DE102017009742A1

DE102017009742A1 - 3d-druckverfahren und damit hergestellte lösliche form insbesondere zur verwendung in kaltguss- und laminierverfahren

Info

Publication number: DE102017009742A1
Application number: DE102017009742.9A
Authority: DE
Inventors: Ingo Gnüchtel; Florian Mögele; Michael Aumüller
Original assignee: Voxeljet AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2019-04-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lösliche Form, die mittels eines pulverbasierten Schichtbauverfahrens hergestellt wird, die Verwendung der Form, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lösliche Form, die mittels eines pulverbasierten Schichtbauverfahrens hergestellt wird, die Verwendung der Form, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einer Flüssigkeit bedruckt. Im mit der Flüssigkeit bedruckten Bereich verbinden sich die Partikel und der Bereich verfestigt unter dem Einfluss der Flüssigkeit und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Plattform um eine Schichtdicke in einem Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewisse, erwünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt.
Mit diesem Verfahren lassen sich verschiedene Partikelmaterialien, dazu zählen - nicht erschöpfend - natürliche biologische Rohstoffe, polymere Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Sande, verarbeiten.
Sandpartikel bspw. können mit Bindersystemen durch das pulverbasierte 3D-Drucken verarbeitet werden. Hierzu zählt unter anderem die Kaltharzbindung, die im Gießereiwesen wie auch im 3D-Druck zur Anwendung kommt.
Auch anorganische Bindemittel kommen auf diesem Gebiet zur Anwendung. Diese sind im Gießereiwesen die umweltfreundliche Alternative zum Kaltharzbinder.
Diese Werkstoffe eignen sich besonders für den Metallguss, bei dem üblicherweise hohe Temperaturen herrschen und wobei das organische Bindemittel zu einem großen Teil verbrennt und die Form vorschwächt. Im nachfolgenden Schritt werden nach Erkalten der Schmelze die Formreste mechanisch entfernt. Bei anorganisch gebundenen Gussformen müssen hohe Energien aufgewendet werden, um zu verhindern, dass während des Gusses keine Schwächung der Form auftritt.
Für den Kaltguss mit Kunstharzen oder hydraulisch abbindenden Systemen wie Beton wird keine der bisher genannten Formen geschwächt. Die Oberfläche der Sandformen muss vor dem Kaltguss beschichtet und versiegelt werden und ein Trennmittel aufgetragen werden, um die Trennung der Grenzflächen nach Aushärtung des Gusswerkstoffes zu erleichtern.
Während Außenformen noch von der Gussform entfernt werden können, ist es nachteilig nicht möglich, innere Strukturen des Abgusses mit Einlegekernen herzustellen, da eine mechanische Entfernung des Einlegekernes praktisch nicht möglich ist, ohne die endgültige Form zu beschädigen.
Ähnlich nachteilig verhält es sich bei der Anwendung der gedruckten Sandformen als Laminierwerkzeug. Einfache Oberflächenstrukturen lassen sich einfach auf beschichteten Oberflächen herstellen, jedoch für Hinterschnitte oder Überhänge ist das nicht möglich. Während es bei bestimmten Geometrien noch möglich ist, die Form mechanisch zu zerstören und so das Laminat freizulegen, ist dies bei beinahe geschlossenen Strukturen unmöglich. Das Laminat wird dadurch beschädigt werden.
So sind bisher keine oder nur ungenügend befriedigende Verfahren bekannt, die es ermöglichen komplizierte Laminierformteile herzustellen. Allerdings stehen sowohl für Laminierformteile als auch für Kaltgussformen mit komplizierter Geometrie, wie bspw. Hinterschnitte, keine zufriedenstellenden Verfahren und Materialsystem für den 3D-Druck zur Verfügung.
Es war deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen oder zumindest wesentlich zu verringern.
Es war eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Materialsystem und/oder ein 3D-Druckverfahren bereit zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik vermindert oder ganz vermeidet.
Es war eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Materialsystem und/oder ein 3D-Druckverfahren bereit zu stellen, das es erlaubt in einfacher und kostengünstiger Weise komplizierte Geometrien und laminierte Teile herstellen zu können.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft in einem Aspekt ein Materialsystem, das ein Partikelmaterialgemisch und eine Druckflüssigkeit umfasst.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Herstellen von Formteilen, die als Laminierform oder Kaltgussform verwendbar sind und die ggf. durch Auswaschen mit einer wässrigen Lösung oder Flüssigkeit einfach entfernt werden kann.
Figurenliste

1: Darstellung eines einfachen gedruckten Formkörpers als Laminierform für ein Laminat.
2: Auswaschen des Laminats unter Zerstörung des gedruckten Teils
3: entkerntes Laminat
4: fertiges Laminat
5: Verfahrensablauf beim Kaltguss mit anschließendem Auswaschen der Form

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Eine Lösung für das der Erfindung zugrunde liegende Problem im Kaltguss als auch bei der Herstellung von Laminaten stellt ein Materialsystem und/oder ein Verfahren zur Herstellung von 3D gedruckten Formkörpern dar, die mit Hilfe eines Lösemittels wie Wasser unter Destruktion entformt werden können.
