Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von dreidimensionalen Bauteilen. Diese Formteile sind geeignet zur Verwendung in Gießereianwendungen, besonders als Formen und Kerne.

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 einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verklebt und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wir die Plattform um eine Schichtdicke in einen Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen Schicht Parti kelmaterial 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 (Bauteil).

Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver z.B. durch Abbürsten befreit werden.

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|Bestätigungskopie| Probleme bei bekannten Verfahren treten hinsichtlich der verwendeten Binder auf, die oftmals die Vorrichtung selbst und insbesondere den Druckkopf angreifen und teilweise auch gesundheitlich problematisch sind.

Auch können die weitere Verfahrensbedingungen problematisch sein und suboptimal für die Herstellung von vorteilhaften Bauteilen. Insbesondere die Temperaturverteilung, geeignete Binder und lassen nicht immer positive Verfahrensergebnisse zu und stehen der Wirtschaftlichkeit oft entgegen.

Es war deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen mit dem vorteilhafte Bauteile hergestellt werden können und das vorteilhaft in seiner Wirtschaftlichkeit ist, oder das zumindest die Nachteile des Standes der Technik vermeidet oder zumindest reduziert.

Kurze Beschreibung

Beschrieben wird ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Bauteilen, wobei auf einen Baubereich in einem Bauraum ein partikelförmiges Material schichtweise mit einer Schichtdicke aufgetragen wird, selektiv ein Binder aufgebracht wird, die Temperatur in dem Bauraum oder/und in dem aufgetragenen Parti kelmateriai auf eine gewünschte Temperatur eingestellt wird und die Schritte des Materialauftragens und Binderaufbringens wiederholt werden bis ein gewünschtes Bauteil erhalten wird, wobei die Temperatur in dem Bauraum oder/und in dem aufgetragenen Material auf mindestens 70 °C eingestellt wird und für mindestens 2 Stunden beibehalten wird, wobei die Bereiche, auf die selektiv Binder aufgebracht wurde, verfestigen und das Bauteil bilden.

Dabei ist vorteilhaft, dass ein unproblematisches Bindersystem verwendet werden kann, das als Lösungsmittel Wasser- oder Alkoholbasiert ist, und in dem aufgebrachten Partikelmaterial über einen längeren Zeitraum eine Temperatur von mindestens 70 °C eingestellt und beibehalten wird. Vorteilhaft ist dabei, dass mit dem Verfahren ein sehr großer Bereich im aufgebrachten Partikelmaterial somit eine homogene gewünschte Temperatur beibehält und damit eine gleichmäßige Verfestigung und vorteilhafte Bauteileigenschaften erhalten werden können. Dies hat nicht nur den Vorteil, dass homogene Materialeigenschaften in dem Bauteil erzielt werden, sondern dass auch vorteilhafter Weise ein großer Bereich des Bauraumes zur Herstellung von Bauteilen eingesetzt werden kann und der ungenutzte Randbereich des mit Partikelmaterial versehenen Bauraumes relativ klein bleibt. Dies erhöht die Effizienz der Vorrichtung und senkt so die Kosten pro Bauteil bzw. Volumenbauteil. Das in dem Verfahren verwendete Bindersystem ist vorzugsweise bei Raumtemperatur nur wenig reaktiv und die Maschinenteile und insbesondere der Druckkopf können leicht gereinigt und so ohne nennenswerte Probleme in Stand gehalten werden.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 : Schematische Darstellung der Komponenten eines

pulverbasierten 3D-Druckers als geschnittener Schrägriss.

Figur 2: Ablauf eines konventionellen 3D-Druckprozesses mit Einsatz einer schichtweisen Strahlungshärtung. Figur 3: Ablauf eines Bauprozesses mit einer Strahlungshärtung die nicht in jeder Schicht erfolgt.

Fig. 4: Schematische Darstellung des Auftragens von Binder (400) auf das vorgelegte Partikelmaterial, wobei (401) einen Partikel darstellt und der dunkle Pfeil die Eindringrichtung. Dabei entsteht die Festigkeit des Bauteils indem der Binder die Partikel des Partikelmaterials verbindet und es zu einer Aushärtung des Binders und somit einer festen Verbindung des Binders mit dem Partikelmaterial kommt. Fig. 4a - 4d beschreiben die Sequenz des Bindereindringens in das

Partikelmaterial.

