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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING THREE-DIMENSIONAL OBJECTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/069719
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and to a device for generating three-dimensional objects by means of a generative method. According to the invention, powdered material and binding agents are applied sequentially and electromagnetic waves are used to cure the binding agent so that the powdered material bonded with the binding agent forms the three-dimensional object. The electromagnetic waves used are RF radiation. As a result, a fast and uniform curing of the three-dimensional object is achieved.

Inventors:
ROTHAUG UWE (DE)
ROMANOV VICTOR (DE)
Application Number:
EP2020/078504
Publication Date:
April 15, 2021
Filing Date:
October 09, 2020
Export Citation:
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Assignee:
KURTZ GMBH (DE)
International Classes:
B22C9/02; B22C9/10; B28B1/00; B33Y10/00; B33Y30/00; B33Y80/00; C04B40/00; C08F2/46; H05B6/62
Foreign References:
US5837373A1998-11-17
US6376148B12002-04-23
DE2933956A11981-03-12
US20180264753A12018-09-20
DE102018200588A12019-07-18
Other References:
RICKY METAXAS: "RF and microwave energy hots up", IEE REVIEW, vol. 34, no. 5, 1 January 1988 (1988-01-01), pages 185, XP055754847, ISSN: 0953-5683, DOI: 10.1049/ir:19880071
Attorney, Agent or Firm:
HGF (Munich, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen von dreidimensionalen Gegenständen mittels eines generativen Verfahrens, wobei ein pulverförmiges Material und Bindemittel sequentiell aufgetragen werden und mittels elektromagnetischer Wellen das Bindemittel ausgehärtet wird, so dass das mit dem Bindemittel gebundene pulverförmige Material den dreidimensionalen Gegenstand bildet, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetische Wellen RF-Strahlung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten mittels RF-Strahlung abschnittsweise erfolgt oder ein vollständiger dreidimensionaler Gegenstand auf einmal ausgehärtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass additive Erzeugen des dreidimensionalen Gegenstandes zwischen zwei Kondensa torplatten erfolgt, welche mit einem RF-Generator verbunden sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Material in Form von Schichten aufgetragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten eine Dicke von nicht mehr als 1 mm und vorzugsweise nicht mehr als 500 pm und insbesondere nicht mehr als 300 pm aufweisen.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel auf die Schichten in vorbestimmten Bereichen aufgespritzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch aus pulverförmigem Material und Bindemittel gedruckt wird.

8. Verfahren zum Erzeugen eines Sandkernes oder ein Sandform, wobei der Sandkern oder die Sandform entweder nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als dreidimensionaler Gegen stand hergestellt wird, indem als pulverförmiges Material Sand mittels eines Bindemittels zum dreidimensionalen Gegenstand verbunden wird, oder der Sandkern oder die Sand form mittels Schießen in eine Form hergestellt wird, wobei ein Gemisch aus Sand und Bindemittel in die Form geschossen wird und der Sandkern oder die Sandform mittels RF-Strahlung ausgehärtet wird.

9. Vorrichtung zum Erzeugen von dreidimensionalen Gegenständen mittels eines generati ven Verfahrens, umfassend

- eine Auftrageinrichtung (11) zum sequentiellen Aufträgen von pulverförmigen Material,

- eine Auftrageinrichtung (15) zum Aufträgen von Bindemittel,

- einen RF-Generator (25) zum Erzeugen von RF-Strahlung, und

- zwei Kondensatorplatten (7, 23) zum Anlegen der RF-Strahlung an das aufgetragene Gemisch aus dem pulverförmigen Material und dem Bindemittel.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Prozessraum (2) aufweist, welcher zwischen den Kondensa torplatten (7, 23) ausgebildet ist, wobei eine elektrisch leitende Kammerwandung (3) vorgesehen ist, welche den Prozessraum beim Anlegen der RF-Strahlung abschirmt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftrageinrichtung zum Aufträgen von Bindemittel entweder eine Sprühdüse (15) ist, oder eine Düse zum Aufträgen eines Gemisches aus pulverförmigen Material und Bindemittel ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.

Description:
Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von dreidimensionalen Gegenständen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von dreidimensionalen Gegenständen insbesondere mittels eines generativen Verfahrens. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeu gen von Sandformen und Sandkernen.

