3D-DRUCKVERFAHREN UND DAMIT HERGESTELLTES FORMTEIL UNTER VERWENDUNG VON WASSERGLASBINDER UND ESTER

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Materialsystem für den 3D- Druck, auf ein 3D-Druckverfahren unter Verwendung eines Binders auf Wasserglas-Basis, eines Aktivators auf Ester-Basis auf Formteile, die mittels pulverbasiertem Schichtbauverfahrens hergestellt werden und die Verwendung der Formteile.

In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 Bl 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.

Ein Vorteil hierbei ist, dass ein Teil des Bauteilmaterials bereits durch das Volumen des Partikelmaterials bereitgestellt wird. Die Menge, die flüssig mittels eines Druckers eindosiert werden muss, ist also vergleichsweise gering. So erlaubt dieses Verfahren hohe Druckkopfgeschwindigkeiten, geringe Schichtzeiten und einen - vergleichsweise - einfachen Druckkopfaufbau.

Die Verfestigung des Partikelmaterials erfolgt hier durch ein Verkleben der einzelnen Partikeln untereinander.

Mit diesem Verfahren lassen sich verschiedene Partikelmaterialien, dazu zählen - nicht erschöpfend - natürliche biologische Rohstoffe, polymere Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Sande, verarbeiten.

Sandpartikel bspw. können mit Bindersystemen durch das pulverbasierte 3D-Drucken verarbeitet werden. Hierzu zählt unter anderem die Kaltharzbindung, die im Gießereiwesen wie auch im 3D-Druck zur Anwendung kommt.

Auch anorganische Bindemittel kommen auf diesem Gebiet zur Anwendung. Diese sind im Gießereiwesen die umweltfreundliche Alternative zum Kaltharzbinder.

Diese Werkstoffe eignen sich besonders für den Metallguss, bei dem üblicherweise hohe Temperaturen herrschen und wobei das organische Bindemittel zu einem großen Teil verbrennt und die Form vorschwächt. Im nachfolgenden Schritt werden nach Erkalten der Schmelze die Formreste mechanisch entfernt. Bei anorganisch gebundenen Gussformen müssen hohe Energien aufgewendet werden, um zu verhindern, dass während des Gusses keine Schwächung der Form auftritt.

Anorganische Bindersysteme werden im Metallgussbereich schon seit Mitte des letzten Jahrhunderts verwendet, um Sandformen herzustellen. So sind hierbei beispielsweise sogenannte hydraulische Bindemittel zu erwähnen, also Bindemittel, die sowohl an Luft als auch unter Wasser härten.

Hierunter fallen beispielsweise Gips-gebundene Form Werkstoffe. Zur Herstellung von Gussformen wird beispielsweise Gips enthaltendes Partikelmaterial verwendet. Der im Partikelmaterial enthaltene Gips wird mit einer wässrigen Lösung aktiviert und härtet beispielsweise selektiv aus. Die Form muss nach dem Druck getrocknet werden.

Nach der Herstellung enthält der Gips viel freies Wasser, das zu Problemen beim Guss führen kann, da es bei Erhitzung schlagartig verdampfen kann.

Weiterhin hat es sich gezeigt, dass die Festigkeit des Gipses nicht besonders hoch ist und die Temperaturbeständigkeit des Gipses lässt für die daraus entstehenden Formen nur einen Leichtmetallguss zu. Weiterhin hat es sich gezeigt, dass der Gips im ausgehärteten Zustand sehr dicht ist und für Gase, die beim Gießen entstehen können nur schwer durchlässig ist, weshalb die Gase in die Gussschmelze eindringen können.

Daneben sind auch Zement-gebundene Formwerkstoffe bekannt, hierbei soll beispielhaft auf die DE 10 2004 014 806 B4, die EP 1 510 310 A2 verwiesen werden.

Hierbei befindet sich Zement im Sand für die Gussform und der Zement wird über eine wässrige Tinte aktiviert.

Als Nachteil hat es sich hier gezeigt, dass Zemente bei Temperierung in der Regel höhere Festigkeiten entwickeln, die sie dann auch nach Abkühlung weiter behalten. Das bedeutet, dass das Gussteil nach dem Guss nur schwer vom Formstoff befreit werden kann. Darüberhinaus kann auch hier überschüssiges Wasser wieder zu Problemen beim Gießen führen. Deshalb muss die Form vor dem Guss getrocknet werden.

Weiterhin kann es auch sein, dass die Kornverteilung reaktiver Zemente ein Problem bei den im 3D-Druck üblichen Schichterzeugungsvorrichtungen bildet. Die Zemente sind häufig schlecht fließfähig und neigen zu Agglomeraten. Das Ergebnis sind schlechte Oberflächen und Bauteilfehler. Zudem entstehen durch das feine Korn unangenehme Stäube. Das ungebundene Pulver im Baubehälter ist stark alkalisch und damit hautunfreundlich.

Neben den hydraulischen Bindemitteln sind auch sogenannte Kristallbildner für den Einsatz für Formwerkstoffe bekannt.

Hierunter fallen beispielsweise Salz-gebundene Formwerkstoffe, wobei Sande mit Salzen vermischt oder gecoatet werden können und das Partikelmaterial mit einem Lösungsmittel - in der Regel eine wässrige Lösung - bedruckt wird. Das Salz löst sich dabei und bildet Brücken zwischen den Partikeln. Trocknet man anschließend die Form, entweicht das Wasser und die Bindung wird fest.

Salzgebundene Formwerkstoffe haben den Vorteil, dass sie nach dem Guss „nass" entfernt werden können, indem die Gussteile in ein Wasserbad getaucht werden. Das Salz löst sich, der Sand verliert die Bindung und kann ausgespült werden.

Im Salz sind jedoch nach dem Trocknen Wasserbestandteile gebunden, die beim Abguss der Form freigesetzt werden können, was wieder zu den schon oben erwähnten Gasproblemen führen kann. Zudem ist die Formhaltigkeit der Kerne relativ gering, da das Salz zur Feuchtigkeitsaufnahme auch aus der Luft tendiert und dabei erweicht.

Die Trocknung nach dem Druck ist genau zu steuern, da eine zu starke Trocknung wiederum zum Bindungsverlust führt. Eine zu geringe Trocknung führt wiederum zu Gasproblemen beim Abguss.

Die Salze im Sand sind oft aggressiv gegenüber Metallen, so dass Werkstoffe, die in Kontakt mit dem Sand kommen, entsprechend zu passivieren sind.

