DE102017009742A1 - 3D PRINTING METHOD AND SOLUBLE FORMING MANUFACTURED THEREFOR, IN PARTICULAR FOR USE IN COLD-CASTING AND LAMINATING PROCESSES - Google Patents

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.The present invention relates to a soluble form produced by a powder-based layer-building method, the use of the mold, and a method for the production thereof.

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.The present invention relates to a soluble form produced by a powder-based layer-building method, the use of the mold, and a method for the production thereof.

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.In the European patent specification EP 0 431 924 B1 A method of manufacturing three-dimensional objects from computer data will be described. In this case, a particulate material is applied in a thin layer on a platform and this selectively printed by means of a print head with a liquid. In the area printed with the fluid, the particles combine and the area solidifies under the influence of the liquid and optionally an additional hardener. Subsequently, the platform is lowered by one layer thickness in a building cylinder and provided with a new layer of particulate material, which is also printed as described above. These steps are repeated until a certain desired height of the object is reached. The printed and solidified areas create a three-dimensional object.

Mit diesem Verfahren lassen sich verschiedene Partikelmaterialien, dazu zählen - nicht erschöpfend - natürliche biologische Rohstoffe, polymere Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Sande, verarbeiten.This process can process various particulate materials including, but not limited to, natural biological raw materials, polymeric plastics, metals, ceramics and sands.

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.Sand particles, for example, can be processed with binder systems by powder-based 3D printing. These include cold-resin binding, which is used in the foundry industry as well as in 3D printing.

Auch anorganische Bindemittel kommen auf diesem Gebiet zur Anwendung. Diese sind im Gießereiwesen die umweltfreundliche Alternative zum Kaltharzbinder.Inorganic binders are also used in this field. These are the green alternative to the cold resin binder in the foundry industry.

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.These materials are particularly suitable for metal casting, which is usually high temperatures and wherein the organic binder burns to a large extent and the shape vorschwächt. In the subsequent step, the mold residues are removed mechanically after cooling the melt. For inorganically bonded molds, high energies must be used to prevent the mold from weakening during casting.

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.For cold-casting with synthetic resins or hydraulically setting systems such as concrete, none of the previously mentioned forms is weakened. The surface of the sand molds must be coated and sealed prior to cold casting and a release agent applied to facilitate separation of the interfaces after curing of the cast material.

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.While outer shapes can still be removed from the mold, it is disadvantageously not possible to produce internal structures of the casting with insert cores, as mechanical removal of the insert core is practically impossible without damaging the final shape.

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.Similarly disadvantageous is the use of the printed sand molds as lamination tool. Simple surface structures can be easily produced on coated surfaces, but this is not possible for undercuts or overhangs. While it is still possible for certain geometries to mechanically destroy the mold and thus expose the laminate, this is impossible with almost closed structures. The laminate will be damaged.

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.So far, no or only insufficiently satisfactory methods are known which make it possible to produce complicated laminating moldings. However, there are no satisfactory methods and material system for 3D printing available both for laminating moldings and for cold molds with complicated geometry, such as undercuts.

Es war deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen oder zumindest wesentlich zu verringern.It was therefore an object of the present invention to eliminate or at least substantially reduce the disadvantages of the prior art.

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.It was an object of the present invention to provide a material system and / or a 3D printing method which reduces or eliminates the disadvantages of the prior art.

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.It was an object of the present invention to provide a material system and / or a 3D printing method that allows to easily and inexpensively manufacture complicated geometries and laminated parts.

Kurze Zusammenfassung der ErfindungBrief summary of the invention

Die Erfindung betrifft in einem Aspekt ein Materialsystem, das ein Partikelmaterialgemisch und eine Druckflüssigkeit umfasst.The invention in one aspect relates to a material system comprising a particulate material mixture and a pressurized fluid.

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.In a further aspect, the invention relates to a method for producing molded parts which can be used as laminating or cold-casting molds and which can be easily removed, if necessary, by washing with an aqueous solution or liquid.

