WO2014056482A1 - 3d-mehrstufenverfahren - Google Patents
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- WO2014056482A1 WO2014056482A1 PCT/DE2013/000589 DE2013000589W WO2014056482A1 WO 2014056482 A1 WO2014056482 A1 WO 2014056482A1 DE 2013000589 W DE2013000589 W DE 2013000589W WO 2014056482 A1 WO2014056482 A1 WO 2014056482A1
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Definitions
- the present invention relates to a multi-stage 3D printing method and apparatus usable for this method.
- CONFIRMATION COPY to set and then expose the sand by means of a heat radiation source. This should then lead to the fact that only the printed or unprinted areas harden or bind. Subsequently, the finished moldings would be freed from unbound sand.
- suitable moderators such as sulfuric acids can not or only very badly print with commercially available single drop generators.
- the non-solidified sand is so pre-damaged by the exposure that it can no longer be fully reused in the process. This not only increases the cost of materials but also the cost and is therefore disadvantageous.
- US 2005/0003189 A1 describes a layer-building method for the production of models, in which a thermoplastic particulate material is mixed with a pulverulent binder and printed in layers with an aqueous solvent.
- the binder should be slightly soluble in the aqueous pressure medium. Then the models are freed from the surrounding powder and possibly dried in a post process in an oven to increase the strength.
- DE 102 27 224 B4 describes a layer construction method for the production of precision casting models in which a PMMA particle material which is coated with a PVP binder is printed in layers with a mixture of a solvent and an activator in order to admix the binder solve and activate the binder action.
- the known methods are either tool-dependent processes or the known 3D printing processes reach too low green strengths for an efficient and economically advantageous production of molded parts.
- the shaped body is subjected to one or more further processing steps.
- all further processes or working steps known to the person skilled in the art can be used.
- the one or more further processing steps are, for example, selected from the group consisting of polishing or dyeing.
- the shaped body (also referred to as component) is solidified in the preconsolidation step so that unpacking from the unconsolidated particulate material is possible and the shaped body essentially retains its shape defined in the 3D printing process. In particular, shrinkages or the like are substantially avoided. Unpacking can be done manually or mechanically or robotically supported.
- Bending strengths of more than 120 N / cm 2 preferably of more than 200 N / cm 2 , particularly preferably of 120 to 400 N / cm 2 , can be achieved in the preconsolidated molded body (green body) after the preconsolidation step.
- the shaped body can again be surrounded with particulate material, which is preferably inert, so as to be able to support the shaped bodies in the following heat treatment step and to conduct the heat better, and to achieve uniform heat conduction.
- particulate material which is preferably inert, so as to be able to support the shaped bodies in the following heat treatment step and to conduct the heat better, and to achieve uniform heat conduction.
- particulate material vibrators can be used for uniform distribution of the particulate material vibrators.
- Bending strengths of greater than 250 N / cm 2 preferably from 250 to 750 N / cm 2 , preferably greater than 750 N / cm 2 , particularly preferably greater than 1000 N / cm 2 , may still exist in the shaped body after the final consolidation step more preferably greater than 1200 N / cm 2 .
- the method is carried out such that the preconsolidation step takes place without introducing additional heat energy.
- the preconsolidation step will be by use of a solvent or / and a polymerization reaction.
- the final solidification step may preferably be carried out by means of heat treatment.
- Other final solidification processes and treatments are also possible which are known to the person skilled in the art.
- the component can be supported by inert material during the heat treatment.
- temperatures of preferably 110 ° C to 130 ° C, preferably 130 ° C to 150 ° C, more preferably 150 ° C to 200 ° C are used.
- the temperature at the component is preferably in the time range of 2 to 24 hours, more preferably the temperature is maintained for 2-5 hours.
- Particulate material used is natural quartz sand, kerphalites, cerasbeads, zircon sand, chromite sand, olivine sand, chamotte, corundum or glass beads.
- the particulate material is characterized by a single-phase coating or cladding with one or more materials.
- the coating or sheath may preferably be a binder.
- the coating or coating preferably comprises or comprises thermoplastic polymers, soluble polymers, waxes, synthetic and natural resins, sugars, salts, inorganic network formers or water glasses.
- the solvent preferably consists of or comprises water, hydrocarbons, alcohols, esters, ethers, ketones, aldehydes, acetates, succinates, monomers, formaldehyde, phenol and mixtures thereof.
- the binder may contain polymerizable monomers.
- the coating or coating contains substances for initiating polymerization with the binder.
- the material contained in the sheath or coating contributes to the ultimate strength or to the pre-stress in the pre-consolidation step and to the final strength in the final consolidation step.
- the coating or coating contains two different materials, one material being essentially intended for the preconsolidating step and the other material being essentially intended for the final solidification step.
- the coating or coating may contain a color indicator activated by the binder.
- the invention relates to a device or device arrangement suitable for carrying out the method according to the invention.
- the first step of the method according to the invention can basically be carried out as described in the prior art for 3D printing methods.
- EP 0 431 924 B1 and DE102006038858A1 may be mentioned here.
- the subsequent unpacking step can be carried out manually, but preferably with machine assistance.
- Robot-assisted unpacking represents a further preferred variant of a mechanical method step according to the invention. In this case, both the unpacking, i. the removal of the non-solidified particulate material, as well as the transfer of the molded part by means of computer-controlled gripping arms and suction units done.
- the invention is preferably carried out by means of a particle bed-based 3D printing process.
- the desired shaped body is achieved in 3D printing by repeated layer-by-layer buildup.
- Particle material is then coated in a thin layer on one level (leveled).
- an image is printed by an ink jet print head according to the section through the desired 3D object.
- the printed areas solidify and connect to underlying already printed areas.
- the resulting layer is shifted according to the design of the plant by the thickness of a layer.
- 3D printers can be used to lower the layer in the direction of gravity.
- systems are used which are designed according to the flow principle, and in this case the layers in Moving direction. Particle material is now being applied to the construction area again. The building process from the steps of coating, printing and lowering is repeated until the molding or moldings are finished.
- the process step of 3D printing and preconsolidation is preferably realized by selective printing of a solvent on the binder-coated particulate material.
- the solvent liquefies the coating.
- the viscosity is much lower than for thermal melting. While the viscosities of
- Polymer melts are in the range of about 10-1000 Pas, a polymer solution, depending on the addition amount and solvent can reach a viscosity of a few mPas.
- the liquid mixture withdraws into the contact point between two particles and then leaves behind a strong bridge.
- suitable process conditions are selected or appropriate components that are required for a polymerization reaction incorporated either in the solvent or in the coating of the particulate material.
- All resins or synthetic resins known to those skilled in the art which are suitable for polymerization, polyaddition or polycondensation reactions can be used here. Such materials are preferably defined by DIN 55958 and are hereby incorporated by reference into the disclosure of this specification.
- the particulate material used is a foundry mold material coated with a binder.
- the wrapper is solid at room temperature.
- the particulate material is thus free-flowing and flowable.
- the material that wraps the particles is preferably soluble in the printing fluid applied by the inkjet printhead.
