Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrstufiges 3D Druckverfahren sowie eine für dieses Verfahren verwendbare Vorrichtung.

Hintergrund der Erfindung

Verfahren zum Erzeugen von Formen und Giessereikernen sind in vielfältiger Weise bekannt. Automatisierte Maschinenformverfahren sind eine wirtschaftliche Lösung im Bereich von großen Stückzahlen. Die werkzeuglose Formerstellung mit sog. Rapid-Prototypingverfahren oder 3D Druckverfahren sind für kleine bis mittlere Serien eine Alternative zu Maschinenformverfahren.

Basierend auf dem unter dem Namen des Erfinders Johannes Croning bekannten Croning-Verfahren (DE832937) wurden Lasersinterverfahren entwickelt, die eine werkzeuglose Fertigung ermöglichen. Dabei wird ein Formteil schichtweise aus mit einem Binder beschichteten Partikelmaterial aufgebaut. Die Verbindung der einzelnen losen Partikel wird beispielsweise über einen Energieeintrag mittels Laserstrahl erreicht (EP 0 711 213).

In der Praxis wird die im Stand der Technik beschriebene Verfestigung über die Polykondensationsreaktion kaum erreicht, da prozesstechnische Schwierigkeiten auftreten. So würde eine für die Entwicklung der Endfestigkeit ausreichende Belichtung zu einem starken Schwinden der Binderhülle führen und dieses wiederum zu einem nicht mehr prozessfähigen Verzug der aktuellen Schicht. Die Festigkeiten (Grünfestigkeit) der so der Formteile - auch als Entpacken sind deshalb äußerst gering. Dies führt zu Problemen beim Entpacken und führt nicht selten zu einer Beschädigung der Formteile, die dadurch unbrauchbar werden. Es wurde beschrieben dieses Problem beim Entpacken durch die Verwendung einer Lötlampe zu beheben und so zusätzlich die Oberfläche mittels einer Lötlampe zu verfestigen. Diese Vorgehensweise erfordert allerdings nicht nur sehr viel Erfahrung, sondern sie stellt außerdem einen erheblichen Arbeits- und Zeitaufwand dar.

Die mangelnden Grünfestigkeiten werden auf zu kleine oder zu schwache Binderbrücken zurückgeführt. Solange man verzugsfrei produzieren will, bleibt der Binder zu hochviskos und bildet keine ausreichende Brücke.

In der DE 197 23 892 Cl wird hingegen ein Schichtbauverfahren beschrieben, bei dem ein Croningsand mit einem Moderator bedruckt wird, der dazu führt, die Aktivierungsenergie des bedruckten Binder-umhüllten Croningsandes gegenüber dem unbedruckten Material herab oder herauf

BESTÄTIGUNGSKOPIE zu setzen und dann den Sand mittels einer Wärmestrahlungsquelle zu belichten. Dies soll dann dazu führen, dass ausschließlich die bedruckten bzw. die unbedruckten Bereiche aushärten bzw. binden. Anschließend würden die fertigen Formteile vom ungebundenen Sand befreit. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich geeignete Moderatoren wie z.B. schwefelige Säuren nicht oder nur sehr schlecht mit marktüblichen Einzeltropfenerzeugern verdrucken lassen. Zudem hat sich als nachteilig herausgestellt, dass der nichtverfestigte Sand durch die Belichtung so vorgeschädigt, dass er nicht mehr in vollem Umfang in dem Verfahren wiederverwendet werden kann. Dies erhöht somit nicht nur den Materialaufwand sondern auch die Kosten und ist auch deshalb nachteilig.

In der US 2005/0003189A1 wird ein Schichtbauverfahren für die Herstellung von Modellen beschrieben, bei dem ein thermoplastisches Partikelmaterial mit einem pulverförmigen Binder gemischt ist und schichtweise mit einem wässrigen Lösungsmittel bedruckt wird. Der Binder soll dabei in dem wässrigen Druckmedium leicht löslich sein. Anschließend werden die Modelle vom umliegenden Pulver befreit und evtl. in einem Postprozess in einem Ofen getrocknet, um die Festigkeit zu steigern.

In der DE 102 27 224 B4 wird ein Schichtbauverfahren für die Herstellung von Feingussurmodellen beschrieben, bei dem ein PMMA-Partikelmaterial, das mit einem PVP-Binder beschichtet ist, schichtweise mit einem Gemisch aus einem Lösungsmittel und einem Aktivator bedruckt wird, um den Binder zu lösen und die Binderaktion zu aktvieren.

