WO2003103932A1 - Verfahren zum schichtweisen aufbau von modellen - Google Patents

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WO2003103932A1
WO2003103932A1 PCT/DE2003/001636 DE0301636W WO03103932A1 WO 2003103932 A1 WO2003103932 A1 WO 2003103932A1 DE 0301636 W DE0301636 W DE 0301636W WO 03103932 A1 WO03103932 A1 WO 03103932A1
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binder
hardener
sand
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PCT/DE2003/001636
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Ingo Ederer
Rainer Höchsmann
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Generis Gmbh
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for the layered construction of models and / or shapes according to the preamble of patent claim 1.
  • Spray device sprayed a binder on the entire particle material in the finest possible distribution. Hardener is then metered onto selected areas, thereby solidifying desired areas of the particle material. After repeating this process several times, an individually shaped body can be provided from the bound particle material. This body is initially embedded in the surrounding, unbound particle material and can be removed from the particle bed after completion of the construction process.
  • quartz sand is used as the particle material and a furan resin as a binder
  • a casting mold - " can be produced with the aid of a sulfurous acid as a hardener - " which consists of materials that are usually used in mold production and are therefore known to those skilled in the art.
  • croning sands have a relatively high thermal stability, which, due to the relatively low casting temperatures in light metal casting, leads to poor core removal.
  • Croning sands with an increased proportion of binder are also required for selective laser sintering. The consequence of this are larger amounts of gas during pyrolysis of the binder at ??? of the cast and thus an increased risk of rejects due to cavities in the component.
  • selective laser sintering generally has the disadvantage that the laser requires a great deal of effort and, in addition, the exposure step is also relatively time-intensive.
  • a so-called 3D printing is known from US Pat. No. 5,204,055 and EP 0 431 924 B1.
  • Particle material is selectively bonded by the introduction of binder material.
  • This method has the advantage that it is based on cost-effective printing technology compared to selective laser sintering.
  • typical foundry binders can only be dosed with great technical effort due to the unfavorable material properties.
  • foundry materials can be used.
  • the disadvantages of this process are the complicated spray application of the binder, the inhomogeneous binder mixing and the high binder concentrations in the component.
  • Spraying process results in a high degree of contamination of the system.
  • One consequence of this is that time-consuming cleaning of the printhead is required, since otherwise the material on the nozzles hardens and leads to their destruction.
  • the object of the present invention to provide a method with which it is possible to carry out the layered construction of models in the most time-saving and cost-effective manner possible.
  • the process can be used for industrial use due to its reliability and ease of use.
  • This object is achieved with a method for building models in layers, a first material and then a second material being selectively applied in layers to a building platform, and these two application steps are always repeated until a desired model is obtained.
  • the two materials form a solid with a suitable mixing ratio.
  • the first material is a mixture of materials and is at least partially prepared before the respective application step.
  • This method has proven to be advantageous since it allows the processing times of the material mixture to be kept short and the volatile ingredients to remain in the binder material.
  • the preparation can be carried out as required during the application process.
  • Another advantage of this process compared to selective laser sintering is the use of inexpensive raw materials in contrast to expensive special sands.
  • the material mixture is prepared continuously. This means that the mixture is always about the same "old” and therefore has the same properties with regard to any evaporated components etc.
  • the material mixture is prepared in batches. Continuous mixing, as is customary in conventional molding processes, would also be possible, but would be technically complex due to the relatively low processing speed during layer build-up.
  • the material mixture preferably has a particle material and a reactive material.
  • the second material in the process according to the invention then has an activator, the components can be joined at room temperature by a chemical reaction.
  • the renewed layer application and the application of the second material preferably take place within the time required for the solidification of the two materials.
  • the second material is applied using the droplet generation technique.
  • This technology has proven to be very precise, reliable and simple.
  • the second material has a carrier liquid which is not involved in the hardening reaction, since the wetting of the material mixture of particulate material and the first reactive component can be set independently of the chemical ratio required for the reaction.
  • the hardener input per layer must be set, and this is best regardless of the chosen resolution of the hardener application.
  • a non-reactive carrier liquid is added to the hardener, with the aid of which the desired ratio can be set.
  • Ethanol is preferably used as the carrier liquid. However, other alcohols could also be used, even water could be used. Ethanol is advantageous because it is volatile. Before the casting, however, the complete carrier liquid should be volatilized as possible, since it can negatively influence a casting. In the process itself, a large part of the ethanol evaporates from layer to layer. The remaining content can be evaporated in a short oven process (1 h at more than 80 ° C).
  • Ethanol also has two other positive effects. The
  • Viscosity of the medium to be dosed is a limiting factor with the dod (drop-on-demand) print heads.
  • the viscosity of the hardener can be reduced with ethanol, so that the function of the print heads improves.
  • the amount of hardener to be metered in which is adapted to the chemical ratio, would be so small that one has to assume that the hardening is locally very limited. In addition, too much hardener input would occur at this point, which would adversely affect the chemical reaction and thus have negative effects on the strength of the components.