In einem Aspekt wird eine Lösung bereitgestellt durch ein Materialsystem geeignet für ein 3D-Druckverfahren umfassend oder bestehend aus einem Partikelmaterialgemisch und einer Druckflüssigkeit, wobei das Partikelmaterialgemisch mindestens eine wasserunlösliche und mindestens eine wasserlösliche Komponente beinhaltet oder umfasst, oder wobei das Partikelmaterialgemisch mindestens eine wasserunlösliche Komponente beinhaltet oder umfasst, wobei die wasserunlösliche Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sanden wie Quarzsand, Olivinsand, Kerphalit, Cerabeads, unlöslichen Kunststoffen wie vernetzte Polymere wie Bakelite, wobei die wasserlösliche Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus wasserlöslichen Kunststoffen wie Polyvinylpyrolidon, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol, Polyacrylsäure oder Saccharide, wobei die Druckflüssigkeit umfasst oder besteht aus einer Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser oder einer wässrigen Lösung.
Ein erfindungsgemäßes Materialsystem bietet unter anderem den Vorteil, dass es kostengünstig ist, da entweder kostengünstige unlösliche Materialien zum Einsatz kommen können oder/und das unlösliche Partikelmaterial im Wesentlichen wieder verwendet werden kann. Dies ist insbesondere bei teuren Partikelmaterialien von Vorteil.
Weiterhin ist die Druckflüssigkeit einfach in der Handhabung, umweltverträglich und schont den Druckkopf und seine Komponenten, die einen erheblichen Kostenfaktor in 3D-Druckmaschinen und ihren Verfahren darstellen.
In einem erfindungsgemäßen Materialsystem kann die Druckflüssigkeit zusätzlich eine Komponente beinhalten oder umfassen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus wasserlöslichen Kunststoffen wie Polyvinylpyrolidon, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol oder Polyacrylsäure oder anderen bekannten wasserlöslichen Komponenten, die mit den anderen Materialkomponenten kompatibel sind.
In einem erfindungsgemäßen Materialsystem nach werden die einzelnen Komponenten in ihrem Verhältnis zueinander so eingestellt, dass ein 3D-Druckverfahren vorteilhaft durchgeführt werden kann und zu den gewünschten Eigenschaften der hergestellten Formteile führt.
Die wasserunlösliche Komponente in dem Partikelmaterialgemisch kann dabei in Bezug auf das Gesamt -Partikelmaterialgemisch zu 40 - 100%, vorzugsweise zu 70 - 95%, mehr bevorzugt zu 80 - 90 %, vorliegen.
In einem erfindungsgemäßen Materialsystem wird die Druckflüssigkeit gleichermaßen auf die anderen Materialkomponenten eingestellt und angepasst, wobei die Druckflüssigkeit bestehen kann aus oder umfassen polare organische oder/und anorganische Flüssigkeiten, vorzugsweise Wasser und/oder Alkohole.
In einem erfindungsgemäßen Materialsystem kann der Alkoholanteil zwischen 0.5% - 15%, bevorzugt 2%-10%, besonders bevorzugt 5%-8% betragen und/oder wobei die Alkohole einfache Alkohole, Diole oder Polyole oder Mischungen der genannten umfassen.
In einem erfindungsgemäßen Materialsystem wird die Druckflüssigkeit in Hinblick auf ihre Viskosität in geeigneter Weise mit geeigneten dem Fachmann bekannten Substanzen oder Flüssigkeiten eingestellt. Die Viskosität kann dabei zwischen 2 mPas - 15 mPas, bevorzugt zwischen 4 mPas - 10 mPas und besonders bevorzugt zwischen 5 mPas - 8 mPas aufweisen.
In einem erfindungsgemäßen Materialsystem kann die Druckflüssigkeit weiterhin Tenside, wie Natriumdodecylsulfat oder Natriumlauretsulfat umfassen und eine Oberflächenspannung von 20 mN/m - 50 mN/m, bevorzugt 25 mN/m - 40 mN/m und besonders bevorzugt von 28 mN/m - 35 mN/m aufweisen, oder/und Entschäumer aus bspw. der Gruppe der Siloxane oder/und Färbemittel umfassen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein 3D-Druckverfahren zum Herstellen eines Formkörpers umfassend die Schritte Auftragen eines Partikelmaterialgemisches auf einer Bauebene, selektives Aufbringen einer Druckflüssigkeit zum zumindest teilweisen selektiven Verfestigen, gegebenenfalls Temperieren des Baufeldes oder Energieeintrag in das aufgebrachte Partikelmaterialgemisch vor und/oder während und/oder nach dem Druckprozess, vorzugsweise Temperieren auf 30 °C bis 60 °C, mehr bevorzugt 40 bis 50 °C, und die Druckflüssigkeit, wiederholen dieser Schritte bis das gewünschte Formteil erhalten wurde.
Vorteilhaft ist, dass mit diesem Verfahren Formteile in guter Qualität hergestellt werden können und diese in unterschiedlichen Anwendungen und Verwendungen Einsatz finden können.
Insbesondere ist ein Vorteil, dass die so hergestellten Formteile (auch Form oder Gussform) als Laminierformen dienen können oder für alle Zwecke, bei denen die Form am Ende des Prozesses für den Sie verwendet werden wieder entfernt werden sollen. Dies ist einfach mittels Wasserzufuhr möglich, wodurch die Form ausgeschwemmt wird und so das mit der Form hergestellte Produkt schonend von der Form befreit werden kann.