Fig. 5: In Fig. 5a und 5b sind der Energieeintrag/Wärmeeintrag (500, 501, 502) bzw. der Energieverlust/Wärmeverlust (503, 504, 505) dargestellt. In Fig. 5c ist eine stark inhomoge Temperaturverteilung dargestellt und in diesem Fall liegen die Isothermen (510-514) innerhalb derer sicher eine Verfestigungsreaktion auftritt weit in Zentrum des Baubehälters verschoben. Dadurch reduziert sich der nutzbare Bauraum beträchtlich und die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung und des Verfahrens sind nachteilig. In Fig. 5c ist die Situation in dem offenbarten Verfahren dargestellt und es wird deutlich, dass der nutzbare Bauraum bzw. der nutzbare aufgebrachte Pulverkuchen sehr viel grösser ist und damit eine erhöhte Wirtschaftlichkeit der Maschine einhergeht und gleichzeitig die Bauteileigenschaften vorteilhaft sein können. Dies zeigt die Isothermenlinie 510, die eine großen Bereich einschließt, der homogen in seiner Temperatur während der Verfahrens gehalten wird und so positive Verfahrensergebnisse aufweist.

Fig. 6: Herstellung des Präpolymers am Beispiel eines Resols

Fig. 7: Kondensationsreaktion des Resols zum quervernetzten Resit Ausführliche Beschreibung

Im Folgenden werden einige Begriffe näher definiert. Andernfalls sind für die verwendeten Begriffe die dem Fachmann bekannten Bedeutungen zu verstehen.

Im Sinne der Erfindung sind„3D-Druckverfahren" alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen ermöglichen und mit den beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind. Insbesondere sind dies Pulver-basierte Verfahren, die als einen Bestandteil wässrige Lösungen oder/und sonstige fluide Komponenten oder Lösemittel enthalten, die dem Formteil entzogen werden müssen oder die aus dem herzustellenden Formteil bei oder zu seiner Verfestigung entweichen. Die Verfestigung und die Qualität des Formteils können durch die Erfindung gezielt beeinflusst werden, wobei andere Qualitätsmerkmale gleich bleiben oder sogar positiv beeinflusst werden.

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

Als„Vorrichtung" zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens 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, Dosiervorrichtung, Druckkopf, Wärmemittel, Verfahrmittel für Batchverfahren oder kontinuierliche Verfahren und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.

Eine „Bau Plattform" oder "Baubereich" bewegt sich gemäss der Offenbarung relativ zur Druck- und Beschichterebene. Diese Relativbewegung findet während des Bauprozesses in unterbrochenen Bewegungen in Schichtstärke statt. Sie definiert die Schichtstärke. Alternativ kann die Vorrichtung auch so ausgestaltet sein, dass sich die übrigen Vorrichtungsteile nacho ben bewegen und somit die Schichtstärke oder Schichtdicke eingestellt wird.

Ein „Baubehälter" oder„Jobbox" realisiert einen Bauraum. Er weist demnach einen Boden, Wände und eine offene Zugangsfläche, die Bauebene, auf. Der Baubehälter weist immer Teile auf, die sich relativ zum Gestell der 3D-Druckvorrichtung nicht bewegen. Austauschbare Baubehälter, sogenannte Wechselbehälter, ermöglichen es die Maschine quasi ständig zu betreiben, da die Wechselbehälter in die Maschine ein- und ausgefahren werden können. Die Teile eines ersten Bauvorganges können so außerhalb der Vorrichtung (SD- Druckvorrichtung) ausgepackt werden, während innerhalb der Maschine in einem zweiten Baubehälter bereits neue Teile gedruckt werden können.

„Bauraum" im Sinne der Erfindung ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Die Bauebene kann horizontal sein, aber beispielsweise in kontinuierlichen Verfahren auch einen Winkel bilden, sodass der Schichtauftrag schräg in einem Winkel erfolgt.