Mittels generativer Fertigungsverfahren ist es möglich, verschiedenste dreidimensionale Bau teile mit komplexer Geometrie herzustellen.

Beim generativen Fertigen werden beispielsweise dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufgebaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD). Beim Aufbau finden phy sikalische oder chemische Flärtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das generative Fertigen sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Das generative Fertigen wird auch als 3D-Drucken bzw. additives Fertigen bezeichnet. Die entsprechenden Vorrichtungen werden als 3D-Drucker bezeichnet.

3D-Drucker werden in der Industrie und der Forschung eingesetzt. Daneben gibt es auch An wendungen im Fleim- und Unterhaltungsbereich sowie in der Kunst.

Die voxeljet technology GmbH f https://www.voxeliet.com/de/anwendunaen/sandciuss/) bie tet eine Dienstleistung zum Herstellen von Sandformen und Sandkerne für den Metallguss an. Dabei wird Quarzsand schichtweise aufgetragen und mit einem Binder selektiv verklebt, bis die gewünschte Form entsteht. Je nach Bedarf und Anwendung kann zwischen verschie denen Bindern und Sanden gewählt werden, um optimale Gussergebnisse zu erzielen. Zur Herstellung von Sandformen werden gießereiübliche Bindermaterialien, wie Furan- und Phe nolharze oder auch anorganische Bindematerialien verwendet. Dabei sind auch große For mate mit bis zu 4 m Länge, 2 m Breite und 1 m Höhe möglich. Im Taschenbuch der Gießereipraxis 2019, Seiten 153-158 werden generative Fertigungsver fahren in der Gießerei praxis beschrieben. Um aus Sand Sandformen oder Sandkerne im ge nerativen Verfahren hersteilen zu können, wird einerseits das Binder-Jetting (3D-Druck von Pulvermaterial mit Binder) als auch das Multi-Jet-Modelling (MJM) vorgeschlagen. Beide Ver fahren können als Pulverbettverfahren ausgeführt sein. Das Multi-Jet-Modelling kann jedoch auch als Freiraumverfahren ausgebildet sein, bei welchem ein Gemisch aus Sand und Binde mittel in der gewünschten Form sequentiell gedruckt wird. Binder-Jetting ist ein generativer Produktionsprozess, bei dem ein flüssiges Bindemittel gezielt auf eine Pulverschicht aufgetra gen wird, um sich mit dem Material zu verbinden. Abschnitte der Materialschichten werden dadurch gebunden, um einen Gegenstand zu formen. Das Aufsprühen des Binders ähnelt dem herkömmlichen Tintenstrahldruckverfahren. Zum Binden von Sand sind unterschiedliche Bindematerialien, wie z.B. Furan-Binder, Phenol-Binder, Silikatbinder oder Polymerbinder be kannt. Die Aushärtung des Bindematerials erfolgt durch Erhitzen mittels Mikrowellenstrah lung.

Die generative Fertigung von Sandformen und Sandkernen hat sich sehr bewährt, da sie zum einen sehr kosteneffizient ist (keine Modellkosten, kurze Durchlaufzeiten, geringe Änderungs kosten), die Formen beliebig komplexe Strukturen aufweisen können, ohne dass hierdurch zusätzliche Kosten erzeugt werden, die Formen und Kerne eine hohe Qualität besitzen und mit großer Größe und geringen Toleranzen gefertigt werden können. Weiterhin können auf wendige und schwere Formen und Kerne durch Bewehrungen stabilisiert werden.

Aus der EP 3,266,815 Al geht ein strahlungshärtbares Bindematerial zum Ausbilden von Sandkernen hervor. Das Aushärten von Sandkernen wird hierbei durch sogenannte aktini sche Strahlung erzeugt, wobei die Strahlung einen photochemischen Effekt bewirkt. Aktini sche Strahlung ist typischer Weise elektromagnetische Strahlung im optischen oder UV-Be- reich.

In der US 2018/0361618 Al wird ein Verfahren zum Drucken von dreidimensionalen Körpern aus einem pulverförmigen Material offenbart, wobei ein flüssiges Funktionsmaterial beige mischt wird, das elektromagnetische Wellen absorbieren soll. Das flüssiges Funktionsmaterial enthält ferromagnetische Nanopartikel und kann so Temperaturen von 60°C bis 2.500° C er zeugen. Flierdurch schmilzt das pulverförmige Material. Das pulverförmige Material kann zum Beispiel Siliziumdioxid sein. Die Energie wird mittels Mikrowellen oder RF-Strahlung angelegt.