Der Einsatz Zement-, Gips- und Salz- gebundener Formstoffmischungen hat im Serienguss, insbesondere im Automobilguss, keine wesentliche Bedeutung.

Darüberhinaus ist auch allgemein bekannt Wasserglas als Bindemittel für die Herstellung von Gießereiformen zu verwenden

Aus der EP 2 163 328 Al ist beispielsweise ein Verfahren zum Herstellen eines Formteils einer Giessform zum Vergiessen von Metallschmelzen bekannt, das das Bereitstellen eines Kern- oder Formsandes umfassend einen Formgrundstoff, beschichtet mit Wasserglas und einem Wassergehalt im Bereich von >= etwa 0,25 Gew.-% bis etwa 0,9 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kern- und Formsands, das Einfüllen des Kern- oder Formsandes in einen das Formteil abbildenden Hohlraum und das In Kontakt bringen des Kern- oder Formsand mit wenigstens einem Härtungsmittel vor, während und/oder nach dem Einfüllen und Verfestigen des Formteils umfasst.

Allgemein ist der Einsatz von Wasserglas in der Gießereiindustrie bekannt. Wasserglasbinder werden zur Form- und Kernherstellung im Serienguss eingesetzt. Dabei kann die Aushärtung in einem kalten Werkzeug über die Reaktion mit Kohlendioxid-Gas (C02-Gas) oder die Reaktion mit einem Ester erfolgen.

Zusätzlich hat sich in den letzten Jahren die Aushärtung von wasserglasgebundenen Formstoffmischungen durch heiße Werkzeuge, analog dem organischen Hot-Box Prozess und dem kombinierten Aushärten durch beheizte Werkzeuge und die Begasung mit, meist beheizter Luft, etabliert.

Die Kernherstellung mittels Wasserglas und Ester, bzw. C02 Gas ist geruchsfrei und ist damit wesentlich umweltverträglicher als der Einsatz organischer Binder wie Furan-, Phenol- oder Polyurethanharze.

In der additiven Fertigung konnten die positiven Aspekte von anorganischen Bindern nur teilweise realisieren. Dies liegt zum einen an der weniger guten Dosierfähigkeit Wasserglas-basierter Binder als auch an der Notwendigkeit aufwändiger Postprozesse.

So ist in der DE102011105688 ein Materialsystem für ein Binder-Jetting- Verfahren offenbart, das aus einem Formsand besteht in den sprühgetrocknete Wasserglaspartikel eingemischt werden. Die Formsandmischung wird schichtweise ausgebracht und mit einer Alkalisilkatlösung selektiv bedruckt. Die Alkalisilikatlösung löst das getrocknete Wasserglas an, dass dann wiederum die Formsandpartikel bindet während es trocknet. Der Nachteil dieser Technik ist die relativ geringe Festigkeit, die zwischen den Partikeln entsteht. Zudem muss eine relativ große Menge Flüssigkeit eingedruckt werden, um die Lösung des getrockneten Wasserglases voranzubringen. Diese Menge an Flüssigkeit wandert aufgrund von Schwerkraft und Kapillarwirkung in nicht bedruckte Bereiche und beeinflusst damit die Formtreue. Zudem muss die Flüssigkeitsmenge durch Trocknen wieder entfernt werden. Inzwischen sind nun auch Wasserglasbinder bekannt, die in Bezug auf Viskosität und Eintrockenverhalten an der offenen Düse eine Verdruckbarkeit im Binder-Jetting-Verfahren erlauben.

Allerdings erreichen mit diesen Bindern bedruckte Bereiche die notwendige Festigkeit erst durch Einwirken bestimmter Temperaturen im Bereich von 100 - 150°C für eine bestimmte Einwirkzeit. Zudem muss das Wasser im Binder, das auch als Lösungsmittel für die Erreichung der Verdruckbarkeit notwendig ist reduziert werden, um die volle Festigkeit zu erzielen. Nicht zuletzt würde ein zu hoher Wassergehalt im Partikelmaterial zu Problemen beim Abguss mit Metallen führen, wenn das Wasser dann in Kontakt mit der flüssigen Schmelze in größeren Mengen verdampft.

Die Erwärmung als auch die Trocknung des Binders können nicht während des Schichtauftrags erfolgen, da sowohl die Einwirkzeit der Temperatur zu kurz für die Entwicklung der Festigkeit wäre, als auch die Bindewirkung von Schicht zu Schicht deutlich nachlassen würde. Das bedeutet, dass mit solchen Bindern bedruckte Partikelmaterialschüttungen nach Beendigung des Schichtauftrages erwärmt und getrocknet werden müssen. Dies kann in geeigneten Umluftöfen erfolgen, was bei Einsatz entsprechend schlecht wärmeleitender Pulvermaterialien wie z.B. Quarzsand und größeren Bauvolumina relativ lange dauert. Eine volle Baubox eines kommerziell erhältlichen VX1000 3D-Druckers von voxeljet würde z.B. rund 24 Stunden Aufwärmzeit in einem Umluftofen mit 120°C eingestellter Temperatur benötigen, um Quarzsand von 20°C Raumtemperatur im inneren der Baubox auf 115°C zu erwärmen.

Eine alternative Möglichkeit besteht im Einsatz von geeigneten Mikrowellenöfen die aufgrund ihrer Wirkungsweise direkt die bedruckten Bereiche im Inneren der Partikelmaterialschüttung in kurzer Zeit erhitzen können. Der Nachteil bei diesem Verfahren ist die Notwendigkeit der aufwändigen Ofentechnik. Mikrowellenöfen in der geeigneten Größe sind nicht handelsüblich, sondern müssen individuell ausgelegt und gefertigt werden. Zudem sind sie relativ teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb in unterschiedlichen Aspekten ein Verfahren und ein Materialsystem für den schichtweisen Aufbau von Formen und Kernen zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile von bekannten Verfahren nicht aufweist oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik vermindert oder vollständig überwindet, beispielsweise umweltverträglich ist und für dreidimensionale Druckverfahren wirtschaftlich einsetzbar ist.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft in einem Aspekt ein Materialsystem, das ein Partikelmaterial, eine Druckflüssigkeit, die einen Binder umfasst, und einen Ester-Aktivator umfasst.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein 3D-Druckverfahren zum Herstellen von Formteilen, die für Gussformen und Kerne sowie als Modelle verwendbar sind.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Formteil, das mittels einem hier offenbarten Materialsystem oder/und 3D-Druckverfahren hergestellt wurde.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In einem Aspekt betrifft die Lösung des der Anmeldung zugrunde liegenden Problems ein Materialsystem, das ein Partikelmaterial, eine Druckflüssigkeit, die einen Binder umfasst, und einen Ester-Aktivator umfasst.