Als „Partikelmaterialien" oder auch als „Baumaterialien" oder "partikelförmiges Material" können alle für den Pulver-basierten 3D Druck bekannten Materialien verwendet werden, insbesondere Sande, Keramikpulver, Metallpulver, Kunststoffe, Holzpartikel, Faserwerkstoffe, Cellulosen oder/und Lactosepulver. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken frei fließendes Pulver, aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver kann verwendet werden. In einem bevorzugten Aspekt kann das verwendete partikelförmige Material als "passives Pulvermaterial" verstanden werden, da es in der Bindereaktion, d.h. der Verfestigung, des Bauteils nicht direkt beteiligt ist, sondern lediglich durch das Bindersystem zu einem festen Bauteil verfestigt oder "verbunden" wird. Es kann sich inert verhalten. Das aufgetragenen Partikelmaterial kann auch als Pulverkuchen bezeichnet werden.

"Einstellen der Temperatur" oder„temperieren" bedeutet, dass in dem Bauraum oder/und dem aufgebrachten Partikelmaterial eine bestimmte Temperatur eingestellt wird oder dass der Bauraum auf eine gewählte Temperatur eingestellt wird. In einem Aspekt wird insbesondere das aufgebrachte Partikelmaterial temperiert und die Temperatur beibehalten, z.B. auf ca. 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150 °C, oder 80 bis 100 °C.

Ein „Binder" oder "Bindersystem" ist das mittels Druckkopf auf das Partikelmaterial selektiv aufgetragene Material, das zur Verfestigung und somit zur Herstellung des Bauteils führt. Das Bindersystem umfasst ein Lösungsmittel und weitere Komponenten, z.B. Monomere, Oligomere und/oder Polymere. Der Bindungsmechanismus ist eine Polymerisationsreaktion. Dabei entsteht ein fester Stoff, der in der Lage ist die Partikel im Pulver zu binden. Als Grundstoff wird ein präpolymeres Phenolharz bevorzugt.

„Diffusionslänge" entspricht der Ausbreitung eines aufgebrachten Binders in dem Partikelmaterial und ist beeinflusst u.a. durch das Volumen, die Temperatur, seine Zusammensetzung.

Bevorzugte Ausführungsformen werden im Folgenden beschrieben.

Es wird ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Bauteilen offenbart, wobei auf einen Baubereich in einem Bauraum ein partikelförmiges Material schichtweise mit einer Schichtdicke aufgetragen wird, selektiv ein Binder aufgebracht wird, die Temperatur in dem Bauraum oder/und in dem aufgetragenen Partikelmaterial auf eine gewünschte Temperatur eingestellt wird und die Schritte des Materialauftragens und Binderaufbringens wiederholt werden bis ein gewünschtes Bauteil erhalten wird, wobei die Temperatur in dem Bauraum oder/und in dem aufgetragenen Material auf mindestens 70 °C eingestellt wird und für mindestens 2 Stunden beibehalten wird, wobei die Bereiche, auf die selektiv Binder aufgebracht wurde, verfestigen und das Bauteil bilden.

Mit dem hier offenbarten Verfahren werden einerseits Bauteile erzeugt, die positive Materialeigenschaften zeigen und andererseits ermöglicht es das offenbarte Verfahren den effektiven Raum innerhalb des aufgebrachten Pulverkuchens zu erhöhen, da eine konstante und über den für die Reaktion erforderlichen Zeitraum notwendige Temperatur eingestellt und gehalten werden kann.

Die Temperatur wird dabei so gewählt, damit die zur Verfestigung mit positiven Bauteileigenschaften erforderliche Reaktionstemperatur in dem Pulverkuchen homogen eingestellt wird. Vorzugsweise wird die Temperatur auf 70 bis 90 °C, vorzugsweise mindestens 80 °C, mehr bevorzugt mindestens 90 °C, noch mehr bevorzugt 80 bis 150 °C, noch mehr bevorzugt 80 bis 100 °C eingestellt. Hierbei spricht man auch von Isotherme und bevorzugt ist eine Isotherme von 80 °C, vorzugsweise von 90 °C.

Damit wird in einem vorteilhaft großen Bereich des Pulverkuchens, d.h. in einem Bereich des aufgetragenen partikelförmiges Materials eine im wesentlichen homogene Temperatur eingestellt und beibehalten.