  • the amount. the carrier liquid can be determined by calculation:
  • the required quantity of hardener 1 is calculated as:
  • Quartz sand, silicate sand, chromite sand, zircon sand, olivine sand, chamotte sand, corundum sand and / or carbon sand good results can be achieved with the models.
  • Newer materials such as synthetic sands, for example Cerabeads, can have advantages in special applications and can also be used. These particle materials can be used individually or as a mixture.
  • the particle material comprises a polystyrene powder, a polyamide powder or other polymer particle materials or a mixture of these powders.
  • a furan resin and / or a phenolic resin is particularly suitable for the first reactive material.
  • the components produced according to the invention can preferably be used as molds for metal casting or for the production of cast-out models for metal casting.
  • the particle material preferably quartz sand
  • the particle material is mixed with a small proportion of synthetic resin (binder) and, in the case of furan and phenolic resins, with a hardener in a vox-specific ratio, either batchwise or continuously, and then processed into a mold.
  • synthetic resin binder
  • Typical mixing ratios are between 0.6 and 1.8% by weight of synthetic resin in the quartz sand.
  • the mold is usually produced in an automatic shot machine by taking a mold, in some cases the mold is also produced by hand.
  • the hardening that is, the bonding of the sand particles to a solid form is then carried out chemically or physically by hardening the binder.
  • the curing process can be supported by heat.
  • the mold When the mold is finished, it is prepared for casting. As a rule, several molded parts such as upper, lower box and cores are installed. If necessary, the molded parts are provided with size. The molten metal is then poured into the designated sprue. The high temperature of the melt leads to the cracking of the synthetic resin in the sand, especially in the edge zones towards the melt. The resulting gas is discharged to the outside via the porosity of the sand.
  • the binder concentration in the mold should be as low as possible his. However, the proportion of binder must be sufficient to ensure the mechanical stability of the mold even under the pressure of the molten metal. In addition, the particles should be bound until the metal has cooled at least in the edge area and forms a so-called cast skin.
  • the sand should ideally trickle out of the mold without the influence of further heat or mechanical aids.
  • the aim is therefore for the layer-by-layer manufacturing process according to the invention to keep the binder content in the particle material as small as possible but sufficient.
  • the foundry sand mixed with binder during the application steps is placed on a platform in a thin layer (approx. 0.15 - 0.3 mm layer thickness) applied.
  • the hardener is then selectively printed onto predetermined areas of the sand by means of a print head. This does not necessarily have to be done in this way, but could also be carried out via another dosage, such as with a screen printing process or the like.
  • a foundry synthetic resin from the family of furan resins is used as the binder according to the example.
  • Other resins such as phenolic resins or PU resins could also be used.
  • the binder material is mixed in batches during the construction process. Care should be taken to ensure that the batch is processed as promptly as possible due to the highly volatile but reactive components in the resin.
  • a large part of the synthetic resin consists of furfuryl alcohol, which has already been temperature has a very high vapor pressure. To avoid an unwanted reduction of these components in the resin, care is taken to ensure that they are processed promptly.
  • the amount of binder can be varied and is preferably in the range from 0.6 to 1.5% by weight of the untreated particle material.
  • a sulphurous acid is used as the hardener.
  • the proportion of the sulfurous acid should, in accordance with the specifications of the binder manufacturer, be in the range from 30% to 50% by weight of the binder proportion. With the binder weight proportions mentioned, approximately 0.18-0.75% by weight of the sand would have to be metered.
  • the percentages of hardener in the mixture have a not negligible influence in the process according to the invention. If too little hardener is applied to the sand layer premixed with the binder, the reaction is delayed or does not start if the minimum amount is undershot.
  • the component can over-harden. Even then, the strength of the manufactured component decreases rapidly.
  • the hardener reaches as many contact surfaces of the particles as possible and that the chemical reaction with the binder starts there. It is also crucial that the hardener is distributed well in the particle material. A local hardener overdose cannot be compensated for over the surface and leads to a reduction in strength. In this respect, it is important that the entire desired area is printed by the hardener to a sufficient extent and as evenly as possible.
  • the amount of hardener must therefore be adapted to the layer volume and the binder concentration. Quantity control via the DOD print heads can only be achieved within limits.
  • the drop size is determined relatively firmly by the design of the printer.
  • the drop diameter of the hardener can be selected in the range of 10 ⁇ m - approx. 200 ⁇ m.
  • the drops have a volume of 180 pl.
  • the number of drops is determined by the desired resolution. This means that if you adjust the hardener input by changing the number of drops, the quality of the components produced, which is largely determined by the print resolution, can suffer. In the worst case, the drops have to be placed so far apart that the homogeneity of the hardener entry is no longer sufficient to cover the binder over the entire desired
  • the hardener is admixed with a non-reactive carrier liquid, with the aid of which the desired quantitative ratio can be set more easily.
  • a non-reactive carrier liquid ethanol.
  • the amount of carrier liquid is calculated as follows:
  • the quartz sand weight per layer is 315 g;
  • the mass fraction of the binder in the quartz sand is 1.0% by weight ° - I •
  • the mass fraction of the hardener in the quartz sand X h is 0.5% by weight.
