl5921SE.A3S.wpd ' MRWOOO-Oó-OS 24 26 27 28 31 32 34 36 37 38 39 5291-565 skikt skruvmutter-mekanism magasin motor slutare andra linjärstyrning deponeringsanordning skrivare skrivarhuvud kopplingsanordning stödparti produktskapande parti avfasning värmeelement C:\MyFilæ\PATEN'I\P15921SE.A3S.wpd ' ÅÃRÛOOÛ-Oó-ÛS

Claims (1)

1. 520 565 :o PATENTKRAV 1. Sätt att framställa produkter av ett pulverformigt basmaterial (A), genom s.k. FriFomiFramställning (FFF), varvid pulverkomen sammanbindes till en solid produkt i enlighet med följande steg: ä. b. cl. lQ skiktvis utläggning av pulvret i en behållare med höj- och sänkbar botten, skiktvis behandling av utvalda partier av pulvret i ett förbestämt mönster med minst ett tillsatsmedel (B1; B2), som uppdelar respektive skikt i stöbdpartier (36) och produkt- partier (37), tillsatsrnedlet (B 1) är av det slag som vid en efterföljande föreningsprocess deaktiverar stödpartier (36), så att en sammanbindning av kornen väsentligen hindras eller reduceras, och/eller tillsatsmedlet (B2) är av det slag som vid en efterföljande föreningsprocess, aktiverar produktpartier (37), så att en sammanbindning av komen sker, upprepad skiktpåläggning tills samtliga eller alla skikt i en grupp är lagda och behandlade enligt steg b, det skiktade materialet i behållaren underkastas en föreningsprocess, varvid produktpartiernas basmaterial förenas till en sammanhållen kropp, avlägsnande av den på så sätt framställda produkten ur behållaren och rensning av produkten från stödpartiemas basmaterial. Sätt enligt krav l, kännetecknar därav, att som basmaterial (A) användes företrädesvis keramer, tex. zirkoniumsand eller aluminiumoxid, metaller, metallegeringar, polymerer eller liknande i pulverform med god flytbarhet och packningsbenägenhet. 3. Sätt enligt krav 1 eller 2, kännetecknar därav, F:\P\Pl5----\Pl592l\Pl592lSE.A4S.\VPD * l\/IR*2000-O6-0S F:\P\Pl5--- 52Û 56,5 2A” att basmaterialet (A) består väsentligen enbart av sfäriska kom, med en partikelstorlek av 10 - 150 pm, företrädesvis 60-120 tim och att tillsatsmedlet (B2) i vätskeforrn uppgår totalt till 0,5-7 vikt -% av basmaterialets massa, företrädesvis 1,5-2,5 %. Sätt enligt krav 1, kännetecknar därav, ' att den efterföljande föreningsprocessen utgöres av en värniebehanfiling. _ Sätt enligt krav 4, kännetecknar därav, att metallpulver används som basmaterial (A) och polymerer, vattenglas, vax, en sol av kiseldioxid eller kol, sintringsbefrämjande ämnen som t.ex. bor, boroxid, järnfosfat, fosfor, kisel, titan och ammoniumfosfat som tillsatsmedel B. Sätt enligt krav 4, kännetecknar därav, att keramer eller Cermets används som basmaterial A och polymerer, ammoniumfosfat- föreningar, alluminiumfosfatföreningar, vattenglas, vax, eller en sol av kiseldioxid som tillsatsmedel B. Sätt enligt krav 1, kännetecknar därav, att polymerer används som basrnaterial A och vattenglas, vax eller polymerer som tillsatsmedel B. Apparat för framställning av produkter av ett partikelfomü gt material (A) genom s.k. Fri ~Form- Framställning (FFF) innefattande: a. minst en behållare (16) med vertikalt höj- och sänkbar botten (17), -\Pl592l\Pl592lSE.A4S.WPD * IvIRÜOOO-Oó-OB 10. 11. 