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 wiederverwendet werden kann. Dies ist insbesondere bei teuren Partikelmaterialien von Vorteil.

In einem bevorzugten Aspekt ist die Erfindung gerichtet auf ein Materialsystem, wobei das Partikelmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus mindestens einem anorganischen Partikelmaterial oder/und mindestens einem organische Partikelmaterial , wobei das anorganischen Partikelmaterial vorzugsweise ein Quarzsand, ein Olivinsand, ein Kerphalit, ein Cerabeads, eine Keramik oder/und ein Metallpulver ist und das organische Partikelmaterial, vorzugsweise ein Holzpulver, ein Stärkepulver oder/und ein Cellulose-Pulver ist und die Druckflüssigkeit umfasst oder besteht aus einer Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserglas oder einer wässrigen Lösung umfassend Wasserglas und der Ester-Aktivator besteht aus oder umfasst ein oder mehrere Kondensate aus ein- oder mehrwertigen Alkoholen und ein oder mehrwertigen organischen Carbonsäuren, wie der Ameisen- und/oder Essigsäure, oder Dimethyladipat, Diethylglutarat, Triacetin, Dimethylsuccinat oder Gemische verschiedener Ester, vorzugsweise mit einem Dampfdruck <1 hPa, vorzugsweise wobei das Partikelmaterial mit einem Ester-Aktivator und gegebenenfalls mit einem feststoffförmigen Promotor gemischt ist, vorzugsweise wobei der Ester-Aktivator mit einer Zugabe von 0,2 - 1 Vol.- % in das Partikelmaterial eingemischt ist, vorzugsweise wobei das Partikelmaterial eine mittlere Körnung von 0,02 - 0,5 mm aufweist, vorzugsweise wobei das Verhältnis von Druckflüssigkeit zu Ester-Aktivator zwischen 8 und 12 beträgt, vorzugsweise wobei die Druckflüssigkeit weiterhin Tenside, wie bspw. Natriumdodecylsulfat oder Surfynol 465 umfasst und die Oberflächenspannung von 20 mN/m - 50 ml\l/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 oder/und Alkalihydroxide zur Anpassung des pH Wertes.

In einem weiteren Aspekt ist die Erfindung gerichtet auf ein 3D- Druckverfahren zum Herstellen eines Formkörpers umfassend die Schritte Aufträgen eines Partikelmaterialgemisches auf einer Bauebene, selektives Aufbringen einer Druckflüssigkeit, wobei die Druckflüssigkeit umfasst oder besteht aus einer Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser oder einer wässrigen Lösung und einer Wasserglas-haltigen Komponente oder Derivaten davon zum zumindest teilweisen selektiven Verfestigen, gegebenenfalls Temperieren des Baufeldes oder Energieeintrag in das aufgebrachte Partikelmaterialgemisch, vorzugsweise Temperieren auf 20 °C bis 60 °C, und die Druckflüssigkeit, wiederholen dieser Schritte bis das gewünschte Formteil erhalten wurde, vorzugsweise wobei die Druckflüssigkeit mit einer Zugabe von 2 - 10 Vol-% in das Partikelmaterial eindosiert wird.

In einem bevorzugten Aspekt betrifft die Erfundung ein 3D- Druckverfahren, wobei das erhaltene Formteil von dem nicht verfestigten Partikelmaterial getrennt wird und das Formteil vorzugsweise einem weiteren Wärmebehandlungsschritt und/oder einer Behandlung mit Mikrowellenstrahlung unterzogen wird oder/und wobei das Partikelmaterial mittels Beschichter (Recoater) aufgetragen wird oder/und wobei die Druckflüssigkeit mit einem Druckkopf selektiv aufgetragen wird oder/und wobei das Formteil nach Abschluss des Druckverfahrens 1 h - 24 h bei Umgebungsbedingungen in einem Pulverbett belassen wird.

Weiterhin bevorzugt in dem 3D-Druckverfahren nach der Erfindung ist, dass das Formteil durch ein Durchsaugen eines Gases oder Gasgemisches, vorzugsweise von Umgebungsluft, durch die Gesamtheit von nicht bedruckten und bedruckten Bereichen nach Abschluss des Druckprozesses getrocknet und/oder gehärtet wird, wobei vorzugsweise das Durchsaugen 0 h - 24 h, bevorzugt 0 h - 12 h, besonders bevorzugt direkt nach dem Druckende erfolgt, vorzugsweise erfolgt ein Durchsaugen für 0,5 bis 5 Stunden und vorzugsweise weist das Formteil eine Festigkeiten von 150 N/cm ² bis 200 l\l/cm ² auf.

In einem weiterhin bevorzugten Aspekt betrifft die Erfindung ein 3D- Druckverfahren wie hierin beschrieben, wobei in einem zusätzlichen Schritt das Formteil einer Behandlung mit Mikrowellenstrahlung unterzogen wird, wobei vorzugsweise die Behandlung über einen Zeitraum von 2 min. - 30 min, bevorzugt 2 min - 15 min., besonders bevorzugt 2 min. - 10 min, erfolgt oder/und wobei die Oberfläche des Formteils weiter beschichtet oder versiegelt wird.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird in einem hier beschriebenen 3D-Druckverfahren wobei ein wie hierin beschriebenes Materialsystem verwendet.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft die Erfindung ein Formteil hergestellt mit einem Materialsystem oder 3D-Druckverfahren wie hierin beschrieben, vorzugsweise wobei die Restfeuchte im gedruckten Formteil von 0,3 - 1,0 Gew.-% beträgt oder/und die Festigkeiten in dem Formteil von 80 N/cm ² - 150 N/cm ² , vorzugsweise 200 N/cm ² , in Druckrichtung aufweist.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft die Erfindung ein Formteil hergestellt mittels 3D-Druckverfahren wie hierin beschrieben, 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.

Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung eines Materialsystems wie hierin beschrieben in einem 3D-Druckverfahren, oder die Verwendung eines Formteils hergestellt gemäß einem Verfahren wie hierin beschrieben für den Metallguss, den Kaltguss von Kunstharzen oder hydraulisch abbindenden Systemen oder als Laminierform.