Figurenliste list of figures

• 1: Darstellung eines einfachen gedruckten Formkörpers als Laminierform für ein Laminat. 1 : Representation of a simple printed shaped body as a laminating form for a laminate.
• 2: Auswaschen des Laminats unter Zerstörung des gedruckten Teils 2 : Wash out the laminate, destroying the printed part
• 3: entkerntes Laminat 3 : cored laminate
• 4: fertiges Laminat 4 : finished laminate
• 5: Verfahrensablauf beim Kaltguss mit anschließendem Auswaschen der Form 5 : Procedure for cold casting with subsequent washing out of the mold

Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

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.One solution to the problem underlying the invention in cold casting and in the production of laminates is a material system and / or a method for the production of 3D printed moldings, which can be demolded by means of a solvent such as water under destruction.

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.In one aspect, a solution is provided by a material system suitable for a 3D printing process comprising or consisting of a particulate material mixture and a printing fluid, wherein the particulate material mixture includes or comprises at least one water-insoluble and at least one water-soluble component, or wherein the particulate material mixture includes at least one water-insoluble component or wherein the water-insoluble component is selected from the group consisting of sands such as quartz sand, olivine sand, kerphalite, cerabeads, insoluble plastics such as crosslinked polymers such as Bakelite, wherein the water-soluble component is selected from the group consisting of water-soluble plastics such as polyvinyl pyrrolidone, polyethylene glycol, Polyvinyl alcohol, polyacrylic acid or saccharides, wherein the pressure fluid comprises or consists of a liquid selected from the group consisting of water or an aqueous L solution.

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.One of the advantages of a material system according to the invention is that it is cost-effective because either cost-effective insoluble materials can be used or / and the insoluble particulate material can essentially be reused. This is particularly advantageous for expensive particulate materials.

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.Furthermore, the printing fluid is easy to handle, environmentally friendly and protects the printhead and its components, which represent a significant cost factor in 3D printing machines and their processes.

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 a material system according to the invention, the printing fluid may additionally include or comprise a component selected from the group consisting of water-soluble plastics such as polyvinyl pyrrolidone, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol or polyacrylic acid or other known water-soluble components that are compatible with the other material components.

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.In a material system according to the invention, the individual components are adjusted in relation to one another in such a way that a 3D printing process can be advantageously carried out and leads to the desired properties of the molded parts produced.

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.The water-insoluble component in the particulate material mixture may be present in relation to the total particulate material mixture to 40 to 100%, preferably 70 to 95%, more preferably 80 to 90%.

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 a material system according to the invention, the pressure fluid is adjusted and adapted equally to the other material components, wherein the pressure fluid may consist of or comprise polar organic and / or inorganic liquids, preferably water and / or alcohols.

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 a material system according to the invention, the alcohol content may be between 0.5% -15%, preferably 2% -10%, particularly preferably 5% -8%, and / or wherein the alcohols comprise simple alcohols, diols or polyols or mixtures of those mentioned.

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 a material system according to the invention, the printing fluid is adjusted in terms of its viscosity in a suitable manner with suitable substances or liquids known to the person skilled in the art. The viscosity may be between 2 mPas-15 mPas, preferably between 4 mPas-10 mPas and particularly preferably between 5 mPas-8 mPas.

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 a material system according to the invention, the printing fluid may further comprise surfactants, such as sodium dodecyl sulfate or sodium laureth sulfate and a surface tension of 20 mN / m - 50 mN / m, preferably 25 mN / m - 40 mN / m and particularly preferably 28 mN / m - 35 mN / m and / or defoamers from, for example, the group of siloxanes or / and colorants.

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.In a further aspect, the invention relates to a 3D printing method for producing a shaped article, comprising the steps of applying a particle material mixture to a building plane, selectively applying a printing liquid to the building surface at least partially selective solidification, if appropriate tempering of the construction field or introduction of energy into the applied particle material mixture before and / or during and / or after the printing process, preferably tempering to 30 ° C. to 60 ° C., more preferably 40 to 50 ° C., and the pressure fluid, repeat these steps until the desired part has been obtained.

Vorteilhaft ist, dass mit diesem Verfahren Formteile in guter Qualität hergestellt werden können und diese in unterschiedlichen Anwendungen und Verwendungen Einsatz finden können.It is advantageous that molded parts can be produced in good quality with this method and that they can be used in different applications and uses.

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 particular, it is an advantage that the moldings (also mold or mold) produced in this way can serve as laminating molds or for all purposes in which the molds are to be removed again at the end of the process for which they are used. This is easily possible by means of water supply, whereby the mold is flushed out and so the product produced with the mold can be gently removed from the mold.

