用于逐層構(gòu)造模型的方法
【專利摘要】本發(fā)明說(shuō)明了一種用于逐層構(gòu)造模型的方法，其中在一個(gè)構(gòu)造區(qū)域中逐層地施加一種顆粒狀材料并且將其選擇性地硬化。重復(fù)這個(gè)步驟，直到獲得所希望的模型。該材料在此包括一種顆粒狀的構(gòu)造材料和一種噴霧干燥的堿性硅酸鹽溶液。選擇性地啟動(dòng)硬化是借助于一種包括水的溶液來(lái)進(jìn)行的。
【專利說(shuō)明】用于逐層構(gòu)造模型的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]根據(jù)權(quán)利要求1和2的前序部分，本發(fā)明涉及一種用于構(gòu)建多層模型的方法以及用于逐層構(gòu)造模型的材料系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]用于制造3D結(jié)構(gòu)的再生性方法是長(zhǎng)久以來(lái)公知的(例如從EP O 431 924 BI或WO200168375 A2 可得知)。
[0003]此外，其包括立體光刻方法(用高能量束將單體式液體凝固)、選擇性激光燒結(jié)(用高能量束將顆粒材料熔化)以及3D打印方法。上述所有方法允許相對(duì)經(jīng)濟(jì)地制造用于構(gòu)建原型(prototype)的模具。當(dāng)打印裝置配有多個(gè)可控制的噴頭時(shí)，3D打印方法的構(gòu)建速度超過(guò)所有其他方法。由此，其應(yīng)用不局限于原型領(lǐng)域。甚至還可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)成批生產(chǎn)的部件。
[0004]一般而言，從現(xiàn)有技術(shù)中可以得知不同的方法:完全基于液體工作的系統(tǒng)和使用粉末材料的系統(tǒng)，其通過(guò)引入液體或輸入能量而選擇性地凝固。
[0005]首先,純粹基于液體的系統(tǒng)例如是從Objet Geometries公司的US6, 259, 962已知的。這種方法基于這樣的事實(shí):在凝固時(shí)產(chǎn)生兩種不同的材料。這種多層生產(chǎn)的模型可以在打印過(guò)程后從輔助材料中通過(guò)溶解方法(例如水浴)來(lái)去除。
[0006]在開始時(shí)為 了進(jìn)行打印而以液態(tài)提供的材料的凝固可以例如通過(guò)UV輻射來(lái)進(jìn)行。此外，可以使用雙組分或多組分系統(tǒng)，這些系統(tǒng)被一起施加并且在構(gòu)建平臺(tái)上凝固。但是，因?yàn)楸仨毻ㄟ^(guò)噴墨打印機(jī)來(lái)生成整個(gè)體積的構(gòu)建物，所以這種方法相當(dāng)緩慢并且因此僅適合于較小的部件。
[0007]使用顆粒材料的多層構(gòu)建模型的方法是一種更經(jīng)濟(jì)的替代方式，尤其在時(shí)間強(qiáng)度(intensity)方面。在這種方法中，選擇性地結(jié)合一種粉末材料。顆粒材料例如用涂覆機(jī)以薄層施加并在一個(gè)工件平臺(tái)上整平。一個(gè)印刷頭基于儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中的部件數(shù)據(jù)將該粉末層上的選定區(qū)域凝固。不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到完成該部件并且能夠?qū)⒃摬考奈唇Y(jié)合(unbound)的顆粒材料中取出。
[0008]該方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，部分部件材料已經(jīng)通過(guò)顆粒材料體積來(lái)提供。因此，必須由打印機(jī)投入的液體量也相當(dāng)少。于是這種方法允許高打印頭速度、短成層時(shí)間和相對(duì)簡(jiǎn)單的打印頭構(gòu)造。
