CN114585460A

CN114585460A - 由粒状材料的聚结进行增材制造的方法和设备

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Publication number: CN114585460A
Application number: CN201980098937.8A
Authority: CN
Inventors: 让-伊夫·阿斯科埃; 帕斯卡·莫尼奥尔; 图格杜阿勒·乐-尼尔
Original assignee: Ecole Centrale de Nantes
Current assignee: Ecole Centrale de Nantes
Priority date: 2018-07-07
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2022-06-03
Also published as: WO2020011734A1; EP3996857A1; FR3083472A1; US11992873B2; US20220347739A1; FR3083472B1; EP3996857B1

Abstract

本发明涉及一种由型砂粒状材料制造结构件（151）、特别是模具的方法，该方法包括以下步骤：i.沉积型砂层；ii.通过喷嘴喷射溶解在溶剂中的M2SiO3型（偏）硅酸盐的无机粘结剂来选择性聚结型砂层；iii.其中，在无机粘结剂喷射之前，无机粘结剂被加热到能够赋予其小于0.2 Pa.s的粘度的温度。本发明还涉及一种用于实现这种方法的设备。

Description

由粒状材料的聚结进行增材制造的方法和设备

技术领域

本发明涉及由粒状材料的聚结进行增材制造的方法和设备。本发明特别地但不排他地适用于铸造领域，用于制造模具、冲模以及砂芯，而不使用由木材、蜡、合金或聚合物制成的物理模型。

砂模是一次性模具，包括砂型和可能的砂芯，砂芯以反向体积再现模制部件的形状。根据传统技术，模具是通过在模型周围或在模型（被称为芯盒）中压实粒状耐火材料（被称为型砂）来分别获得砂型和砂芯。一旦获得了砂型，就通过一个或多个分型面打开模具取出模型、或在铸造前或铸造中破坏模型使其来从模具中脱除。模型通过手工模制、机加工或增材制造获得。

除模制部件的形状外，模具还包括其他设置，如浇注孔或排气孔，其制造方法以与砂型相同。

为了固定模具的形状并硬化砂型的表面，经常将添加剂（通常是热固性树脂）添加到型砂中，并通过蒸煮或化学方式使其硬化。在铸造过程中，树脂与熔化金属接触会释放出二氧化碳，这会造成环境问题，而且也很可能在模制的部件中产生缺陷。虽然有无机粘结剂，但几乎不使用这些粘结剂。粘结剂的硬化必须能够使砂型稳定，但是同时，砂型结构需保持足够的脆性，以保证轻松脱模，而不会损坏模制部件。最后，目的之一是可以回收利用型砂。

本发明的目的是提出用于在不使用模型的情况下通过增材制造来制造砂结构、特别是模具的设备和方法，该设备和方法解决了现有技术中使用有机粘结剂带来的缺点，同时通过保留部件脱模能力、特别是自动脱模能力而与具有高熔点的材料（比如铁-石墨铸铁）的模制过程相适应。

本发明的另一个目的是由聚结的粒状材料形成部件，聚结的粒状材料的物理化学特性在部件的不同方向上是不同的。

在全文中，术语“型砂”是指一种能够被压实/聚结以形成定义的形状的粒状材料。

现有技术

文件EP-B-0431924描述了一种增材制造方法，其中，根据特定路径将粘结剂喷射在粒状材料层上。喷射了粘结剂的颗粒层聚结，而其他颗粒仍是自由的。粘结剂是树脂或呈硅酸盐基胶体悬浮液形式的无机粘结剂。通过在基层上重复沉积操作，该方法可以由粒状材料生产部件。

现有技术及其最近的衍生技术的缺点在于，粘结剂的粘度低以流过打印头并浸渍其喷射的区域。然而，现实中难以获得既具有低粘度又包含足够粘结剂含量能使砂层粒子快速聚结的非有机粘结剂的胶体悬浮液，而实践中市售的设备使用的是低粘度的有机树脂，如粘结剂，其粘度典型地约为0.005到0.2 Pa.s。