Die bekannten Verfahren sind entweder werkzeugabhängige Prozesse oder die bekannten 3D Druckprozesse erreichen zu geringe Grünfestigkeiten für eine effiziente und wirtschaftlich vorteilhafte Herstellung von Formteilen.

Beschreibung der Erfindung

Es bestand also das Bedürfnis ein Verfahren zum schichtweisen, werkzeuglosen Aufbauen von Formteilen vorzugsweise für Gießereianwendungen mittels Binder-umhüllten Partikelmaterial bereitzustellen, bei dem Auspackfestigkeiten oder Entpackfestigkeiten erreicht werden, die es erlauben, zeit- und kostenintensive Handarbeit zu reduzieren oder ganz zu vermeiden und vorzugsweise maschinell- oder robotergestütztes Entpacken zu ermöglichen, oder jedenfalls die Nachteile des Standes der Technik zu verringern oder ganz zu vermeiden.

Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung oder Vorrichtungsanordnung gemäß Anspruch 10 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen verwirklicht. Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines oder mehrerer Formkörper, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

a. schichtweisen Aufbau eines oder mehrerer Formkörper mittels wiederholtem Aufbringen von Partikelmaterial im 3D

Druckverfahren,

b. einen Vorverfestigungsschritt zum Erzielen einer Vorverfestigung des Formkörpers,

c. einen Entpackschritt, wobei das nicht verfestigte Partikelmaterial von dem vorverfestigten Formkörper getrennt wird,

d. einen Endverfestigungsschritt, bei dem der Formkörper seine Endfestigkeit erhält, durch Einwirkung von Wärmeenergie.

Bevorzugt ist, dass der Formkörper einem oder mehreren weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen wird. Hierbei können alle dem Fachmann bekannten weiteren Verfahren oder Arbeitsschritte Anwendung finden. Der eine oder die mehreren weiteren Bearbeitungsschritte sind beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polieren oder Färben.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Formkörper (auch als Bauteil bezeichnet) im Vorverfestigungsschritt soweit verfestigt, dass ein Entpacken aus dem nicht verfestigten Partikelmaterial möglich ist und der Formkörper dabei seine im 3D Druckverfahren definierte Form im wesentlichen beibehält. Insbesondere Schrumpfungen oder dergleichen werden im Wesentlichen vermieden. Das Entpacken kann hierbei manuell oder maschinell oder Roboter- gestützt erfolgen.

Es können in dem vorverfestigten Formkörper (Grünkörper) nach dem Vorverfestigungsschritt Biegefestigkeiten von mehr als 120 N/cm ² , vorzugsweise von mehr als 200 N/cm ² , besonders bevorzugt von 120 bis 400 N/cm ² erreicht werden.

Nach dem Entpacken kann der Formkörper wieder mit Partikelmaterial, das vorzugsweise inert ist, umgeben werden, um so im folgenden Wärmebehandlungsschritt die Formkörper zu stützen und die Wärme besser leiten zu können sowie eine gleichmäßige Wärmeleitung zu erzielen. Zur gleichmäßigen Verteilung des Partikelmaterials können Rüttler eingesetzt werden.

Es können in dem Formkörper nach dem Endverfestigungsschritt Biegefestigkeiten von mehr als 250 N/cm ² , vorzugsweise von 250 bis 750 N/cm ² , vorzugsweise von mehr als 750 N/cm ² , besonders bevorzugt von mehr als 1000 N/cm ² , noch mehr bevorzugt von mehr als 1200 N/cm ² , erzielt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren so ausgeführt, dass der Vorverfestigungsschritt ohne Einbringen zusätzlicher Wärmeenergie erfolgt.

Vorzugsweise wird der Vorverfestigungsschritt mittels Verwendung eines Lösemittels oder/und einer Polymerisationsreaktion erfolgen.

Der Endverfestigungsschritt kann vorzugsweise mittels Wärmebehandlung erfolgen. Allerdings sind auch andere Endverfestigungsverfahren und Behandlungen möglich, die dem Fachmann bekannt sind.

Das Bauteil kann durch inertes Material während der Wärmebehandlung gestützt werden.