[0009]這樣的情況下，顆粒材料由獨(dú)立的顆粒彼此粘結(jié)而凝固。
[0010]從上世紀(jì)中期開始，無(wú)機(jī)的粘結(jié)劑系統(tǒng)就已經(jīng)應(yīng)用在金屬鑄造領(lǐng)域中，以制造砂模。
[0011]在此提及的所謂水硬粘結(jié)劑(hydraulic binder)的示例是不僅在空氣中也可以在水下硬化的粘結(jié)劑。
[0012]例如，這些包括基于石膏的模具材料。例如，可以使用包含石膏的顆粒材料來(lái)制造鑄造模具。顆粒材料中所包含的石膏膠凝材料(Plaster)使用一種水性溶液活化并且例如選擇性地硬化。該模具在打印之后必須干燥。
[0013]在制造之后，石膏膠凝材料包含許多游離的水，因?yàn)槠湓诩訜釙r(shí)會(huì)馬上蒸發(fā)故而這在鑄造期間可能產(chǎn)生問(wèn)題。
[0014]此外，已經(jīng)顯示出，石膏膠凝材料的硬度不是特別高，并且石膏膠凝材料的耐熱性僅允許由此產(chǎn)生的模具進(jìn)行輕金屬鑄造。此外，已經(jīng)顯示出，石膏膠凝材料在硬化的狀態(tài)下是非常致密的，由此妨礙鑄造過(guò)程可能產(chǎn)生的氣體的透氣性，使得這些氣體可能滲入熔體中。
[0015]另外，還已知了水泥結(jié)合的模具材料，其示例可以參照DE 10 2004 014 806 B4和EP I 510 310 A2。
[0016]在此工藝中，水泥位于模具的砂中，并且水泥通過(guò)水性墨水來(lái)活化。
[0017]其已經(jīng)呈現(xiàn)的缺點(diǎn)在于:水泥在回火過(guò)程中通常產(chǎn)生較高硬度，即使在后續(xù)的冷卻以后仍然還保持該硬度。這意味著，在鑄造之后，該鑄件難以從模具材料中取出。
[0018]另外，此處過(guò)量的水也可能在鑄造過(guò)程中產(chǎn)生問(wèn)題。因此，在鑄造前必須將模具干燥。
[0019]另外，還有可能的是，活性水泥的顆粒尺寸分布在3D打印中通常使用的層產(chǎn)生裝置中造成問(wèn)題。水泥通常流動(dòng)性較差并且容易形成結(jié)塊。結(jié)果產(chǎn)生較差的表面以及部件故障。此外，微細(xì)粒產(chǎn)生不受歡迎的灰塵。在構(gòu)建容器中的未結(jié)合粉末是強(qiáng)堿性的，因此對(duì)皮膚有害。
[0020]除了水硬粘結(jié)劑之外，還已知將所謂的“微晶生成劑”用于模具材料。
[0021]這種例子包括鹽結(jié)合的模具材料，其中可以將砂與鹽混合或者用鹽涂覆并且將顆粒材料用溶劑(一般是水性溶劑)來(lái)打印。在此過(guò)程中，鹽溶解并且在顆粒之間形成橋接物。如果隨后模具被干燥，則水分排出，并且粘合劑(binding)凝固。
[0022]鹽結(jié)合的模具材料具有下述優(yōu)點(diǎn):它們?cè)阼T造之后能夠通過(guò)將鑄件浸入水浴中而可以“濕式”取出。因?yàn)辂}溶解，砂失去粘合劑并可以被沖洗掉。
[0023]然而在干燥后，水分結(jié)合在鹽中，這些水分在模具鑄造時(shí)能夠被釋放，這可能再次導(dǎo)致上述的氣體問(wèn)題。
[0024]此外，小顆粒(grain)的形狀保持能力相對(duì)較低，因?yàn)辂}容易從空氣中吸收濕氣，這由此將其軟化。
[0025]打印后的干燥需要精確的控制，因?yàn)檫^(guò)度干燥接著導(dǎo)致粘合劑損耗。另一方面，干燥不充分在鑄造時(shí)導(dǎo)致氣體問(wèn)題。
[0026]砂中的鹽通常對(duì)金屬具有侵蝕性，使得與砂進(jìn)行接觸的材料需要適當(dāng)?shù)剽g化。
[0027]使用水泥結(jié)合、石膏結(jié)合和鹽結(jié)合的模具材料混合物在成批鑄造、尤其在汽車的鑄造中不具有重要意義。
[0028]此外，一般還已知將水玻璃用作制造鑄造模具的粘結(jié)劑。