  • the desired print resolution r p is 150 dpi
  • the drop volume f, d is 180 pl
  • the construction area A is 1.125 m 2
  • the density of the hardener p ⁇ is 1.206 kg / 1.
  • a certain amount of untreated particle material 1 is removed from a so-called big bag 2 and fed to a mixer 4 via a conveyor section 3, for example a pneumatic conveyor. This mixes the particle material 1
  • the storage container 5 is equipped with a level sensor and triggers the mixing process when underfilled. If an electromechanical vibrator is additionally provided on the storage container, bridging in the quartz sand, which is a common problem, can be avoided or at least significantly reduced.
  • the now slightly sticky, pre-mixed particle material as described is conveyed to the coater 7 via a screw conveyor 6 'depending on the requirements of the coater.
  • This system described is characterized by complete automation and can be operated without interruption in continuous operation with a corresponding particle material supply.

Abstract

Es wird ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Modellen beschrieben, wobei auf eine Bauplattform ein erstes Material und daran anschliessend selektiv ein zweites Material jeweils schichtweise aufgetragen wird und diese beiden Auftragungsschritte wiederholt werden, bis ein gewünschtes Modell erhalten wird. Die beiden Materialien bilden bei einem geeigneten Mischungsverhältnis einen Festkörper und das erste Material stellt ein Materialgemisch dar. Das Materialgemisch wird zumindest teilweise vor dem jeweiligen Auftragungsschritt zubereitet.

Description

Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Modellen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Modellen oder/und Formen nach dem 0- berbegriff des Patentanspruches 1.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt bei der werkzeuglosen Herstellung von Gießformen oder Gussmodellen das Rapid- Prototyping-Verfahren zu verwenden.
Aus der DE 198 53 834 AI ist beispielsweise ein Rapid- Prototyping-Verfahren insbesondere zum Aufbauen von Gussmodellen bekannt. Bei diesem Verfahren wird unbehandeltes Partikelmaterial, wie Quarzsand, auf eine Bauplattform in einer dünnen Schicht aufgetragen. Danach wird mit Hilfe einer
Spray-Vorrichtung ein Bindemittel auf das gesamte Partikelmaterial in möglichst feiner Verteilung aufgesprüht. Anschließend wird darüber auf ausgewählte Bereiche Härter dosiert, wodurch erwünschte Bereiche des Partikelmaterials verfestigt werden. Nach mehrmaliger Wiederholung dieses Vorgangs kann ein individuell geformter Körper aus dem gebundenen Partikelmaterial bereitgestellt werden. Dieser Körper ist zunächst in dem umliegenden, ungebundenen Partikelmaterial eingebettet und kann nach Abschluss des Bauvorganges aus dem Partikelbett entnommen werden.
Wird beispielsweise bei einem derartigen Rapid-Prototyping- Verfahren als Partikelmaterial ein Quarzsand verwendet und als Bindemittel ein Furanharz, kann mit Hilfe einer schwefeligen Säure als Härter eine Gussform -"hergestellt werden, die aus üblicherweise bei der Formherstellung verwendeten und daher dem Fachmann bekannten Materialien besteht.
Bei derartigen Rapid-Protoyping-Verfahren muss, wie beschrieben wurde, zuerst das Partikelmaterial, dann das Bindemittel und daran anschließend der Härter aufgetragen werden. Dies erfordert für jede Schicht ein dreimaliges Auftragen von Ma- terialien und ist damit sehr zeitintensiv.
Es wurde schon seit längerer Zeit versucht, zumindest einen Beschichtungsschritt zum Verkürzen der Herstellungszeit des Modelies zu eliminieren.
So wird beispielsweise in der EP 0 711 213 Bl ein weiteres Rapid-Prototyping-Verfahren beschrieben, nämlich das selektive Lasersintern. Hierbei wird als Parikel aterial Croning- sand, das heißt warmumhüllter Gießereisand mit Resol- oder Novolack-Harz, verwendet. Das bedeutet, es muss nur das mit Harz versehene Partikelmaterial aufgetragen werden und die Auftragung des Bindemittels entfällt. Es können dabei ebenso gießereiübliche Materialien verwendet werden und damit aus üblichen, dem Fachmann gej-äufigen Materialien bestehende Gussmodelle hergestellt werden.
Allerdings weist dieses Herstellungsverfahren auch erhebliche Nachteile auf. So wird das Harz im Sand während des Belichtungs-Prozesses nicht vollständig gehärtet. Dies führt zu ei- ner geringeren sogenannten Grünteilfestigkeit der hergestellten Formen. Erst nach dem Entfernen des losen Sandes und einem anschließenden Ofenprozess wird die gewünschte Festigkeit erzielt. Neben dem zusätzlichen Verfahrensschritt im Ofen be- steht beim Entsanden und Handling der „Grünlinge eine hohe Bruchgefahr. Während des Ofenprozesses kann zudem ein unerwünschter Verzug der Bauteile auftreten.
Daneben weisen Croningsande eine relativ hohe thermische Stabilität auf, die bei den relativ geringen Gießtemperaturen beim Leichtmetallguss zu einer schlechten Entkernbarkeit führt.