In einem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren kann das erhaltene Formteil von dem nicht verfestigten Partikelmaterialgemisch getrennt werden und das Formteil vorzugsweise einem weiteren Wärmebehandlungsschritt unterzogen werden.
Wie in allen üblichen 3D-Druckverfahren, z.B. Inkjet-Verfahren, wird das Partikelmaterialgemisch mittels Recoater aufgetragen und ggf. das Partikelmaterialgemisch vor dem Aufbringen zusammengemischt.
Wie in allen üblichen 3D-Druckverfahren, z.B. Inkjet-Verfahren, wird die Druckflüssigkeit mit einem Druckkopf selektiv aufgetragen.
In einem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren kann das Formteil nach Abschluss des Druckverfahrens 4 h - 24 h, vorzugsweise 8 h - 15 h, besonders bevorzugt 10 h - 11 h, bei Umgebungsbedingungen in dem Pulverbett belassen werden.
Dem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren können weitere Arbeitsschritte nachgeschaltet sein. Beispielsweise wird in einem zusätzlichen Schritt das Formteil einer Wärmebehandlung unterzogen, vorzugsweise wird das Formteil 1 h - 7 h, bevorzugt 4 h - 6 h, bei 30 °C - 160 °C, vorzugsweise bei 50 °C - 140 °C, gelagert.
Eine andere Möglichkeit eines Folgeschrittes in einem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren ist es die Oberfläche des Formteils weiter zu beschichten oder zu versiegeln, wobei hier alle dem Fachmann bekannten Verfahren und Materialien für derartige Formteile zur Anwendung kommen können.
Die mit dem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren hergestellten Formteile können in vielfältigen Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise in Laminierverfahren zur Herstellung von Rohren oder Schläuchen für die Luft- und Raumfahrt oder ähnlichem.
Die Materialeigenschaften der mit dem erfindungsgemäßen 3D-Verfarhen hergestellten Formteile sind vorteilhaft und können durch geeignete Folgeschritte des Verfahrens in bestimmten Materialeigenschaften weiter beeinflusst werden. Z.B. kann die Festigkeit einerseits durch die Menge an wasserlöslicher Komponente im Partikelmaterialgemisch als auch in der Druckflüssigkeit beeinflusst werden, andererseits kann die Festigkeit durch Belassen des Formteils im Pulverbett oder einer nachfolgenden Wärmebehandlung eingestellt werden. Ein Formteil, das noch 4 h - 24 h, vorzugsweise 8 h - 15 h, besonders bevorzugt 10 h -11 h, bei Umgebungsbedingungen im Pulverbett belassen wird kann Festigkeiten von 80 N/cm² - 150 N/cm² in Druckrichtung aufweisen und nach einer Wärmebehandlung für 1 h - 7 h, bevorzugt 4 h - 6 h, bei 30 °C - 160 °C, vorzugsweise bei 50 °C - 140 °C, Festigkeiten von mehr als 200 N/cm² aufweisen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Formteils bzw. nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formteils für den Kaltguss von Kunstharzen oder hydraulisch abbindenden Systemen oder als Laminierform.
Weitere Aspekte der Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
Vor dem eigentlichen erfindungsgemäßen 3D-Druckprozess wird ein inertes Partikelmaterial wie die bereits im pulverbettbasierten 3D-Druck bekannter Weise verwendeten Sande wie Quarzsand, Olivinsand, Kerphalit oder Cerabeads aber auch unlösliche Kunststoffe wie vernetzte Polymere wie Bakelite mit Partikeln eines löslichen, bevorzugt wasserlöslichen Kunststoff wie Polyvinylpyrolidon, Polyvinylalkohol oder Polyacrylsäure, gemischt. Somit erhält man ein für die Erfindung geeignetes Partikelmaterialgemisch.
Der Vorteil der genannten Pulvermischung ist, dass keine Änderungen an der bestehenden Beschichtertechnologie notwendig sind und Standard 3D-Drucker verwendet werden können, die in der Lage sind, Partikelmaterial im Furanharz-, Phenolharz- und Anorganikverfahren zu verarbeiten.
Die Partikelgrößen der löslichen und der unlöslichen Komponenten liegen bevorzugt zwischen 90 µm und 250 µm, wobei auch feinere Pulver geeignet sind. Die beiden Komponenten unterschieden sich dabei in ihrer mittleren Korngrößen nicht mehr als 50 µm voneinander, bevorzugt nicht mehr als 10 µm. Dadurch wird einer Entmischung während des Transports des Partikelmaterials weitestgehend vorgebeugt.
Die Pulver werden üblicherweise schon dem Prozess vorgeschaltet in einem diskontinuierlichen Mischer homogenisiert. Wenn wasserlösliche Kunststoffe als Bindemittel verwendet werden, muss auf eine relative Luftfeuchtigkeit von <50%, bevorzugt <25% geachtet werden, da sonst die Rieselfähigkeit stark abnimmt und es zur Agglomeration kommt.
Die Lagertemperatur ist mindestens 20 K unterhalb des Glasübergangspunktes des löslichen Kunststoffes zu wählen.
Die flüssige zweite Komponente, d.h. eine Druckflüssigkeit, wird über einen Druckkopf eingetragen, der meanderförmig über die beschichtete erste Komponente geführt wird, selektiv gemäß den Daten des jeweiligen Schichtbildes mit einem vorher definierten Eintrag bezogen auf das Gewicht des Partikelmaterials.