In der DE 697 13 775 T2 wird ein Hybridofen und ein Verfahren beschrieben, in welchem gleichzeitig Mikrowellen und RF-Strahlung an Objekte angelegt werden können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von dreidimensionalen Gegenständen mittels eines generativen Verfahrens zu schaffen, wo bei ein pulverförmiges Material und Bindemittel sequentiell aufgetragen werden und mittels elektromagnetischer Wellen das Bindemittel ausgehärtet wird, wobei dieses Verfahren zum Herstellen großvolumiger dreidimensionaler Gegenstände oder zum gleichzeitigen Herstellen vieler Gegenstände in einem großvolumigen Prozessraum besonders geeignet ist.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteil hafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zum Erzeugen von dreidimensionalen Ge genständen mittels eines generativen Verfahrens, wobei ein pulverförmiges Material und Bin demittel sequentiell aufgetragen werden und mittels elektromagnetischer Wellen das Binde mittel ausgehärtet wird, so dass das mit dem Bindemittel gebundene pulverförmige Material den dreidimensionalen Gegenstand bildet.

Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass als elektromagnetische Wellen RF-Strah- lung verwendet wird.

Da RF-Strahlung eine lange Wellenlänge besitzt, kann das Bindemittel in einem großen Volu men gleichmäßig durch die Strahlung aktiviert werden. Bei einer Frequenz von 300 MHz be trägt die Wellenlänge ca. Im. Bei der zumindest in Deutschland üblichen Frequenz für In dustrieanwendungen von 27,12 MHz beträgt die Wellenlänge ca. 11 m. Bilden sich im Form werkzeug stehende Wellen, dann kann eine Wellenlänge vorgesehen werden, deren Halb welle deutlich länger als die Abmessungen des herzustellenden dreidimensionalen Gegen standes ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass ein Wellenknoten einer stehenden Welle sich außerhalb eines Prozessraumes angeordnet ist, in dem der dreidimensionale Ge genstand erzeugt wird. Hierdurch wird ein gleichmäßiges Aushärten des dreidimensionalen Gegenstandes erzielt. Es werden sowohl lokale Überhitzungen, bei welchen Bindemittel zer stört werden könnte, als auch Bereiche vermieden, in welchen das Bindemittel nicht ausrei chend angeregt wird. Bei Verwendung von Mikrowellenstrahlung besteht hingegen das Prob lem, dass aufgrund der kurzen Wellenlänge bei stehenden Wellen bestimmte Bereiche kaum angeregt werden, so dass das Bindemittel nicht gehärtet und das pulverförmige Material nicht gebunden wird. Um dreidimensionale Gegenstände mit einer Größe von bis zu 3 m mit hoher Qualität hersteilen zu können, empfiehlt es sich RF-Strahlung mit einer Frequenz von nicht mehr al 50 MHz und insbesondere nicht mehr als 40 MHz zu verwenden. Die Verwendung von RF-Strahlung bewirkt ferner die vollständige Durchdringung von dem pulverförmigen Material und dem Bindemittel, so dass ein dreidimensionaler Gegenstand auf einmal ausgehärtet werden kann. Erfolgt die Anregung des Bindemittels mittels Infrarotlicht, dann kann dieses lediglich im Oberflächenbereich des pulverförmigen Materials eindringen. Bei Verwendung von Infrarotlicht ist es notwendig, dass nach jedem Auftrag einer dünnen Schicht aus pulverförmigen Material und Bindemittel dieses mit Infrarotlicht bestrahlt wird. Dies ist bei Verwendung von RF-Strahlung nicht notwendig, wodurch das Verfahren wesent lich schneller ausgeführt werden kann.

Das Aushärten mittels RF-Strahlung kann abschnittsweise erfolgen oder ein dreidimensiona ler Gegenstand kann auch auf einmal (one shot) ausgehärtet werden.