文件US 2014 212677描述了一种通过增材制造来制造模具的方法，其中，硅酸盐碱性溶液被用作粘结剂，通过干喷获得粉末，再将粉末用于选择性聚结。在进行选择性聚结之前，将所述硅酸盐碱性溶液的粒子添加到型砂中或沉积在型砂层上。并通过确定的路径喷水完成选择性聚结。将颗粒聚结的粘结剂被谁溶解后，通过自然或加速干燥实现凝固。实现此方法的困难之处特别在于控制受粘结剂活化影响的区域，即与水接触的区域。将粘结剂添加到型砂中或预先喷射在型砂上，比目标区域大的区域容易受该过程的影响，除了型砂之外，还包括添加水硬性粘结剂，该水硬性粘结剂能够将水限制在打印头扫描的区域中。

文件US 2017/320128描述了一种粒状材料的选择性聚结方法：喷射一种在25°C时具有低粘度的无机粘结剂。

文件US 2011/108232描述了一种通过使用包括胶原的有机粘结剂来选择性聚结粒状材料的方法。

发明内容

本发明旨在解决现有技术的缺点并涉及一种用于由被称为型砂的粒状材料制造结构件、特别是模具的方法，所述制造方法包括增材制造阶段，该方法包括以下步骤：

i. 沉积型砂层；

ii. 通过打印头将溶解在溶剂中的M₂SiO₃型（偏）硅酸盐的无机粘结剂喷射至型砂层进行选择性聚结，其中，无机粘结剂在喷射之前被加热到粘度低于0.2 Pa.s。

因此，通过将（偏）硅酸盐与溶剂、特别是水混合形成液态玻璃，在液态玻璃喷射前加热该液态玻璃，使其粘度适于通过喷嘴或打印头，同时确保要聚结的区域能被充分选择性浸渍。控制有机粘结剂的粘度还可以向其添加特定添加剂、特别是可以改变聚结区的特性，同时保留适于喷射和聚结的粘度。

根据下面概述的实施方式和实施方式的变型可以有利地实现本发明，这些实施方式和实施方式的变型将被单独考虑或根据任何技术上可能的组合来考虑。

有利地，M单独地或组合地选自钠、钾和锂。

无机粘结剂中（偏）硅酸盐的含量在5%到90%之间、优选地在10%到40%之间。

根据一个特定的实施方式，无机粘结剂包含颜料或纳米粒子的添加剂。此实施方式可以改变由添加剂聚结的区域的特性。

有利地，M是钠，并且无机粘结剂中的硅酸钠的比例等于30%。Na₂SiO₃由于其成本低而是特别有利的。30%的比例可以得到适于实现该方法的粘度。

有利地，溶剂是水。

有利地，本发明的方法在步骤ii）之后包括以下步骤：

iii. 将受粘结剂喷射影响的区域干燥。

因此，粘结剂的凝固速度更快，模具制作也更快。

根据实施方式，通过加热进行干燥。

根据此实施方式的变型，在增材制造过程中或完成后，将粘结剂喷射区域或整个结构进行加热。

根据另一个实施方式，将受粘结剂的喷射影响的区域与CO₂接触进行干燥。

根据本发明方法的实施方式，步骤i）借助于以恒定速度移动的料斗来进行，还包括在步骤ii）之后沉积粒状材料层的步骤，粒状材料的性能与在进行步骤i）中沉积的粒状材料不同。此实施方式在部件厚度方向上产生性能变化，特别是使其适于承受使用期间的应力，或者在将所获得的部件用作模具的情况下影响铸造材料的流动性或冷却速度。