Die Druckflüssigkeit (die flüssige Komponente) besteht zu einem Großteil aus einem Lösungsmittel (Lösemittel), das das lösliche Material in der ersten Komponente schnell anlösen kann. Bevorzugt ist das Lösemittel Wasser.
Damit Wasser druckstabil verarbeitet werden kann, wird einerseits die Oberflächenspannung von etwa 72 mN/m auf bevorzugt unter 40 mN/m, besonders bevorzugt zwischen 30 mN/m und 35 mN/m durch Zugabe eines Tensids abgesenkt. Hierfür werden nur geringe Mengen zugesetzt, da hohe Mengen die Schaumbildung fördern und es zu Düsenausfällen während dem Drucken kommen kann. Aus diesem Grund werden nur Mengen bis zu 1% eines Tensids wie Natriumdodecylsulfat, Zuckertenside, Surfynol^® 440, Surfynol^® 465 oder Carbowet^® 104 in die Druckflüssigkeit zugegeben.
Das Auftreten von Schaum wird durch die Zugabe von Entschäumern bspw. aus der Gruppe der Siloxane wie TEGO^® Foamex 1488 verringert und üblicherweise bis zu 0.5% der Druckflüssigkeit zugegeben.
Die Viskosität der Druckflüssigkeit wird durch Zugabe von leicht wasserlöslichen Alkoholen in einen Bereich von 4 mPas - 20 mPas eingestellt. Bevorzugt werden mehrwertige Alkohole wie Glykol, Propylenglykol, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol oder lösliche Zuckerarten verwendet, die bis zu 10% enthalten sind. Besonders bevorzugt ist eine Zugabemenge von 4% - 6% Poylvinylalkohol, wobei eine Viskosität von 4 mPas - 6 mPas resultiert.
Um die Qualität des Druckens besser zu verfolgen und den Kontrast von Bauteil zum nicht bedruckten Material zu erhöhen kann die flüssige Komponente eingefärbt werden. Üblicherweise werden geringe Mengen eines leicht löslichen Farbstoffes wie Basacide^®, Orasole^® oder Polymerfarbstoffe wie Milliken Red 17 verwendet. Übliche Zugabemengen liegen im Bereich zwischen 0.1% - 0.5%, bevorzugt 0.2% - 0.3%.
Nach Bedrucken der Schicht wird die Bauplattform relativ zur Druckeinheit um eine Schichtstärke bewegt und neues Pulvermaterial aufgebracht.
Dabei kann eine Infrarotlampe, die sich an der Recoaterachse befindet und/oder eine separate Achse besitzt und/oder an der Druckkopfachse montiert ist, die bedruckte und/oder die frisch aufgelegte Schicht durch eine oder mehrere Überfahrten erwärmen. Die erhöhte Temperatur unterstützt einerseits das Anlösen des löslichen Pulvers und andererseits wird die Flüssigkeitsmenge durch Verdampfen wieder reduziert. Durch den Heizschritt wird neben der Erhöhung der Festigkeit der Bauteile vorteilhafter Weise auch eine höhere Konturschärfe erzeugt, da die Diffusion des Binders durch die genannten Vorgänge reduziert wird.
Die Oberflächentemperatur liegt während dem Prozess zwischen 30 °C und 60 °C, bevorzugt bei 40 °C - 50 °C.
Nach Beendigung des Bauprozesses werden noch 3 mm - 30 mm, bevorzugt 10 mm Leerschichten aufgelegt, um die zuletzt gebauten Bauteile völlig in loses Material einzubetten.
Nach einer Wartezeit von 4 h - 24 h, bevorzugt 8 h - 12 h, besonders bevorzugt 10 h - 11 h kann das Bauteils bspw. mittels eines Saugers vom losen Material befreit werden. Das ungebundene Pulver kann nach einer Kontrollsiebung wieder dem Prozess zugeführt werden.
Die Bauteile werden abschließend mit Druckluft vom restlichen noch anhaftenden Material befreit. Die Festigkeiten sind mit 80 N/cm² - 150 N/cm² eher schwach jedoch fest genug, um sie zerstörungs- und verformungsfrei zu handhaben.
Durch Ofennachbehandlung bei vorzugsweise 100 °C - 140 °C für 3 h - 5 h kann ein Festigkeitszuwachs generiert werden, wobei die endgültigen Festigkeiten von >200 N/cm² erreicht werden.
Da die 3D gedruckten Formkörper eine poröse Oberfläche aufweisen, ist es vor der Verwendung als Guss- oder Laminierform meist vorteilhaft, die Oberfläche des gedruckten Bauteils zu behandeln. Dabei wird die Porosität an der Grenzfläche soweit verringert, dass im weiteren Anwendungsschritt die Oberfläche des gedruckten Werkstoffes nicht mehr penetriert und der Abguss oder das Laminat vom gedruckten Bauteil abgegrenzt werden kann. Die gebaute Form wird zusammengesetzt oder auch in konventionell hergestellte Außenformen eingelegt und mit einem Harz wie bspw. Epoxid, Polyurethan- oder Polyesterharz ausgegossen. Des Weiteren können auch Silikone oder hydraulisch abbindende Materialsysteme verwendet werden. Außerdem lassen sich Laminate basierend auf Glas- oder Kohlefaser anhand der Bauteiloberflächen herstellen.