Weiterhin kann das Materialsystem und das 3D-Drucksystem gemäß der Offenbarung wie folgt charakterisiert werden:

In einem erfindungsgemäßen Materialsystem 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 einem weiteren Aspekt ist das erfindungsgemäße Materialsystem dadurch gekennzeichnet, dass die Druckflüssigkeit aus einem Wasserglas besteht oder ein solches umfasst.

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 - 20 mPas, bevorzugt zwischen 8 mPas - 15 mPas und besonders bevorzugt zwischen 10 mPas - 14 mPas aufweisen.

In einem erfindungsgemäßen Materialsystem kann die Druckflüssigkeit weiterhin Tenside, wie Natriumdodecylsulfat oder Natriumlaurethsulfat umfassen und eine Oberflächenspannung von 20 mN/m - 50 mN/m, bevorzugt 25 mN/m - 40 mN/m und besonders bevorzugt von 28 mN/m - 35 mN/m aufweisen, oder/und Entschäumer aus bspw. der Gruppe der Siloxane oder/und Färbemittel umfassen.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein 3D-Druckverfahren zum Herstellen eines Formkörpers umfassend die Schritte Aufträgen eines

Partikelmaterialgemisches auf einer Bauebene, selektives Aufbringen einer Druckflüssigkeit, wobei die Druckflüssigkeit umfasst oder besteht aus einer Flüssigkeit bestehend aus einem Wasserglas, einem Lösemittel und gegebenenfalls weiteren Komponenten, 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, wiederholen dieser Schritte bis das gewünschte Formteil erhalten wurde.

Vorteilhaft ist, dass mit diesem Verfahren Formteile in guter Qualität hergestellt werden können und diese in unterschiedlichen Anwendungen und Verwendungen Einsatz finden können.

Insbesondere ist ein Vorteil, dass die so hergestellten Formteile (auch Form oder Gussform) als Gussformen oder Gießkern dienen können oder für alle Zwecke, bei denen die Form am Ende des Prozesses für den Sie verwendet werden zum Beispiel über einen Löseprozess in Wasser wieder entfernt werden sollen.

In einem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren kann das erhaltene Formteil von dem nicht verfestigten Partikelmaterialgemisch getrennt werden und das Formteil gegebenenfalls einem weiteren Wärmebehandlungsschritt unterzogen werden.

Wie in allen üblichen 3D-Druckverfahren, z.B. Inkjet-Verfahren, wird das Partikelmaterialgemisch mittels Recoater aufgetragen und ggf. das Partikelmaterialgemisch vor dem Aufbringen zusammengemischt.

Wie in allen üblichen 3D-Druckverfahren, z.B. Inkjet- Verfahren, wird die Druckflüssigkeit mit einem Druckkopf selektiv aufgetragen.

In einem erfindungsgemäßen 3 D- Druckverfahren kann das Formteil nach Abschluss des Druckverfahrens 4 h - 24 h, vorzugsweise 8 h - 15 h, besonders bevorzugt 10 h - 11 h, bei Umgebungsbedingungen in dem Pulverbett belassen werden.

Dem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren können weitere Arbeitsschritte nachgeschaltet sein. Beispielsweise wird in einem zusätzlichen Schritt das Formteil einer Wärmebehandlung unterzogen, vorzugsweise wird das Formteil 1 h - 7 h, bevorzugt 4 h - 6 h, bei 30 °C - 160 °C, vorzugsweise bei 50 °C - 140 °C, gelagert.

Dem erfindungsmäßigen 3D-Druckverfahren kann zur Erhöhung der Entpackfestigkeit Luft durch das bedruckte und nichtbedruckte Bauvolumen durchgesaugt werden. Dabei wird vorzugsweise unmittelbar nach oder bis zu 8 h nach Beendigung der Formherstellung (Jobende) mit dem Durchsaugen begonnen. Die Durchgesaugte Luft kann eine von der Raumtemperatur veränderte Temperatur aufweisen, wobei vorzugsweise die durchgesaugte Luft eine Temperatur von 10 °C - 80 °C, bevorzugt 15 °C - 60 °C, besonders bevorzugt 20 °C - 40 °C aufweist. Die Dauer des Durchsaugens richtet sich nach der Bauhöhe und der Menge gedruckter Teile und beträgt z.B. bei 300 mm Bauhöhe zwischen 4 und 16 h. Die Dauer des Durchsaugens bestimmt die Restfeuchte und die Finishbarkeit der Formteile. Je länger der Vorgang dauern kann, desto niedriger die Restfeuchte und besser die Finishbarkeit. Ein nachgeschalteter Wärmeprozess der Bauteile im Ofen kann weiterhin erfolgen, um die Restfeuchte weiter zu senken. 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. Die Nachbehandlung kann zusätzlich oder als Ersatz für die Wärmebehandlung im Ofen auch mit Mikrowellenstrahlung erfolgen, wobei die Behandlung über einen Zeitraum von 2 min. - 30 min, bevorzugt 2 min - 15 min., besonders bevorzugt 2 min. - 10 min erfolgt.

Eine andere Möglichkeit eines Folgeschrittes in einem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren ist es die Oberfläche des Formteils weiter zu beschichten oder zu versiegeln, wobei hier alle dem Fachmann bekannten Verfahren und Materialien für derartige Formteile zur Anwendung kommen können.

Die mit dem erfindungsgemäßen 3 D- Druckverfahren hergestellten Formteile können in vielfältigen Anwendungen aber vorzugsweise in Metallgussverfahren oder in Laminierverfahren eingesetzt werden.

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 Lösungsmittel in der Druckflüssigkeit und der auf das Partikelmaterial applizierten Druckflüssigkeitsmenge beeinflusst werden, andererseits kann die Festigkeit durch Belassen des Formteils im Pulverbett oder einer nachfolgenden Wärmebehandlung, sowie das Durchsaugen von Luft eingestellt werden. Ein Formteil, das nach 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/cm ² - 150 N/cm ² in Druckrichtung aufweisen. Durch das Durchsaugen von Luft wird die Festigkeit bereits nach kürzerer Zeit erreicht.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Formteils bzw. nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formteils für den Metallguss oder als Laminierform.

Weitere Aspekte der Erfindung werden im Folgenden beschrieben.

Vor dem eigentlichen erfindungsgemäßen 3D-Druckprozess muss das inerte Partikelmaterial wie z.B. Quarzsand, Olivinsand, Kerphalit oder Cerabeads aber auch unlösliche Kunststoffe mit der Ester-haltigen Komponente vermischt werden.