Für das selektive Lasersintern sind zudem Croningsande mit erhöhtem Binderanteil erforderlich. Die Folge davon sind größere Gasmengen während der Pyrolyse des Binders beim ??? des Abgusses und damit eine erhöhte Ausschuss-Gefahr wegen Lunkern im Bauteil.
Darüber hinaus weist das selektive Lasersintern im Allgemeinen den Nachteil auf, dass der Laser einen hohen Aufwand erfordert und daneben der Belichtungssσhritt auch relativ zeit- intensiv ist.
Auch stehen für das selektive Lasersintern eine nur sehr eingeschränkte Auswahl an Sandsorten und Körnungen zur Verfügung so dass dieses Verfahren auch wenig flexibel ist.
Aus der US 5,204,055 beziehungsweise der EP 0 431 924 Bl ist ein sogenanntes 3D-Drucken bekannt. Hierbei wird Partikelmaterial durch den Eintrag von Bindermaterial selektiv verklebt. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass es gegen- über dem selektiven Lasersintern auf einer kostengünstigen Drucktechnologie basiert. Allerdings können typische gießereiübliche Binder wegen der ungünstigen Stoffeigenschaften nur unter hohem technischen Aufwand dosiert werden. Es besteht zudem die Gefahr, dass die Düsen zum Dosieren des Bindemittels verkleben und ausfallen.
Durch einen Tropfeneintrag des Bindemittels ist die Durchmischung des Binders im Bauteil sehr schlecht. Um zu vergleichbaren Festigkeiten wie bei konventionell angemischten Sanden zu kommen, müssen wesentlich höhere Bindermengen eindosiert werden, was wiederum zu Problemen beim Abguss aufgrund der erhöhten Gasmengen führt.
In der PCT/DE00/03324 wird ein weiteres 3D-Druckverfahren of- fenbart. Es handelt sich dabei um selektives Bedrucken von mit Binder vermischten Partikeln mit einem Aktivator, an das sich eine Gashärtung anschließt.
Vorteilhaft hierbei ist wiederum, dass gießereiübliche Mate- rialien verwendet werden können.
Allerdings ist die Gashärtung bei diesem Verfahren aufwändig. Zum Teil sind gesundheitsgefährdende Stoffe wie S02 notwendig, so dass der apparative Aufwand sehr hoch und das sichere Be- dienen der Vorrichtungen kostenintensiv wird.
Da vor dem Härtungsschritt nicht einmal ansatzweise eine Verfestigung des Bauteils stattfindet, kann es durch leichte Verschiebungen des Pulverbetts beim Beschichten zur Zerstö- rung des gesamten Bauteils kommen.
Ein weiteres 3D-Druckverfahren ist aus der DE 197 23 892 AI bekannt. Hierbei handelt es sich um ein selektives Bedrucken von mit Binder umhüllten Partikeln, sogenannten Croningsand, mit Moderiermittel. Daran schließt sich wieder eine Härtung an, die gemäß der Offenbarung dieser Druckschrift über Strahlung erfolgt. Auch bei diesem Verfahren können vorteilhafter Weise gießereiübliche Materialien verwendet werden. Jedoch ist auch bei diesem Verfahren das Härten der Bauteile sehr kompliziert, denn der notwendige eng tolerierte Temperaturwechsel erfordert einen hohen apparativen Aufwand.
Bei dem in der DE 198 53 834 AI offenbarten Verfahren, wiederum einem 3D-Druckverfahren, findet ein selektives Bedrucken von mit Binder besprühten Partikeln mit Härter statt . Auch hier können wieder flexibel gießereiübliche Materialien verwendet werden.
Die Nachteile dieses Verfahrens sind der komplizierte Sprühauftrag des Binders, die inhomogene Binderdurchmischung und die hohen Binderkonzentrationen im Bauteil.
Daneben ist aufgrund von Nebelbildung im Bauraum durch den
Sprühvorgang ein hoher Verschmutzungsgrad der Anlage die Folge. Eine Folge davon ist, dass eine aufwändige Reinigung am Druckkopf erforderlich ist, da sonst ein Aushärten des Materials an den Düsen erfolgt und zu deren Zerstörung führt.
Ähnliche Nachteile weist das in der WO 01/72502 AI beschriebene selektives Bedrucken von unbehandeltem Sand mit Binder und Härter auf.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit dem es möglich ist, den schichtweisen Aufbau von Modellen in möglichst zeitsparender und kostengünstiger Art und Weise durchzuführen. Daneben soll das Verfahren für den industriellen Einsatz aufgrund seiner Zuverlässigkeit und Bedienungsfreundlichkeit einsetzbar sein. Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Modellen, wobei auf eine Bauplattform ein ers- tes Material und daran anschließend selektiv ein zweites Material jeweils schichtweise aufgetragen wird und diese beiden Auf ragsschritte immer wiederholt werden, bis ein gewünschtes Modell erhalten wird. Dazu bilden die beiden Materialien bei einem geeigneten Mischungsverhältnis einen Festkörper. Das erste Material stellt hierbei ein Materialgemisch dar und wird zumindest teilweise vor dem jeweiligen Auftragschritt zubereitet .