Die gleichmäßige und vollständige Durchdringung des herzustellenden Gegenstandes bewirkt einerseits eine hohe Qualität als auch andererseits eine schnelle Herstellung des Gegenstan des, womit die Produktionskosten gegenüber herkömmlichen Verfahren erheblich gesenkt werden können.

Das additive Erzeugen des dreidimensionalen Gegenstandes erfolgt vorzugsweise zwischen zwei Kondensatorplatten, welche mit einem RF-Generator verbunden sind. Hierdurch kann die RF-Strahlung an den noch nicht ausgehärteten dreidimensionalen Gegenstand angelegt werden, ohne dass dieser bewegt werden muss. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, den generativ erzeugten dreidimensionalen Gegenstand vor dem Aushärten desselben in dem Bereich zwischen zwei Kondensatorplatten zu bewegen, mit welchem der dreidimensionale Gegenstand mit RF-Strahlung beaufschlagt wird. Erfolgt die generative Fertigung des dreidimensionalen Gegenstandes mit dem Pulverbettverfahren, bei welchem Schichten des pulverförmigen Materials übereinandergeschichtet werden und ledig lich die auszuhärtenden Bereiche bzw. Abschnitte mit Bindemittel versehen werden, dann wird vorzugsweise der gesamte Schichtaufbau in dem Bereich zwischen den beiden Konden satorplatten bewegt. Nach dem Aushärten wird dann das pulverförmige Material, das nicht mit Bindemittel versehen ist, vom dreidimensionalen Gegenstand entfernt. Vor dem Aushär ten dient es zur Stützung des noch nicht ausgehärteten dreidimensionalen Gegenstandes.

Das pulverförmige Material wird vorzugsweise in Schichten aufgetragen, wie es vom Pulver bettverfahren bekannt ist. Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, ein zähflüssiges Gemisch aus pulverförmigem Material und Bindemittel im Freiraumverfahren zu drucken. Die Schichten werden vorzugsweise mit einer Dicke von nicht mehr als 1 mm und insbeson dere nicht mehr als 500 gm und insbesondere nicht mehr als 300 gm aufgetragen. Je dünner die Schichten ausgebildet sind, desto feiner kann die Kontur des dreidimensionalen Gegen standes ausgebildet sein. Je dünner die einzelnen Schichten sind, desto mehr Schichten sind notwendig, um einen Gegenstand mit vorbestimmter Dicke auszubilden. Deshalb dauert die Herstellung des dreidimensionalen Gegenstandes mit dünneren Schichten länger als mit di ckeren Schichten. Bei dem schichtweisen Aufträgen des pulverförmigen Materials wird das Bindemittel lediglich in vorbestimmten Bereichen auf die Schichten aufgespritzt, welche den dreidimensionalen Gegenstand ausbilden sollen.

Mit dem Verfahren kann als dreidimensionaler Gegenstand ein Sandkern oder eine Sandform für den Metallguss hergestellt werden, indem als pulverförmiges Material Sand mittels des Bindemittels zum dreidimensionalen Gegenstand verbunden wird.

Das pulverförmige Material zum Erzeugen eines Sandkernes oder einer Sandform ist ein feu erfester, partikelförmiger Formgrundstoff, der im Folgenden verkürzt als „Sand" bezeichnet wird. Der partikelförmige, feuerfeste Formgrundstoff kann aus Siliziumdioxid (Quarzsand), Metalloxid, einem Keramikmaterial oder auch aus Glas oder einer Mischung davon ausgebil det sein. Unabhängig von der chemischen Zusammensetzung wird dieser partikelförmige, feuerfeste Formgrundstoff als Sand bezeichnet.

Geeignete Bindemittel können Bindemittel auf Furan-Basis, Phenol-Basis, Silikat-Basis oder aus einem Polymer sein.

Der Sandkern oder die Sandform kann auch durch Schießen in eine Sandform geformt wer den. Das Aushärten der Sandform erfolgt hierbei in gleicher Weise, wie es oben anhand der dreidimensional generativ geformten Gegenständen erläutert ist, mittels RF-Strahlung.

Es können an sich beliebige dreidimensionale Gegenstände durch Schießen eines Gemisches aus einem pulverförmigen Material und Bindemittel in eine Form geschossen werden und mittels RF-Strahlung ausgehärtet werden.