In dem Verfahren wird die Temperatur für eine für die Reaktion erforderlichen Zeitraum beibehalten, vorzugsweise für 3 bis 10 Stunden, mehr bevorzugt für 4 bis 6 Stunden, und noch mehr bevorzugt für mindestens 4 Stunden.

Es können alle dem Fachmann bekannten und geeignete Partikelmaterialien verwendet werden, vorzugsweise ist das partikelförmige Material ein Kunststoff, ein Sand, eine Keramik oder ein Metall. Die Partikelgröße kann dabei wie erforderlich im Zusammenspiel mit den anderen Verfahrensparametern ausgewählt werden. Vorzugsweise beträgt die mittlere Korngröße mindestens 8 μητι, mehr bevorzugt 10 μητι bis 1 mm. Das Partikelmaterial kann in verschiedenen Schichtdicken aufgerragen werden, vorzugsweise beträgt die Schichtdicke 50 bis 800 μητι.

Der Binder wird auf die anderen Verfahrensmaterialien und Bedingungen abgestimmt und es kann vorzugsweise als Binder ein Bindersystem verwendet wird, das Monomere, Oligomere oder/und Polymere und ein Lösungsmittel umfasst, vorzugsweise ist das Lösungsmittel ein wässriges oder Alkohol-haltiges Lösungsmittel.

Das mit dem Verfahren erhaltene Bauteil weist vorzugsweise eine Grünfestigkeit im Bauteil von mindestens 280 N/cm2 auf.

Mit dem Verfahren kann direkt oder nach weiteren Verfahrensschritten eine Endfestigkeit (Biegefestigkeit) im Bauteil von mindestens 300, vorzugsweise von mindestens 500 N/cm2 erzielt werden.

Mit dem Verfahren werden die Verfahrensbedingungen so eingestellt, dass das hergestellte Bauteil einen Glühverlust von weniger als 3%, vorzugsweise weniger als 2,5%, mehr bevorzugt weniger als 2,2% aufweist.

Weitere Verfahrensschritte sind möglich das so erhaltene Bauteil kann weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen wrden.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Bindersystem, das Monomere, Oligomere oder/und Polymere und ein Lösungsmittel umfasst, vorzugsweise ist das Lösungsmittel ein wässriges oder Alkohol-haltiges Lösungsmittel. Vorzugsweise umfasst das Bindersystem ein präpolymeres Phenolharz. In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Materialsystem, umfassend ein wie oben beschriebenes partikelförmiges Material und ein Bindersystem wie oben beschrieben.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils, umfassend einen Bauraum mit einer Bauplattform, Mittel zum Auftragen eines partikelförmigen Materials, Mittel zum selektiven Aufbringen eines Bindersystems, Mittel zum Einstellen einer Temperatur in dem Bauraum oder/und dem partikelförmigen Material. Weitere Aspekte der Vorrichtung sind weiter unten ausführlicher dargestellt und jedes dieser Vorrichtungselemente kann in beliebiger sinnvoller und funktioneller Weise miteinander kombiniert werden.

Schließlich betrifft die Offenbarung in einem weiteren Aspekt einen Festkörper (Bauteil) hergestellt mittels eines Verfahrens, eines Bindersystems, mittels eines Materialsystems oder/und einer Vorrichtung wie hierin beschrieben, wobei der Festkörper vorzugsweise eine Biegefestigkeit von 500 N/cm2 aufweist.

Weitere Aspekte werden im Folgenden beschrieben.

Ein Aspekt des Verfahrens ist ein Bindemittelsystem oder Binder (400), das auf ein für die Reaktion neutrales Pulver (401) aufgedruckt wird und bei wesentlich gegenüber der Raumtemperatur erhöhter Temperatur über mehrere Stunden aushärtet. Diese Aushärtung erfolgt zu einem Großteil während des Bauvorganges. Dabei wird der ganze, entstehende Pulverkuchen über Stunden warmgehalten. Als Pulver können verschiedene Partikelmaterialien (401) verwendet werden. Das können keramische Pulver, Sand oder auch Metallpulver sein. Die Pulverkörner (401) sollten für das Verfahren nicht wesentlich kleiner als lOpm sein. Größere Partikel (401) als 1mm machen im Allgemeinen eine sichere Prozessierung schwierig. Diese Aussagen beziehen sich auf die mittlere Korngröße. Erhebliche Anteile der genannten maximal und minimal Körner (401) sind für den Prozess aber auch dann schädlich, wenn die Mittelkornanforderungen erfüllt sind.