Im Endverfestigungsschritt werden Temperaturen von vorzugsweise 110 °C - 130 °C, vorzugsweise bei 130 °C - 150 °C, besonders bevorzugt bei 150 °C - 200 °C verwendet.

Die Temperatur am Bauteil liegt vorzugsweise im Zeitbereich von 2-24 Std., besonders bevorzugt wird die Temperatur über 2-5 Std. gehalten.

Als Partikelmaterial wird natürlicher Quarzsand, Kerphalite, Cerasbeads, Zirkonsand, Chromitsand, Olivinsand, Schamotte, Korund oder Glaskugeln verwendet.

Das Partikelmaterial ist gekennzeichnet durch eine einphasige Beschichtung oder Umhüllung mit einem oder mehreren Materialien. Die Beschichtung oder die Umhüllung kann vorzugsweise ein Binder sein.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht vorzugsweise die Umhüllung oder Beschichtung aus thermoplastischen Polymeren, löslichen Polymeren, Wachsen, Kunst- und Naturharzen, Zuckern, Salzen, anorganischen Netzwerkbildnern oder Wassergläsern oder diese umfasst.

Vorzugsweise besteht das Lösungsmittel aus Wasser, Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Estern, Ethern, Ketonen, Aldehyden, Acetaten, Succinaten, Monomeren, Formaldehyd, Phenol und Gemische davon oder diese umfasst.

In dem Verfahren kann der Binder polymerisierbare Monomere enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens enthält die Beschichtung oder Umhüllung Stoffe zum Start einer Polymerisation mit dem Binder. Vorzugsweise trägt das in der Umhüllung oder Beschichtung enthaltene Material zu der Endfestigkeit oder zu der Vorfestigkeit im Vorverfestigungsschritt und zu der Endfestigkeit im Endverfestigungsschritt bei.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einer bevorzugten Ausführungsform, sind in der Umhüllung oder Beschichtung zwei unterschiedliche Materialien enthalten, wobei das eine Material im wesentlichen für den Vorverfestigungsschritt bestimmt ist und das andere Material im wesentlichen für den Endverfestigungsschritt bestimmt ist.

Somit wird das Verfahren vereinfacht, kann schneller durchgeführt werden und wird somit wirtschaftlicher.

Vorzugsweise kann die Beschichtung oder Umhüllung ein Farbindikator enthalten, der durch den Binder aktiviert wird.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung oder Vorrichtungsanordnung geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann grundsätzlich wie im Stand der Technik für 3D Druckverfahren beschrieben durchgeführt werden. Beispielhaft seien hier EP 0 431 924 Bl und DE102006038858A1 genannt. Der anschließende Entpackschritt kann manuell, jedoch bevorzugt maschinell unterstützt durchgeführt werden. Roboter unterstütztes entpacken stellt eine weitere bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen maschinellen Verfahrensschrittes dar. Hierbei kann sowohl das Entpacken, d.h. das Entfernen des nicht verfestigten Partikelmaterials, als auch das Transferieren des Formteiles mittels computergesteuerten Greifarmen und Absaugeinheiten erfolgen.

Vorzugsweise wird die Erfindung mittels eines Partikelmaterialbett- basierten 3D Druckverfahren durchgeführt. Der gewünschte Formkörper wird beim 3D Druck durch wiederholtes schichtweises Aufbauen erreicht. Dazu wird Parti kelmaterial in dünner Schicht auf eine Ebene gestrichen (nivelliert). Im Anschluss wird ein Bild gemäß des Schnittes durch das gewünschte 3D-Objekt durch einen Tintenstrahldruckkopf aufgedruckt. Die bedruckten Stellen verfestigen und verbinden sich mit darunter liegenden bereits bedruckten Flächen. Die entstandene Schicht wird entsprechend der Bauform der Anlage um die Stärke einer Schicht verschoben.

Es können 3D-Drucker verwendet werden, die die Schicht in Richtung der Gravitation absenken. Vorzugsweise werden Anlagen eingesetzt, die nach dem Durchlaufprinzip gestaltet sind, und hierbei werden die Schichten in Förderrichtung verfahren. Auf die Baufläche wird nun wieder Partikelmaterial aufgebracht. Der Bauprozess aus den Schritten Beschichten, Bedrucken und Absenken wird solange wiederholt, bis der oder die Formkörper fertig sind.