Dazu wird ein geeignetes Mischgerät wie z.B. ein Zwangsmischer wie er in der Bereitstellung organisch gebundener Formstoffe Verwendung findet eingesetzt. Ein derartiger Mischer kann chargenbasiert oder kontinuierlich betrieben werden. In dem Mischer wird dem eingesetzten Partikelmaterial eine vorbestimmte Menge der Ester-haltigen Komponente zugeführt und vermischt. Die Mengenverhältnisse liegen bei Verwendung von Quarzsand als Partikelmaterial in einem Bereich von 0,1 - 0,8 Gew.-%. Bei anderen Partikelmaterialien mit abweichender Schüttdichte müssen die Zugabemengen entsprechend des Schüttdichteunterschiedes angepasst werden.

Der Vorteil der genannten Partikelmaterialien 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.

Im Falle von Mischungen von Partikelmaterialien liegen die Partikelgrößen bevorzugt zwischen 90 pm und 250 pm, wobei auch feinere Pulver geeignet sind. Dadurch wird einer Entmischung während des Transports des Partikelmaterials weitestgehend vorgebeugt.

Gemischte Pulver werden üblicherweise schon dem Prozess vorgeschaltet in einem diskontinuierlichen Mischer homogenisiert.

Die flüssige zweite Komponente, d.h. eine Druckflüssigkeit, wird über einen Druckkopf eingetragen, der meanderförmig über die beschichtete erste Komponente geführt wird, selektiv gemäß den Daten des jeweiligen Schichtbildes mit einem vorher definierten Eintrag bezogen auf das Gewicht des Partikelmaterials.

Die Druckflüssigkeit besteht zu einem Großteil aus Wasserglas, einem Lösungsmittel (Lösemittel) und eventuell weiteren flüssigen Komponenten, löslichen, dispergier- und/oder emulgierbaren. Bevorzugt ist das Lösemittel Wasser.

Damit Wasser druckstabil verarbeitet werden kann, wird einerseits die Oberflächenspannung von etwa 72 mN/m auf bevorzugt unter 40 mN/m, besonders bevorzugt zwischen 30 mN/m und 35 mN/m durch Zugabe eines Tensids abgesenkt. Hierfür werden nur geringe Mengen zugesetzt, da hohe Mengen die Schaumbildung fördern und es zu Düsenausfällen während dem Drucken kommen kann. Aus diesem Grund werden nur Mengen bis zu 1% eines Tensids wie Natriumdodecylsulfat, Zuckertenside, Surfynol ^® 440, Surfynol ^® 465 oder Carbowet ^® 104 in die Druckflüssigkeit zugegeben.

Das Auftreten von Schaum wird durch die Zugabe von Entschäumern bspw. aus der Gruppe der Siloxane wie TEGO® Foamex 1488 verringert und üblicherweise bis zu 0.5% der Druckflüssigkeit zugegeben.

Die verwendeten Wassergläser weisen eine für das Dosieren zu hohe Viskosität bei Raumtemperatur auf, die durch Zugabe von Wasser in einen verdruckbaren Bereich von 4 mPas - 20 mPas eingestellt wird.

Nach Bedrucken der Schicht wird die Bauplattform relativ zur Druckeinheit um eine Schichtstärke bewegt und neues Pulvermaterial aufgebracht.

Dabei kann eine Infrarotlampe, die sich an der Recoaterachse befindet und/oder eine separate Achse besitzt und/oder an der Druckkopfachse montiert ist, die bedruckte und/oder die frisch aufgelegte Schicht durch eine oder mehrere Überfahrten erwärmen. Die erhöhte Temperatur unterstützt die Flüssigkeitsmenge durch Verdampfen wieder zu reduzieren. Durch den Heizschritt wird neben der Erhöhung der Festigkeit der Bauteile vorteilhafter Weise auch eine höhere Konturschärfe erzeugt, da die Diffusion des Binders durch die genannten Vorgänge reduziert wird.

Die Oberflächentemperatur liegt während dem Prozess zwischen 20 °C und 60 °C.

Nach Beendigung des Bauprozesses werden noch 3 mm - 30 mm, bevorzugt 10 mm Leerschichten aufgelegt, um die zuletzt gebauten Bauteile völlig in loses Material einzubetten.

Nach einer Wartezeit von 4 h - 24 h, die sich nach der Job-Höhe richtet kann das Bauteils bspw. mittels eines Saugers vom losen Material befreit werden. Das ungebundene Pulver kann nach einer Kontrollsiebung wieder dem Prozess zugeführt werden.

Eine Verkürzung der Wartezeit kann mittels Durchströmen der Pulverschüttung mit Luft erzielt werden. Dazu wird die Job-Box mit einem Lochboden auf oder anstelle der Bauplattform ausgestattet. Die Löcher sind so gewählt, dass das Partikelmaterial vorzugsweise nicht eindringt. Unter dem Lochboden befindet sich eine Luftverteilungskammer an die im Durchström-Betrieb ein Unterdruckerzeuger angeschlossen wird. Über die Luftverteilungskammer und den Lochboden verteilt sich ein Unterdrück über die gesamte Bauplattform und führt zu einer Durchströmung der Pulverschüttung mit Luft. Die Luft trocknet den Binder und führt die Flüssigkeit ab in Richtung Unterdruckerzeuger.

Mit einem angelegten Unterdrück von 0,23 bar kann damit ein ausreichender Luftstrom von 60 m ³ /h erzeugt werden. Die Wartezeit verkürzt sich damit bei einer Bauhöhe von 500 mm von 10 auf 6 Stunden. Die Bauteile werden nach dem groben Entsanden abschließend mit Druckluft vom restlichen noch anhaftenden Material befreit. Die Festigkeiten sind mit 80 N/cm ² - 180 N/cm ² im Vergleich zu organisch gebundenem Sand eher schwach jedoch fest genug, um sie zerstörungs- und verformungsfrei zu handhaben.

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 hersteilen.

Nach Aushärten der Materialsysteme erfolgt die Entformung entweder durch Ausbrechen der Form mittels Einwirkens mechanischer Kräfte oder indem Lösemittel bevorzugt Wasser in Kontakt mit der Form gebracht wird. Die kann bspw. durch Tauchen oder Übergießen erfolgen. Die lösliche Komponente löst sich nun rasch auf, wobei der Zusammenhalt des unlöslichen Pulvers aufgehoben wird.

Die unlösliche Komponente wird ebenfalls herausgespült, kann gesammelt werden, wieder mit löslichem Material gemischt und dem Prozess wieder zugeführt werden. Um das gebaute Teil auszulösen genügt ein ausreichend großer Spalt, aus dem das unlösliche Material zusammen mit dem Lösemittel herausfließen kann. Im Folgenden werden einige Begriffe der Erfindung näher erläutert.