根据一个实施方式，本发明的方法在步骤ii）之后或在步骤iii）之后包括以下步骤：

iv. 从砂床中提取聚结的基材，

并且有利地，此步骤包括在砂床下方注入气体，使所述砂床的非聚结部分流态化。因此，聚结的结构容易从砂床中取出。

本发明还涉及一种用于根据其实施方式中的任一个实施方式实现本发明的方法的设备，该设备包括：

- 保持装置，该保持装置适于包含砂床；

- 喷嘴，该喷嘴适于将无机粘结剂喷射在砂床的定义区域上；

- 用于喷嘴相对于砂床的相对运动的控制装置；

- 用于在保持装置中沉积砂层的装置；

- 用于在无机粘结剂由喷嘴喷射之前加热无机粘结剂的装置。

根据本发明的设备的第一实施方式，无机粘结剂包含在加热后的容器中。

根据与前一实施方式相容的第二实施方式，用于加热本发明的设备中的有机粘结剂的装置包括用于在粘结剂进入喷嘴或从储器运送到喷嘴期间加热所述粘结剂的装置。

因此，可以在向砂床喷射期间将粘结剂加热到适于所期望的效果的温度。

有利地，本发明的设备包括：

- 加热装置，该加热装置包括激光束，该激光束聚焦在喷射了粘结剂的区域上。

因此，粘结剂在喷射之后立即干燥，确保由此制成的片区的稳定性。

有利地，本发明的设备包括腔室，用于将围绕型砂的气氛限制在保持装置中。因此，粘结剂的凝固条件通过特别地作用于气氛的成分、其湿度或温度来优化。

有利地，根据后一个实施方式，本发明的设备包括用于控制包含在腔室气氛中的CO₂含量的装置。

因此，根据实施方式变型，粘结剂的凝固通过在腔室中的气氛富集CO₂来加速，或是通过降低所述CO₂含量来减速，以避免例如在粘结剂喷射期间喷嘴堵塞。

有利地，本发明的设备的保持装置的工作台包括多个孔，这些孔用于在砂床下方喷射气体。因此，通过选择性聚结制造结构件后，特别地以自动化方式通过注入气体获得砂床的流态化效果，该结构容易从非聚结的砂床中取出，而不会有结构劣化的风险。

根据一个特定的实施方式，通过根据本发明的方法进行的选择性聚结，在砂床中形成保持装置。

根据本发明的设备的实施方式，该设备包括具有可变开口的卸料料斗。此实施方式可以精确地控制所沉积的型砂层的厚度。

本发明的方法和设备有利地用于根据部件中的不同方向来生产具有可变物理化学性能的部件。这种可能性为部件、特别是模具的设计和生产开辟了新的视角。

附图说明

下面根据其优选、但并非完全限制性的实施方式并参考图1至图8披露本发明，其中：

图1

[图1]根据截面示意图示出了本发明的设备的示意性实施方式；

图2

[图2]根据原理图示出了本发明的设备喷射无机粘结剂之前对其加热的示例性实施方式；

图3

[图3]是无机粘结剂的粘度根据温度及其（偏）硅酸盐浓度在半对数图中演变的示例；

图4

[图4]根据与图1相同的视图示出了包括局部加热装置的示意性实施方式，该局部加热装置包括暴露于无机粘结剂喷射的区域，图4A具有用于生成固定激光束的装置，图4B具有用于生成移动激光束的装置；

图5

[图5]根据与图4相同的截面，示出了本发明的设备的保持装置的示意性实施方式；

图6

[图6]根据与图4相同的视图，示出了本发明的设备的示意性实施方式，该设备使用卸料料斗来沉积粒状材料；为便于阅读，图6仅示出了与其他实施方式不同的元件；

图7

[图7]根据截面示意图，示出了具有可变开口的料斗的示意性实施方式；

图8

[图8]根据截面示意图示出了具有可变开口的料斗的另一种示意性实施方式。

具体实施方式

图1，根据示意性实施方式，本发明的设备（100）包括封闭腔室（110），该封闭腔室包含受控气氛，特别是在成分和温度方面。

放置在所述腔室中的多个传感器可以测量例如腔室的温度（111）、湿度（112）和CO₂的比例（113）。腔室中的气氛的性质由所使用的型砂性质和无机粘结剂性质决定，以确保型砂在与无机粘结剂接触的区域中容易分散以及快速聚结。