- the printing fluid contains the wrapping substance or its preforms as a dispersion or solution.
- the substance present in the printing fluid may belong to another substance group.
- the solvent volatilizes by evaporation into surrounding particulate matter or the atmosphere.
- the solvent can also react and solidify with the coating substance.
- the groups of substances for the particulate material and the coating are diverse.
- the base materials can be more natural Quartz sand, kerphalite, cerabeads, zircon sand, chromite sand, olivine sand, chamotte or corundum. In general, however, other particulate raw materials are also suitable.
- the cladding can be organic or inorganic. It is applied either thermally, in solution or by mechanical impact or rolling.
- Suitable binders are, in addition to the phenolic resin,
- the use of epoxy resins is possible.
- Coated quartz sand having an average particle size of about 140 ⁇ m such as the product RFS-5000 from Wilsontenes, for example-Albertus Chemische Werke, is particularly preferred. This is supplied with a Resolharzumhüllung.
- pressurized fluid in a simple embodiment, an ethanol / isopropanol mixture can be used.
- pre-dissolved resin can be added to the printing fluid.
- a strength of about 120 N / cm 2 is an example of this. This allows even filigree structures to be unpacked quickly.
- liquid binder for the system a highly concentrated material in the form of pre-dissolved Corrodur resin can be used.
- dioxolane can be used. Due to the high resin content, mold bases with a low coating content can be selected. Likewise, with loss of strength, untreated sand can be used.
- the embodiment according to the invention can be seen here in the complete solution of the cladding material.
- the materials used in the first step of 3D printing already include all components required for the final consolidation step, preferably binders in the particulate material, first in the preconsolidation step via another bonding mechanism (physical instead of chemical or vice versa) or other materials (binder in the printing solution) and react / solidify in the final final solidification step, so that the advantageous final strength is achieved. It is thus advantageously possible to simplify the different solidification steps in that the particulate material already contains all the materials required for the final consolidation in the first method step and it becomes possible to without achieving further material input in the heat treatment step to achieve the advantageous final strength.
- the inventors have been able to achieve an efficient method which makes it possible to combine work steps, to reduce the use of manual steps and thus to improve the process speed positively ,
- the inventors were able to obtain a beneficial effect for both the preconsolidation step and the final consolidation step. It has proven to be particularly advantageous that all components necessary for the process - with the exception of the binder - could be combined in a particle material and so only a single particulate material can be used without the need for additional mixing steps or job steps.
- Fig. 1 illustrates particulate material (100), wherein a sand grain (101) is wrapped with binder (102).
- Fig. 2 shows the process of evaporating particulate matter (200) to which solvent has been added, thereby combining the particles (200 consisting of 201 and 202) and preconsolidating the material.
- the evaporation of the solvent can also be accelerated by supplying heat (203).
- Fig. 3 shows the structure of a preconsolidated molded article (300).
- Fig. 4 shows the process after imprinting; In this case, the solvent begins to penetrate into the binder shell (402) of the particle core (401).
- Figures 5a-d illustrate the evaporation process of the solvent with the mixture concentrating in the contact point (503) between the particles (500) ( Figure 5d).
- the molded body is formed by bonding individual particles (FIG. 3).
- the basis of the particulate material based process is a particulate material (100) wrapped with a binder (102) ( Figure 1).
- the shell (102) has characteristically different properties than the base material (101).
- the sand known from the croning process can be mentioned.
- Suitable sands for processing in the process according to the invention are base materials having a mean grain diameter of from 10 to 2000 .mu.m.
- Various basic materials such as natural quartz sand, kerphalite, cerabeads, zircon sand, chromite sand, olivine sand, chamotte, corundum and glass beads are suitable for subsequent use in casting processes.
- Binders can be applied in a wide variety of materials. Important representatives are phenolic resins (resole resins and novolaks), acrylic resins and polyurethanes. Furthermore, all thermoplastics can be thermally applied to the grains. Examples of materials which can be used according to the invention are polyethylene, polypropylene, polyoxymethylene, polyamides, acylnitrile, acrylonitrile-styrene-butadiene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate and polycarbonate.
- solvents can be used to coat granules coated according to the invention with a bondable material. Solvents can also be used to realize other coatings. For example, water glass can be dissolved in water and mixed with sand. Afterwards the material is dried and broken. Sieving removes excessively coarse particles. Since the dissolving process is reversible, it can do so obtained material can be used in the process according to the invention by being printed with water as a printing fluid.
- substances may be provided which react with the liquid binder in the solvent binder dissolution process.
- initiators may be presented for polymerization.
- the evaporation process of the solvent in the particulate material can be accelerated since less pressure solution must escape from the particulate cake by evaporation.
- the moldings can reach their green strength faster and thus be unpacked earlier from the particulate material.
- a dyeing of the molded parts by introducing a dye into the print medium may be useful. It is possible to use a color reaction based on the combination of two substances. For example, litmus can be used in the solvent.
- the base material is mixed with the salt of an acid prior to coating with the binder. Thus, not only a coloring, but also a control of the intensity of the Léere force is possible. If the reactive substance is e.g. directly on the grain of the base material and is protected by the cover, the color indicator indicates that the shell has been completely dissolved.
- the process of evaporating the solvent can also be accelerated by supplying heat (FIG. 2). This can be done by convection or heat radiator. The combination of a draft and heating is particularly effective. It should be noted that the solution of the binder may have occurred only partially if it dries too quickly. By experiments and variations of the solvent Optima can be determined in terms of strength development and unpacking time.
- the hydraulic fluid dissolves the binder cover.
- Suitable solvents are, for example, isopropanol.
- the solvent After impressing, the solvent begins to penetrate the binder liner ( Figure 4). The concentration of the shell material in the solvent increases. If solvent evaporates, the mixture concentrates in the contact point between the particles (FIG. 5). Further evaporation leads to a solidification of the shell material in the contact point. Due to the comparatively low viscosities, in contrast to melting processes, a favorable process window results.
- the moldings are fed to the final solidification step. Subsequently, the moldings are fed to further follow-up processes.
- This process step of the invention is preferably carried out as a heat treatment step.
- parts made of croning sand can be used, which were produced by the process according to the invention. After unpacking, these are preferably embedded again in a further particulate material. However, this has no binder coating and is preferably thermally well conductive. Subsequently, the parts are heat treated in an oven above the melting temperature of the binder.
- the special phenolic resin of the sheath in one of the preferred embodiments is crosslinked and the strength increases sharply.
- hot-melt adhesives are preferred for this process step of final consolidation.
- the following may preferably be used as base polymers: PA (polyamides), PE (polyethylene), APAO (amorphous polyalphaolefins), EVAC (ethylene-vinyl acetate copolymers), TPE-E (polyester elastomers), TPE-U (polyurethane elastomers), TPE A (copolyamide elastomers) and vinylpyrrolidone / vinyl acetate copolymers.