Im Sinne der Offenbarung sind „Schichtbauverfahren" bzw. „3D- Druckverfahren" oder „3 D- Verfahren" oder „3D-Druck" alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen ermöglichen und mit den hier im Weiteren beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind.

Unter „Binder-Jetting" im Sinne der Offenbarung ist zu verstehen, dass schichtweise Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht wird, jeweils die Querschnitte des Bauteils auf dieser Pulverschicht mit einer oder mehreren Flüssigkeiten bedruckt werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist. Unter Binder-Jetting sind hier auch Schichtbauverfahren zu verstehen, die eine weitere Verfahrens-Komponente wie z.B. eine schichtweise Belichtung z.B. mit IR- oder UV- Strahlung benötigen.

„3D-Formteil", „Formkörper" oder „Bauteil" oder „Formteil" im Sinne der Offenbarung sind alle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.

„Bauraum" ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien durchläuft. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Bei kontinuierlichen Prinzipien existieren meist ein Förderband und begrenzende Seitenwände. Der Bauraum kann auch durch eine sogenannte Jobbox ausgestaltet sein, die eine in die Vorrichtung ein- und ausfahrbare Einheit darstellt und eine Batch-Herstellung erlaubt, wobei eine Jobbox nach Prozessabschluss ausgefahren wird und sofort eine neue Jobbox in die Vorrichtung eingefahren werden kann, sodass das Herstellungsvolumen und somit die Vorrichtungsleistung erhöht wird.

Der „ Pa rtikelmateria lauftrag" ist der Vorgang bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Dies kann entweder auf der Bauplattform (Baufeld) oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipen erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird im Weiteren auch „Beschichtung" oder „Recoaten" genannt.

„Selektiver Flüssigkeitsauftrag" oder „selektiver Binderauftrag" oder „selektiver Druckflüssigkeitsauftrag" kann im Sinne der Offenbarung nach jedem Partikelmaterialauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.

Als „Vorrichtung" zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Offenbarung kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Job-Box, Dosiervorrichtungen und Wärme- und Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.

Das Baumaterial gemäß der Offenbarung wird immer in einer „definierten Schicht" oder „Schichtstärke" aufgebracht, die je nach Baumaterial und Verfahrensbedingungen individuell eingestellt wird. Sie beträgt beispielsweise 0,05 bis 5 mm, vorzugsweise 0,07 bis 2 mm. Ein „Beschichter" oder „Recoater" im Sinne der Offenbarung ist ein Vorrichtungsteil, das Fluid, z.B. Partikelmaterial wie z.B. mineralische oder metallische Materialien oder Kunststoffe, Holz in Form von Partikeln oder Gemische davon, aufnehmen kann und gesteuert auf eine Bauplattform einer 3D-Vorrichtung in Schichten abgibt oder aufträgt. Dabei kann der Beschichter länglich ausgestaltet sein und oberhalb einer Austrittsöffnung befindet sich in einem Vorratsbehälter das Partikelmaterial. Der Beschichter kann aber auch aus einer stehenden Klinge oder einer gegenläufig rotierenden Walze bestehen, die eine bestimmte Pulvermenge jeweils vor der Klinge oder der Walze auf dem Baufeld ausstreichen.

Ein „Vorratsbehälter" im Sinne der Offenbarung ist das Bauteil eines Beschichters zu verstehen, in dem das Partikelmaterial eingefüllt ist und über eine Austrittsöffnung gesteuert auf die Bauplattform der 3D- Vorrichtung abgegeben und aufgetragen wird.

Eine „Beschichterklinge" im Sinne der Offenbarung ist ein im Wesentlichen flaches metallisches oder aus einem anderen geeigneten Material gefertigtes Bauteil, das sich an der Austrittsöffnung des Beschichters befindet und über das das Fluid auf die Bauplattform abgegeben wird und glatt gestrichen wird. Ein Beschichter kann eine oder zwei oder mehrere Beschichterklingen aufweisen. Eine Beschichterklinge kann eine Schwingklinge sein, die Schwingungen im Sinne einer Drehbewegung ausführt, wenn sie angeregt wird. Weiterhin kann diese Schwingung ein- und ausgestellt werden durch ein Mittel zum Erzeugen von Schwingungen. Je nach der Anordnung der Austrittsöffnung ist die Beschichterklinge im Sinne der Offenbarung „im Wesentlichen waagerecht" oder „im Wesentlichen senkrecht" angeordnet.

„Heizmittel" im Sinne der Offenbarung sind Mittel, die dazu dienen das Partikelmaterial auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen. Ein Heizmittel kann jede bekannte und mit den anderen Vorrichtungsteilen kompatible Heizeinheit sein, die dem Fachmann bekannt sind und deshalb hier nicht näher beschrieben werden müssen.

„3D-Drucker" oder „Drucker" oder „3D-Druckvorrichtung" im Sinne der Offenbarung bezeichnet das Gerät in dem ein 3D-Druckverfahren stattfinden kann. Ein 3D-Drucker im Sinne der Offenbarung weist ein Auftragsmittel für Baumaterial, z.B. ein Fluid wie ein Partikelmaterial, und eine Verfestigungseinheit, z.B. einen Druckkopf oder ein Energieeintragsmittel wie einen Laser oder eine Wärmelampe, auf. Weitere dem Fachmann bekannte Maschinenkomponenten und im 3D- Druck bekannte Komponenten werden je nach den speziellen Anforderungen im Einzelfall mit den oben erwähnten Maschinenkomponenten kombiniert.

„Baufeld" ist die Ebene oder in erweitertem Sinn der geometrische Ort, auf dem oder in dem eine Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst. Häufig wird das Baufeld durch einen Boden, die „Bauplattform", durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt.

Der Prozess „Drucken" oder „3D-Drucken" oder „3D-Druckverfahren" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Zusammenfassung der Vorgänge Materialauftrag, selektives Verfestigen oder auch Bedrucken und Arbeitshöhe verstellen und findet in einem offenen oder geschlossenen Prozessraum statt.

Unter einer „Aufnahmeebene" im Sinne der Offenbarung ist die Ebene zu verstehen, auf die Baumaterial aufgetragen wird. Offenbarungsgemäß ist die Aufnahmeebene immer in einer Raumrichtung durch eine lineare Bewegung frei zugänglich. „Baufeldwerkzeug" oder „Funktionale Einheit" im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel oder Vorrichtungsteile, die für den Fluidauftrag, z.B. Partikelmaterial, und die selektive Verfestigung bei der Herstellung von Formteilen eingesetzt werden. So sind alle Materialauftragsmittel und Schichtbehandlungsmittel auch Baufeldwerkzeuge oder funktionale Einheiten.