Der Verfahrensschritt des 3D Druckens und das Vorverfestigen wird vorzugsweise über selektives Aufdrucken eines Lösemittels auf das Binder-umhüllte Partikelmaterial realisiert. Das Lösemittel verflüssigt die Umhüllung. Die Viskosität liegt dabei deutlich niedriger als bei thermischem Schmelzen. Während die Viskositäten von

Polymerschmelzen im Bereich von ca. 10-1000 Pas liegen, kann eine Polymerlösung, je nach Zugabemenge und Lösungsmittel eine Viskosität von wenigen mPas erreichen. Vorzugsweise wird eine Viskosität von 2 - 100 mPas, mehr bevorzugt von 2 - 10 mPas, noch mehr bevorzugt von 2 - 5 mPas.

Bei Abtrocknung des Lösemittels zieht sich das Flüssigkeitsgemisch in die Kontaktstelle zwischen zwei Partikel zurück und hinterlässt dann eine kräftige Brücke. Der Effekt kann durch Zugaben von Polymeren in die Druckflüssigkeit verstärkt werden. Hierbei werden geeignete Verfahrensbedingungen gewählt bzw. entsprechende Komponenten, die für eine Polymerisationsreaktion erforderlich sind entweder in das Lösemittel oder in die Beschichtung des Partikelmaterials eingearbeitet. Alle dem Fachmann bekannten Harze oder Kunstharze, die für Polymerisations-, Polyadditions- oder Polykondensationsreaktionen geeignet sind, können hier zur Anwendung kommen. Derartige Materialien sind vorzugsweise definiert durch DIN 55958 und werden durch Bezugnahme hiermit in die Offenbarung dieser Beschreibung aufgenommen.

Erfindungsgemäß wird als Partikelmaterial ein mit einem Binder umhüllter Giessereiformstoff benutzt. Die Umhüllung ist bei Raumtemperatur fest. Das Partikelmaterial ist somit riesel- und fließfähig. Der Stoff, der die Partikel umhüllt, ist vorzugsweise in der Druckflüssigkeit, die durch den Tintenstrahldruckkopf aufgebracht wird, löslich. In ebenso bevorzugter Ausführung enthält die Druckflüssigkeit den Umhüllungsstoff oder dessen Vorformen als Dispersion oder Lösung.

Ebenso bevorzugt kann der in der Druckflüssigkeit vorhandene Stoff einer anderen Stoffgruppe angehören. In einer Ausgestaltung der Erfindung verflüchtigt sich das Lösemittel durch Abdampfen in umgebendes Partikelmaterial oder die Atmosphäre. Ebenso kann aber auch das Lösemittel mit dem Umhüllungsstoff reagieren und verfestigen.

Die Stoffgruppen für das Partikelmaterial und die Umhüllung sind vielfältig. Die Grundmaterialien können beispielsweise natürlicher Quarzsand, Kerphalite, Cerabeads, Zirkonsand, Chromitsand, Olivinsand, Schamotte oder Korund sein. Generell eigenen sich aber auch andere partikelförmige Grundstoffe. Die Umhüllung kann organisch oder anorganisch sein. Sie wird entweder thermisch, in Lösung oder durch mechanisches Aufschlagen oder Walzen aufgebracht.

Beispiele für geeignete Binder sind neben dem Phenolharz,

Furan-, Harnstoff- oder Aminoharze, Novolake oder Resole, Harnstoff- Formaldehydharze, Furfurylalkohol-Harnstoff-Formaldehydharze, Phenolmodifizierte Furanharze, Phenol- Formaldehydharze oder Furfurylalkohol-Phenol-Formaldehydharz, die jeweils flüssig, fest, granuliert oder pulverförmig vorliegen können. Auch die Verwendung von Epoxidharzen ist möglich.

Besonders bevorzugt ist z.B. umhüllter Quarzsand mit einer mittleren Korngröße von ca. 140 μιη wie etwa das Produkt RFS-5000 von Hüttenes - Albertus Chemische Werke. Dieser wird mit einer Resolharzumhüllung geliefert. Als Druckfluid kann in einer einfachen Ausführung ein Ethanol / Isopropanolgemisch verwendet werden. Zusätzlich kann dem Druckfluid vorgelöstes Harz beigegeben werden. Ein Beispiel hierfür ist das Produkt Corrodur von Hüttenes-Albertus. Bei einer Zeitdauer von 24 Stunden nach dem Druckvorgang und 10 Gew.-% Flüssigbinderzugabe ergibt sich erfindungsgemäß eine Festigkeit von über 120 N/cm ² . Damit können selbst filigrane Strukturen rasch entpackt werden.