- base polymers PA (polyamides), PE (polyethylene), APAO (amorphous polyalphaolefins), EVAC (ethylene-vinyl acetate copolymers), TPE-E (polyester elastomers), TPE-U (polyurethane elastomers), TPE A (copolyamide elastomers) and vinylpyrrolidone / vinyl acetate copolymers.
- a croning sand of the type Huettenes-Albertus RFS 5000 is used in a layering process.
- the sand is applied in a layer of 0.2 mm to a building level.
- the sand is printed by means of a drop-on-demand print head with a solution of isopropanol corresponding to the cross-sectional area of the desired object so that about 10 wt .-% liquid are introduced into the printed areas.
- the construction plane is shifted relative to the layering mechanism by the layer thickness and the process consisting of layer application and printing starts again. This cycle is repeated until the desired component is printed. The whole process takes place under normal conditions.
- the temperature in the process chamber should be between 18 ° C and 28 ° C, preferably between 20 ° C and 24 ° C. Afterwards it is necessary to wait about 24 hours before the last layers of sand have developed sufficient strength. Then the component can be unpacked, that is to say freed from the surrounding sand and from all powder deposits. Drying printed test specimens in a convection oven at 40 ° C for 30 min, they show a bending strength of 120 N / cm 2 .
- the parts are then prepared for the subsequent heat treatment step. For this they are e.g. in uncoated sand, which is placed in a temperature-resistant vessel introduced. In order to ensure a good contact between the part and the supporting sand, the vessel is subjected to vibrations during the loading and filling with sand.
- any deformation can be avoided in this way.
- the component is heated in the oven for 10 hours at 150 ° C. After removal from the oven, it is again necessary to wait about 30 minutes until the component has cooled down to such an extent that it can be handled and removed from the powder bed.
- the adhesions after this process step can be removed by sandblasting.
- Co-treated flexural test pieces show a bending strength of 800 - 1000 N / cm 2 after this final consolidation step.
- a laminating process is carried out.
- a croning sand of the type Huettenes-Albertus CLS-55 is used.
- the sand is applied again in a layer of 0.2 mm to a building level.
- the printing fluid used is a 15% solution of Corrodur from Huettenes-Albertus, 42.5% ethanol and 42.5% isopropanol.
- the bending strength after unpacking the molding and completion of this first or also referred to as preconsolidating step is in this case 140 N / cm 2 .
- the final bending strength after the second or also referred to as final solidification step process step is again at 800 N / cm 2 .
- the strength after completion of the final entanglement step is about 800 N / cm 2 .
- a determination of the organic content via an ignition loss determination shows 5% by weight.
- the material here corresponds to the products RFS-5000 and CLS-55 from Wilsontenes-Albertus. After the oven process, the parts can be cleaned by sandblasting.
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrstufiges Verfahren zum Herstellen eines oder mehrerer Formkörper, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a. schichtweisen Aufbau eines oder mehrerer Formkörper mittels wiederholtem Aufbringen von Partikelmaterial im 3D Druckverfahren, b. einen Vorverfestigungsschritt zum Erzielen einer Vorverfestigung des Formkörpers, c. einen Entpackschritt, wobei das nicht verfestigte Partikelmaterial von dem vorverfestigten Formkörper getrennt wird, d. einen Endverfestigungsschritt, bei dem der Formkörper seine Endfestigkeit erhält, durch Einwirkung von Wärmeenergie, sowie eine für dieses Verfahren verwendbare Vorrichtung.
Description
3D-Mehrstufenverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrstufiges 3D Druckverfahren sowie eine für dieses Verfahren verwendbare Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Verfahren zum Erzeugen von Formen und Giessereikernen sind in vielfältiger Weise bekannt. Automatisierte Maschinenformverfahren sind eine wirtschaftliche Lösung im Bereich von großen Stückzahlen. Die werkzeuglose Formerstellung mit sog. Rapid-Prototypingverfahren oder 3D Druckverfahren sind für kleine bis mittlere Serien eine Alternative zu Maschinenformverfahren.
Basierend auf dem unter dem Namen des Erfinders Johannes Croning bekannten Croning-Verfahren (DE832937) wurden Lasersinterverfahren entwickelt, die eine werkzeuglose Fertigung ermöglichen. Dabei wird ein Formteil schichtweise aus mit einem Binder beschichteten Partikelmaterial aufgebaut. Die Verbindung der einzelnen losen Partikel wird beispielsweise über einen Energieeintrag mittels Laserstrahl erreicht (EP 0 711 213).
In der Praxis wird die im Stand der Technik beschriebene Verfestigung über die Polykondensationsreaktion kaum erreicht, da prozesstechnische Schwierigkeiten auftreten. So würde eine für die Entwicklung der Endfestigkeit ausreichende Belichtung zu einem starken Schwinden der Binderhülle führen und dieses wiederum zu einem nicht mehr prozessfähigen Verzug der aktuellen Schicht. Die Festigkeiten (Grünfestigkeit) der so der Formteile - auch als Entpacken
sind deshalb äußerst gering. Dies führt zu Problemen beim Entpacken und führt nicht selten zu einer Beschädigung der Formteile, die dadurch unbrauchbar werden. Es wurde beschrieben dieses Problem beim Entpacken durch die Verwendung einer Lötlampe zu beheben und so zusätzlich die Oberfläche mittels einer Lötlampe zu verfestigen. Diese Vorgehensweise erfordert allerdings nicht nur sehr viel Erfahrung, sondern sie stellt außerdem einen erheblichen Arbeits- und Zeitaufwand dar.
Die mangelnden Grünfestigkeiten werden auf zu kleine oder zu schwache Binderbrücken zurückgeführt. Solange man verzugsfrei produzieren will, bleibt der Binder zu hochviskos und bildet keine ausreichende Brücke.
In der DE 197 23 892 Cl wird hingegen ein Schichtbauverfahren beschrieben, bei dem ein Croningsand mit einem Moderator bedruckt wird, der dazu führt, die Aktivierungsenergie des bedruckten Binder-umhüllten Croningsandes gegenüber dem unbedruckten Material herab oder herauf
BESTÄTIGUNGSKOPIE
zu setzen und dann den Sand mittels einer Wärmestrahlungsquelle zu belichten. Dies soll dann dazu führen, dass ausschließlich die bedruckten bzw. die unbedruckten Bereiche aushärten bzw. binden. Anschließend würden die fertigen Formteile vom ungebundenen Sand befreit. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich geeignete Moderatoren wie z.B. schwefelige Säuren nicht oder nur sehr schlecht mit marktüblichen Einzeltropfenerzeugern verdrucken lassen. Zudem hat sich als nachteilig herausgestellt, dass der nichtverfestigte Sand durch die Belichtung so vorgeschädigt, dass er nicht mehr in vollem Umfang in dem Verfahren wiederverwendet werden kann. Dies erhöht somit nicht nur den Materialaufwand sondern auch die Kosten und ist auch deshalb nachteilig.