Dieses Verfahren hat sich als vorteilhaft erwiesen, da mit ihm die Verarbeitungszeiten des Materialgemisches kurz gehalten werden können und so die leicht flüchtigen Inhaltsstoffe im Bindermaterial enthalten bleiben. Die Aufbereitung kann dabei bedarfsgemäß während des Auftragungsprozesses erfolgen.
Es wäre aber ebenso möglich, die gesamte für das Verfahren notwendige Menge an Material vorher anzumischen, jedoch müss- te man dann geeignete, sehr aufwändige Maßnahmen ergreifen, um das Abdampfen flüchtiger Komponenten im Binder zu verhin- dern. Dieser hohe apparative Aufwand soll hierbei jedoch gerade vermieden werden.
Ein weiterer Vorteil dieser sogenannten „In-Prozess- Anmischung" besteht auch in der größeren Flexibilität. Es wird zum einen nur soviel Sand angemischt, wie tatsächlich gebraucht wird. Das bedeutet, dass falls der Prozess vorzeitig beendet wird, kein unnötiger Abfall entsteht. Sollte sich der Bauprozess durch Zuladen von Bauteilen verlängern, ent- steht nicht die Gefahr des Materialmangels aufgrund der anfänglich festgelegten Materialmenge. Zudem kann sogar während des Prozesses der Sand und die Rezeptur geändert werden. Der Nutzer muss sich damit nicht wie beim selektiven Lasersinter- Verfahren schon zu Beginn des Prozesses für eine Materialsorte für den gesamten Bauprozess entscheiden.
Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens im Vergleich zum selektiven Lasersintern ist die Verwendung von kostengünstigen Ausgangsstoffen im Gegensatz zu teuren Spezialsanden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Materialgemisch kontinuierlich zubereitet. Das bedeutet, dass das Gemisch immer in etwa gleich "alt" ist und damit die gleichen Eigenschaften bezüglich eventuell ver- dampfter Komponenten usw. aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Materialgemisch chargenweise zubereitet. Eine kontinuierliche Anmischung, wie sie bei kon- ventionellen Formverfahren üblich ist, wäre zwar ebenfalls möglich, aufgrund der relativ geringen Verarbeitungsgeschwindigkeit während des Schichtaufbaus aber technisch aufwändig.
Vorzugsweise weist das Materialgemisch ein Partikelmaterial und ein reaktives Material auf.
Weist dann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das zweite Material gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einen Aktivator auf, dann kann ein Verbinden der Komponenten bei Raumtemperatur durch eine chemische Reaktion erfolgen.
Hierfür wäre es möglich dass das Aushärten des Materialverbundes aufgrund einer chemischen Reaktion der Materialien er- folgt. Ebenso wäre aber auch eine Aushärtung durch einen physikalische Reaktion zwischen den Materialien denkbar.
Vorzugsweise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der erneute Schichtauftrag und das Auftragen des zweiten Materials innerhalb der Zeit, die zur Verfestigung der beiden Materialien benötigt wird. Dadurch kann eine Verfestigung innerhalb der Teilfläche und zur darunter liegenden Schicht und damit ein besserer Schichtenverbund erzielt werden.
Besonders gute Ergebnisse konnten erreicht werden, wenn beim Zubereiten des Materialgemisches eine Restporosität bestehen bleibt, da damit eine erhöhte Gasdurchlässigkeit einhergeht, die sich beim Guss vorteilhaft auswirkt. Zudem erreicht das zweite Material dann auch tiefer liegende Partikel, was zu einer bessern Durchhärtung führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das zweite Material mittels Tropfchenerzeu- gungstechnik aufgetragen. Diese Technik hat sich als sehr exakt, zuverlässig und einfach erwiesen.
Ein Auftragen des zweiten Materials mittels Dispenstechnik wäre jedoch ebenfalls denkbar.
Besonders gute Ergebnisse konnten erzielt werden, wenn das zweite Material eine nicht an der Härtereaktion beteiligte Trägerflüssigkeit aufweist, da mit einer solchen die Benetzung des Materialgemisches aus Partikelmaterial und der ers- ten reaktiven Komponente unabhängig von dem zur Reaktion notwendigen chemischen Mengenverhältnis eingestellt werden kann. Weiterhin besteht der Wunsch, unterschiedliche Schichtstärken verarbeiten zu können. Das bedeutet auch, dass der Härtereintrag pro Schicht eingestellt werden muss und das am besten unabhängig von der gewählten Auflösung des Härterauftrages.
Aus diesem Grund wird dem Härter eine nicht reaktive Trägerflüssigkeit beigemischt, mit deren Hilfe das gewünschte Mengenverhältnis eingestellt werden kann.
Vorzugsweise wird als Trägerflüssigkeit Ethanol verwendet. Es könnte aber auch andere Alkohole verwendet werden, selbst Wasser wäre einsetzbar. Ethanol ist deshalb vorteilhaft, weil es leicht flüchtig ist. Vor dem Abguss sollte aber möglichst die komplette Trägerflüssigkeit verflüchtigt sein, da sie ei- nen Abguss negativ beeinflussen kann. Im Prozess selbst dampft bereits ein großer Teil des Ethanols von Schicht zu Schicht ab. Der Restgehalt kann in einem kurzen Ofenprozess (1 h bei mehr als 80 °C) verdampft werden.