Weiterhin bevorzugt kann als flüssiger Binder für das System ein hochkonzentriertes Material in Form von vorgelöstem Harz des Typs Corrodur verwendet werden. Als Lösemittelzusatz kann Dioxolan zum Einsatz kommen. Bedingt durch den hohen Harzanteil können Formgrundstoffe mit niedrigem Umhüllungsgehalt gewählt werden. Ebenso kann- mit Festigkeitseinbußen- unbehandelter Sand verwendet werden. Die erfindungsgemäße Ausführung ist hier in der kompletten Lösung des Umhüllungswerkstoffes zu sehen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die im ersten Verfahrensschritt des 3D Druckens verwendeten Materialien bereits alle auch für den Endverfestigungsschritt erforderlichen Komponenten, vorzugsweise Binder im Partikelmaterial, die zunächst im Vorverfestigungsschritt über einen anderen Bindemechanismus (physikalisch statt chemisch oder umgekehrt) oder andere Materialien (Binder in der Drucklösung) gebunden werden und im abschließenden Endverfestigungsschritt so reagieren/verfestigen, dass die vorteilhafte Endfestigkeit erzielt wird. Es wird so vorteilhaft möglich, die verschiedenen Verfestigungsschritte zu vereinfachen, indem das Partikelmaterial im ersten Verfahrensschritt bereits alle für die Endverfestigung erforderlichen Materialien enthält und es möglich wird, ohne weiteren Materialeintrag im Wärmebehandlungsschritt die vorteilhafte Endfestigkeit zu erzielen.

Die Erfinder konnten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Kombination von Materialien und Verfahrensbedingungen vorteilhafter Weise erreichen, dass ein effizientes Verfahren bereitgestellt wurde, das es ermöglicht, Arbeitsschritte zu verbinden, den Einsatz von manuellen Schritten zu vermindern und so die Prozessgeschwindigkeit positiv zu verbessern. Außerdem wird es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Biegefestigkeiten in Grünlingen zu erreichen, die ausreichen, um diese ohne Beschädigungen oder sonstige Beeinträchtigungen einem thermischen Verfestigungsschritt ohne Werkzeugeinsatz in 3D Druckverfahren zuführen zu können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der hierfür geeigneten Vorrichtungen ist es überraschender Weise möglich, in dem Partikel material alle für den Vorverfestigungsschritt sowie den Wärmeendverfestigungsschritt nötigen Materialien zu umfassen. Erstaunlich war, dass die kombinierten Materialien, d.h. die für den Vorverfestigungsschritt sowie den Endverfestigungsschritt wirksamen Materialien, nicht in einer Weise wechselwirken, dass es zu für das Verfahren abträglichen Wechselwirkungen dieser Materialien kommt.

Tatsächlich konnten die Erfinder durch eine gezielte Auswahl der Materialien in bevorzugten Ausführungsformen eine vorteilhafte Wirkung sowohl für den Vorverfestigungsschritt als auch für den Endverfestigungsschritt erzielen. Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, dass alle für das Verfahren nötigen Komponenten - mit Ausnahme des Binders - in einem Partikel material kombiniert werden konnten und so nur ein einziges Partikelmaterial zum Einsatz kommen kann ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Mischschritte oder Auftragsschritte.

Die besonders bevorzugten Materialkombinationen gemäß bevorzugter Ausführungsformen sind in den Beispielen wiedergegeben. Hierbei können auch Unterkombinationen von Materialien aus verschiedenen Beispielen zusammen verwendet werden.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1 stellt Partikelmaterial (100) dar, wobei ein Sandkorn (101) mit Binder (102) umhüllt ist.

Fig. 2 zeigt den Prozess des Abdampfens von Partikelmaterial (200) zu dem Lösungsmittel zugefügt wurde, wodurch sich die Partikel (200 bestehend aus 201 und 202) verbinden und das Material vorverfestigt. Das Abdampfen des Lösungsmittels kann auch über Wärmezufuhr (203) beschleunigt werden.

Fig. 3 zeigt die Struktur eines vorverfestigten Formkörpers (300).