Die Partikel werden in der Vorrichtung durch einen Beschichter (101) im Zusammenspiel mit Bauplattform (102) zu einer dünnen Schicht (107) verarbeitet. Dazu wird das Partikelmaterial (401) an oder ab einer Startposition vorgelegt und durch eine Überfahrt des Beschichters (101) über das Baufeld geglättet. Die jeweilige Lager der Bauplattform bestimmt die Schichtstärke.

Bei einem erfindungsgemäßen Harzsystem oder Binder (400) wird der Pulverkuchen für mindestens 4 Stunden auf einer Temperatur von 80°C gehalten. Dabei entwickelt sich in den Bauteilen eine Biegefestigkeit von über 300 N/cm ² bei einem Glühverlust unter 2,2%.

Das Bindemittelsystem (400) enthält als bindende Bestandteile Monomere, Oligomere und/oder Polymere. Diese sind in einem Lösemittel gelöst. Der Bindungsmechanismus ist eine Polymerisationsreaktion. Dabei entsteht ein fester Stoff, der in der Lage ist die Partikel im Pulver zu binden. Als Grundstoff wird ein präpolymeres Phenolharz bevorzugt. Das Bindemittelsystem (400) ist erfindungsgemäß für den Einsatz in Tintenstrahld ruckköpfen (100) mit Piezoelementen ausgelegt. Die Viskosität liegt dabei in einem Bereich von 5-20 mPas. Der Dampfdruck kleiner als 3000 Pa bei Raumtemperatur. Die Oberflächenspannung im Bereich von 30-50 mN/m. Das Bindemittelsystem ist darauf eingestellt, dass eine reversible Eintrocknung des Druckkopfes erst nach ca. 1 Minute erste Düsen an der Funktion hindert.

Das Bindemittelsystem (400) ist bei Raumtemperatur in seiner Reaktionsfreudigkeit äußerst schwach. Deshalb wird der Druckkopf (100) geschont und der Druckkopf funktioniert mit hoher Zuverlässigkeit auch nach einer längeren Standzeit. Eingetrockneter Binder kann selbst nach Wochen bei Raumtemperatur noch einfach entfernt werden kann. Das erleichtert sowohl die Reinigung der Vorrichtung als auch die Wiederinbetriebnahme eingetrockneter Düsen.

Das Lösemittel für das Bindemittelsystem kann im Fall von Phenolharzen Wasser sein. Damit ist das Bindemittelsystem bei sachgemäßen Umgang als wenig gesundheitsschädlich einzustufen.

Der Druckkopf (100) wird wegen der Erwärmung durch die heiße Baufeldoberfläche aktiv oder passiv gekühlt, sodass die Tropfenmasse und damit der Eintrag über den gesamten Bauprozess konstant gehalten werden kann. Die passive Kühlung kann durch die Kontaktierung mit der Druckkopfreinigung erfolgen. Eine aktive Kühlung kann beispielsweise durch ein Kühlelement, das mit Kühlwasser durchströmt wird und am Druckkopf (100) angebracht wird, erreicht werden. Einbringen von vorgekühlter Druckluft sowie auch ein Ventilator sind als Kühlvorrichtung geeignet.

Der vom Druckkopf (100) aufgedruckte Binder dringt beim Auftreffen auf die Oberfläche des Partikelmaterials, je nach Oberflächenspannung, langsam in den Pulverkuchen ein. Dabei ist eine gewisse Diffusionslänge gewünscht. Diese Diffusion ist notwendig, um die einzelnen Schichten miteinander zu verbinden. Diese Diffusionslänge hängt von den Flüssigkeitsparametern, aber auch von der Temperatur auf dem Baufeld ab. Außerdem wird die Temperaturführung während des Bauens so gewählt, dass die bedruckten Schichten langsam durchhärten und damit einen Schichtverbund erlauben.