Ethanol hat zudem noch zwei weitere positive Effekte. Die
Viskosität des zu dosierenden Mediums ist bei den dod (drop- on-demand) -Schreibköpfen ein beschränkender Faktor. Mit Ethanol kann die Viskosität des Härters herabgesetzt werden, so dass sich die Funktion der Druckköpfe verbessert.
Ohne einen Verdünner wäre eine dem chemischen Mengenverhältnis angepasste einzudosierende Härtermenge so gering, dass man von einer lokal stark begrenzten Härtung ausgehen muss. Zudem würde an dieser Stelle ein zu hoher Härtereintrag er- folgen, der die chemische Reaktion nachteilig beeinflussen würde und damit negative Auswirkungen auf die Festigkeit der Bauteile hätte. Die Menge. der Trägerflüssigkeit kann rechnerisch bestimmt werden:
Ist der gewünschte Massenanteil des Härters im Partikelmaterial Xh, das Partikelmaterialgewicht pro Schicht ms,ι dann berechnet sich die erforderliche Härtermenge 1 zu:
Ist zusätzlich die gewünschte Druckauflösung rp in dpi, das Volumen der Flüssigkeitstropfen vf,d, die Baufeldfläche Ab, die Dichte des Härters ph , dann berechnet sich der Volumenanteil der Trägerflüssigkeit xt
Figure imgf000012_0001
Wird als Partikelmaterial ein Formsand wie beispielsweise
Quarzsand, Silikatsand, Chromitsand, Zirkonsand, Olivinsand, Schamottsand, Korundsand oder/und Carbonsand verwendet, können gute Ergebnisse bei den Modellen erreicht werden. Neuere Materialien wie synthetische Sande, beispielsweise Cerabeads, können Vorteile bei Spezialanwendungen aufweisen und sind e- benso verwendbar. Diese Partikelmaterialien können einzeln o- der als Mischung eingesetzt werden.
Ebenso wäre es gemäß der Erfindung denkbar, dass das Parti- kelmaterial ein Polystyrolpulver , ein Polyamidpulver oder andere Polymer-Partikelmaterialien bzw. eine Mischung dieser Pulver aufweist.
Für das erste reaktive Material eignet sich besonders ein Fu- ranharz oder/und ein Phenolharz. Die erfindungsgemäß hergestellten Bauteile können vorzugsweise als Formen für den Metallguss oder zum Herstellen von Ausschmelzmodellen für den Metallguss verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird das Partikelmaterial, vorzugsweise Quarzsand, mit einem geringen Anteil Kunstharz (Binder) und im Fall der Furan- und Phenolharze mit einem Härter im voxbe- stimmten Verhältnis entweder chargenweise oder kontinuierlich gemischt und anschließend zur einer Form verarbeitet. Typische Mischungsverhältnisse liegen zwischen 0,6 und 1,8 Gew.-% Kunstharzanteil im Quarzsand.
Konventionell erfolgt die Herstellung der Form üblicherweise in einem Schussautomaten durch Abformung von einem Werkzeug, teilweise erfolgt die Herstellung der Form auch von Hand. Die Härtung, das bedeutet das Verkleben der Sandpartikel zu einer festen Form erfolgt dann chemisch oder physikalisch durch Aushärten des Binders. Der Aushärteprozess kann durch Wärme unterstützt werden.
Ist die Form dann fertig gestellt, wird sie zum Guss vorbereitet. In der Regel werden mehrere Formteile wie Ober-, Unterkasten und Kerne montiert. Bei Bedarf werden die Formteile noch mit Schlichte versehen. Anschließend wird das flüssige Metall in den dafür vorgesehenen Einguss gegossen. Die hohe Temperatur der Schmelze führt zum Cracken des Kunstharzanteils im Sand, speziell in den Randzonen zur Schmelze hin. Das dabei entstehende Gas wird über die Porosität des Sandes nach außen abgeführt.
Damit unerwünschte Gaseinschlüsse vermieden werden, sollte die Binderkonzentration in der Form so gering wie möglich sein. Jedoch muss der Binderanteil ausreichen, um die mechanische Stabilität der Form auch unter dem Druck der Metallschmelze zu gewährleisten. Zudem sollen die Partikel solange gebunden werden, bis das Metall zumindest im Randbereich ab- gekühlt ist und eine sogenannte Gusshaut bildet.
Nach der Erstarrung des Metalls soll der Sand idealerweise möglichst ohne Einwirkung weiterer zugeführter Wärme oder mechanischer Hilfsmittel aus der Form rieseln.
Die Zielsetzung ist deshalb für den erfindungsgemäßen schichtweisen Herstellprozess ein möglichst kleiner aber ausreichender Bindergehalt im Partikelmaterial.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Zur näheren Erläuterung wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele nachfolgend und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigt dabei die einzige Figur das Vormischen und Zuführen des vorgemischten Materials.