In der US 2005/0003189A1 wird ein Schichtbauverfahren für die Herstellung von Modellen beschrieben, bei dem ein thermoplastisches Partikelmaterial mit einem pulverförmigen Binder gemischt ist und schichtweise mit einem wässrigen Lösungsmittel bedruckt wird. Der Binder soll dabei in dem wässrigen Druckmedium leicht löslich sein. Anschließend werden die Modelle vom umliegenden Pulver befreit und evtl. in einem Postprozess in einem Ofen getrocknet, um die Festigkeit zu steigern.
In der DE 102 27 224 B4 wird ein Schichtbauverfahren für die Herstellung von Feingussurmodellen beschrieben, bei dem ein PMMA-Partikelmaterial, das mit einem PVP-Binder beschichtet ist, schichtweise mit einem Gemisch aus einem Lösungsmittel und einem Aktivator bedruckt wird, um den Binder zu lösen und die Binderaktion zu aktvieren.
Die bekannten Verfahren sind entweder werkzeugabhängige Prozesse oder die bekannten 3D Druckprozesse erreichen zu geringe Grünfestigkeiten für eine effiziente und wirtschaftlich vorteilhafte Herstellung von Formteilen.
Beschreibung der Erfindung
Es bestand also das Bedürfnis ein Verfahren zum schichtweisen, werkzeuglosen Aufbauen von Formteilen vorzugsweise für Gießereianwendungen mittels Binder-umhüllten Partikelmaterial bereitzustellen, bei dem Auspackfestigkeiten oder Entpackfestigkeiten erreicht werden, die es erlauben, zeit- und kostenintensive Handarbeit zu reduzieren oder ganz zu vermeiden und vorzugsweise maschinell- oder robotergestütztes Entpacken zu ermöglichen, oder jedenfalls die Nachteile des Standes der Technik zu verringern oder ganz zu vermeiden.
Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung oder Vorrichtungsanordnung gemäß Anspruch 10 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen verwirklicht.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines oder mehrerer Formkörper, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
a. schichtweisen Aufbau eines oder mehrerer Formkörper mittels wiederholtem Aufbringen von Partikelmaterial im 3D
Druckverfahren,
b. einen Vorverfestigungsschritt zum Erzielen einer Vorverfestigung des Formkörpers,
c. einen Entpackschritt, wobei das nicht verfestigte Partikelmaterial von dem vorverfestigten Formkörper getrennt wird,
d. einen Endverfestigungsschritt, bei dem der Formkörper seine Endfestigkeit erhält, durch Einwirkung von Wärmeenergie.
Bevorzugt ist, dass der Formkörper einem oder mehreren weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen wird. Hierbei können alle dem Fachmann bekannten weiteren Verfahren oder Arbeitsschritte Anwendung finden. Der eine oder die mehreren weiteren Bearbeitungsschritte sind beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polieren oder Färben.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Formkörper (auch als Bauteil bezeichnet) im Vorverfestigungsschritt soweit verfestigt, dass ein Entpacken aus dem nicht verfestigten Partikelmaterial möglich ist und der Formkörper dabei seine im 3D Druckverfahren definierte Form im wesentlichen beibehält. Insbesondere Schrumpfungen oder dergleichen werden im Wesentlichen vermieden. Das Entpacken kann hierbei manuell oder maschinell oder Roboter- gestützt erfolgen.
Es können in dem vorverfestigten Formkörper (Grünkörper) nach dem Vorverfestigungsschritt Biegefestigkeiten von mehr als 120 N/cm2, vorzugsweise von mehr als 200 N/cm2, besonders bevorzugt von 120 bis 400 N/cm2 erreicht werden.
Nach dem Entpacken kann der Formkörper wieder mit Partikelmaterial, das vorzugsweise inert ist, umgeben werden, um so im folgenden Wärmebehandlungsschritt die Formkörper zu stützen und die Wärme besser leiten zu können sowie eine gleichmäßige Wärmeleitung zu erzielen. Zur gleichmäßigen Verteilung des Partikelmaterials können Rüttler eingesetzt werden.
Es können in dem Formkörper nach dem Endverfestigungsschritt Biegefestigkeiten von mehr als 250 N/cm2, vorzugsweise von 250 bis 750 N/cm2, vorzugsweise von mehr als 750 N/cm2, besonders bevorzugt von mehr als 1000 N/cm2, noch mehr bevorzugt von mehr als 1200 N/cm2, erzielt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren so ausgeführt, dass der Vorverfestigungsschritt ohne Einbringen zusätzlicher Wärmeenergie erfolgt.
Vorzugsweise wird der Vorverfestigungsschritt mittels Verwendung eines Lösemittels oder/und einer Polymerisationsreaktion erfolgen.
Der Endverfestigungsschritt kann vorzugsweise mittels Wärmebehandlung erfolgen. Allerdings sind auch andere Endverfestigungsverfahren und Behandlungen möglich, die dem Fachmann bekannt sind.
Das Bauteil kann durch inertes Material während der Wärmebehandlung gestützt werden.
Im Endverfestigungsschritt werden Temperaturen von vorzugsweise 110 °C - 130 °C, vorzugsweise bei 130 °C - 150 °C, besonders bevorzugt bei 150 °C - 200 °C verwendet.
Die Temperatur am Bauteil liegt vorzugsweise im Zeitbereich von 2-24 Std., besonders bevorzugt wird die Temperatur über 2-5 Std. gehalten.
Als Partikelmaterial wird natürlicher Quarzsand, Kerphalite, Cerasbeads, Zirkonsand, Chromitsand, Olivinsand, Schamotte, Korund oder Glaskugeln verwendet.
Das Partikelmaterial ist gekennzeichnet durch eine einphasige Beschichtung oder Umhüllung mit einem oder mehreren Materialien. Die Beschichtung oder die Umhüllung kann vorzugsweise ein Binder sein.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht vorzugsweise die Umhüllung oder Beschichtung aus thermoplastischen Polymeren, löslichen Polymeren, Wachsen, Kunst- und Naturharzen, Zuckern, Salzen, anorganischen Netzwerkbildnern oder Wassergläsern oder diese umfasst.
Vorzugsweise besteht das Lösungsmittel aus Wasser, Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Estern, Ethern, Ketonen, Aldehyden, Acetaten, Succinaten, Monomeren, Formaldehyd, Phenol und Gemische davon oder diese umfasst.
In dem Verfahren kann der Binder polymerisierbare Monomere enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens enthält die Beschichtung oder Umhüllung Stoffe zum Start einer Polymerisation mit dem Binder.
Vorzugsweise trägt das in der Umhüllung oder Beschichtung enthaltene Material zu der Endfestigkeit oder zu der Vorfestigkeit im Vorverfestigungsschritt und zu der Endfestigkeit im Endverfestigungsschritt bei.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einer bevorzugten Ausführungsform, sind in der Umhüllung oder Beschichtung zwei unterschiedliche Materialien enthalten, wobei das eine Material im wesentlichen für den Vorverfestigungsschritt bestimmt ist und das andere Material im wesentlichen für den Endverfestigungsschritt bestimmt ist.
Somit wird das Verfahren vereinfacht, kann schneller durchgeführt werden und wird somit wirtschaftlicher.