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.In a 3D printing method according to the invention, the resulting molded part can be separated from the unconsolidated particulate material mixture and the molded article preferably subjected to a further heat treatment step.

Wie in allen üblichen 3D-Druckverfahren, z.B. Inkjet-Verfahren, wird das Partikelmaterialgemisch mittels Recoater aufgetragen und ggf. das Partikelmaterialgemisch vor dem Aufbringen zusammengemischt.As in all conventional 3D printing processes, e.g. Inkjet method, the particulate material mixture is applied by means of recoater and possibly mixed together the particulate material mixture before application.

Wie in allen üblichen 3D-Druckverfahren, z.B. Inkjet-Verfahren, wird die Druckflüssigkeit mit einem Druckkopf selektiv aufgetragen.As in all conventional 3D printing processes, e.g. Inkjet method, the printing fluid is selectively applied with a printhead.

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.In a 3D printing process according to the invention, the molded part can be left at ambient conditions in the powder bed for 4 h to 24 h, preferably 8 h to 15 h, particularly preferably 10 h to 11 h, after completion of the printing process.

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.The 3D printing process according to the invention can be followed by further work steps. For example, in an additional step, the molding is subjected to a heat treatment, preferably the molding 1 h - 7 h, preferably 4 h - 6 h, stored at 30 ° C - 160 ° C, preferably at 50 ° C - 140 ° C.

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.Another possibility of a subsequent step in a 3D printing process according to the invention is to further coat or seal the surface of the molded part, in which case all methods and materials known to those skilled in the art for such molded parts can be used.

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.The molded parts produced by the 3D printing method according to the invention can be used in a variety of applications. For example, in lamination process for the production of tubes or hoses for aerospace or the like.

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.The material properties of the molded parts produced by means of the 3D method according to the invention are advantageous and can be further influenced by suitable subsequent steps of the method in certain material properties. For example, the strength can be influenced on the one hand by the amount of water-soluble component in the particle material mixture and in the pressure fluid, on the other hand, the strength can be adjusted by leaving the molding in the powder bed or a subsequent heat treatment. A molding which is left in the powder bed at ambient conditions for a further 4 hours to 24 hours, preferably 8 hours to 15 hours, particularly preferably 10 hours to 11 hours, can have compressive strengths of 80 N / cm ^{2 to} 150 N / cm ² and after a heat treatment for 1 h - 7 h, preferably 4 h - 6 h, at 30 ° C - 160 ° C, preferably at 50 ° C - 140 ° C, have strengths of more than 200 N / cm ² .

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.In a further aspect, the invention relates to the use of a molded part produced according to the invention or a molded part produced by a process according to the invention for cold-casting of synthetic resins or hydraulically setting systems or as a laminating mold.

Weitere Aspekte der Erfindung werden im Folgenden beschrieben.Further aspects of the invention will be described below.

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.Before the actual 3D printing process according to the invention, an inert particulate material such as the sand used in powder bed-based 3D printing, such as quartz sand, olivine sand, kerphalite or cerabeads, but also insoluble plastics such as crosslinked polymers such as Bakelite with particles of a soluble, preferably water-soluble plastic such as polyvinylpyrrolidone , Polyvinyl alcohol or polyacrylic acid, mixed. Thus, a suitable for the invention particulate material mixture.

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.The advantage of the above-mentioned powder mixture is that no changes to the existing coater technology are necessary and standard 3D printers can be used which are capable of processing particulate material in the furan resin, phenolic resin and inorganic process.

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.The particle sizes of the soluble and insoluble components are preferably between 90 .mu.m and 250 .mu.m, although finer powders are also suitable. The two components differ not more than 50 microns apart, preferably not more than 10 microns in their mean particle sizes. As a result, segregation during the transport of the particulate material is largely prevented.

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.The powders are usually homogenized upstream of the process in a batch mixer. If water-soluble plastics are used as binders, attention must be paid to a relative air humidity of <50%, preferably <25%, since otherwise the flowability decreases sharply and agglomeration occurs.

Die Lagertemperatur ist mindestens 20 K unterhalb des Glasübergangspunktes des löslichen Kunststoffes zu wählen.The storage temperature should be at least 20 K below the glass transition point of the soluble plastic.