Wird beispielsweise Wasser als Lösemittel verwendet, ist es vorteilhaft unter 100°C zu arbeiten. Oberhalb treten Verdampfungseffekte auf, die die Oberflächengüte der Bauteile negativ beeinflussen können.

Vorteilhaft für den Prozess ist es eine Diffusionslänge vom 1,5-fachen der Schichtstärke einzustellen. Damit wird ein guter Kompromiss aus Anisotropie in der Baurichtung, Auflösung und Qualität der Bodenflächen des Bauteils erreicht.

In diesem Prozess sind Schichtstärken von 50-800 pm möglich und sinnvoll. Diese werden je nach Pulvermaterial und gewünschtem Baufortschritt eingestellt. Die Vorrichtung weist Mittel (200, 300-304) auf um den Pulverkuchen zu erwärmen und warmzuhalten. Dabei kann die eingebrachte Energie zum Teil durch das Pulver isoliert werden, so dass sich einmal aufgewärmtes Pulver nicht schnell abkühlen kann.

Als Mittel zur Erwärmung können Infrarotwärmequellen eingesetzt werden. Diese können statisch über dem Baufeld stehen (302) oder mit bewegten Vorrichtungsteilen über das Baufeld bewegt werden (200). Geeignet sind Halogenstrahler aus Quarzglas ebenso wie Keramikstrahler. Auch Spiegel für IR-Strahlung sind geeignet um den Wärmehaushalt zu beeinflussen und zu kontrollieren.

Beispielweise kann ein IR-Strahler mit einer Maximalleistung von 9,5kW und einem Meter Länge benutzt werden um ein Baufeld von 100x60cm zu heizen. Der Strahler wird dabei beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 0,05 m/s über das Baufeld hin- und zurückgeführt. Dieser Vorgang wird normalerweise mit dem Beschichtungsvorgang kombiniert. Bei einer Schichtzeit von ca. 60 sek., die im Wesentlichen durch das Bedrucken und das Belichten zu Stande kommt, können im Pulverkuchen während des Bauvorganges über 90 °C erreicht werden. Alternativ kann eine separate Belichtungsfahrt alle n Schichten x mal zusätzlich zur beschriebenen Belichtung und/oder als alleinige Heizroutine verwendet werden mit n > 2, bevorzugt alle 2 bis 5 Schichten, besonders bevorzugt alle 3 Schichten und mit x > 1 mal belichten, bevorzugt 2 bis 5, besonders bevorzugt 3 bis 4 mal.

Ebenso kann auch heiße Luft über das Baufeld streichen (301) und es dabei erwärmen. Hierbei sind alle Formen von Heißluftgebläsen (301) geeignet. Eine direkte Vorwärmung des Pulvers mit einem Luftstrom oder einer Widerstandsheizung ist ebenso möglich. Auch kann ein kontaktierendes erwärmtes Metall über das Pulver (304) geführt werden, um es zu erwärmen.

Ein weiteres geeignetes Prozessmittel sind Heizungen in der Baubehälterwand (300) und/oder in der Bauplattform (301). Diese können zum einen Wärme in den Prozess bringen. Andererseits können diese als aktive Isolierung Wärmeverluste reduzieren.

Derartige Heizungen können beispielsweise als elektrische Widerstandsheizungen ausgeführt sein. Diese können über Standardregelgeräte geregelt werden. Hierbei sind z.B. Folien gebräuchlich die auf metallische Flächen, wie die Baubehälterwände, aufgeklebt werden können. Gleichwirkend sind Heizpatronen die in Bohrungen in metallische Platten eingeschoben werden.

Um bei schlechter Isolierung sind für Temperaturen bis ca. 90°C Leistungen bis zu 5 W/cm ² erforderlich. Je nach Güte der Isolierung können hier enorme Mengen Energiemengen eingespart werden.

Ferner kann die aktive Isolierung mit einem Wärmeträgermittel durchgeführt. Das Wärmeträgermittel wie bspw. Wasser oder Öl kann in Rohren, die üblicherweise aus Kupfer bestehen, die wiederum innerhalb der Jobboxwand und des Jobboxbodens kontaktierend verlaufen und bevorzugt meanderförmig verlaufen, um einen möglichst gleichmäßige Erwärmung der Box erreichen.