Nach Aushärten der Materialsysteme erfolgt die Entformung indem Lösemittel bevorzugt Wasser in Kontakt mit der Form gebracht wird. Die kann bspw. durch Tauchen oder Übergießen erfolgen. Die lösliche Komponente löst sich nun rasch auf, wobei der Zusammenhalt des unlöslichen Pulvers aufgehoben wird.
Die unlösliche Komponente wird ebenfalls herausgespült, kann gesammelt werden, wieder mit löslichem Material gemischt und dem Prozess wieder zugeführt werden. Um das gebaute Teil auszulösen genügt ein ausreichend großer Spalt, aus dem das unlösliche Material zusammen mit dem Lösemittel herausfließen kann.
Im Folgenden werden einige Begriffe der Erfindung näher erläutert.
Im Sinne der Erfindung sind „3D-Druckverfahren“ alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen als dreidimensionale Formen ermöglichen, und mit den beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind.
„Selektive Druckflüssigkeitsauftrag“ kann im Sinne der Erfindung nach jedem Partikelmaterialgemischauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig erfolgen, d.h. nicht linear und parallel nach jedem Partikelmaterialauftrag. „Selektiver Druckflüssigkeitsauftrag, “kann somit individuell und im Verlauf der Formkörperherstellung eingestellt werden.
„Binder“ im Sinne der Erfindung sind Materialien, die mittels Anlösen durch eine Lösung oder ein Lösemittel, z.B. eine wässrige Lösung, dazu führen, dass feste und unlösliche Partikel, z.B. Sande, in einem Partikelmaterial aneinanderkleben und ein relative Festigkeit zwischen den Partikeln erzeugen.
„Formkörper“ oder „Bauteil“ oder „Form“ im Sinne der Erfindung sind alles mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens (3D-Druckverfahrens) hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
Als „Partikelmaterialien“ oder „unlösliche Partikelmaterialien“ können alle für den Pulver-basierten 3D Druck (z.B Inkjet-Verfahren) bekannten Materialien verwendet werden, insbesondere Sande, Keramikpulver, Metallpulver, Kunststoffe, Holzpartikel, Faserwerkstoffe, Cellulosen oder/und Laktosepulver. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken frei fließendes Pulver. Es kann aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver verwendet werden.
Unter „Partikelmaterialgemisch“ im Sinne der Erfindung wird ein Materialgemisch aus zwei unterschiedlichen Materialien, z.B. einem wasserlöslichen und einem wasserunlöslichen Partikelmaterial verstanden, wobei die einzelnen Materialien in der vorliegenden Offenbarung weiter beschrieben sind.
Ein „Materialsystem“ im Sinne der Erfindung besteht aus verschiedenen Komponenten, die in Ihrem Zusammenwirken den schichtweisen Aufbau von Formteilen erlauben; diese verschiedenen Komponenten können zusammen oder nacheinander in Schichten aufgebracht und aufgetragen werden. Dabei können einzelne Komponenten wie Binderkomponenten in einer oder beiden Materialkomponenten vorhanden sein und diese haben dann einen Einfluss auf z.B. die Festigkeit des hergestellten Formteils.
Eine „Druckflüssigkeit“ im Sinne der Erfindung dient dazu, selektiv auf das aufgebrachte Partikelmaterialgemisch aufgebracht zu werden und selektiv die Bildung eines Formkörpers zu erreichen. Die Druckflüssigkeit kann dabei Bindermaterialien enthalten, diese Bindermaterialien können im Wesentlichen ausschließlich im Partikelmaterialgemisch vorliegen, im Wesentlichen ausschließlich in der Druckflüssigkeit vorliegen oder in beiden Komponenten vorliegen.
„Bauraum“ ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt.
„Gusswerkstoff“ ist im Sinne dieser Erfinder jeder vergießbare Werkstoff, insbesondere solche bei deren Verarbeitung keine Temperaturen auftreten, die eine Kaltharzbindung schwächen könnten und somit ein Entformen begünstigen.
Die „Porosität“ ist im Sinne der Erfindung eine Labyrinthstruktur von Hohlräumen, die zwischen den im 3D-Druckprozess verbundenen Partikeln entsteht.
Die „Versiegelung“ wirkt an der geometrischen Grenze zwischen gedruckter Form und dem zu füllenden Hohlraum. Sie verschließt oberflächlich die Poren des porösen Formkörpers.
Unter „Kaltgussverfahren“ sind insbesondere Gießverfahren zu verstehen, bei denen vor, während und nach dem Guss die Temperatur der Gussform und des Kernes die Zersetzungs- oder Erweichungstemperatur des Formmaterials nicht erreicht. Dabei wird die Festigkeit der Form durch den Guss nicht beeinflusst. Gegensätzlich dazu wären Metallgussverfahren, bei denen die Form im Allgemeinen durch die heiße Gussmasse langsam zerstört wird.
Mit dem Begriff „Behandelte Oberfläche“ wird eine Oberfläche der Gussform bezeichnet, die nach dem Drucken und Reinigen der Form in einem vorzugsweise eigenen Schritt behandelt wird. Diese Behandlung ist häufig ein Auftragen eines Stoffes auf die Oberfläche und damit auch in die oberflächennahen Bereiche der Form oder des Kerns. Für das Auftragen kommen dabei alle erdenklichen verschiedene Verfahren in Betracht.