作为示例，腔室中所包含的气氛具有60%的湿度，大约0.04%的CO₂含量，温度为20°C。

这些条件可使用Na₂SiO₃类型的无机粘结剂来实现本发明的方法。

根据另一个实施方式，腔室的温度达到80°C，使该结构在制造期间加速干燥。

根据另一个示例，腔室（110）中所包含的气氛富集有大于0.04%的CO₂含量，使无机粘结剂在喷射期间加速凝固。

根据另一个示意性实施方式，腔室中所包含的气氛中CO₂含量降至小于0.04%，以避免喷嘴被粘结剂堵塞。

因此，通过调节封闭腔室（110）中的参数如湿度、温度和CO₂含量等，本发明的设备和方法可以根据所制造的结构和型砂的性质来精细地调节粘结剂的凝固或干燥条件。

为此，为确定与腔室中的气氛有关的参数，电子模块（115）使用来自放置在所述腔室中的传感器（111，112，113）的信息，该电子模块控制模块（116）来控制气氛从而将对应的参数维持在期望的范围内。

在腔室内，根据一种示意性实施方式，第一容器（120）包括储备的材料，该储备的材料为放置在移动板（121）上的型砂堆（125），该移动板可以借助致动器（122）竖直地（即平行于图1的z轴）移动。

第二容器（130）（被称为保持容器）包括工作台（131）和用于竖直地移动所述工作台的装置（132），例如滚珠丝杠***或直线马达。

在制造过程中，这些装置支撑（多个）结构（151）和制成所述（多个）结构（151）的砂床（150）。

所述结构（151）由连续层产生：将型砂粒选择性聚结在预先沉积了限定厚度的层中。

为此，一个或多个受控刮刀（123）可以根据基本上均匀的层厚度将包括在第一容器（120）中的一些型砂堆（125）转移到保持容器（130）。

为此，根据此示意性实施方式，保持容器的工作台（131）下降（沿根据图1的负z的方向）至期望的型砂层厚度的高度。第一容器的移动板（121）自身向上（沿根据图1的正z的方向）移动基本上等于层厚度（优选稍大一些）的值。然后，将刮刀（123）朝向保持容器（根据图1的正x的方向）移动，以将基本上均匀厚度的型砂层转移到保持容器的工作台（131）上（在第一层的创建期间）或在制造过程中此容器中已经存在的砂床（151）上。当它们返回到第一容器时（根据图1的负x的方向），刮刀（123）使因此转移的型砂层厚度均等，从而将可能的多余型砂层带回到第一容器中。

沉积型砂层，所述型砂层中包含的型砂通过喷射组件（140）被选择性聚结，该喷射组件由一引导装置（141）支撑，沿至少2条轴线（例如根据图1的x和y）运动，该喷射组件沿所述轴线的运动由数控控制器（190）控制。

喷射组件（140）包括一个或多个喷嘴，喷嘴包括电磁阀，这些电磁阀也由数控控制器（190）控制，这些喷嘴将储存于储器（170）中液态无机粘结剂喷射到砂床（150）上。

因此，喷射组件的每个喷嘴的流量由数控控制器控制。根据替代性实施方式，喷射组件包括相同的或不同的喷嘴，不同的喷嘴对应不同的喷***度，或适于喷射不同类型的无机粘结剂。

有利地，喷射组件可以在为此目的而设置的每个位置中安装不同类型的喷嘴。

根据此示意性实施方式，储器（170）放置在腔室的外部，无机粘结剂通过导管（171）被输送至喷射组件（140）。替代性地，储器放置在腔室内，或为喷射组件的组成部分。同样，根据另一个实施方式，该设备包括外部储器和位于喷射组件的高度处的缓冲储器。

有利地，无机粘结剂是一种或多种（偏）硅酸盐的水溶液。（偏）硅酸盐的比例是根据型砂的性质、目标凝固时间和无机粘结剂的粘度来选择的，使其与喷射组件的喷嘴的通道直径相适应，随后与目标选择性聚结的精度相适应。典型地，（偏）硅酸盐的比例在10%到40%之间。