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.The liquid second component, i. a printing fluid is introduced via a print head which is guided in a meandering manner over the coated first component, selectively in accordance with the data of the respective layer image with a predefined entry based on the weight of the particulate material.

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.The pressurized fluid (the liquid component) consists to a large extent of a solvent (solvent) that can quickly dissolve the soluble material in the first component. Preferably, the solvent is water.

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.So that water can be processed in a pressure-stable manner, on the one hand the surface tension is lowered from about 72 mN / m to preferably below 40 mN / m, more preferably between 30 mN / m and 35 mN / m by adding a surfactant. For this purpose, only small amounts are added, since high quantities promote the formation of foam and it can lead to nozzle failures during printing. For this reason, only amounts of up to 1% of a surfactant such as sodium dodecyl sulfate, sugar surfactants, Surfynol ^® 440, Surfynol ^® 465 or Carbowet 104 ^® is added into the pressure liquid.

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.The occurrence of foam is reduced by the addition of defoamers, for example. From the group of siloxanes such as TEGO ^® Foamex 1488 and usually added up to 0.5% of the pressure fluid.

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.The viscosity of the printing fluid is adjusted by addition of slightly water-soluble alcohols in a range of 4 mPas - 20 mPas. Preference is given to using polyhydric alcohols, such as glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol or soluble sugars, which contain up to 10%. Particularly preferred is an addition of 4% - 6% polyvinyl alcohol, with a viscosity of 4 mPas - 6 mPas results.

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%.To better track the quality of the print and increase the contrast of the component from the non-printed material, the liquid component can be colored. Typically, small amounts of a slightly-soluble dye as Basacide ^{®, ®} Orasole or polymeric dyes such as Red Milliken uses 17th Usual addition amounts are in the range between 0.1% -0.5%, preferably 0.2% -0.3%.

Nach Bedrucken der Schicht wird die Bauplattform relativ zur Druckeinheit um eine Schichtstärke bewegt und neues Pulvermaterial aufgebracht.After printing the layer, the construction platform is moved relative to the printing unit by a layer thickness and applied new powder material.

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.In this case, an infrared lamp, which is located on the recoater axis and / or has a separate axis and / or is mounted on the print head axis, heat the printed and / or the freshly applied layer by one or more passages. The elevated temperature on the one hand supports the dissolution of the soluble powder and on the other hand, the amount of liquid is reduced by evaporation again. In addition to increasing the strength of the components, the heating step also advantageously produces a higher contour sharpness, since the diffusion of the binder is reduced by the above-mentioned processes.

Die Oberflächentemperatur liegt während dem Prozess zwischen 30 °C und 60 °C, bevorzugt bei 40 °C - 50 °C.The surface temperature during the process is between 30 ° C and 60 ° C, preferably at 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.After completion of the construction process, another 3 mm - 30 mm, preferably 10 mm empty layers are placed in order to embed the last built components completely in loose material.

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.After a waiting time of 4 h to 24 h, preferably 8 h to 12 h, particularly preferably 10 h to 11 h, the component can be freed, for example, by means of a nipple from the loose material. The unbonded powder can be returned to the process after a control sieving.

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.The components are finally freed with compressed air from the remaining adhering material. The strengths are at 80 N / cm ² - 150 N / cm ² rather weak but strong enough to handle them non-destructive and deformation-free.

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.By furnace post-treatment at preferably 100 ° C - 140 ° C for 3 h - 5 h, an increase in strength can be generated, the final strengths of> 200 N / cm ^{2 are} achieved.

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.Since the 3D printed moldings have a porous surface, before use as a casting or laminating mold, it is usually advantageous to treat the surface of the printed component. The porosity at the interface is so far reduces the fact that in the further application step, the surface of the printed material no longer penetrates and the casting or the laminate can be delimited from the printed component. The built form is assembled or inserted in conventionally produced outer molds and filled with a resin such as epoxy, polyurethane or polyester resin. Furthermore, silicones or hydraulically setting material systems can also be used. In addition, laminates based on glass or carbon fibers can be produced based on the component surfaces.

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.After curing of the material systems, the demolding is carried out in the solvent preferably water is brought into contact with the mold. The can be done, for example, by dipping or pouring. The soluble component now dissolves quickly, the cohesion of the insoluble powder is released.