Fig. 4 zeigt den Vorgang nach dem Eindrucken; hierbei beginnt das Lösemittel in die Binderhülle (402) des Partikelkerns (401) einzudringen. Fig. 5a - d veranschaulichen den Abdampfprozess des Lösemittels, wobei sich das Gemisch in der Kontaktstelle (503) zwischen den Partikeln (500) konzentriert (Fig. 5d).

Wie oben beschrieben, wird der Formkörper durch das Verbinden einzelner Partikel gebildet (Fig. 3).

Basis des partikelmaterialbasierten Prozesses ist ein Partikelmaterial (100), das mit einem Binder (102) umhüllt ist (Fig. 1). Die Hülle (102) weist charakteristisch andere Eigenschaften als das Grundmaterial (101) auf. Als Beispiel kann der vom Croning-Prozess bekannte Sand genannt werden. Hier ist ein Sandkorn (101) mit einem Novolakharz (102) umhüllt. Dieses Harz wird beim Herstellungsprozess aufgeschmolzen und mit dem Sand vermischt. Der Sand wird solange gemischt, bis das Harz erkaltet ist. Dadurch trennen sich die einzelnen Körner und ein rieselfähiges Material (100) entsteht.

Als geeignete Sande für die Verarbeitung im erfindungsgemäßen Verfahren kommen Grundmaterialien mit 10 - 2000 pm mittlerem Korndurchmesser in Frage. Für die anschließende Verwendung in Gussprozessen eignen sich verschiedene Grundmaterialien wie natürlicher Quarzsand, Kerphalit, Cerabeads, Zirkonsand, Chromitsand, Olivinsand, Schamotte, Korund und Glaskugeln.

Binder können in verschiedensten Werkstoffen aufgebracht werden. Wichtige Vertreter sind Phenolharze (Resolharze und Novolake), Acrylharze und Polyurethane. Desweiteren können alle Thermoplaste thermisch auf die Körner aufgebracht werden. Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare Stoffe sind Polyethylen, Polypropylen, Polyoxymethylen, Polyamide, Acylnitril, Acrylnitril-Styrol-Butadien, Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat und Polycarbonat.

Zusätzlich oder gänzlich ohne Wärmezufuhr können Lösemittel zur Beschichtung erfindungsgemäß beschichteter Körner mit einem bindefähigen Material verwendet werden. Über Lösemittel können auch andere Umhüllungen realisiert werden. Beispielsweise kann Wasserglas in Wasser gelöst werden und mit Sand vermischt werden. Im Anschluss wird das Material getrocknet und gebrochen. Durch Sieben werden übermäßig grobe Partikel entfernt. Da der Löseprozess reversibel ist, kann das so gewonnene Material im erfindungsgemäßen Prozess eingesetzt werden, indem es mit Wasser als Druckflüssigkeit bedruckt wird.

In der Umhüllung (102) können in einer bevorzugten Form der Erfindung Stoffe vorgehalten werden, die beim Löseprozess mit dem Flüssigbinder eine Reaktion zeigen. Zum Beispiel können Starter für eine Polymerisation vorgelegt werden. Auf die Weise kann der Abdampfprozess des Lösemittels im Partikelmaterial beschleunigt werden, da weniger Drucklösung durch Abdampfen aus dem Partikelmaterialkuchen entweichen muss. Damit können die Formteile schneller ihre Grünfestigkeit erreichen und somit früher aus dem Partikelmaterial entpackt werden.

Da sich die gedruckten Teile bei einem Lösemittelprozess nur wenig vom umgebenden losen Partikelmaterial unterscheiden, kann ein Färben der Formteile durch Einbringung eines Farbstoffes in das Druckmedium sinnvoll sein. Hierbei ist es möglich, eine Farbreaktion zu nutzen, die auf dem Zusammenbringen zweier Stoffe basiert. Beispielhaft kann Lackmus im Lösemittel genutzt werden. Das Grundmaterial wird vor der Beschichtung mit dem Binder mit dem Salz einer Säure vermischt. Damit ist nicht nur eine Färbung, sondern auch eine Kontrolle der Intensität der Lösereaktion möglich. Liegt die reaktive Substanz z.B. direkt am Korn des Basismaterials an und ist durch die Umhüllung geschützt, zeigt der Farbindikator an, dass die Hülle komplett gelöst wurde.