Vorzugsweise kann die Beschichtung oder Umhüllung ein Farbindikator enthalten, der durch den Binder aktiviert wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung oder Vorrichtungsanordnung geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann grundsätzlich wie im Stand der Technik für 3D Druckverfahren beschrieben durchgeführt werden. Beispielhaft seien hier EP 0 431 924 Bl und DE102006038858A1 genannt. Der anschließende Entpackschritt kann manuell, jedoch bevorzugt maschinell unterstützt durchgeführt werden. Roboter unterstütztes entpacken stellt eine weitere bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen maschinellen Verfahrensschrittes dar. Hierbei kann sowohl das Entpacken, d.h. das Entfernen des nicht verfestigten Partikelmaterials, als auch das Transferieren des Formteiles mittels computergesteuerten Greifarmen und Absaugeinheiten erfolgen.
Vorzugsweise wird die Erfindung mittels eines Partikelmaterialbett- basierten 3D Druckverfahren durchgeführt. Der gewünschte Formkörper wird beim 3D Druck durch wiederholtes schichtweises Aufbauen erreicht. Dazu wird Parti kelmaterial in dünner Schicht auf eine Ebene gestrichen (nivelliert). Im Anschluss wird ein Bild gemäß des Schnittes durch das gewünschte 3D-Objekt durch einen Tintenstrahldruckkopf aufgedruckt. Die bedruckten Stellen verfestigen und verbinden sich mit darunter liegenden bereits bedruckten Flächen. Die entstandene Schicht wird entsprechend der Bauform der Anlage um die Stärke einer Schicht verschoben.
Es können 3D-Drucker verwendet werden, die die Schicht in Richtung der Gravitation absenken. Vorzugsweise werden Anlagen eingesetzt, die nach dem Durchlaufprinzip gestaltet sind, und hierbei werden die Schichten in
Förderrichtung verfahren. Auf die Baufläche wird nun wieder Partikelmaterial aufgebracht. Der Bauprozess aus den Schritten Beschichten, Bedrucken und Absenken wird solange wiederholt, bis der oder die Formkörper fertig sind.
Der Verfahrensschritt des 3D Druckens und das Vorverfestigen wird vorzugsweise über selektives Aufdrucken eines Lösemittels auf das Binder-umhüllte Partikelmaterial realisiert. Das Lösemittel verflüssigt die Umhüllung. Die Viskosität liegt dabei deutlich niedriger als bei thermischem Schmelzen. Während die Viskositäten von
Polymerschmelzen im Bereich von ca. 10-1000 Pas liegen, kann eine Polymerlösung, je nach Zugabemenge und Lösungsmittel eine Viskosität von wenigen mPas erreichen. Vorzugsweise wird eine Viskosität von 2 - 100 mPas, mehr bevorzugt von 2 - 10 mPas, noch mehr bevorzugt von 2 - 5 mPas.
Bei Abtrocknung des Lösemittels zieht sich das Flüssigkeitsgemisch in die Kontaktstelle zwischen zwei Partikel zurück und hinterlässt dann eine kräftige Brücke. Der Effekt kann durch Zugaben von Polymeren in die Druckflüssigkeit verstärkt werden. Hierbei werden geeignete Verfahrensbedingungen gewählt bzw. entsprechende Komponenten, die für eine Polymerisationsreaktion erforderlich sind entweder in das Lösemittel oder in die Beschichtung des Partikelmaterials eingearbeitet. Alle dem Fachmann bekannten Harze oder Kunstharze, die für Polymerisations-, Polyadditions- oder Polykondensationsreaktionen geeignet sind, können hier zur Anwendung kommen. Derartige Materialien sind vorzugsweise definiert durch DIN 55958 und werden durch Bezugnahme hiermit in die Offenbarung dieser Beschreibung aufgenommen.
Erfindungsgemäß wird als Partikelmaterial ein mit einem Binder umhüllter Giessereiformstoff benutzt. Die Umhüllung ist bei Raumtemperatur fest. Das Partikelmaterial ist somit riesel- und fließfähig. Der Stoff, der die Partikel umhüllt, ist vorzugsweise in der Druckflüssigkeit, die durch den Tintenstrahldruckkopf aufgebracht wird, löslich. In ebenso bevorzugter Ausführung enthält die Druckflüssigkeit den Umhüllungsstoff oder dessen Vorformen als Dispersion oder Lösung.
Ebenso bevorzugt kann der in der Druckflüssigkeit vorhandene Stoff einer anderen Stoffgruppe angehören. In einer Ausgestaltung der Erfindung verflüchtigt sich das Lösemittel durch Abdampfen in umgebendes Partikelmaterial oder die Atmosphäre. Ebenso kann aber auch das Lösemittel mit dem Umhüllungsstoff reagieren und verfestigen.
Die Stoffgruppen für das Partikelmaterial und die Umhüllung sind vielfältig. Die Grundmaterialien können beispielsweise natürlicher
Quarzsand, Kerphalite, Cerabeads, Zirkonsand, Chromitsand, Olivinsand, Schamotte oder Korund sein. Generell eigenen sich aber auch andere partikelförmige Grundstoffe. Die Umhüllung kann organisch oder anorganisch sein. Sie wird entweder thermisch, in Lösung oder durch mechanisches Aufschlagen oder Walzen aufgebracht.
Beispiele für geeignete Binder sind neben dem Phenolharz,
Furan-, Harnstoff- oder Aminoharze, Novolake oder Resole, Harnstoff- Formaldehydharze, Furfurylalkohol-Harnstoff-Formaldehydharze, Phenolmodifizierte Furanharze, Phenol- Formaldehydharze oder Furfurylalkohol-Phenol-Formaldehydharz, die jeweils flüssig, fest, granuliert oder pulverförmig vorliegen können. Auch die Verwendung von Epoxidharzen ist möglich.
Besonders bevorzugt ist z.B. umhüllter Quarzsand mit einer mittleren Korngröße von ca. 140 μιη wie etwa das Produkt RFS-5000 von Hüttenes - Albertus Chemische Werke. Dieser wird mit einer Resolharzumhüllung geliefert. Als Druckfluid kann in einer einfachen Ausführung ein Ethanol / Isopropanolgemisch verwendet werden. Zusätzlich kann dem Druckfluid vorgelöstes Harz beigegeben werden. Ein Beispiel hierfür ist das Produkt Corrodur von Hüttenes-Albertus. Bei einer Zeitdauer von 24 Stunden nach dem Druckvorgang und 10 Gew.-% Flüssigbinderzugabe ergibt sich erfindungsgemäß eine Festigkeit von über 120 N/cm2. Damit können selbst filigrane Strukturen rasch entpackt werden.