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.The insoluble component is also rinsed out, can be collected, mixed again with soluble material, and returned to the process. In order to trigger the built part, a sufficiently large gap suffices, from which the insoluble material can flow out together with the solvent.

Im Folgenden werden einige Begriffe der Erfindung näher erläutert.In the following some terms of the invention will be explained in more detail.

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.For the purposes of the invention, "3D printing processes" are all processes known from the prior art which enable the construction of components as three-dimensional shapes and which are compatible with the described process components and devices.

„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.For the purposes of the invention, "selective application of the pressure fluid" can be carried out after each application of a mixture of particulate material or, depending on the requirements of the molded article and for the optimization of the production of moldings, also irregularly, i. non-linear and parallel after each particle material application. "Selective printing fluid application," can thus be adjusted individually and in the course of the molding process.

„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."Binders" within the meaning of the invention are materials which are dissolved by dissolving with a solution or a solvent, e.g. an aqueous solution, causing solid and insoluble particles, e.g. Sands, stick together in a particulate material and produce a relative strength between the particles.

„Formkörper“ oder „Bauteil“ oder „Form“ im Sinne der Erfindung sind alles mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens (3D-Druckverfahrens) hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen."Shaped body" or "component" or "shape" in the sense of the invention are all three-dimensional objects produced by the method according to the invention (3D printing method), which have a dimensional stability.

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.As "particulate materials" or "insoluble particulate materials" it is possible to use all materials known for powder-based 3D printing (for example inkjet processes), in particular sands, ceramic powders, metal powders, plastics, wood particles, fibrous materials, celluloses or / and lactose powders. The particulate material is preferably a dry free flowing powder. However, a cohesive, cut-resistant powder can also be used.

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.By "particulate material mixture" in the sense of the invention, a material mixture of two different materials, e.g. a water-soluble and a water-insoluble particulate material, wherein the individual materials are further described in the present disclosure.

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.A "material system" within the meaning of the invention consists of various components that allow in their interaction the layered structure of moldings; these various components can be applied and applied together or sequentially in layers. In this case, individual components such as binder components may be present in one or both material components and these then have an influence on e.g. the strength of the molded part produced.

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.A "pressure fluid" in the context of the invention serves to be selectively applied to the applied particle material mixture and to selectively achieve the formation of a shaped body. The printing fluid may contain binder materials, these binder materials may be present substantially exclusively in the particulate material mixture, substantially exclusively present in the printing fluid or present in both components.

„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."Construction space" is the geometric location in which the particulate material bed grows during the construction process by repeated coating with particulate material. In general, the space is limited by a floor, the building platform, by walls and an open deck, the building level.

„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."Casting material" in the sense of these inventors is any castable material, in particular those in the processing of which no temperatures occur which could weaken a cold-resin bond and thus promote demoulding.

Die „Porosität“ ist im Sinne der Erfindung eine Labyrinthstruktur von Hohlräumen, die zwischen den im 3D-Druckprozess verbundenen Partikeln entsteht.The "porosity" in the sense of the invention is a labyrinth structure of cavities which arises between the particles connected in the 3D printing process.

Die „Versiegelung“ wirkt an der geometrischen Grenze zwischen gedruckter Form und dem zu füllenden Hohlraum. Sie verschließt oberflächlich die Poren des porösen Formkörpers. The "seal" acts on the geometric boundary between printed form and the cavity to be filled. It superficially closes the pores of the porous molding.

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.By "cold-casting" is meant, in particular, casting processes in which the temperature of the casting mold and of the core does not reach the decomposition or softening temperature of the molding material before, during and after the casting. The strength of the mold is not affected by the casting. In contrast, metal casting processes in which the mold is generally slowly destroyed by the hot casting compound.

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.The term "treated surface" refers to a surface of the mold that is treated after printing and cleaning the mold in a preferably separate step. This treatment is often a coating of a substance on the surface and thus in the near-surface areas of the mold or the core. For the application, all conceivable different methods come into consideration.

Es ist insbesondere für komplexere Formen in wirtschaftlicher Hinsicht wünschenswert, Gussformen für den Kaltguss und Laminierformen über 3D-gedruckte Formen zu realisieren.In particular, for more complex shapes, it is economically desirable to realize cold-molding and laminating molds over 3D printed forms.