Der Prozess des Abdampfens des Lösungsmittels kann auch über Wärmezufuhr beschleunigt werden (Fig. 2). Dies kann über Konvektion oder Wärmestrahler erfolgen. Die Kombination aus einem Luftzug und Heizen ist besonders wirksam. Dabei ist zu beachten, dass bei zu schnellem Abtrocken die Lösung des Binders evtl. nur teilweise erfolgt ist. Durch Versuche und Variationen des Lösemittels können Optima bezüglich Festigkeitsentwicklung und Entpackzeit ermittelt werden.

Auf das beschichtete Korn wird im Druckprozess eine Druckflüssigkeit gegeben. In seiner Hauptfunktion löst die Druckflüssigkeit die Binderhülle. Beim Croning-Sand werden hierzu ca. 10 Gew.-% Druckflüssigkeit eingedruckt. Als Lösemittel eignet sich zum Beispiel Isopropanol. Nach dem Eindrucken beginnt das Lösemittel in die Binderhülle einzudringen (Fig. 4). Dabei steigt die Konzentration des Hüllenmaterials im Lösemittel. Dampft Lösemittel ab, konzentriert sich das Gemisch in der Kontaktstelle zwischen den Partikeln (Fig.5). Weiteres Verdampfen führt zu einer Verfestigung des Hüllenmaterials in der Kontaktstelle. Durch die vergleichsweise geringen Viskositäten ergibt sich im Gegensatz zu Schmelzprozessen ein günstiges Prozessfenster. Z.B. kann mit handelsüblichem Croning-Sand des Typs Hüttenes-Albertus RFS 5000 eine Auspack-Biegebruchfestigkeit von über 100 N/cm ² , vorzugsweise über 120 N/cm ² erreicht werden. Das ist ausreichend, um selbst großformatige, filigrane Teile sicher und verzugsfrei zu entpacken.

Nach dem Auspacken - auch als Entpacken bezeichneten Verfahrensschritt, werden die Formteile dem Endverfestigungsschritt zugeführt. Anschließend werden die Formteile weiteren Folgeprozessen zugeführt. Dieser Verfahrensschritt der Erfindung wird vorzugsweise als Wärmebehandlungsschritt ausgeführt. Als Beispiel können hier Teile aus Croning-Sand dienen, die nach dem erfindungsgemäßen Prozess hergestellt wurden. Nach dem Entpacken werden diese vorzugsweise wieder in ein weiteres Partikelmaterial eingebettet. Dieses weist jedoch keinerlei Binder-Umhüllung auf und ist vorzugsweise thermisch gut leitfähig. Im Anschluss werden die Teile in einem Ofen oberhalb der Schmelztemperatur des Binders wärmebehandelt. Das spezielle Phenolharz der Umhüllung in einer der bevorzugten Ausführungsformen wird dabei vernetzt und die Festigkeit steigt stark an. Allgemein sind für diesen Verfahrensschritt der Endverfestigung Schmelzklebstoffe bevorzugt. Als Basispolymere können vorzugsweise verwendet werden: PA (Polyamide), PE (Polyethylen), APAO (amorphe Polyalphaolefine), EVAC (Ethylenvinylacetat-Copolymere), TPE-E (Polyester-Elastomere), TPE-U (Polyurethan-Elastomere), TPE-A (Copolyamid-Elastomere) und Vinylpyrrolidon/Vinylacetat-Copolymere. Weitere übliche und dem Fachmann bekannte Zusatzstoffe wie Nukleierungsmittel können zugegeben werden.

Mit handelsüblichen Sanden werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Formteile hergestellt, die Biegefestigkeiten von über 1000 N/cm ² aufweisen.

Beispiel 1

Es wird ein Croningsand der Type Huettenes-Albertus RFS 5000 in einem Schichtbauprozess verwendet. Dazu wird der Sand in einer Schicht von 0,2 mm auf eine Bauebene ausgebracht. Anschließend wird der Sand mittels eines Drop-On-Demand-Druckkopfes mit einer Lösung aus Isopropanol entsprechend der Querschnittsfläche des gewünschten Objektes so bedruckt, dass etwa 10 Gew.-% Flüssigkeit in die bedruckten Bereiche eingebracht werden. Anschließend wird die Bauebene relativ zum Schichtauftragsmechanismus um die Schichtstärke verschoben und der Vorgang bestehend aus Schichtauftrag und Bedrucken startet erneut. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das gewünschte Bauteil gedruckt ist. Der gesamte Vorgang läuft unter Normalbedingungen ab. Die Temperatur im Prozessraum sollte dabei zwischen 18°C und 28°C liegen, vorzugsweise zwischen 20°C und 24°C. Anschließend muss etwa 24 Std. gewartet werden, bevor die letzten Schichten Sand eine ausreichende Festigkeit entwickelt haben. Dann kann das Bauteil entpackt, sprich vom umliegenden Sand und von sämtlichen Pulveranhaftungen befreit werden. Trocknet man mitgedruckte Prüfkörper im Umluftofen bei 40°C für 30 min, zeigen diese eine Biegebruchfestigkeit von 120 N/cm ² .