[0029]例如，從EP 2 163 328 Al的現(xiàn)有技術(shù)中已知一種用于制造鑄造模具的模具零件的方法，該鑄造模具用于對(duì)金屬熔融物進(jìn)行鑄造，該方法包括:提供一種具有基礎(chǔ)模具材料的型芯砂或模具砂，該基礎(chǔ)模具材料用水玻璃涂覆，并且相對(duì)于型芯砂或模具砂的總重量，水含量的范圍為大于或等于大約0.25%直至大約0.9% ;將該型芯砂或模具砂填充到由模具零件形狀的空腔中，并在模具零件的填充和硬化之前、過(guò)程中或之后使該型芯砂或模具砂與至少一種固化劑進(jìn)行接觸。
[0030]一般而言，將水玻璃應(yīng)用在鑄造工業(yè)中是公知的。水玻璃粘結(jié)劑在連續(xù)鑄造中用于模具和型芯制造。在一個(gè)冷的工具中的固化可以通過(guò)與二氧化碳?xì)怏w(CO2氣體)反應(yīng)或與酯反應(yīng)來(lái)進(jìn)行。近幾年，已經(jīng)另外地通過(guò)熱工具(這類似于有機(jī)熱箱(Hot-Box)處理以及通過(guò)加熱工具和施加氣體(通常為熱空氣)進(jìn)行的組合式硬化)進(jìn)行了水玻璃結(jié)合的模具材料混合物的固化。
[0031]這樣制造的砂型芯主要用在鋁永久模鑄造中。這樣的例子如EP 2 163 328 Al。
[0032]使用水玻璃和酯或者CO2氣體的型芯制造被歸類為無(wú)氣味的制造，因此從環(huán)保上來(lái)講是有利的。
[0033]使用水玻璃粘結(jié)劑的這些方法的缺點(diǎn)具體在于:它們?cè)阼T造之后不易分解，并且與有機(jī)結(jié)合的砂相比，剩余的砂很難再生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0034]因此，本發(fā)明的目的在于，在不同的方面提供一種用于多層構(gòu)建模型的方法和材料系統(tǒng)，其沒(méi)有已知方法的缺點(diǎn)或者至少減少了或全面克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，例如是環(huán)境親和性以及對(duì)于三維打印處理的經(jīng)濟(jì)利用。
[0035]這個(gè)目的通過(guò)在權(quán)利要求書中詳細(xì)描述的實(shí)施方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0036]一方面，本發(fā)明涉及一種用于逐層構(gòu)建模型的方法，其中，顆粒材料逐層被施加到構(gòu)建區(qū)域中，并選擇性地將其硬化，重復(fù)這些步驟，直到獲得期望的模型。
[0037]在本方面中，該材料包括具有噴霧干燥的堿性硅酸鹽溶液(alkali silikatlosung
)的顆粒構(gòu)建材料。硬化的選擇性啟動(dòng)受含水的溶液和干燥處理影響。
[0038]術(shù)語(yǔ)“構(gòu)建區(qū)域”一般應(yīng)理解為在其中構(gòu)建模型的區(qū)域。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，其可以是構(gòu)建平臺(tái)或還可以是構(gòu)建容器。但這在其他情況下也可以是任何的其他區(qū)域。具體而言，這還取決于所使用的構(gòu)建處理或者所使用的設(shè)備。還可以設(shè)想為傳送帶或簡(jiǎn)單地只是地面。
[0039]例如，材料的施加和構(gòu)建材料的選擇性硬化可以如下地進(jìn)行:首先通過(guò)涂覆機(jī)逐層地施加顆粒材料，然后選擇性地進(jìn)行硬化或者進(jìn)行選擇性硬化的一部分，或者還可以同時(shí)地進(jìn)行一些或全部的處理步驟。
[0040]根據(jù)本發(fā)明，該材料包括顆粒構(gòu)建材料。這樣的顆粒構(gòu)建材料因此可以包括現(xiàn)有技術(shù)公知的任何用于制造模型且尤其是型芯的材料或其混合物。
[0041]合適的構(gòu)建材料(也稱為基礎(chǔ)模具材料)是一般耐火材料，諸如石英砂、紅柱石(Kerphalite)、橄欖砂和鉻礦砂(Chromerzsande)。除此以外,人工成形的模具材料,諸如寶珠砂(Cerabeads )和(分砂(Min-Sand))招土礦砂也是適合的。還可以設(shè)想為不同模具材料的混合物。