根据优选的实施方式，（偏）硅酸盐是硅酸钠，例如Na₂SiO₃，在无机粘结剂中每70%的水对应有30%的硅酸钠（按重量百分比计）。替代性地或补充地，无机粘结剂包含硅酸锂或硅酸钴。根据特定实施方式，无机粘结剂例如在所述无机粘结剂的胶体悬浮液中包含添加剂（例如颜料或纳米粒子）。这些添加剂、特别是纳米粒子可以改变构成结构件（151）的聚结区域的机械性能，特别是增加其在高温下的硬度或稳定性、或塑性。所述添加剂、特别是纳米粒子还可使制造的结构件151的表面或其组件功能化，其功能化通过赋予其特定性能、特别是光性能、电性能（比如导电性或半导电性）、磁性能或热性能（但不受限于这些示例）。

因此，添加剂可以调节由本发明方法所获得的结构的性能，例如热性能，所述调节通过赋予其传导、辐射或热扩散性能以适应对此结构件进行的模制操作，特别是根据模制材料的性质进行的模制操作，或使所述结构件特别是其表面适应模具的电磁感应或微波感应加热技术。

根据示意性实施方式，本发明的增材制造方法制得的部件可直接从增材制造方法中获得上述性能、也可继续经过化学处理、热处理或电处理获得所述性能。

根据与前述实施方式相兼容的其他实施方式，将添加剂（比如盐，例如NaCl或KCl）添加到溶液中改变其流变行为，更具体地，改变其粘度随温度或聚合物的变化规律，来更好地控制喷嘴出***流的一致性。

根据另一个实施方式，将添加剂添加到无机粘结剂溶液中，以改变其在砂床中的润湿性或毛细扩散特性。

因此，根据一个特定实施方式，本发明的设备包括包含添加剂的第二储器172和混合模块（175），混合模块包括由数控控制器（190）控制的计量和均化装置。该设备用于控制分配到喷射组件（140）的无机粘结剂中添加剂的量。

特别地，此实施方式可以改变沿着喷射组件路径的添加剂比例，在结构件（151）中获得性能梯度、或者在型芯中和结构件表面上获得不同性能。

因此，作为非限制性示例，该结构件包括模制表面，该模制表面具有更高的添加剂含量，具有电磁辐射加热热敏性，而该结构的其余部分不具有电磁辐射热敏性。

根据可能与后者结合的另一个实施方式，本发明的方法和设备还可以改变每一层上沉积的粒状材料的性能，因此，通过改变其性质或粒度，可以获得具有不同机械性能、热性能、电性能或摩擦学性能（但不限于此清单）的不同尺寸的部件。

将粘结剂选择性喷射在沉积的型砂层上，粘结剂自然干燥，或，例如在腔室中加热下干燥，或在所述腔室（110）的富CO₂气氛下快速干燥，从而在喷射所述粘结剂的区域中，颗粒沿型砂层厚度方向聚结，如必要，这些区域在上一次喷射过程中已经聚结。因此，结构件（151）由连续的型砂层构造而成。粘结剂流过喷射组件喷嘴的流量由数控控制器（190）根据粘结剂的性质（特别是其粘度及其凝固或干燥时间）、型砂砂层的厚度、型砂的性质以及喷射组件沿其路径的运动速度来控制。在每一次喷射过程中，使用喷射组件的一个或多个喷嘴。

图2，为控制无机粘结剂的粘度、特别是使其与喷嘴的通道直径相适应，在粘结剂储器与喷射组件之间安装加热设备。根据实施方式，喷射组件（140）包括无机粘结剂的缓冲储器（240），该缓冲储器通过导管（171）连接到位于腔室内部或外部的主储器（170）。

用于加热无机粘结剂的设备包括全部或部分以下装置：用于加热包含在主储器（170）中的粘结剂的装置（261）、或在无机粘结剂通过导管（171）时加热无机粘结剂的加热装置（262）、以及加热包含在缓冲储器240中粘结剂的加热装置（263）。

根据温度传感器（281，282，283）传送的温度信息，所述温度信息为主储器（170）、导管（171）和缓冲储器（240）中粘结剂的温度，调整所述加热装置以设定主储器中、导管中和缓冲储器中粘结剂的温度。