Es ist insbesondere für komplexere Formen in wirtschaftlicher Hinsicht wünschenswert, Gussformen für den Kaltguss und Laminierformen über 3D-gedruckte Formen zu realisieren.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Form bereitzustellen, insbesondere zur Verwendung in Kaltguss- und Laminierverfahren, die mittels eines pulverbasierten Schichtbauverfahrens hergestellt ist, wobei die endgültige Form ggf. eine behandelte Oberfläche aufweist und durch ein Lösemittel geschwächt und entformt werden kann.
Die behandelte Oberfläche kann dabei beispielsweise verhindern, dass vergießbare Materialsysteme oder flüssige Bindemittel in den Formkörper auf Grund des hydrostatischen Druckes oder kapillarer Effekte eindringt.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen oder/und Aspekte der Erfindung dargestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Erfindung ein Materialsystem aus einem Gemisch eines Partikelmaterials, wobei mindestens eine Pulverkomponente in einer zweiten flüssigen Komponente löslich ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine erste Materialkomponente, die aus mindestens einem unlöslichen anorganischen und/oder organischem Partikelmaterial und aus einem löslichen bevorzugt wasserlöslichen Polymer mit ähnlicher Korngrößenverteilung besteht.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine zweite Materialkomponente, die größtenteils aus einem Lösemittel und Additiven zur Einstellung der Viskosität und Oberflächenspannung besteht.
Des Weiteren betrifft die Erfindung die Herstellung von wasserlöslichen Formen mittels pulverbettbasiertem 3D Druck im Schichtbauverfahren und mit einer flüssigen Komponente, die selektiv in das Partikelmaterial eingebracht wird.
Durch die löslichen Eigenschaften einer Komponente des Partikelmaterials kann ein daraus mittels 3D Druck hergestellter Formkörper durch Einwirkung eines Lösemittels, bevorzugt Wasser, wieder unter milden Bedingungen zerstört werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung der Form nach der Erfindung zur Herstellung von kalt gegossenen Gussteilen als verlorene Gussform oder Laminat.
Insbesondere können die Gussformen nach der Erfindung zur Herstellung von Betongussteilen und/oder kaltgegossenen Polymerbauteilen verwendet werden.
Vorzugsweise wird für das Schichtbauverfahren ein Pulverbett-basiertes 3D-Druckverfahren eingesetzt.
Wird die Oberfläche ggf. zusätzlich mit einem hydrophoben Material versiegelt, kann das Eindringen des Gussmaterials in die Poren der Gussform gut eingeschränkt werden.
Weiterhin ist es möglich die Porosität der Oberfläche durch eine Schlichte und/oder Dispersion zu verändern, insbesondere eine zirkonoxid-, aluminiumoxid-, calciumoxid-, titanoxid-, kreide- oder kieselsäure-basierte Schlichte und/oder eine kunststoff-, cellulose-, zucker-, mehl- und/oder salzbasierte Lösung.
Darüberhinaus kann die Porosität der Oberfläche durch ein Fett, Öl, Wachs und/oder warmwasserlösliche Stoffe verändert bzw. versiegelt werden.
Ausführungsbeispiele
Eine beispielhafte Vorrichtung zum Erzeugen eines Formteils gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Pulverbeschichter auf. Mit diesem wird Partikelmaterial auf eine Bauplattform aufgebracht und geglättet. Das aufgebrachte Partikelmaterial kann aus verschiedensten unlöslichen Materialien bestehen, erfindungsgemäß bevorzugt und auf Grund der geringen Kosten ist allerdings Sand, der mit einem wasserlöslichen Polymer vermischt wird.Die Höhe der Pulverschichten wird durch die Bauplattform bestimmt. Sie wird nach dem Aufbringen einer Schicht abgesenkt. Beim nächsten Beschichtungsvorgang wird das entstandene Volumen verfüllt und der Überstand glattgestrichen. Das Ergebnis ist eine im Wesentlichen oder sogar nahezu perfekt parallele und glatte Schicht definierter Höhe.
Nach einem Beschichtungs- und gegebenenfalls Aufwärmprozess wird die Schicht mittels eines Tintenstrahldruckkopfes mit einer Flüssigkeit, die das lösliche Polymer an- bzw. auflöst, bedruckt. Das Druckbild entspricht dem Schnitt durch das Bauteil in der aktuellen Bauhöhe der Vorrichtung. Die Flüssigkeit trifft auf das Partikelmaterial und diffundiert langsam hinein.
Das lösliche Partikelmaterial zerfließt teilweise und verbindet die umliegenden losen unlöslichen Partikel physikalisch miteinander. Dabei ist die Bindung zunächst nur von geringer Festigkeit.
Im nächsten Schritt wird die Bauplattform um eine Schichtstärke abgesenkt und die Schicht außerdem zusätzlich mittels Wärme aufgeheizt. Die Schritte Schichtbilden, Bedrucken/Belichten, Erwärmen und Absenken werden nun solange wiederholt bis das gewünschte Bauteil vollständig erstellt ist.