Die oben erläuterten Vorteile für das Aushärten des dreidimensionalen Gegenstandes gelten unabhängig von der Art der Formung des Körpers. Insbesondere ist mit RF-Strahlung eine one-shot-Härtung möglich, wobei der dreidimensionale Gegenstand ein großes Volumen, von z.B. zumindest 0,01 m 3 bzw. zumindest 0.1 m 3 oder sogar von zumindest 1 m 3 aufweisen kann. Die generative Fertigung in Verbindung mit dem Härten mittels RF-Strahlung ist jedoch be vorzugt, da einerseits dreidimensionale Gegenstände in beliebigen Formen hergestellt wer den können, welche durch das Aushärten mit RF-Strahlung, schnell, zuverlässig und vollstän dig in ihrer Form fixiert werden können.

Die elektromagnetische RF-Strahlung weist vorzugsweise eine Frequenz von zumindest 30 KHz bzw. zumindest 0,1 MHz, insbesondere zumindest 1 MHz bzw. zumindest 2 MHz vor zugsweise zumindest 10 MHz auf.

Die elektromagnetische RF-Strahlung weist vorzugsweise eine Frequenz von maximal 300 MHz auf.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Erzeugen von dreidimensionalen Ge genständen mittels eines generativen Verfahrens, umfassend

- eine Auftrageinrichtung zum sequentiellen Aufträgen von pulverförmigen Material,

- eine Auftrageinrichtung zum Aufträgen von Bindemittel,

- einen RF-Generator zum Erzeugen von RF-Strahlung, und

- zwei Kondensatorplatten zum Anlegen der RF-Strahlung an das aufgetragene Gemisch aus dem pulverförmigen Material und dem Bindemittel.

Die Vorrichtung kann einen Prozessraum aufweisen, welcher zwischen den Kondensatorplat ten ausgebildet ist, wobei eine elektrisch leitende Kammerwandung vorgesehen ist, welche den Prozessraum beim Anlegen der RF-Strahlung abschirmt. Hierdurch wird im Prozessraum definierte RF-Strahlung bereit gestellt und die Umgebung wird nicht durch die elektromagne tische Strahlung belastet.

Die Auftrageinrichtung zum Aufträgen von Bindemittel kann entweder eine Sprühdüse sein, oder eine Düse zum Aufträgen eines Gemisches aus pulverförmigen Material und Bindemittel sein. Mit einer Düse zum Aufträgen eines solchen Gemisches kann das Gemisch im Freiraum verfahren aufgetragen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft näher anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Figur 1 eine Binder-Jetting-Vorrichtung mit geöffnetem Prozessraum in einer perspektivi schen Schnittansicht, wobei Frontelemente weggeschnitten sind, so dass wesentli che Teile der Vorrichtung sichtbar sind, und Figur 2 die Vorrichtung aus Figur 1 in einer Schnittansicht, wobei der Prozessraum geschlos sen ist und zur Vereinfachung der Darstellung eine Sprühdüse und deren Positionie reinrichtung sowie eine Auftrageinrichtung weggelassen sind.

Im Folgenden wird eine Vorrichtung 1 zum generativen Fertigen eines dreidimensionalen Ge genstandes beispielhaft erläutert (Fig. 1 und 2).

Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist eine sogenannte Binder-Jetting-Vorrichtung 1 mit Pulverbettzuführung zum Fierstellen von Sandformen und Sandkernen. Die Binder-Jetting- Vorrichtung 1 umfasst einen Prozessraum 2, der durch Kammerwandungen 3 nach außen hin abgeschlossen ist. Zumindest eine und vorzugsweise alle Kammerwandungen sind nach oben oder unten verschieblich oder schwenkbar, so dass der Prozessraum 2 einerseits durch die Kammerwandungen 3 begrenzt werden kann (Fig. 2) und andererseits die Kammerwandun gen entfernt werden können, so dass der Prozessraum 2 zumindest von einer Seite frei zu gänglich ist (Fig. 1). Die Kammerwandungen 3 sind elektrisch leitend ausgebildet. Der Pro zessraum 2 dient als Bauraum für das dreidimensionale Bauteil 4 (Fig. 2).