„Ausstreichen" oder „Aufbringen" im Sinne der Offenbarung bedeutet jegliche Art und Weise mit der das Partikelmaterial verteilt wird. Beispielsweise kann an der Startposition einer Beschichtungsfahrt eine größere Pulvermenge vorgelegt werden und durch eine Klinge oder eine rotierende Walze in das Schichtvolumen verteilt oder ausgestrichen werden.

Die „Überschussmenge" oder „Overfeed" ist dabei die Menge an Partikelmaterial, die bei der Beschichtungsfahrt am Ende des Baufeldes vor dem Beschichter hergeschoben wird.

Der „Druckkopf' oder „Mittel zum selektiven Verfestigen" im Sinne der Offenbarung setzt sich üblicherweise aus verschiedenen Komponenten zusammen. Unter anderem können dies Druckmodule sein. Die Druckmodule verfügen über eine Vielzahl an Düsen, aus denen die „Druckflüssigkeit" und der „Binder" in Tröpfchenform auf das Baufeld gesteuert ausgestoßen wird. Die Druckmodule sind relativ zum Druckkopf ausgerichtet. Der Druckkopf ist relativ zur Maschine ausgerichtet. Damit kann die Lage einer Düse dem Maschinenkoordinatensystem zugeordnet werden. Die Ebene in der sich die Düsen befinden wird üblicherweise als Düsenplatte bezeichnet.

„Selektive Druckflüssigkeitsauftrag" kann im Sinne der Erfindung nach jedem Partikelmaterial - oder Partikelmaterialauftrag 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.

Eine „Druckflüssigkeit" oder „Binder" im Sinne der Erfindung dient dazu, selektiv auf das aufgebrachte Partikelmaterial aufgebracht zu werden und selektiv die Bildung eines Formteils zu erreichen. Die Druckflüssigkeit kann dabei Bindermaterialien umfassen oder aus diesen im Wesentlichen bestehen. Eine „Druckflüssigkeit" im Sinne der Erfindung umfasst oder besteht aus einer Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserglas oder einer wässrigen Lösung und einem Wasserglas. „Binder" im Sinne der Erfindung sind Materialien, die im Prozess einen Phasenwechsel von Flüssig zu Fest erfahren z.B. mittels Polymerisation oder Trocknung und dabei der im Pulverbett verbleibende Teil die zuvor benetzten Partikel miteinander verbindet. Oder 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 eine relative Festigkeit zwischen den Partikeln erzeugen. Der Binder stellt eine Komponente der Druckflüssigkeit dar, ist von dieser umfasst oder kann auch in bestimmtem Kontext synonym mit dem Begriff Druckflüssigkeit verwendet werden.

Als „Partikelmaterial" oder „Pulver" oder „Pulverschüttung" im Sinne der Offenbarung können alle für den 3D-Druck bekannten fließfähigen Materialien verwendet werden, insbesondere in Pulverform, als Schlicker oder als Flüssigkeit. Dies können beispielsweise Sande, Keramikpulver, Glaspulver, und andere Pulver aus anorganischen oder organischen Materialien wie Metallpulver, Kunststoffe, Holzpartikel, Faserwerkstoffe, Cellulosen oder/und Laktosepulver sowie andere Arten von organischen, pulverförmigen Materialien sein. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken, frei fließendes Pulver, aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver kann verwendet werden. Diese Kohäsivität kann sich auch durch Beimengung eines Bindermaterials oder eines Hilfsmaterials wie z.B. einer Flüssigkeit ergeben. Die Beimengung einer Flüssigkeit kann dazu führen, dass das Partikelmaterial in Form eines Schlickers frei fließfähig ist. Generell können Partikelmaterial im Sinne der Offenbarung auch als Fluide bezeichnet werden.

Je nach Anwendungszweck und erforderlicher Oberflächenqualität werden unterschiedliche mittlere Korngrößen von unlöslichem Partikelmaterial und löslichem Polymer verwendet. Für hohe Oberflächenqualitäten werden bspw. Sande mit einem mittleren Korndurchmesser von 60 miti - 90 qm verwendet, wobei die Schichthöhe mit 150 mih sehr fein gewählt werden kann. Gröbere Partikel mit bspw. einem d50 = 140 pm - 250 miti lassen nur 250 pm - 400 pm Schichthöhen zu. Dadurch werden gröbere Oberflächen erhalten. Die Aufbaugeschwindigkeit wird auch von der Feinheit des Partikelmaterials beeinflusst.

In der vorliegenden Anmeldung werden Partikelmaterial und Pulver synonym verwendet.

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.

„Gusswerkstoff' ist im Sinne dieser Erfinder jeder vergießbare Werkstoff, insbesondere Metalle wie z.B. Leichtmetalle, Eisen- oder Stahlwerkstoffe. Zudem werden darunter auch Materialien verstanden, die bei Raumtemperatur oder gering erhöhter Temperatur vergießbar sind. Die „Porosität" ist im Sinne der Erfindung eine Labyrinthstruktur von Hohlräumen, die zwischen den im 3D-Druckprozess verbundenen Partikeln entsteht.

Die „Versiegelung" wirkt an der geometrischen Grenze zwischen gedruckter Form und dem zu füllenden Hohlraum. Sie verschließt oberflächlich die Poren des porösen Formkörpers.

Unter „Kaltgussverfahren" sind insbesondere Gießverfahren zu verstehen, bei denen vor, während und nach dem Guss die Temperatur der Gussform und des Kernes die Zersetzungs- oder Erweichungstemperatur des Formmaterials nicht erreicht. Dabei wird die Festigkeit der Form durch den Guss nicht beeinflusst. Gegensätzlich dazu wären Metallgussverfahren, bei denen die Form im Allgemeinen durch die heiße Gussmasse langsam zerstört wird.

Mit dem Begriff „Behandelte Oberfläche" wird eine Oberfläche der Gussform bezeichnet, die nach dem Drucken und Reinigen der Form in einem vorzugsweise eigenen Schritt behandelt wird. Diese Behandlung ist häufig ein Aufträgen eines Stoffes auf die Oberfläche und damit auch in die oberflächennahen Bereiche der Form oder des Kerns. Für das Aufträgen kommen dabei alle erdenklichen verschiedene Verfahren in Betracht.