Passive Isolierungen sind ebenso hilfreich für die Temperaturführung im Baubehälter. Hierbei können verschiedene „Materialien" wie sie auch im Baugewerbe üblich sind verwendet werden : Mineralische Dämmungen, Kunststoffe, Schäume aber auch Luft, Vakuum, etc. Die passiven Isolierungen werden so angebracht, dass der Wärmefluss aus dem Baubehälter reduziert wird.

Ein weiteres wesentliches Mittel der Vorrichtung ist die Steuerung. Die Steuerung gibt die Temperaturführung innerhalb der Vorrichtung vor. Dazu können in der Vorrichtung Mittel zur Erfassung wichtiger Temperaturgrößen vorhanden sein. Damit können Regelkreise realisiert werden. Eine einfache Variante ist Steuerung der Leistung die in die Vorrichtung eingebracht wird. Dabei wird während der Aufwärmphase der Maschine eine höhere Leistung eingebracht. Während des laufenden Produktionsprozesses wird die Leistung schrittweise reduziert.

Bei der oben beschriebenen Vorrichtung mit 9,5kW Strahler wird beispielsweise während der ersten 3 Stunden des Bauprozesses von 100% auf 70% reduziert. Mit dieser Leistung wird nach Erreichen stationärer Verhältnisse der gesamte Prozess durchgeführt.

Die Kombination der Heizelemente und der Isolierung muss so abgestimmt werden, dass sich im Pulverkuchen ein homogenes Temperaturfeld (z.B. Figur 5d) einstellt. Die geforderte Homogenität hängt von Bindesystem ab. Dabei muss eine gewisse Schwelle sicher überschritten werden, damit ein sicheres Härten des Bindemittels gewährleistet ist.

Im Allgemeinen darf die Temperatur nicht zu hoch gewählt werden, da sonst der Druck- und Bauprozess gestört werden. Hierbei sollten 90 °C Baufeldoberflächentemperatur nicht überschritten werden. Damit eine ausreichende Festigkeit erzielt wird müssen 80°C überschritten werden. Damit muss die Temperatur innerhalb einer Spanne von 10K liegen.

Wird die Temperaturverteilung stark inhomogen (Figur 5c), liegen die Isothermen (510-514) innerhalb derer sicher eine Verfestigungsreaktion auftritt weit in Zentrum des Baubehälters verschoben. Dadurch reduziert sich der nutzbare Bauraum beträchtlich.

Bei dem Bindemittelsystem handelt sich um eine warmhärtende präpolymere Resolharz- und/oder Novolak-Lösung, die bei den bereits beschriebenen Bedingungen zum Teil oder vollständig während des Bauprozesses zu einem unlöslichen und nicht schmelzbaren Resit abreagieren. Die Temperaturführung während des gesamten Bauprozesses wird so gewählt, dass die Aushärtung nicht adhoc erfolgt, sondern über einen Zeitraum von mehreren Stunden abläuft und den Schichtverbund zulässt. (Figur 7)

Resole und Novolake sind Präpolymere eines Phenol-Formaldehyd- Kokondensats. Resole sind Präpolymere, die mit einem Formaldehydüberschuss unter alkalischen Bedingungen mit Phenol polymerisiert werden. (Figur 6)

Resole weisen eine erhöhte Anzahl an freien Hydroxylgruppen auf, die unter Temperatureinwirkung zu weitere Kondensation neigen und ein unlösliches Resit bilden. Novolake sind Präpolymere, die unter Formaldehydunterschuss unter sauren Bedingungen synthetisiert wurden und mit Resol unter Temperatureinfluss zum Resit cokondensiert oder unter Zugabe eines Formaldehydspenders (Bsp: Urotropin) und Temperaturerhöhung durchpolymerisiert.

Herstellungsbedingt enthält das Präpolymer Restmonomere von Phenol und Formaldehyd. Der Gehalt an Phenol liegt dabei bevorzugt unter 5% und besonders bevorzugt unter 1%.