Das Bauteil liegt jetzt vollständig im Pulverkuchen vor. Im letzten Schritt wird das Bauteil vom losen Partikelmaterial befreit. Zusätzlich kann eine Reinigung von losem Pulvermaterial mittels Druckluft folgen.
Das erzeugte Bauteil wird anschließend noch im Ofen getrocknet, um die Festigkeit weiter zu steigern. Nach Behandlung der Oberfläche, kann das Bauteil für den Kaltguss oder als Laminierform verwendet werden.
Je nach Anwendungszweck und erforderlicher Oberflächenqualität werden unterschiedliche mittlere Korngrößen von unlöslichem Partikelmaterial und löslichem Polymer verwendet. Für hohe Oberflächenqualitäten werden bspw. Sande und lösliches Polymer mit einem mittleren Korndurchmesser von 60 µm - 90 µm verwendet, wobei die Schichthöhe mit 150 µm sehr fein gewählt werden kannGröbere Partikel mit bspw. einem d₅₀ = 140 µm - 250 µm lassen nur 250 µm - 400 µm Schichthöhen zu. Dadurch werden gröbere Oberflächen erhalten. Die Aufbaugeschwindigkeit wird auch von der Feinheit des Partikelmaterials beeinflusst.
Nachfolgend sind jeweils zwei Beispiele für ein Partikelmaterial mit löslicher Komponente und einem flüssigem Material sowie exemplarisch die Eigenschaften von resultierenden Bauteilen dargestellt.
Partikelmaterial:
Beispiel 1:
Partikelmaterial bestehend aus Sand mit einer mittleren Korngröße von 150 µm (80%) und einem Sand mit einem d₅₀ von 190 µm (20%) wird in einem Nautamischer mit 10% Polyvinylpyrolidon (bezogen auf das Gesamtgewicht vom Sand) für 1 h gemischt und anschließend gesiebt (250 µm Maschenweite).
Beispiel 2:
Partikelmaterial bestehend aus Sand mit einer mittleren Korngröße von 140 µm wird in einem Nautamischer mit 8% Polyvinylalkohol (bezogen auf das Gesamtgewicht vom Sand) für 1 h gemischt und anschließend gesiebt (250 µm Maschenweite).
Flüssige Komponente:
Beispiel 1:

Wasser: 89.5%
Glycerin: 10%
Natriumdodecylsulfat: 0.3%
Milliken Red 17: 0.2%
Oberflächenspannung: 38 - 40 mN/m, Viskosität: 3-4 mPas

Beispiel 2:

Wasser: 91.75%
Polyethylenglykol 100: 8%
Natriumlaurethsulfat: 0.25%
Oberflächenspannung: 34 -38 mN/m, Viskosität: 5-6 mPas

Bauparameter und Eigenschaften des Bauteils unter Verwendung des Partikelmaterials aus Beispiel 2 und der flüssigen Komponente aus Beispiel 2:

Eintrag von Druckflüssigkeit (bezogen auf Partikelmaterial): 8%
Oberflächentemperatur: 45 °C
Schichthöhe: 250 µm
Lagerung im Pulverbett: 10 h
Biegefestigkeit nach Ofennachbehandlung (1 h @ 120 °C): 220 N/cm²

1 zeigt die Verwendung des hergestellten wasserlöslichen Kerns (100) als Laminierform mit bereits umgebenden Laminat (101). Nach Aushärten des Harzes wird die Form in ein Wasserbecken (200) gegeben und unterstützend mit einem Wasserstrahl (202) herausgewaschen. Die 2 zeigt die sich auflösende Form (300). Die unlösliche Komponente des Partikelmaterials (301) sammelt sich am Boden des Wasserbeckens. Nach vollständigem Auflösen der löslichen Komponente bleibt das Laminat (400) zurück und kann unter einem Wasserstrahl (401) noch vollständig gereinigt werden (3). 4 zeigt das gereinigte und getrocknete Laminat. 5 zeigt die Anwendung im Kaltguss. Zunächst wird die wasserlösliche Form (602) in einer Form (601) eingelegt. Das zu vergießende Material bspw. ein Epoxidharz oder Beton (600) wird in die Form eingegossen. Nach erfolgter Aushärtung des Gussmaterials nach üblicherweise 24 h wird wieder mittels eines Tauchbeckens und/oder Wasserstrahls (604) der Kern unter milden Bedingungen entformt. Das zurückbleibende unlösliche Material kann nach Trocknung und Zumischung des löslichen Anteils wieder dem Druckprozess zugeführt werden. Damit erreicht der Prozess eine hohe Wirtschaftlichkeit, was vor allem beim Verwenden von Sondersanden einen großen Vorteil bringt.