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.One aspect of the present invention is to provide a mold, in particular for use in cold-casting and laminating processes, which is produced by means of a powder-based layering process, the final shape optionally having a treated surface and being weakened and demoulded by a solvent.

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.The treated surface can prevent, for example, that pourable material systems or liquid binders penetrate into the molding due to the hydrostatic pressure or capillary effects.

Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen oder/und Aspekte der Erfindung dargestellt.In the following, further embodiments or / and aspects of the invention are presented.

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.According to a preferred embodiment, the invention comprises a material system of a mixture of a particulate material, wherein at least one powder component is soluble in a second liquid component.

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 a further aspect, the invention relates to a first material component which consists of at least one insoluble inorganic and / or organic particulate material and of a soluble, preferably water-soluble polymer with similar particle size distribution.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine zweite Materialkomponente, die größtenteils aus einem Lösemittel und Additiven zur Einstellung der Viskosität und Oberflächenspannung besteht.In a further aspect, the invention relates to a second material component consisting largely of a solvent and additives for adjusting the viscosity and surface tension.

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.Furthermore, the invention relates to the production of water-soluble forms by means of powder bed-based 3D printing in the layer-building method and with a liquid component which is introduced selectively into the particulate material.

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.Due to the soluble properties of a component of the particle material, a molded article produced therefrom by means of 3D printing can be destroyed again under mild conditions by the action of a solvent, preferably water.

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.In a further aspect, the invention relates to a use of the mold according to the invention for the production of cold-cast castings as a lost mold or laminate.

Insbesondere können die Gussformen nach der Erfindung zur Herstellung von Betongussteilen und/oder kaltgegossenen Polymerbauteilen verwendet werden.In particular, the molds of the invention may be used to make concrete castings and / or cold cast polymer components.

Vorzugsweise wird für das Schichtbauverfahren ein Pulverbett-basiertes 3D-Druckverfahren eingesetzt.Preferably, a powder bed-based 3D printing process is used for the layer construction process.

Wird die Oberfläche ggf. zusätzlich mit einem hydrophoben Material versiegelt, kann das Eindringen des Gussmaterials in die Poren der Gussform gut eingeschränkt werden.If the surface is optionally additionally sealed with a hydrophobic material, the penetration of the casting material into the pores of the casting mold can be restricted well.

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.Furthermore, it is possible to change the porosity of the surface by a size and / or dispersion, in particular a zirconium oxide, aluminum oxide, calcium oxide, titanium oxide, chalk or silicic acid-based size and / or a plastic, cellulose, sugar , flour and / or salt-based solution.

Darüberhinaus kann die Porosität der Oberfläche durch ein Fett, Öl, Wachs und/oder warmwasserlösliche Stoffe verändert bzw. versiegelt werden.In addition, the porosity of the surface can be changed or sealed by a grease, oil, wax and / or warm water-soluble substances.

Ausführungsbeispieleembodiments

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.An exemplary apparatus for producing a molded article according to the present invention comprises a powder coater. With this particle material is applied to a building platform and smoothed. The applied particulate material may consist of a wide variety of insoluble materials, is preferred according to the invention, and due to the low cost, however, sand is mixed with a water-soluble polymer. The height of the powder layers is determined by the build platform. It is lowered after applying a coat. During the next coating process, the resulting volume is filled and the supernatant smoothed. The result is a substantially or even almost perfectly parallel and smooth layer of defined height.

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. After a coating and optionally warming process, the layer is printed by means of an inkjet printhead with a liquid which dissolves or dissolves the soluble polymer. The printed image corresponds to the section through the component in the current height of the device. The fluid hits the particulate material and slowly diffuses into it.

Das lösliche Partikelmaterial zerfließt teilweise und verbindet die umliegenden losen unlöslichen Partikel physikalisch miteinander. Dabei ist die Bindung zunächst nur von geringer Festigkeit.The soluble particulate material partially dissolves and physically bonds the surrounding loose insoluble particles together. The bond is initially only of low strength.

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.In the next step, the construction platform is lowered by one layer thickness and the layer is additionally heated by means of heat. The steps layering, printing / exposure, heating and lowering are now repeated until the desired component is completely created.