Der Formaldehydgehalt liegt bevorzugt unter 0.3%, besonders bevorzugt unter 0.1%.

Der Binder wird durch Zugabe eines Lösungsmittels, das aus ein und/oder mehrfachen Alkoholen und/oder Wasser oder ausschließlich aus Wasser besteht, soweit verdünnt bzw. eingestellt, dass die Viskosität im Bereich von 5-20 mPas, bevorzugt zwischen 5-10 mPas und besonders bevorzugt zwischen 5-8 mPas liegt.

Zur Feineinstellung der Viskosität können noch weitere Modifikatoren zum Einsatz kommen, wie mehrwertige Alkohole wie Glykol, Propandiol oder Propylenglykole, ferner Carboxymethylcellulosen, Xylitol, Sorbit oder Gummi Arabicum. Bevorzugt werden l%-9%, besonders bevorzugt 3% - 7% eingesetzt.

Zur Anpassung der Oberflächenspannung können auch noch gängige Tenside wie Natriumdodecylsulfat oder Natriumlaurethsulfat sowie fluorhaltige und auf siliconbasierende Tenside zum Einsatz kommen. Üblicherweise setzt sich die Binderflüssigkeit aus 30%-40% des Präpolymers, 60% - 70% Lösungsmittel und l%-7% Viskositätsmodifiaktor zusammen.

Der Bindereintrag kann je nach gewünschter Endfestigkeit und Glühverlust über einen weiten Bereich eingestellt werden. Üblicherweise wird der Eintrag und die Temperaturführung so gewählt, dass die Grünfestigkeit 280 N/cm ² nicht unterschreitet, um eine sichere Handhabung der Bauteile zu gewährleisten. Wird die Kondensationsreaktion während des Bauprozesses nicht vollständig erreicht, kann ein nachgeschalteter Ofenprozess die Reaktion vervollständigen. Bevorzugt werden die Bauteile für 1-4 h bei 120 °C - 150 °C, besonders bevorzugt 2-3 h bei 130 °C - 140 °C nachgebacken. Noch rückständiges Lösungsmittel wird bei diesem Vorgang ebenfalls noch vollständig ausgetrieben.

Üblicherweise werden Einträge von 5%-8% bezogen auf das Partikelmaterialgewicht verwendet, welche eine ausreichende Grünfestigkeit als auch eine hohe Endfestigkeit zugänglich machen.

Die Beispiele beschreiben bevorzugte Ausführungsformen ohne als beschränkend verstanden zu werden.

Beispiele

Beispiel 1

Bindermischung: Resol/Novolak-Präpolymer 35%, Wasser/i-Propanol (80/20) 63%, 1,2-Propandiol 3%

Eintrag : 5.8 w-% Partikelmaterial: Quarzsand AFS 100

Grünfestigkeit: 380 N/cm ²

Endfestigkeit: 540 N/cm ² (nach 3 h @ 135 °C) Glühverlust: 2%

Bezugszeichenliste

100 Tintenstrahldruckkopf

101 Pulverbeschichter

102 Bauplattform

103 Bauteil

104 Baufeldberandung

107 Pulverschichten

200 Wärmequelle

300 Widerstandsheizung / Flüssigkeitsheizung / Luftheizung für die Behälterwand

301 Widerstandsheizung / Flüssigkeitsheizung / Luftheizung für die Bauplattform

302 Heissluftgebläse

303 Statische Wärmestrahler

304 Widerstandsheizung mit Kontaktierelement

400 Binder / Bindemittelsystem

401 Pulverpartikel

500 Energieeintrag auf die Baufeldoberfläche

501 Energieeintrag in den Pulverkuchen durch die

Baubehälterwand

502 Energieeintrag in den Pulverkuchen durch die Bauplattform

503 Energieverlust von der Baufeldoberfläche

504 Energieverlust des Pulverkuchens durch die

Baubehälterwand

505 Energieverlust des Pulverkuchens durch die Bauplattform 510 Isotherme im Pulverkuchen für 90°C 511 Isotherme im Pulverkuchen für 80°C

512 Isotherme im Pulverkuchen für 70°C

513 Isotherme im Pulverkuchen für 60°C