Weiterhin bevorzugt kann als flüssiger Binder für das System ein hochkonzentriertes Material in Form von vorgelöstem Harz des Typs Corrodur verwendet werden. Als Lösemittelzusatz kann Dioxolan zum Einsatz kommen. Bedingt durch den hohen Harzanteil können Formgrundstoffe mit niedrigem Umhüllungsgehalt gewählt werden. Ebenso kann- mit Festigkeitseinbußen- unbehandelter Sand verwendet werden. Die erfindungsgemäße Ausführung ist hier in der kompletten Lösung des Umhüllungswerkstoffes zu sehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die im ersten Verfahrensschritt des 3D Druckens verwendeten Materialien bereits alle auch für den Endverfestigungsschritt erforderlichen Komponenten, vorzugsweise Binder im Partikelmaterial, die zunächst im Vorverfestigungsschritt über einen anderen Bindemechanismus (physikalisch statt chemisch oder umgekehrt) oder andere Materialien (Binder in der Drucklösung) gebunden werden und im abschließenden Endverfestigungsschritt so reagieren/verfestigen, dass die vorteilhafte Endfestigkeit erzielt wird. Es wird so vorteilhaft möglich, die verschiedenen Verfestigungsschritte zu vereinfachen, indem das Partikelmaterial im ersten Verfahrensschritt bereits alle für die Endverfestigung erforderlichen Materialien enthält und es möglich wird,
ohne weiteren Materialeintrag im Wärmebehandlungsschritt die vorteilhafte Endfestigkeit zu erzielen.
Die Erfinder konnten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Kombination von Materialien und Verfahrensbedingungen vorteilhafter Weise erreichen, dass ein effizientes Verfahren bereitgestellt wurde, das es ermöglicht, Arbeitsschritte zu verbinden, den Einsatz von manuellen Schritten zu vermindern und so die Prozessgeschwindigkeit positiv zu verbessern. Außerdem wird es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Biegefestigkeiten in Grünlingen zu erreichen, die ausreichen, um diese ohne Beschädigungen oder sonstige Beeinträchtigungen einem thermischen Verfestigungsschritt ohne Werkzeugeinsatz in 3D Druckverfahren zuführen zu können.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der hierfür geeigneten Vorrichtungen ist es überraschender Weise möglich, in dem Partikel material alle für den Vorverfestigungsschritt sowie den Wärmeendverfestigungsschritt nötigen Materialien zu umfassen. Erstaunlich war, dass die kombinierten Materialien, d.h. die für den Vorverfestigungsschritt sowie den Endverfestigungsschritt wirksamen Materialien, nicht in einer Weise wechselwirken, dass es zu für das Verfahren abträglichen Wechselwirkungen dieser Materialien kommt.
Tatsächlich konnten die Erfinder durch eine gezielte Auswahl der Materialien in bevorzugten Ausführungsformen eine vorteilhafte Wirkung sowohl für den Vorverfestigungsschritt als auch für den Endverfestigungsschritt erzielen. Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, dass alle für das Verfahren nötigen Komponenten - mit Ausnahme des Binders - in einem Partikel material kombiniert werden konnten und so nur ein einziges Partikelmaterial zum Einsatz kommen kann ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Mischschritte oder Auftragsschritte.
Die besonders bevorzugten Materialkombinationen gemäß bevorzugter Ausführungsformen sind in den Beispielen wiedergegeben. Hierbei können auch Unterkombinationen von Materialien aus verschiedenen Beispielen zusammen verwendet werden.
Beschreibung der Figuren
Fig. 1 stellt Partikelmaterial (100) dar, wobei ein Sandkorn (101) mit Binder (102) umhüllt ist.
Fig. 2 zeigt den Prozess des Abdampfens von Partikelmaterial (200) zu dem Lösungsmittel zugefügt wurde, wodurch sich die Partikel (200 bestehend aus 201 und 202) verbinden und das Material vorverfestigt.
Das Abdampfen des Lösungsmittels kann auch über Wärmezufuhr (203) beschleunigt werden.
Fig. 3 zeigt die Struktur eines vorverfestigten Formkörpers (300).
Fig. 4 zeigt den Vorgang nach dem Eindrucken; hierbei beginnt das Lösemittel in die Binderhülle (402) des Partikelkerns (401) einzudringen. Fig. 5a - d veranschaulichen den Abdampfprozess des Lösemittels, wobei sich das Gemisch in der Kontaktstelle (503) zwischen den Partikeln (500) konzentriert (Fig. 5d).
Wie oben beschrieben, wird der Formkörper durch das Verbinden einzelner Partikel gebildet (Fig. 3).
Basis des partikelmaterialbasierten Prozesses ist ein Partikelmaterial (100), das mit einem Binder (102) umhüllt ist (Fig. 1). Die Hülle (102) weist charakteristisch andere Eigenschaften als das Grundmaterial (101) auf. Als Beispiel kann der vom Croning-Prozess bekannte Sand genannt werden. Hier ist ein Sandkorn (101) mit einem Novolakharz (102) umhüllt. Dieses Harz wird beim Herstellungsprozess aufgeschmolzen und mit dem Sand vermischt. Der Sand wird solange gemischt, bis das Harz erkaltet ist. Dadurch trennen sich die einzelnen Körner und ein rieselfähiges Material (100) entsteht.
Als geeignete Sande für die Verarbeitung im erfindungsgemäßen Verfahren kommen Grundmaterialien mit 10 - 2000 pm mittlerem Korndurchmesser in Frage. Für die anschließende Verwendung in Gussprozessen eignen sich verschiedene Grundmaterialien wie natürlicher Quarzsand, Kerphalit, Cerabeads, Zirkonsand, Chromitsand, Olivinsand, Schamotte, Korund und Glaskugeln.
Binder können in verschiedensten Werkstoffen aufgebracht werden. Wichtige Vertreter sind Phenolharze (Resolharze und Novolake), Acrylharze und Polyurethane. Desweiteren können alle Thermoplaste thermisch auf die Körner aufgebracht werden. Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare Stoffe sind Polyethylen, Polypropylen, Polyoxymethylen, Polyamide, Acylnitril, Acrylnitril-Styrol-Butadien, Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat und Polycarbonat.
Zusätzlich oder gänzlich ohne Wärmezufuhr können Lösemittel zur Beschichtung erfindungsgemäß beschichteter Körner mit einem bindefähigen Material verwendet werden. Über Lösemittel können auch andere Umhüllungen realisiert werden. Beispielsweise kann Wasserglas in Wasser gelöst werden und mit Sand vermischt werden. Im Anschluss wird das Material getrocknet und gebrochen. Durch Sieben werden übermäßig grobe Partikel entfernt. Da der Löseprozess reversibel ist, kann das so
gewonnene Material im erfindungsgemäßen Prozess eingesetzt werden, indem es mit Wasser als Druckflüssigkeit bedruckt wird.
In der Umhüllung (102) können in einer bevorzugten Form der Erfindung Stoffe vorgehalten werden, die beim Löseprozess mit dem Flüssigbinder eine Reaktion zeigen. Zum Beispiel können Starter für eine Polymerisation vorgelegt werden. Auf die Weise kann der Abdampfprozess des Lösemittels im Partikelmaterial beschleunigt werden, da weniger Drucklösung durch Abdampfen aus dem Partikelmaterialkuchen entweichen muss. Damit können die Formteile schneller ihre Grünfestigkeit erreichen und somit früher aus dem Partikelmaterial entpackt werden.