In dem Prozessraum 2 ist ein nach oben offener Behälter 5 angeordnet. Dieser Behälter 5 ist aus vier vertikal angeordneten Seitenwandungen 6 ausgebildet, in welchen eine horizontale Bauplattform 7 zur Aufnahme des zu fertigenden Bauteils 7 angeordnet ist. In Fig. 1 sind aufgrund der Schnittdarstellung nur drei Seitenwandungen 6 sichtbar.

Die Bauplattform 7 weist eine Kol ben-/Zyl inderein heit als Flöhenverstelleinrichtung 8 auf, mittels der die Bauplattform 7 in vertikaler Richtung einstellbar ist.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 einen Vorratsbehälter 9. Der Vorratsbehälter 9 ist zur Aufnahme eines verfestig baren pulverförmigen Ausgangsmaterials ausgebildet, das bspw. Sand ist.

Der Vorratsbehälter 9 ist mit einem elastischen Rohr 10 mit einer Auftrageinrichtung 11 ver bunden. Die Auftrageinrichtung 11 dient zum Aufbringen des Ausgangsmaterials auf die Bau plattform 7. Die Auftrageinrichtung ist eine Beschichtungseinrichtung, mit welcher Schichten vorbestimmter Dicke auf die Bauplattform 7 aufeinanderfolgend aufgetragen werden können. Die Auftrageinrichtung 11 weist eine schlitzförmige Düse 12 auf, mit welcher über die ge samte Breite der Bauplattform 7 das pulverförmige Material aus dem Vorratsbehälter 9 in ei ner dünnen Schicht aufgetragen werden kann. Flierzu ist die Auftrageinrichtung 11 auf Schie nen 13 verschieblich gelagert, so dass die Auftrageinrichtung 11 den gesamten Bereich über der Bauplattform 7 abfangen kann und auch ein Stück außerhalb des Bereichs der Kammerwandungen 3 angeordnet werden kann (Figur 1). Die Schienen 13 (aufgrund des Teilschnittes ist in Figur 1 nur eine der Schienen 13 gezeigt) sind auch außerhalb des Berei ches der Kammerwandungen 3 angeordnet, so dass sie beim Absenken der Kammerwandun gen 3 diesen nicht im Weg stehen.

Eine Arbeitsebene 14 ist die Ebene, in welcher sich jeweils die Oberfläche der obersten Schicht des zu verfestigenden pulverförmigen Materials befindet. Die Flöhenverstelleinrich- tung 8 wird vorzugsweise derart angesteuert, dass die Arbeitsebene 14 immer auf dem glei chen Niveau oder innerhalb eines vorbestimmten Niveaubereichs liegt.

Zudem ist eine Sprühdüse 15 im Bereich oberhalb der Arbeitsebene 14 angeordnet, welche in einer Ebene parallel zur Arbeitsebene mit einer Positioniereinrichtung 16 frei verfahrbar ist. Die Positioniereinrichtung 16 weist einen Schlitten 17 auf, an dem die Sprühdüse 15 an geordnet ist. Der Schlitten 17 ist auf einer Schiene 18 verschieblich gelagert. Die Schiene 18 ist wiederum an zwei Schienen 19 in einer Ebene parallel zur Arbeitsebene 14 in Richtung quer zu ihrer Längsrichtung beweglich angeordnet, so dass einerseits die Sprühdüse 15 den gesamten Bereich über der Bauplattform 7 abdecken kann und andererseits die gesamte Po sitioniereinrichtung 16 aus dem Prozessraum 2 heraus gefahren werden kann.

Die Sprühdüse 15 ist mit ihrer Düsenöffnung vertikal nach unten ausgerichtet und mit einer Bindemittelleitung 20 mit einer Pumpe 21 und einem Bindemittel vorratsbehälter 22 verbun den. Die Sprühdüse 15 ist derart ausgebildet, dass sie einen feinen Strahl an Bindemittel ver tikal nach unten abgibt. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass mehrere Sprühdüsen vorge sehen sein können. Diese mehreren Sprühdüsen können alle identisch ausgebildet sein oder auch so ausgebildet sein, dass sie das Bindemittel in unterschiedlich großen Sprühkegeln ab geben.

Bei mehreren Sprühdüsen können bestimmte Sprühdüsen nur bestimmten Teilbereichen oberhalb der Arbeitsebene 14 zugeordnet sein. Die Sprühdüsen können jeweils auf frei schwingenden Roboterarmen oder auf einem Schienensystem mit mehreren Schienen ange ordnet sein, so dass mehrere Sprühdüsen unabhängig voneinander positionierbar sind.