根据示意性实施方式，粘结剂的温度从主储器到喷射组件是均匀的，或者粘结剂从主储器开始被逐渐加热，直到其被喷射至与喷射组件（140）处于同一高度的砂床上。

加热装置（251，252，253）设置在储器或导管的内部或外部，单独地或组合地使用电阻加热、微波加热或感应加热，但不限于这些示例。

图3中，粘结剂在其喷射期间的温度特别由其粘度决定。粘度取决于粘结剂的性质，特别取决于（偏）硅酸盐的性质和它们在溶剂中的比例、以及可能的添加剂。

作为示例，针对硅酸钠在水中的不同浓度（分别为34%（311）、28%（312）和17%（313）），根据以°C表示的温度（301），给出了硅酸钠溶液按照对数标度以Pa.s表示的动力粘度（302）的变化。

为了能通过喷嘴被喷射、特别是为了避免喷嘴在喷射期间堵塞，粘结剂的粘度必须小于0.2 Pa.s。若粘度太低，在喷射期间对受无机粘结剂影响的区域的控制不佳，所述粘结剂能够在凝固或干燥过程中排出到比目标区域大的区域上。

因此，在喷射过程中粘结剂的粘度优选地大于0.005 Pa.s。这些限制（对应于图3的阴影区域）可以根据粘结剂中（偏）硅酸盐的浓度来确定粘结剂的加热温度。

对于给定的粘结剂配方，根据温度通过动力粘度测试来获得粘度的变化曲线。典型地，粘结剂的加热温度在30°C到100°C之间。

图4，接触粘结剂的区域的凝固或干燥过程是通过腔室（110）内气氛富集CO₂或通过在腔室中加热来加速的。替代性地或补充地，根据示意性实施方式，借助于激光束加热喷射粘结剂的区域，激光束在粘结剂喷射后被立即引导至所述区域。

图4A，根据示意性实施方式，激光束发生器（441）相对于腔室（110）是固定的，激光束（401）通过由数控控制器（190）控制的可定向反射镜（442）引导至所述区域。

图4B，根据另一种示意性实施方式，激光束发生器（443）与喷射组件（140）相连并随其移动。

激光功率以及激光与喷射粘结剂的区域的相互作用时间可调节，使所述区域被加热至30°C到200°C之间的温度。根据所喷射的粘结剂的性质、成分和腔室中的气氛温度来选择此温度。

因此，本发明的设备允许局部地、选择性地以及可变地加热聚结区。

由图1，在增材制造后，聚结结构件（151）从砂床（150）中取出，可能经历补充的干燥处理（通过微波或在烘箱干燥）、或者固化，目的是完成其固结，但不限于这些示例。

当所述结构件旨在构成模具时，在结构件使用之前将结构件***底架中，使其具有足够的机械性能以抵抗压力。

来自砂床（150）的多余型砂被回收再循环以再次制成另一个结构件。

图5示出了本发明的设备和方法的两个特定实施方式，这两个实施方式可以单独或组合实施。

因此，根据一种实施方式，砂床（150）通过形成壁（530）保持在工作台（531）上，这些壁通过在结构件（551，552，553）的增材制造过程中对砂床进行选择性聚结制成的。

根据第二实施方式，增材制造过程后，砂床包括在所述砂床中延伸到可变高度的一个或多个结构件（551，552，553）。

这些结构件在砂床150中的定位以及关于定位参考物（例如工作台（531）），可从数控程序中获悉，所述数控程序用于通过选择性聚结制成所述结构件，因此它们可以由例如机器人或操纵机等自动装置（未示出）从所述非聚结砂床中取出，所述自动装置配备有适应的受控夹持装置，如数控控制器（190）。

所述结构件的程序化制造条件还可知悉适于夹持的结构件中的最薄弱的区域或具更强抵抗力的区域。

然而，包围所述结构件的非聚结型砂使夹持操作变得困难，在夹取这些结构件的过程中可能会损坏所述结构件。

为了简化此操作并使其自动化，本发明的设备包括非聚结砂床流态化装置，特别是通过抽吸装置促进结构件取出或型砂去除的途径，或上述两种途径组合的方式。

为此，根据示意性实施方式，工作台（531）在其整个表面或一部分表面上设有多个孔560和气体注入装置（561，562），所述气体注入装置通过所述孔将气体注入砂床中、优选地注入所述砂床下方。