Da sich die gedruckten Teile bei einem Lösemittelprozess nur wenig vom umgebenden losen Partikelmaterial unterscheiden, kann ein Färben der Formteile durch Einbringung eines Farbstoffes in das Druckmedium sinnvoll sein. Hierbei ist es möglich, eine Farbreaktion zu nutzen, die auf dem Zusammenbringen zweier Stoffe basiert. Beispielhaft kann Lackmus im Lösemittel genutzt werden. Das Grundmaterial wird vor der Beschichtung mit dem Binder mit dem Salz einer Säure vermischt. Damit ist nicht nur eine Färbung, sondern auch eine Kontrolle der Intensität der Lösereaktion möglich. Liegt die reaktive Substanz z.B. direkt am Korn des Basismaterials an und ist durch die Umhüllung geschützt, zeigt der Farbindikator an, dass die Hülle komplett gelöst wurde.
Der Prozess des Abdampfens des Lösungsmittels kann auch über Wärmezufuhr beschleunigt werden (Fig. 2). Dies kann über Konvektion oder Wärmestrahler erfolgen. Die Kombination aus einem Luftzug und Heizen ist besonders wirksam. Dabei ist zu beachten, dass bei zu schnellem Abtrocken die Lösung des Binders evtl. nur teilweise erfolgt ist. Durch Versuche und Variationen des Lösemittels können Optima bezüglich Festigkeitsentwicklung und Entpackzeit ermittelt werden.
Auf das beschichtete Korn wird im Druckprozess eine Druckflüssigkeit gegeben. In seiner Hauptfunktion löst die Druckflüssigkeit die Binderhülle. Beim Croning-Sand werden hierzu ca. 10 Gew.-% Druckflüssigkeit eingedruckt. Als Lösemittel eignet sich zum Beispiel Isopropanol. Nach dem Eindrucken beginnt das Lösemittel in die Binderhülle einzudringen (Fig. 4). Dabei steigt die Konzentration des Hüllenmaterials im Lösemittel. Dampft Lösemittel ab, konzentriert sich das Gemisch in der Kontaktstelle zwischen den Partikeln (Fig.5). Weiteres Verdampfen führt zu einer Verfestigung des Hüllenmaterials in der Kontaktstelle. Durch die vergleichsweise geringen Viskositäten ergibt sich im Gegensatz zu Schmelzprozessen ein günstiges Prozessfenster. Z.B. kann mit handelsüblichem Croning-Sand des Typs Hüttenes-Albertus RFS 5000 eine Auspack-Biegebruchfestigkeit von über 100 N/cm2, vorzugsweise über
120 N/cm2 erreicht werden. Das ist ausreichend, um selbst großformatige, filigrane Teile sicher und verzugsfrei zu entpacken.
Nach dem Auspacken - auch als Entpacken bezeichneten Verfahrensschritt, werden die Formteile dem Endverfestigungsschritt zugeführt. Anschließend werden die Formteile weiteren Folgeprozessen zugeführt. Dieser Verfahrensschritt der Erfindung wird vorzugsweise als Wärmebehandlungsschritt ausgeführt. Als Beispiel können hier Teile aus Croning-Sand dienen, die nach dem erfindungsgemäßen Prozess hergestellt wurden. Nach dem Entpacken werden diese vorzugsweise wieder in ein weiteres Partikelmaterial eingebettet. Dieses weist jedoch keinerlei Binder-Umhüllung auf und ist vorzugsweise thermisch gut leitfähig. Im Anschluss werden die Teile in einem Ofen oberhalb der Schmelztemperatur des Binders wärmebehandelt. Das spezielle Phenolharz der Umhüllung in einer der bevorzugten Ausführungsformen wird dabei vernetzt und die Festigkeit steigt stark an. Allgemein sind für diesen Verfahrensschritt der Endverfestigung Schmelzklebstoffe bevorzugt. Als Basispolymere können vorzugsweise verwendet werden: PA (Polyamide), PE (Polyethylen), APAO (amorphe Polyalphaolefine), EVAC (Ethylenvinylacetat-Copolymere), TPE-E (Polyester-Elastomere), TPE-U (Polyurethan-Elastomere), TPE-A (Copolyamid-Elastomere) und Vinylpyrrolidon/Vinylacetat-Copolymere. Weitere übliche und dem Fachmann bekannte Zusatzstoffe wie Nukleierungsmittel können zugegeben werden.
Mit handelsüblichen Sanden werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Formteile hergestellt, die Biegefestigkeiten von über 1000 N/cm2 aufweisen.
Beispiel 1
Es wird ein Croningsand der Type Huettenes-Albertus RFS 5000 in einem Schichtbauprozess verwendet. Dazu wird der Sand in einer Schicht von 0,2 mm auf eine Bauebene ausgebracht. Anschließend wird der Sand mittels eines Drop-On-Demand-Druckkopfes mit einer Lösung aus Isopropanol entsprechend der Querschnittsfläche des gewünschten Objektes so bedruckt, dass etwa 10 Gew.-% Flüssigkeit in die bedruckten Bereiche eingebracht werden. Anschließend wird die Bauebene relativ zum Schichtauftragsmechanismus um die Schichtstärke verschoben und der Vorgang bestehend aus Schichtauftrag und Bedrucken startet erneut. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das gewünschte Bauteil gedruckt ist. Der gesamte Vorgang läuft unter Normalbedingungen ab. Die Temperatur im Prozessraum sollte dabei zwischen 18°C und 28°C liegen, vorzugsweise zwischen 20°C und 24°C.
Anschließend muss etwa 24 Std. gewartet werden, bevor die letzten Schichten Sand eine ausreichende Festigkeit entwickelt haben. Dann kann das Bauteil entpackt, sprich vom umliegenden Sand und von sämtlichen Pulveranhaftungen befreit werden. Trocknet man mitgedruckte Prüfkörper im Umluftofen bei 40°C für 30 min, zeigen diese eine Biegebruchfestigkeit von 120 N/cm2.
Die Teile werden dann für den anschließenden Wärmebehandlungsschritt vorbereitet. Dazu werden sie z.B. in unbeschichteten Sand, der sich in einem temperaturbeständigen Gefäß befindet eingebracht. Damit hierbei ein guter Kontakt zwischen Teil und stützendem Sand zustande kommt, wird das Gefäß während der Bestückung und Befüllung mit Sand mit Vibrationen beaufschlagt.
Während der Härtereaktion, d.h. dem Endverfestigungsschrittes, bei hohen Temperaturen kann auf diese Weise jegliche Deformation vermieden werden. Das Bauteil wird so für die Dauer von 10 Stunden bei 150 °C im Ofen erwärmt. Nach Entnahme aus dem Ofen muss wiederum ca. 30 min gewartet werden, bis das Bauteil soweit abgekühlt ist, dass es gehandhabt und aus dem Pulverbett entnommen werden kann. Die Anhaftungen nach diesem Prozessschritt können durch Sandstrahlen entfernt werden. Mitbehandelte Biegeprüfköper zeigen nach diesem Endverfestigungsschritt eine Biegebruchfestigkeit von 800 - 1000 N/cm2.