[0042]構(gòu)建材料應(yīng)當(dāng)不是酸性的。另外，當(dāng)顆粒平均粒徑為大約期望層厚度的一半時(shí)，顆粒尺寸分布是理想的。例如，對(duì)于約300 μ m的層厚度，中值粒徑應(yīng)當(dāng)為大約150 μ m。
[0043]一般的層厚度范圍為0.lmm-0.5mm。
[0044]此外，根據(jù)本發(fā)明，該材料具有噴霧干燥的堿性硅酸鹽溶液。通過(guò)含水的溶液來(lái)選擇性地啟動(dòng)其硬化。此外，還進(jìn)行干燥處理。[0045]堿性硅酸鹽溶液通常也稱為水玻璃，是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，其是指由熔融流體凝固、玻璃狀、可溶于水的硅酸鉀和硅酸鈉(硅酸的鹽)，在水溶液中，SiO2/堿金屬氧化物的摩爾比是1.5:1到4:1。
[0046]堿金屬硅酸鹽或者水玻璃通過(guò)將石英砂與碳酸鈉或碳酸鉀在1400°C -1500°C下一起熔融而制造，由此排放出二氧化碳。凝固的熔體在研磨后的狀態(tài)下進(jìn)入市場(chǎng)或者立刻轉(zhuǎn)化為具有所期望濃度的溶液。硅酸鈉通常通過(guò)將合適摩爾比的二氧化硅和碳酸鈉一起熔融從而產(chǎn)生玻璃狀固化產(chǎn)品來(lái)制造，該產(chǎn)品在熔點(diǎn)溫度之下的退火過(guò)程中結(jié)晶。
[0047]水玻璃以及硅酸鈉還可以通過(guò)將砂在高壓和高達(dá)約150°C的溫度下直接溶解在氫氧化鈉溶液中來(lái)制造。
[0048]此外，該堿性硅酸鹽溶液還可以包括其他物質(zhì)。例如，其可以例如提供有表面活性劑或者其他輔助材料。
[0049]根據(jù)本發(fā)明，使用了噴霧干燥以及還尚可噴霧干燥的(noch spriihtrockene)堿性硅酸鹽溶液。這樣的溶液優(yōu)選具有重量比為10-25%的灼燒損失。噴霧干燥或霧化干燥是一種用于從液體制造粉末的方法，其中霧化的液體使用熱氣體進(jìn)行干燥。
[0050]根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)含水溶液進(jìn)行選擇性固化。作為這樣的示例，本發(fā)明可以提供，使用涂覆機(jī)逐層施加含有噴霧干燥的水玻璃或噴霧干燥的堿性硅酸鹽溶液的顆粒材料，這是現(xiàn)有技術(shù)中公知的針對(duì)顆粒材料的快速原型化方法，并然后例如通過(guò)打印頭來(lái)施加含水溶液。水由此啟動(dòng)了堿性硅酸鹽溶液的硬化，其中，例如，在通過(guò)干燥去除水之后，開始進(jìn)行顆粒材料的連接。
[0051]水的加入導(dǎo)致粉末粘結(jié)劑溶解。根據(jù)本發(fā)明，使用噴霧干燥的粘結(jié)劑。這種粘結(jié)劑的優(yōu)點(diǎn)在于，其比普通干燥的粘結(jié)劑更快地溶解。通過(guò)水基溶劑而在模具砂混合物中選擇性產(chǎn)生的液態(tài)粘結(jié)劑導(dǎo)致構(gòu)建材料的顆粒之間的粘合。該水基或含水溶劑用于開始溶解作為粘結(jié)劑使用的堿性硅酸鹽，并有助于在獨(dú)立的微粒狀顆粒之間形成粘結(jié)劑橋接物(粘合)。
[0052]為了啟動(dòng)固態(tài)粘結(jié)劑，必須將其溶解，為此需要一種含水溶劑。最適合其的是純水。然而，水很難使用優(yōu)選用于選擇性引入溶劑的單液滴產(chǎn)生器(Einzeltropfenerzeugern)來(lái)投料。這是因?yàn)榧sImPas左右的相對(duì)較低的粘度,這導(dǎo)致噴頭中的液體柱的不充分的阻尼(mangeInde Dampfung)。另外，水的表面張力相對(duì)較高,使得需要很多能量來(lái)產(chǎn)生單個(gè)液滴。而且水還容易吸收(uptake)氣體，例如空氣。液滴生產(chǎn)裝置中存在負(fù)壓的情況下，溶解的氣體溢出，并且緩沖了應(yīng)當(dāng)用于產(chǎn)生液滴的壓力沖擊。因此，需要將用于液滴產(chǎn)生器中的水進(jìn)行改性。