Die Bauplattform 7 ist aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet und über die Hö- henverstelleinrichtung 8 geerdet. Die Seitenwandungen 6 des Behälters 5 sind aus einem elektrisch nicht leitendem Material ausgebildet.

Der Bauraum 2 ist nach oben hin durch eine elektrisch leitende Deckenwandung 23 be grenzt, welche mit einem Wellenleiter 24 mit einem RF-Generator 25 zum Erzeugen von RF- Strahlung verbunden ist. RF-Strahlung weist eine Frequenz von zumindest 30 KFIz und maxi mal 300 MFIz auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der RF-Generator zum Abgeben einer Frequenz von 27,12 MFIz ausgebildet. Die konkret zu verwendende Frequenz richtet sich nach den lokalen gesetzlichen Vorschriften, welche in der Regel nur bestimmte RF-Fre- quenzen für den zivilen Einsatz in Produktionsverfahren erlauben.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der oben erläuterten Binder-Jetting-Vorrichtung 1 be schrieben.

Auf die Bauplattform 7 wird mittels der Auftrageinrichtung 11 eine dünne Schicht Sand auf getragen. Der Sand, insbesondere Quarzsand, wird hierzu aus dem Vorratsbeh lter 9 über das Rohr 10 abgezogen und mittels der Düse 12 gleichmäßig auf der Bauplattform 7 verteilt. Die Schichten werden vorzugsweise mit einer Dicke von nicht mehr als 1 mm und insbeson dere nicht mehr als 500 pm aufgetragen. Sie können jedoch auch noch feiner, wie zum Bei spiel mit einer maximalen Dicke von 300 pm aufgetragen werden.

Die Bereiche der Schichten, welche aushärten sollen, werden mittels der Sprühdüse 15 mit einem Bindemittel besprüht. Zum Binden von Sand, insbesondere Quarzsand, können unter schiedliche Bindemittel, wie zum Beispiel Bindemittel auf Furan-Basis, Phenol-Basis, Silikat- Bindemittel oder Polymere verwendet werden. Das Bindemittel wird hierzu mittels der Pumpe 21 aus dem Bindemittelvorratsbehälter 22 zur Sprühdüse 15 gefördert.

Das Aufträgen einer Sandschicht und bereichsweise Besprühen der Sandschicht mit Binde mittel wird so oft wiederholt, bis ein Schichtaufbau 26 (Figur 2) mit gewünschter Flöhe erhal ten wird, in dem das herzustellende dreidimensionale Bauteil 4 ausgebildet ist, indem die entsprechenden Sandkörpern mit Bindemittel benetzt sind. FHierbei können dreidimensionale Bauteile 4 mit beliebiger Kontur und beliebigen Flinterschnitten in einem Arbeitsprozess her gestellt werden, was bei nicht-generativen Fertigungsverfahren kaum möglich ist.

Ist der Schichtaufbau 26 vollständig ausgebildet, dann werden die Auftrageinrichtung 11 und die Sprühdüse 15 aus dem Bereich des Prozessraums 2 entfernt und die Kammerwandungen 3 abgesenkt, welche den Prozessraum 2 an allen Seitenflächen umschließen. Die Kammer wandungen 3 sind vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet und ste hen weder mit der Deckenwandung 23 noch mit der Bauplattform 7 in Kontakt. Die Seiten wandungen 6 des Behälters 5 sind aus einem nicht-elektrisch leitenden Material ausgebildet.