Beispielhaft soll im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung für den Einsatz beim schichtweisen Aufbau von Gussmodellen aus Partikelmaterial, hier Gießereisand, Bindemittel und Härter bei einem Rapid- Prototyping-Verfahren erläutert werden.
Der mit Binder während der Auftragungsschritte angemischte Gießereisand wird auf eine Plattform in dünner Schicht (ca. 0,15 - 0,3 mm Schichtdicke) aufgetragen. Anschließend wird mittels eines Druckkopfs der Härter selektiv auf vorbestimmte Bereiche des Sandes aufgedruckt. Dies muss nicht notwendigerweise derart erfolgen, sondern könnte auch über eine andere Dosierung, wie zum Beispiel mit einem Siebdruckverfahren oder Ähnlichem durchgeführt werden.
Überall dort, wo der Härter in den Sand eindringt, startet eine chemische Reaktion und die Partikel verkleben miteinan- der lokal begrenzt, nämlich nur genau dort, wo Härter aufgebracht wurde. In den restlichen Bereichen findet keine Reaktion statt, mit Binder angemischter Quarzsand bleibt damit ungebunden. Im nächsten Schritt wird die Bauplattform um den entsprechenden Wert der Schichtstärke abgesenkt und der Pro- zess bestehend aus Auftragen des vorgemischten Sandes und Bedrucken mit Härter an ausgewählten Bereichen erfolgt von Neuem. Diese Prozess-Schleife wird solange wiederholt, bis die gewünschte Bauhöhe erreicht ist und das Bauteil fertig gestellt wurde. Dieses liegt nun eingebettet im ungehärteten Sand vor und muss lediglich vom umliegenden Sand befreit werden .
Als Binder wird gemäß des Beispiels ein gießereiübliches Kunstharz aus der Familie der Furanharze verwendet. Andere Harze wie zum Beispiel Phenolharze oder auch PU-Harze könnten ebenfalls eingesetzt werden.
Das Anmischen des mit Bindemittel versehenden Partikelmaterials erfolgt chargenweise während des Bauprozesses. Wobei dar- auf geachtet werden soll, dass die Charge aufgrund der leicht flüchtigen aber reaktionstreibenden Komponenten im Harz möglichst zeitnah verarbeitet wird. Ein großer Teil des Kunstharzes besteht aus Furfurylalkohol, der bereits bei Raumtem- peratur einen sehr hohen Dampfdruck aufweist. Um eine ungewollte Reduktion dieser Komponenten im Harz zu vermeiden, wird eben auf eine zeitnahe Verarbeitung geachtet.
Die Bindermenge kann variiert werden und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,6 - 1,5 Gew.-% des unbehandelten Partikelmaterials .
Als Härter wird gemäß dem beschriebenen Beispiels eine schwe- feiige Säure verwendet. Für eine ideale chemische Reaktion mit dem Bindemittel sollte der Anteil der schwefeligen Säure entsprechend den Vorgaben des Bindemittelherstellers im Bereich von 30 % bis 50 Gew. % des Bindemittelanteils betragen. Bei den genannten Bindemittelgewichtsanteilen müssten somit ca. 0,18 - 0,75 Gew. % des Sandes dosiert werden.
Die prozentualen Anteile des Härters in der Mischung haben bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss. Wird zu wenig Härter auf die mit dem Bindemittel vorgemischte Sandschicht eingebracht, verzögert sich die Reaktion oder startet bei Unterschreiten einer Mindestmenge gar nicht.
Wird dagegen zuviel Härter eingebracht kann das Bauteil über- härten. Auch dann nimmt die Festigkeit des hergestellten Bauteils rapide ab.
Wichtig ist zudem, dass der Härter an möglichst viele Kontaktflächen der Partikel gelangt und dort die chemische Reak- tion mit dem Bindemittel startet. Zudem ist entscheidend, dass sich der Härter gut im Partikelmaterial verteilt. Eine lokale Härterüberdosierung kann nicht über die Fläche kompensiert werden und führt zur Verringerung der Festigkeit. Insofern ist es wichtig, dass der gesamte gewünschte Bereich von dem Härter in ausreichendem Maße und möglichst gleichmäßig bedruckt wird.
Die Härtermenge muss deshalb an das Schichtvolumen und die Binderkonzentration angepasst werden. Eine Mengensteuerung ü- ber die DOD-Druckköpfe ist nur in Grenzen erzielbar. Die Tropfengröße ist bei diesen Systemen nämlich relativ fest durch die Gestaltung Design des Druckers bestimmt. Typischerweise kann man den Tropfendurchmesser des Härters im Bereich von 10 μm - ca. 200 μm wählen. In unserem Fall weisen die Tropfen ein Volumen von 180 pl auf. Zudem wird die Anzahl der Tropfen durch die gewünschte Auflösung bestimmt. Das heißt, passt man den Härtereintrag durch Veränderung der Tropfenanzahl an, kann die Qualität der hergestellten Bauteile, die maßgeblich durch die Druckauflösung bestimmt wird, leiden. Im schlimmsten Fall müssen die Tropfen so weit voneinander platziert werden, dass die Homogenität des Härtereintrages nicht mehr ausreicht, um den Binder über die gesamte gewünschte
Fläche zu härten. Die Festigkeit des Bauteils würde sich dadurch deutlich verringern.