Beispiel 2
Analog zum ersten Beispiel wird ein Schichtbauprozess durchgeführt. In diesem Fall wird ein Croningsand der Type Huettenes-Albertus CLS-55 verwendet. Dazu wird der Sand wieder in einer Schicht von 0,2 mm auf eine Bauebene ausgebracht. Als Druckflüssigkeit wird eine 15%ige Lösung aus Corrodur von Huettenes-Albertus, 42,5% Ethanol und 42,5% Isopropanol verwendet.
Es werden etwa 10 Gew.-% Flüssigkeit auf den Sand gedruckt.
Die Biegebruchfestigkeit nach dem Auspacken des Formkörpers und Abschluss dieses ersten oder auch als Vorverfestigungsschritt bezeichneten Verfahrensschrittes liegt in diesem Fall bei 140 N/cm2. Die End-Biegebruchfestigkeit nach dem zweiten oder auch als Endverfestigungsschrittes bezeichneten Verfahrensschrittes liegt wiederum bei 800 N/cm2.
Beispiel 3
Der Prozess für dieses bevorzugte Herstellungsverfahren wird analog zu den vorherigen Beispielen durchgeführt. Mit unbehandeltem Sand als Basis werden hier Festigkeiten von 800 N/cm2 erzielt. Als Binderflüssigkeit
wird ein Gemisch aus 50% Corrodur und 50% Dioxolan verwendet. Es werden 10 Gew.-% eingedruckt. Der Prozess läuft bei Raumtemperatur ab. Das Bauteil muss nach dem Drucken nicht aus dem Parti kelmaterial ausgepackt werden, da das nicht umhüllte Material durch die Wärmeenergie nicht gebunden werden kann. Es kann entweder die gesamte Box oder beispielsweise eine gedruckte Box in den Ofen zur Durchführung des Endverfestigungsschrittes gebracht werden. Ein Sandvolumen von 8x8x20cm, das einen Biegeprüfkörper enthält, wird 24 Std. im Ofen bei 150°C wärmebehandelt. Die Festigkeit nach Abschluss des Endvervestigungsschrittes beträgt ca. 800 N/cm2. Eine Bestimmung des organischen Anteils über eine Glühverlustbestimmung zeigt 5 Gew-%. Der Werkstoff entspricht hier den Produkten RFS-5000 und CLS-55 von Hüttenes-Albertus. Nach dem Ofenprozess können die Teile über Sandstrahlen gereinigt werden.
Claims
1. Verfahren zum Herstellen eines oder mehrerer Formkörper, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
a. schichtweisen Aufbau eines oder mehrerer Formkörper mittels wiederholtem Aufbringen von Parti kelmaterial im 3D
Druckverfahren,
b. einen Vorverfestigungsschritt zum Erzielen einer Vorverfestigung des Formkörpers,
c. einen Entpackschritt, wobei das nicht verfestigte Partikelmaterial von dem vorverfestigten Formkörper getrennt wird,
d. einen Endverfestigungsschritt, bei dem der Formkörper seine Endfestigkeit erhält, durch Einwirkung von Wärmeenergie, vorzugsweise wobei der Formkörper einem oder mehreren weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen wird, vorzugsweise wobei der Formkörper im Vorverfestigungsschritt soweit verfestigt wird, dass ein Entpacken aus dem nicht
verfestigten Parti kelmaterial möglich ist und der Formkörper dabei seine im 3D Druckverfahren definierte Form im wesentlichen beibehält, vorzugsweise wobei das Entpacken manuell oder maschinell oder Robotor gestützt erfolgt, vorzugsweise wobei der vorverfestigte Formkörper (Grünkörper) nach dem Vorverfestigungsschritt eine Biegefestigkeit, aufweist von mehr als 120 N/cm2, vorzugsweise von mehr als 200 N/cm2, besonders bevorzugt von 120 bis 400 N/cm2, vorzugsweise wobei der Formkörper nach dem
Endverfestigungsschritt eine Biegefestigkeit, aufweist von mehr als 250 N/cm2, vorzugsweise von 250 bis 750 N/cm2, vorzugsweise von mehr als 750 N/cm2, besonders bevorzugt von mehr als 1000 N/cm2, noch mehr bevorzugt von mehr als 1200 N/cm2, vorzugsweise wobei der Vorverfestigungsschritt ohne Einbringen zusätzlicher Wärmeenergie erfolgt, vorzugsweise wobei der Vorverfestigungsschritt mittels Verwendung eines Lösemittels oder/und einer Polymerisationsreaktion erfolgt, vorzugsweise wobei der Endverfestigungsschritt mittels
Wärmebehandlung erfolgt,
vorzugsweise wobei der Körper durch inertes Material gestützt wärmebehandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur im
Endverfestigungsschritt bei 110 °C - 130 °C, vorzugsweise bei 130 °C - 150 °C, besonders bevorzugt bei 150 °C - 200 °C erfolgt, vorzugsweise wobei die Temperatur am Bauteil im Zeitbereich von 2-24 Std., besonders bevorzugt von 2-5 Std. gehalten wird, vorzugsweise wobei als Partikelmaterial natürlicher Quarzsand, Kerphalite, Cerasbeads, Zirkonsand, Chromitsand, Olivinsand, Schamotte, Korund oder Glaskugeln verwendet werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Partikelmaterial gekennzeichnet ist durch eine einphasige
Beschichtung oder Umhüllung mit einem oder mehreren Materialien.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung oder die Umhüllung ein Binder ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umhüllung oder Beschichtung besteht aus thermoplastischen
Polymeren, löslichen Polymeren, Wachsen, Kunst- und Naturharzen, Zuckern, Salzen, anorganischen Netzwerkbildnern oder
Wassergläsern oder diese umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lösungsmittel besteht aus Wasser, Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Estern, Ethern, Ketonen, Aldehyden, Acetaten, Succinaten,
Monomeren, Formaldehyd, Phenol und Gemische davon oder diese umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Binder polymerisierbare Monomere enthält, vorzugsweise wobei die Beschichtung oder Umhüllung Stoffe zum Start einer Polymerisation mit dem Binder enthält.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das in der Umhüllung oder Beschichtung enthaltene Material zu der
Endfestigkeit oder zu der Vorfestigkeit im Vorverfestigungsschritt und zu der Endfestigkeit im Endverfestigungsschritt beiträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Umhüllung oder Beschichtung zwei unterschiedliche Materialien enthalten sind, wobei das eine Material im wesentlichen für den
Vorverfestigungsschritt bestimmt ist und das andere Material im wesentlichen für den Endverfestigungsschritt bestimmt ist, vorzugsweise wobei die Beschichtung oder Umhüllung ein
Farbindikator enthält, der durch den Binder aktiviert wird, vorzugsweise wobei der eine oder die mehreren weiteren
Bearbeitungsschritte ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Polieren oder Färben.
10. Vorrichtung oder Vorrichtungsanordnung geeignet zur
Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 19
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