520 565 n b. en pulverpåförare (10) för applicering av pulvret (A) skiktvis i behållaren, c1. en deponeringsanordning (31), som är anordnad att deponerar ett tillsatsmedel (Bl) i form av en inaktivator i ett förbestämt mönster på utvalda stödpartier (36) av det översta skiktet, för inaktivering av sagda utvalda partier och förhindrande av att dessa deltari en partikelförening vid en efterföljande sammanfogningsprocess, och/eller c2 . en deponeringsanordning (31), som är anordnad att deponerar ett tillsatsmedel (B2) i form av en aktivator i ett förbestämt mönster på utvalda prodvuktbildande partier (37) av det översta skiktet och d. minst en föreningsprocess för varaktig sammanfogning av det partikelforrnade materialet i de produktbildande partierna. Apparat enligt krav 8, kännetecknar! därav, att behållaren (16) utgöres av en cylinder med höj- och sänkbar botten (17) och att åtminstone cylindems mantelväggar är uppvärmbara medelst dessa omgivande värnieelement. Apparat enligt krav 8, kännerecknad därav, att pulverpåföraren (10) är förskj utbar tvärs över behållarens öppning (18) och utformad med ett företrädesvis över hela öppningen sig sträckande spaltmunstycke (20). Apparat enligt krav 10, kännetecknad därav, att spaltmunstycket (20) är anslutbart till ett medelst en ax-'stängningsventil (28) öppnings- och tillslutbart, stationärt pulvermagasin (26). Apparat enligt krav 10, kännetecknar! därav, F:\P\Pl5----\Pl592l\P1592lSE_A4S.\VPD * MR*2000-06-08 13. 14. 15. 16. 520 565 r~~s~~«»s~e 3.3 ' att spaltmunstycket (20) är anordnat att begränsas längs två motstående sidor av två plattor, av vilka åtminstone en är ansluten till en vibrator (23) och ett värmeelement. Apparat enligt krav 10, kännetecknar! därav, att nedre, horisontella kanten av spaltmunstyckets (20) plattor avfasade eller avrundade i riktning mot spalten och " att plattoma är höj- och sänkbara. Apparat enligt krav 10, kännetecknad därav, att deponeringsanordningen (31) innefattar minst en skrivare, t.ex av typen inkjet eller med elektrostatisk påförin g, med åtminstone ett företrädesvis ett stort antal i rninst en rad anordnade munstycken eller liknande, för ett minst ett tillsatsmedel (B), och att deponerin gsanordnin gen (31) är förskj utbar över behållaröppnin gen i en riktning (18), som är tvärs pulverpåförarens rörelseriktning. Apparat enligt krav 8, kännetecknad därav, att deponeringsanordningen (31) är förskjutbar tvärs mot dess rörelseriktning ett avstånd i storleksordningen motsvarande en eller några kornstorlekar, företrädesvis efter varje deponering av ett lager, för kompensering av eventuella bortfall av skrivarmunstycken. Apparat enligt krav 8, kännetecknad därav, att ett kontrollinstrurnent är anordnat för detektering av skrivarrnunstyckens droppaktivitet. F:\P\Pl5----\Pl592l\Pl592lSE.A4S.WPD * MRQOOO-Oó-OS szppses IN 17. Apparat enligt krav 8, kännetecknad därav, att den cylinderformade behållarens (16) kolv (17) är sammankopplingsbar med och bortkopplingsbar från en kolvstång (19) förbunden med en höj- och sänkbar konsol (21), och att apparaten är försedd med medel för avlägsnande av cylindern och kolven samt isättning av en ny behållare med botten. 18. Apparat enligt krav 15, kännetecknar! därav, att en kopplingsanordnin g (35) är anbragt vid den fria kolvstångsänden och/eller vid kolven (17) och utgöres av en sugklocka eller liknande. F:\P\Pl5----\Pl592l\Pl592lSE.A4S.WPD * MR*2000-O6-O8