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.The component is now completely in the powder cake. In the last step, the component is freed from loose particulate material. In addition, cleaning of loose powder material may be followed by compressed air.

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.The component produced is then dried in the oven to further increase the strength. After treatment of the surface, the component can be used for cold casting or as laminating.

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.Depending on the application and required surface quality different average particle sizes of insoluble particulate material and soluble polymer are used. For high surface qualities, for example, sand and soluble polymer with a mean grain diameter of 60 microns - 90 microns are used, the layer height of 150 microns can be chosen very fine. Rougher particles with, for example, a d ₅₀ = 140 .mu.m - 250 .mu.m can only 250 microns - 400 microns layer heights too. As a result, coarser surfaces are obtained. Build-up speed is also affected by the fineness of the particulate material.

Nachfolgend sind jeweils zwei Beispiele für ein Partikelmaterial mit löslicher Komponente und einem flüssigem Material sowie exemplarisch die Eigenschaften von resultierenden Bauteilen dargestellt.Below are two examples of a particulate material with a soluble component and a liquid material and exemplified the properties of resulting components.

Partikelmaterial:Particle material:

Beispiel 1:Example 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).Particulate material consisting of sand with an average particle size of 150 microns (80%) and a sand with a d ₅₀ of 190 microns (20%) is mixed in a Nautamischer with 10% polyvinylpyrolidone (based on the total weight of the sand) for 1 h and subsequently sieved (250 μm mesh size).

Beispiel 2:Example 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).Particulate material consisting of sand with an average particle size of 140 microns is mixed in a Nautamischer with 8% polyvinyl alcohol (based on the total weight of the sand) for 1 h and then sieved (250 microns mesh size).

Flüssige Komponente:Liquid component:

Beispiel 1:

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

Example 1:

• Water: 89.5%
• Glycerine: 10%
• Sodium dodecyl sulfate: 0.3%
• Milliken Red 17: 0.2%
• Surface tension: 38 - 40 mN / m, viscosity: 3-4 mPas

Beispiel 2:

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

Example 2:

• Water: 91.75%
• Polyethylene glycol 100: 8%
• Sodium laureth sulfate: 0.25%
• Surface tension: 34-38 mN / m, viscosity: 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

Construction parameters and properties of the component using the particulate material from Example 2 and the liquid component from Example 2:

• Entry of pressure fluid (based on particle material): 8%
• Surface temperature: 45 ° C
• Layer height: 250 μm
• Storage in powder bed: 10 h
• Bending strength after oven post-treatment (1 h @ 120 ° C): 220 N / cm ²

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. 1 shows the use of the prepared water-soluble core ( 100 ) as lamination with already surrounding laminate ( 101 ). After curing of the resin, the mold is placed in a water basin ( 200 ) and supporting with a jet of water ( 202 ) washed out. The 2 shows the dissolving form ( 300 ). The insoluble component of the particulate material ( 301 ) collects at the bottom of the water basin. After complete dissolution of the soluble component, the laminate remains ( 400 ) and can under a water jet ( 401 ) are still completely cleaned ( 3 ). 4 shows the cleaned and dried laminate. 5 shows the application in cold casting. First, the water-soluble form ( 602 ) in a form ( 601 ). The material to be cast, for example, an epoxy resin or concrete ( 600 ) is poured into the mold. After curing of the casting material after usually 24 h is again by means of a dip tank and / or water jet ( 604 ) the core demolded under mild conditions. The remaining insoluble material can be fed back to the printing process after drying and mixing of the soluble fraction. Thus, the process achieves a high degree of economy, which brings a great advantage, especially when using special sand.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100

wasserlöslicher Kernwater-soluble core

101101

Laminat um wasserlöslichen Kern herumLaminate around water-soluble core around

200200

Wasserbadwater bath

201201

wasserlöslicher Kern mit Laminatwater-soluble core with laminate

202202

Wasserwater

300300

Kern löst sich aufKern dissolves

301301

unlösliches Partikelmaterialinsoluble particulate material

302302

Wasserwater

400400

entkerntes Laminatcored laminate

401401

Wasserwater

500500

fertiges Laminatfinished laminate

600600

Betonconcrete

601601

Schalungformwork

602602

wasserlöslicher Kernwater-soluble core

603603

Auswaschen mit WasserWash with water

604604

Wasserwater

605605

entkerntes Betonbauteilcored concrete component

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• EP 0431924 B1 [0002]EP 0431924 B1 [0002]