气体注入装置由数控控制器（190）控制，包括例如泵（562）和分布装置（561），该分布装置可将注入的气体流量分布在工作台的不同孔之间。

因此，在聚结结构件（551，552，553）的连续提取过程中，仅需提供对应于砂床流态化的目标区域的一些孔（560）。

根据非限制性示意性实施方式，根据型砂的性质，所注入的气体是压缩空气、CO₂、氩气或气体混合物。

为了获得在目标区域中的流态化效果，特别是根据型砂的非聚结层的厚度，调节气体流量。

此设备优选在增材制造阶段后的结构件取出过程中使用。然而，该设备也可以在增材制造过程中使用，期间流量与取出结构件所用的流量不同，特别是在制造过程中将结构件的多个部件与二氧化碳接触，来加速无机粘结剂的凝固。

图6，根据本发明的方法和设备的实施方式，考虑到型砂层的选择性聚结，借助于卸料料斗（625）使型砂层沉积，该卸料料斗通过引导与机动装置（641）移动至型砂层上方，根据实施方式变型，该引导与机动装置与确保选择性聚结设备的相对运动或具有分离装置的那些引导与机动装置相同。这些装置由数控控制器控制。

此实施方式可以简化用于沉积型砂层的设备。更具体地，此实施方式可以改变所沉积的材料的性质，可能在每个新层的沉积过程中，并因此改变部件的特征。

为此，根据此实施方式的本发明的设备包括一个或多个粒状材料储器（620），该一个或多个粒状材料储器包括分布***。

在沉积新层前，通过将卸料料斗（625）放置在一个储器下方来填充料斗。

本发明的设备的卸料料斗（625）不包括任何计量或分布设备，以避免将材料残留在凹口中，这些凹口通常存在于这种设置中。

材料根据质量流量从料斗底部处的自由开口处排放。

为满足粒状材料的质量流量条件，料斗的卸料角度（α₁ + α₂）必须小于等于90°、优选小于60°。

有利地，卸料料斗（625）包括其自带的刮刀（623），该刮刀将随所述料斗移动的层刮均匀。

所沉积材料的量可以通过调节卸料料斗底部开口的表面和调节料斗在型砂层沉积过程中相对于砂床的相对运动速度来调节。

图7，根据实施方式，在砂床上沉积材料层的过程中，为了更好地控制粒状材料流量，根据示意性实施方式，本发明的设备的卸料料斗（725）包括可变卸料开口。

为了不留存先前沉积过程的残留物，所述开口中不***任何障碍物，通过移动料斗的一个或两个壁来实现开口变化。

因此，根据此实施方式示例，壁（726）中的一个通过机动装置（730）相对于另一个壁（724）移动，该机动装置730由本发明设备的数控控制器控制。这种机动运动可以差不多关闭或打开卸料料斗（725）的卸料孔。

图8，根据另一个实施方式，本发明的设备的卸料料斗（825）包括倒置的百叶窗打开***。当卸料料斗（825）不处于卸料模式时，此实施方式可以降低百叶窗（826，824）及其控制马达（831，832）的负载。

以上描述和示意性实施方式表明，本发明实现了所定的目标，并且可以通过使用无机粘结剂来聚结粒状材料来获得结构件。更具体地，在制造模具时，本发明的方法和设备以可再现和自动化的方式实现这一点，而不使用模型，有可能在单一操作中集成型芯。无机粘结剂的使用可以避免现有技术中使用有机树脂带来的模制部件的质量问题以及型砂的再循环可能性缺点。该方法可适于任何类型的粒状材料、特别是金属材料。通过本发明的方法获得的模具不限于铸造操作。本发明提供了一种可能性，特别是通过局部改变通过本发明的方法获得的结构件的热性能、电性能、电磁性能、机械性能、摩擦学性能或光学性能，也使所述结构件适于制造以下用途的模具：制造具有热固性或热塑性有机基体的复合材料、固化、固结或树脂传递模塑、以及MIM（金属注射模制）方法。在该MIM方法中，将添加到粘结剂中的粉末注射模制，然后将部件生坯脱胶、高温烧结。