Bezugszeichenliste

100: wasserlöslicher Kern
101: Laminat um wasserlöslichen Kern herum
200: Wasserbad
201: wasserlöslicher Kern mit Laminat
202: Wasser
300: Kern löst sich auf
301: unlösliches Partikelmaterial
302: Wasser
400: entkerntes Laminat
401: Wasser
500: fertiges Laminat
600: Beton
601: Schalung
602: wasserlöslicher Kern
603: Auswaschen mit Wasser
604: Wasser
605: entkerntes Betonbauteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0431924 B1 [0002]

Claims

Materialsystem geeignet für ein 3D-Druckverfahren umfassend oder bestehend aus einem Partikelmaterialgemisch und einer Druckflüssigkeit, wobei das Partikelmaterialgemisch mindestens eine wasserunlösliche und mindestens eine wasserlösliche Komponente beinhaltet oder umfasst, oder wobei das Partikelmaterialgemisch mindestens eine wasserunlösliche Komponente beinhaltet oder umfasst, wobei die wasserunlösliche Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sanden wie Quarzsand, Olivinsand, Kerphalit, Cerabeads, unlöslichen Kunststoffen wie vernetzte Polymere wie Bakelite, wobei die wasserlösliche Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus wasserlöslichen Kunststoffen wie Polyvinylpyrolidon, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol, Polyacrylsäure oder Saccharide, wobei die Druckflüssigkeit umfasst oder besteht aus einer Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser oder einer wässrigen Lösung.
Materialsystem nach Anspruch 1, wobei die Druckflüssigkeit zusätzlich eine Komponente beinhaltet oder umfasst, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus wasserlöslichen Kunststoffen wie Polyvinylpyrolidon, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol oder Polyacrylsäure.
Materialsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wasserunlösliche Komponente in dem Partikelmaterialgemisch zu 40% - 100%, vorzugsweise zu 70% - 95%, mehr bevorzugt zu 80% - 90 %, vorliegt, vorzugsweise wobei die Druckflüssigkeit besteht aus oder umfasst polare organische oder/und anorganische Flüssigkeiten, vorzugsweise Wasser und/oder Alkohole, vorzugsweise wobei der Alkoholanteil zwischen 0.5% - 15%, bevorzugt 2% - 10%, besonders bevorzugt 5% - 8% beträgt und/oder wobei die Alkohole einfache Alkohole, Diole oder Polyole oder Mischungen der genannten umfassen, vorzugsweise wobei die Druckflüssigkeit eine Viskosität von 2 mPas - 15 mPas, bevorzugt 4 mPas - 10 mPas und besonders bevorzugt zwischen 5 mPas - 8 mPas aufweist.
Materialsystem nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Druckflüssigkeit weiterhin Tenside, wie Natriumdodecylsulfat, umfasst und die Oberflächenspannung von 20 mN/m - 50 mN/m, bevorzugt 25 mN/m - 40 mN/m und besonders bevorzugt von 28 mN/m - 35 mN/m aufweist , oder/und Entschäumer aus bspw. der Gruppe der Siloxane umfasst oder/und Färbemittel umfasst.
3D-Druckverfahren zum Herstellen eines Formkörpers umfassend die Schritte Auftragen eines Partikelmaterialgemisches auf einer Bauebene, selektives Aufbringen einer Druckflüssigkeit zum zumindest teilweisen selektiven Verfestigen, gegebenenfalls Temperieren des Baufeldes oder Energieeintrag in das aufgebrachte Partikelmaterialgemisch, vorzugsweise Temperieren auf 30 °C bis 60 °C, mehr bevorzugt 40 °C bis 50 °C, und die Druckflüssigkeit, wiederholen dieser Schritte bis das gewünschte Formteil erhalten wurde, vorzugsweise wobei das erhaltene Formteil von dem nicht verfestigten Partikelmaterialgemisch getrennt wird und das Formteil vorzugsweise einem weiteren Wärmebehandlungsschritt unterzogen wird.
3D-Druckverfahren nach Anspruch 5, wobei das Partikelmaterialgemisch mittels Recoater aufgetragen wird, ggf. das Partikelmaterialgemisch vor dem Aufbringen gemischt wird, vorzugsweise wobei die Druckflüssigkeit mit einem Druckkopf selektiv aufgetragen wird.
3D-Druckverfahren nach einem der Ansprüche 5-6, wobei das Formteil nach Abschluss des Druckverfahrens 4 h - 24 h, vorzugsweise 8 h - 15h, besonders bevorzugt 10 h -11 h, bei Umgebungsbedingungen in einem Pulverbett belassen wird, vorzugsweise wobei in einem zusätzlichen Schritt das Formteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird, vorzugsweise wird das Formteil 1 h - 7 h, bevorzugt 4 h - 6 h, bei 30 °C - 160 °C, vorzugsweise bei 50 °C - 140 °C, gelagert, wobei vorzugsweise die Wärmebehandlung vor und/oder während und/oder nach dem Druckvorgang mittels IR-Lampe unterstützend erfolgt, vorzugsweise wobei die Oberfläche des Formteils weiter beschichtet oder versiegelt wird.
Verwendung eines Materialsystems nach einem der Ansprüche 1-4 in einem 3D-Druckverfahren.
Formteil hergestellt mittels 3D-Druckverfahren nach einem der Ansprüche 5-7, wobei das Formteil nach 4 h - 24 h, vorzugsweise 8 h - 15 h, besonders bevorzugt 10 h -11 h, bei Umgebungsbedingungen im Pulverbett belassen wird Festigkeiten von 80 N/cm² - 150 N/cm² in Druckrichtung aufweist und nach einer Wärmebehandlung für 1 h - 7 h, bevorzugt 4 h - 6 h, bei 30 °C - 160 °C, vorzugsweise bei 50 °C - 140 °C, Festigkeiten von mehr als 200 N/cm² aufweist.
Verwendung eines Formteils hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7 für den Kaltguss von Kunstharzen oder hydraulisch abbindenden Systemen oder als Laminierform.