Claims (10)

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.A material system suitable for a 3D printing process comprising or consisting of a particulate material mixture and a printing fluid, the particulate material mixture comprising or comprising at least one water-insoluble and at least one water-soluble component, or wherein the particulate material mixture includes or comprises at least one water-insoluble component, wherein the water-insoluble component is selected from the group consisting of sands such as quartz sand, olivine sand, kerphalite, cerabeads, insoluble plastics such as crosslinked polymers such as Bakelite, wherein the water-soluble component is selected from the group consisting of water-soluble plastics such as polyvinylpyrrolidone, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid or saccharides, wherein the pressure fluid comprises or consists of a liquid selected from the group consisting of water or an aqueous solution. 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.Material system after Claim 1 wherein the printing fluid additionally includes or comprises a component selected from the group consisting of water-soluble plastics such as polyvinylpyrrolidone, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol or polyacrylic acid. 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.Material system after Claim 1 or 2 wherein the water-insoluble component in the particulate material mixture is present at 40% -100%, preferably at 70% -95%, more preferably at 80% -90%, preferably wherein the pressurized fluid consists of or comprises polar organic and / or inorganic liquids, preferably water and / or alcohols, preferably wherein the alcohol content between 0.5% - 15%, preferably 2% - 10%, more preferably 5% - 8% and / or wherein the alcohols include simple alcohols, diols or polyols or mixtures of those mentioned , preferably wherein the pressure fluid has a viscosity of 2 mPas - 15 mPas, preferably 4 mPas - 10 mPas and particularly preferably between 5 mPas - 8 mPas. 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.Material system according to one of Claims 1 - 3 wherein the printing fluid further comprises surfactants such as sodium dodecyl sulfate and has the surface tension of 20 mN / m - 50 mN / m, preferably 25 mN / m - 40 mN / m and particularly preferably 28 mN / m - 35 mN / m, or / and defoamer from, for example, the group of siloxanes comprises or / and colorant comprises. 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 printing method for producing a shaped article comprising the steps of applying a particle material mixture on a structural plane, selectively applying a pressure fluid for at least partially selective solidification, optionally tempering the construction field or energy input into the applied particle material mixture, preferably tempering at 30 ° C to 60 ° C, more preferably 40 ° C to 50 ° C, and the printing liquid, repeating these steps until the desired molded part is obtained, preferably wherein the obtained molded article is separated from the unconsolidated particulate material mixture and the molded article is preferably subjected to a further heat treatment step. 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 printing process after Claim 5 , wherein the particulate material mixture is applied by means of recoater, if necessary, the particulate material mixture is mixed before application, preferably wherein the printing fluid is selectively applied with a printhead. 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.3D printing process according to one of the Claims 5 - 6 , wherein the molding after completion of the printing process 4 h - 24 h, preferably 8 h - 15h, more preferably 10 h -11 h, is left at ambient conditions in a powder bed, preferably wherein in an additional step, the molding is subjected to a heat treatment, preferably the molding is 1 h - 7 h, preferably 4 h - 6 h, stored at 30 ° C - 160 ° C, preferably at 50 ° C - 140 ° C, preferably wherein the heat treatment before and / or during and / or after the printing process by means of IR lamp supportive, preferably wherein the surface of the molding is further coated or sealed. Verwendung eines Materialsystems nach einem der Ansprüche 1-4 in einem 3D-Druckverfahren.Use of a material system according to one of Claims 1 - 4 in a 3D printing process. 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.Molded part produced by means of 3D printing process according to one of Claims 5 - 7 , wherein the molded part after 4 h - 24 h, preferably 8 h - 15 h, more preferably 10 h -11 h, left at ambient conditions in the powder bed will have strengths of 80 N / cm ² - 150 N / cm ² in the printing direction and after a heat treatment for 1 h - 7 h, preferably 4 h - 6 h, at 30 ° C - 160 ° C, preferably at 50 ° C - 140 ° C, strengths of more than 200 N / cm ² . 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.Use of a molded article produced by a method according to one of Claims 5 - 7 for the cold-casting of synthetic resins or hydraulically setting systems or as a laminating mold.

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