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.

Es ist insbesondere für komplexere Formen in wirtschaftlicher Hinsicht wünschenswert, Gussformen und Kerne für den Metallguss wie auch für den Kaltguss und Laminierformen über 3D-gedruckte Formen zu realisieren. Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen oder/und Aspekte der Erfindung dargestellt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung die Herstellung von Formen und Kernen mittels pulverbettbasiertem 3D Druck im Schichtbauverfahren und mit einer flüssigen Komponente, die selektiv in das Partikelmaterial eingebracht wird.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung der Formen und Kerne nach der Erfindung zur Herstellung von Metallgussteilen und kalt gegossenen Gussteilen als verlorene Gussform oder Laminat.

Insbesondere können die Gussformen nach der Erfindung zur Herstellung von Betongussteilen und/oder kaltgegossenen Polymerbauteilen verwendet werden.

Vorzugsweise wird für das Schichtbauverfahren ein Pulverbett- basiertes 3 D- Druckverfahren eingesetzt.

Wird die Oberfläche ggf. zusätzlich mit einem hydrophoben Material versiegelt, kann das Eindringen des Gussmaterials in die Poren der Gussform gut eingeschränkt werden.

Weiterhin ist es möglich die Porosität der Oberfläche durch eine Schlichte und/oder Dispersion zu verändern, insbesondere eine zirkonoxid-, aluminiumoxid-, calciumoxid-, titanoxid-, kreide- oder kieselsäure-basierte Schlichte und/oder eine kunststoff-, cellulose-, zucker-, mehl- und/oder salzbasierte Lösung. Darüberhinaus kann die Porosität der Oberfläche durch ein Fett, Öl, Wachs und/oder warmwasserlösliche Stoffe verändert bzw. versiegelt werden.

Ausführungsbeispiele

A. Eine beispielhafte Vorrichtung zum Erzeugen eines Formteils gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Pulverbeschichter auf. Mit diesem wird Partikel material auf eine Bauplattform aufgebracht und geglättet. Im konkreten Anwendungsfall kommt ein VX1000 3D-Drucker zum Einsatz. Das aufgebrachte Partikelmaterial kann aus verschiedensten Materialien bestehen, erfindungsgemäß bevorzugt und auf Grund der geringen Kosten ist allerdings Quarz-Sand. Im konkreten Fall wird ein GS14 Sand der Firma Strobel Quarzsande verwendet, der eine mittlere Körnung von 140 pm aufweist. Der Sand wird vor der Verarbeitung im 3D-Drucker mit einem pulverförmigen Promotor vermischt. Ein geeigneter Promotor ist z.B. der EP4500 der Firma ASK Chemicals in Hilden. Es werden davon 0,2 Gew.-% in den Sand gemischt. Der Promotor bewirkt eine höhere Warmfestigkeit des Gießkerns oder der Form. Zudem wird ein Ester als flüssiger Aktivator mit einer Zustellung von 0,25 Gew.-% in den Sand eingemischt. Die Mischung erfolgt in vorteilhafterweise einem Zwangsmischer. Das Materialgemisch kann direkt nach der Zubereitung dem 3D-Drucker zugeführt werden. 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. Im konkreten Fall wird die Bauplattform jeweils um 0,3 mm abgesenkt.

Nach einem Beschichtungsprozess wird die Schicht mittels eines Tintenstrahldruckkopfes mit der Druckflüssigkeit bedruckt. Die Druckflüssigkeit ist ein Flüssigkeitsgemisch, das als wesentlichen Bestandteil Wasserglas beinhaltet. Eine geeignete Druckflüssigkeit ist z.B. der EP5061 der Firma ASK Chemicals aus Hilden. Es wird hierbei ein Druckflüssigkeitsgehalt im bedruckten Bereich von 3,5 Gew.-% eindosiert. Das Druckbild entspricht dem Schnitt durch das Bauteil in der aktuellen Bauhöhe der Vorrichtung. Die Flüssigkeit trifft auf das Partikelmaterial und diffundiert langsam hinein.

Die Druckflüssigkeit verbindet die umliegenden losen Partikel physikalisch miteinander. Dabei ist die Bindung zunächst nur von geringer Festigkeit.

Im nächsten Schritt wird die Bauplattform um eine Schichtstärke abgesenkt. Die Schritte Schichtbilden, Bedrucken und Absenken werden nun solange wiederholt bis das gewünschte Bauteil vollständig erstellt ist.

Das Bauteil liegt jetzt vollständig im Pulverkuchen vor und muss weiter aushärten. Bei Raumtemperatur kann dieser Schritt je nach gebauter Höhe bis zu mehreren Stunden dauern. Im konkreten Fall muss die Job- Box mit 300 mm Bauhöhe bei Raumtemperatur außerhalb der Maschine 20 Stunden ruhen.

Alternativ kann an die Box für 3 h Unterdrück angelegt werden, wobei Umgebungsluft durch den Pulverkuchen gezogen wird und die Bauteile dabei getrocknet werden.

Im nächsten Schritt wird das Bauteil vom losen Partikelmaterial befreit. Zusätzlich kann eine Reinigung von losem Pulvermaterial mittels bspw. Druckluft folgen.

Biegeproben mit Ausrichtung in der Bauebene weisen nach dem Auspacken und dem Finishen eine 3-Punkt-Biegefestigkeit im Bereich von 150 bis 180 N/cm ² und eine Restfeuchte von 0,3 Gew.-% auf. Bei einer maximalen rel. Luftfeuchtigkeit von 60% können die mit dem hier offenbarten 3D-Druckverfahren hergestellten Formteile ohne Verformung gelagert werden.

Der restliche lose Sand kann nach einer Kontrollsiebung sofort wieder verwendet werden. Aufgrund der Verringerung der Wirkung des Ester- Aktivators über die Zeit ist es vorteilhaft, den Restsand in einem festen Mischungsverhältnis mit frisch angemischtem Sand zu versetzen und mit dieses Gemisch wieder in einem 3D-Druckverfahren zu verwenden.

C. Das erzeugte Bauteil (Formteil) kann anschließend noch im Ofen getrocknet werden, um die Festigkeit weiter zu steigern und kann dann für den Metallguss verwendet werden.

Eine weitere Behandlung der Oberfläche der nach dem hier offenbarten 3D-Druckverfahren hergestellten Formteilen ist mit Metalllegierungen wie z.B. Eisen oder Stahl oder auch für die Verwendung im Kaltguss oder als Laminierform vorteilhaft.