Mit dem RF-Generator 25 wird RF-Strahlung im Bereich zwischen der Bauplattform 7 und der Deckenwandung 23 mittels dem Wellenleiter 24 angelegt. Die Bauplattform 7 und die Deckenwandung 23 dienen als Kondensatorplaten. Die elektrisch-leitenden Kammerwandun gen 3 schirmen das elektrische Feld nach außen ab. Da die Seitenwandungen 6 des Behäl ters 5 nicht elektrisch-leitend ausgebildet sind, beeinträchtigen sie das elektromagnetische Feld innerhalb des aus der Bauplatform 7 und der Deckenwandung 23 bestehenden Kon densators nicht.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Deckenwandung 23 ortsfest, d.h., nicht beweg lich, angeordnet. Im Rahmen der Erfindung kann es auch zweckmäßig sein, die Deckenwan dung in der Flöhe verstellbar auszubilden, so dass nach dem Aufträgen der Sandschichten und Entfernen der Auftrageinrichtung 11 und der Sprühdüse 15 aus dem Prozessraum 2 die Deckenwandung 23 ein Stück abgesenkt wird, um so das Volumen des Kondensators, beste hend aus der Bauplattform 7 und der Deckenwandung 23, möglichst gering zu halten. Falls die Deckenwandung 23 absenkbar ausgebildet ist, dann ist der Wellenleiter 24 entweder mit einem teleskopierbaren Abschnit zu versehen, welcher in Vertikalrichtung eine veränderliche Länge aufweist oder es wird ein flexibles Koaxialkabel als Wellenleiter 24 verwendet. Bei ho her elektrischer Leistung ist es jedoch zweckmäßig, einen statischen Koaxialleiter als Wellen leiter 24 vorzusehen.

Bei diesem Verfahren wird das dreidimensionale Bauteil 4 im gesamten Schichtaufbau 26 auf einmal ausgehärtet.

Nachdem das dreidimensionale Bauteil 4 ausgehärtet ist, kann es aus dem Behälter 5 ent nommen werden, wobei der nicht gebundene Sand einfach vom dreidimensionalen Bauteil 4 getrennt werden kann.

Das oben erläuterte Ausführungsbeispiel dient zum Fierstellen von Sandkernen und Sandfor men. Mit diesem Verfahren können auch andere pulverförmige Materialien mit Bindemitel zu dreidimensionalen Bauteilen ausgebildet werden.

Bei dem oben erläuterten Verfahren werden die Schichten des pulverförmigen Materials auf einanderfolgend bzw. sequentiell entsprechend dem Pulverbettverfahren zum Schichtaufbau 26 aufgeschichtet. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass ein zähflüssiges Ge misch aus pulverförmigen Materialien und Bindemitel mitels geeigneter Druckdüsen gemäß dem Freiraumverfahren gedruckt werden.

Die Verwendung von RF-Strahlung bewirkt einerseits ein vollständiges und gleichmäßiges Aushärten des gesamten dreidimensionalen Bauteils 4 als auch andererseits ein sehr schnelles Aushärten, da dies in einem einzigen Verfahrensschritt oder in einigen wenigen Verfahrensschritten erfolgen kann.

Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel wird eine Auftrageinrichtung 11 mit einer Düse 12 zum Aufträgen des Sandes verwendet. Im Rahmen der Erfindung können auch an dere Auftrageinrichtungen, wie z.B. eine Rakel verwendet werden, mit welcher das pulverför mige Material zu einer dünnen Schicht verstrichen und ggfs, verdichtet wird. Bei einer sol chen Auftrageinrichtung ist ein nach oben offener Vorratsbehälter für das pulverförmige Ma terial neben dem Behälter 5 angeordnet, aus dem das pulverförmige Material abgezogen wird.

Ein dreidimensionaler Gegenstand kann auch durch Schießen eines Gemisches aus einem pulverförmigen Material und Bindemittel in eine Form hergestellt werden und mittels RF- Strahlung ausgehärtet werden. Hierbei kann ein Kondensator zum Anlegen der RF-Strahlung verwendet werden, wie er oben beschrieben ist. Der nicht ausgehärtete Gegenstand wird in den Kondensator verbracht und dort mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt.

Das Schießen kann auch zum Fierstellen eines Sandkerns oder einer Sandform verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1 Binder-Jetting-Vorrichtung 15 Sprühdüse

2 Prozessraum 16 Positioniereinrichtung 3 Kammerwandung 17 Schlitten

4 dreidimensionales Bauteil 20 18 Schiene

5 Behälter 19 Schiene

6 Seitenwandung 20 Bindemittelleitung

7 Bauplattform 21 Pumpe 8 Höhenverstelleinrichtung 22 Bindemittelvorratsbehälter

9 Vorratsbehälter 25 23 Deckenwandung

10 Rohr 24 Wellenleiter

11 Auftrageinrichtung 25 RF-Generator

12 Düse 26 Schichtaufbau 13 Schiene

14 Arbeitsebene




 
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