设备的示意性实施方式作为说明而给出。根据实施方式变型，在不脱离本发明的范围的情况下，通过一个或多个具有拟人结构或其他结构、具有串行或并行运动学的机器人或操纵机来执行喷射组件、第一容器、保持容器、砂床的刮刀或其他转移装置、卸料料斗、或者还有局部加热激光器的不同运动。

Claims

1.一种由型砂粒状材料制造结构件（151，51，552，553）、特别是模具的方法，包括增材制造阶段，所述增材制造阶段包括以下步骤：（i）沉积型砂层；（ii）通过喷嘴喷射溶解在溶剂中的M₂SiO₃型（偏）硅酸盐的无机粘结剂来选择性聚结所述型砂层， M单独地或组合地选自钠、钾和锂，其中，所述无机粘结剂在喷射之前被加热到30°C到100°C之间的温度，以赋予所述无机粘结剂小于0.2 Pa.s的粘度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无机粘结剂中的（偏）硅酸盐的量在5%到90%之间、优选地在10%到40%之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，M是钠，并且所述无机粘结剂中的硅酸钠的比例等于30%。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无机粘结剂包含颜料添加剂或纳米粒子添加剂。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述溶剂是水。

6.根据权利要求1所述的方法，包括在步骤（ii）之后的以下步骤：（iii）干燥受所述粘结剂的喷射影响的区域。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过加热来执行所述干燥。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，通过使受所述粘结剂的喷射影响的区域与CO₂接触来执行所述干燥。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（i）借助以恒定速度移动的料斗来进行，包括在步骤（ii）之后沉积粒状材料层的步骤，所述粒状材料的特征与在进行前一步骤（i）期间沉积的粒状材料不同。

10.根据权利要求1或权利要求6所述的方法，包括在步骤（ii）或步骤（iii）之后的以下步骤：（iv）从所述砂床中提取所述聚结结构件（551，552，553），所述步骤包括在所述砂床（150）下方注入气体来流态化所述砂床的非聚结部分。

11.一种用于实现根据权利要求8所述的方法的设备，所述设备包括：保持装置（130，530），所述保持装置包括适于包含砂床（150）的工作台（131，531）；喷嘴，所述喷嘴适于将所述无机粘结剂喷射在所述砂床（150）的定义区域上；用于所述喷嘴相对于所述砂床（150）相对运动的受控装置（140，141，190）；用于在所述保持装置（130）中沉积型砂层的装置（121，122，123）；用于在所述无机粘结剂由所述喷嘴喷射之前加热所述无机粘结剂的装置（261，262，263）；用于将包围所述型砂的气氛限制在所述保持装置中的腔室（110），其特征在于，所述设备包括用于改变所述腔室（110）气氛中的CO₂含量的装置（113，115，116）。

12.根据权利要求12所述的设备，其中，所述无机粘结剂包含在加热后的储器（170）中。

13.根据权利要求12所述的用于实现根据权利要求7所述的方法的设备，包括：加热装置（441，443），所述加热装置包括激光束（401），所述激光束聚焦在喷射了所述粘结剂的区域上。

14.根据权利要求11所述的用于实现根据权利要求10所述的方法的设备，其中，所述保持装置的工作台（531）包括多个孔（560），所述孔用于在所述砂床（150）的下方注入气体。

15.根据权利要求11所述的设备，其中，所述保持装置（530）通过根据权利要求1所述的方法执行的选择性聚结在所述砂床中形成。

16.根据权利要求11所述的用于实现根据权利要求10所述的方法的设备，其中，所述设备包括具有可变开口的卸料料斗。

17.根据权利要求9的方法与根据权利要求16的设备的用途，用于根据部件中的不同方向来生产具有可变物理化学性能的部件。