Die Teile werden dann für den anschließenden Wärmebehandlungsschritt vorbereitet. Dazu werden sie z.B. in unbeschichteten Sand, der sich in einem temperaturbeständigen Gefäß befindet eingebracht. Damit hierbei ein guter Kontakt zwischen Teil und stützendem Sand zustande kommt, wird das Gefäß während der Bestückung und Befüllung mit Sand mit Vibrationen beaufschlagt.

Während der Härtereaktion, d.h. dem Endverfestigungsschrittes, bei hohen Temperaturen kann auf diese Weise jegliche Deformation vermieden werden. Das Bauteil wird so für die Dauer von 10 Stunden bei 150 °C im Ofen erwärmt. Nach Entnahme aus dem Ofen muss wiederum ca. 30 min gewartet werden, bis das Bauteil soweit abgekühlt ist, dass es gehandhabt und aus dem Pulverbett entnommen werden kann. Die Anhaftungen nach diesem Prozessschritt können durch Sandstrahlen entfernt werden. Mitbehandelte Biegeprüfköper zeigen nach diesem Endverfestigungsschritt eine Biegebruchfestigkeit von 800 - 1000 N/cm ² .

Beispiel 2

Analog zum ersten Beispiel wird ein Schichtbauprozess durchgeführt. In diesem Fall wird ein Croningsand der Type Huettenes-Albertus CLS-55 verwendet. Dazu wird der Sand wieder in einer Schicht von 0,2 mm auf eine Bauebene ausgebracht. Als Druckflüssigkeit wird eine 15%ige Lösung aus Corrodur von Huettenes-Albertus, 42,5% Ethanol und 42,5% Isopropanol verwendet.

Es werden etwa 10 Gew.-% Flüssigkeit auf den Sand gedruckt.

Die Biegebruchfestigkeit nach dem Auspacken des Formkörpers und Abschluss dieses ersten oder auch als Vorverfestigungsschritt bezeichneten Verfahrensschrittes liegt in diesem Fall bei 140 N/cm ² . Die End-Biegebruchfestigkeit nach dem zweiten oder auch als Endverfestigungsschrittes bezeichneten Verfahrensschrittes liegt wiederum bei 800 N/cm ² .

Beispiel 3

Der Prozess für dieses bevorzugte Herstellungsverfahren wird analog zu den vorherigen Beispielen durchgeführt. Mit unbehandeltem Sand als Basis werden hier Festigkeiten von 800 N/cm ² erzielt. Als Binderflüssigkeit wird ein Gemisch aus 50% Corrodur und 50% Dioxolan verwendet. Es werden 10 Gew.-% eingedruckt. Der Prozess läuft bei Raumtemperatur ab. Das Bauteil muss nach dem Drucken nicht aus dem Parti kelmaterial ausgepackt werden, da das nicht umhüllte Material durch die Wärmeenergie nicht gebunden werden kann. Es kann entweder die gesamte Box oder beispielsweise eine gedruckte Box in den Ofen zur Durchführung des Endverfestigungsschrittes gebracht werden. Ein Sandvolumen von 8x8x20cm, das einen Biegeprüfkörper enthält, wird 24 Std. im Ofen bei 150°C wärmebehandelt. Die Festigkeit nach Abschluss des Endvervestigungsschrittes beträgt ca. 800 N/cm ² . Eine Bestimmung des organischen Anteils über eine Glühverlustbestimmung zeigt 5 Gew-%. Der Werkstoff entspricht hier den Produkten RFS-5000 und CLS-55 von Hüttenes-Albertus. Nach dem Ofenprozess können die Teile über Sandstrahlen gereinigt werden.