Die Problematik der Tropfengröße und Tropfenmenge wird durch den Wunsch verstärkt, unterschiedliche Schichtstärken verarbeiten zu können. Das bedeutet auch, dass der Härtereintrag pro Schicht eingestellt werden muss und das am besten unabhängig von der gewählten Auflösung.
Aus diesem Grund wird dem Härter eine nicht-reaktive Trägerflüssigkeit beigemischt, mit deren Hilfe das gewünschte Mengenverhältnis leichter eingestellt werden kann. Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist die nicht-reaktive Trägerflüssigkeit Ethanol.
Im vorliegenden Beispiel errechnet sich die Menge Trägerflüs- 5 sigkeit wie folgt:
Das Quarzsandgewicht pro Schicht beträgt 315 g;
Der Massenanteil des Binders im Quarzsand beträgt 1,0 Gew.- e °- I•
10 Der Massenanteil des Härters im Quarzsand Xh beträgt 0,5 Gew.-
) s- ■
Daraus ergibt sich eine rechnerische Härtermenge in der Schicht von 1,58 g;
15 Die gewünschte Druckauflösung rp beträgt 150 dpi, das Tropfenvolumen f,d beträgt 180 pl, die Baufeldfläche A beträgt 1,125 m2 , die Dichte des Härters p^ beträgt 1,206 kg / 1, Damit ist der Volumenanteil des Härters an der Gesamtdosier-
20 menge 18,5 % .
Mit Bezug auf die Figur wird beschrieben, wie das Vormischen und das Zuführen des vorgemischten Materials zum Beschichter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgen kann.
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Dafür wird eine bestimmte Menge unbehandeltes Partikelmaterial 1 aus einem sogenannten Big-Bag 2 entnommen und über eine Förderstrecke 3, beispielsweise einem Pneumatikförderer, einem Mischer 4 zugeführt. Dieser mischt das Partikelmaterial 1
30 in der Mischkammer z.B. über ein rotierendes Flügelrad in gegebener Rezeptur mit dem Kunstharzbindemittel und führt die erhaltene Charge einem sogenannten Vorlagebehälter 5 zu. Der Vorlagebehälter 5 ist mit einem Füllstandssensor ausgestattet und löst den Mischvorgang bei Unterfüllung aus. Ist zusätzlich am Vorlagebehälter ein elektromechanischer Vibrator vorgesehen, so kann eine Brückenbildung im Quarzsand, die ein häufiges Problem darstellt, vermieden oder zumindest deutlich verringert werden.
Das nun leicht klebrige, wie beschrieben vorgemischte Partikelmaterial wird über einen Schneckenförderer 6' je nach Anforderung des Beschichters 7 zu diesem befördert.
Dieses beschriebene System zeichnet sich durch eine vollständige Automatisierung aus und kann bei einem entsprechenden Partikelmaterialvorrat unterbrechungslos im Dauerbetrieb betrieben werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Modellen, wobei auf eine Bauplattform ein erstes Material und daran anschließend selektiv ein zweites Material jeweils schichtweise aufgetragen wird und diese beiden Auftragungsschritte wiederholt werden, bis ein gewünschtes Modell erhalten wird, die beiden Materialien bei einem geeigneten Mischungsverhältnis einen Festkörper bilden und das erste Material ein Materialgemisch darstellt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Materialgemisch zumindest teilweise vor dem jeweiligen Auftragungsschritt zubereitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Materialgemisch kontinuierlich zubereitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Materialgemisch chargenweise zubereitet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Materialgemisch ein Partikelmaterial und eine erste reaktive Materialkomponente aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das zweite Material eine zweite reaktive Komponente, insbesondere einen Aktivator aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h. n e t, dass ein erneutes Auftragen des ersten und zweiten Materials vor Ablauf einer Verfestigungszeit der beiden Materialien erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass beim Zubereiten des Materialgemisches eine Restporosität bestehen bleibt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das zweite Material mittels Tröpfchenerzeugungstechnik aufgetragen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das zweite Material mittels Dispenstechnik aufgetragen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das zweite Material eine Trägerflüssigkeit aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Aushärten eines Verbundes aus den Materialien aufgrund einer chemischen Reaktion erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Aushärten des Verbundes aus den Materialien aufgrund eines physikalischen Vorganges erfolgt.
13.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Partikelmaterial einen Formsand ausgewählt aus der Gruppe der Quarzsande, Zirkonsande, Olivinsande, oder/und Schamottsande aufweist.
14. erfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Partikelmaterial ein Polystyrolpulver oder/und ein Polyamidpulver und/oder ein anderes Polymerpulver aufweist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das erste reaktive Material ein Furanharz oder/und ein Polyurethanharz aufweist.
16.Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Herstellen von Bauteilen als Formen für den Metallguss.
17.Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Herstellen von Ausschmelzmodellen für den Metallguss .
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