[0053]例如，為此，除了流變添加劑之外，可以使用增稠劑，諸如丙三醇、乙二醇或頁(yè)硅酸鹽(層狀硅酸鹽)。后者尤其證明是有利的，因?yàn)槠涫且环N純無(wú)機(jī)物質(zhì)系統(tǒng)，該無(wú)機(jī)物質(zhì)系統(tǒng)在鑄造時(shí)表現(xiàn)為中性，即，不導(dǎo)致熱解。
[0054]已經(jīng)證實(shí)，水中的頁(yè)硅酸鹽的重量比為2-20%，優(yōu)選為8-12%是有利的。
[0055]用于選擇性啟動(dòng)固化的含水溶液也可以含有其他添加劑，諸如用于形狀識(shí)別的染料、抗微生物劑和表面張力改性劑。
[0056]干燥處理是固化選擇性打印的材料所必須的。至于哪種干燥處理是最合適的，則取決于很多因素，諸如所采用的材料、部件尺寸、環(huán)境條件等等。[0057]最終制成的部件例如可以在構(gòu)建后僅僅在室溫下干燥。如果這過(guò)于緩慢，則還可以通過(guò)在室溫下排出水和/或提高溫度的物理干燥處理來(lái)加快固化處理。
[0058]這可以完全在構(gòu)建處理中和/或之后進(jìn)行。
[0059]本發(fā)明所描述方法的優(yōu)點(diǎn)在于，可以重復(fù)使用沒(méi)有打印的材料。
[0060]用于選擇性施加固化劑的裝置不需要常常清潔，因?yàn)闆](méi)有發(fā)生粘合，這是由于沒(méi)有采用自硬化的或空氣硬化的材料。
[0061]干燥材料混合物可以使用已知的方法簡(jiǎn)單地逐層施加，并且可以獲得高硬度水平。
[0062]本發(fā)明的目的還通過(guò)一種用于逐層構(gòu)建模型的材料系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，顆粒材料逐層被施加到構(gòu)建區(qū)域，并選擇性地將其固化，重復(fù)這些步驟，直到獲得期望的模型。為此，該材料包括顆粒構(gòu)建材料以及噴霧干燥的堿性硅酸鹽溶液，并且使用含水溶液來(lái)選擇性地啟動(dòng)固化。
[0063]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，該顆粒材料包括砂。此時(shí)，根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，如果在顆粒材料中使用砂作為構(gòu)建材料，則可以有利地由砂制造鑄造型芯。
[0064]但是，如果材料包括無(wú)機(jī)固化劑，尤其是潛在的無(wú)機(jī)固化劑，這也是有利的。術(shù)語(yǔ)“潛在的無(wú)機(jī)固化劑”描述的是這樣的一種物質(zhì):其在正常條件下(即室溫和大氣壓下)與粘結(jié)劑反應(yīng)非常緩慢，但是當(dāng)溫度升高時(shí)導(dǎo)致快速固化。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方式，這樣的潛在固化劑例如可以是非晶態(tài)的二氧化硅。
[0065]在本發(fā)明的方法中，如果干燥處理例如是熱誘導(dǎo)的，那么在堿性硅酸鹽粘結(jié)劑與作為潛在固化劑的非晶態(tài)二氧化硅之間產(chǎn)生堿-硅反應(yīng)。
[0066]如果添加諸如非晶態(tài)二氧化硅的潛在固化劑，那么粘結(jié)反應(yīng)能被增強(qiáng)并且也使得不可逆。如果在此處理過(guò)程中對(duì)混合物加熱，那么固化更快并產(chǎn)生更高的硬度水平。
[0067]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，該材料具有輔助粘結(jié)劑。該輔助粘結(jié)劑例如可以是一種水凝粘結(jié)劑(hydraulically setting binder),其是一種需要水來(lái)進(jìn)行粘結(jié)的粘結(jié)劑。
[0068]這種水凝粘結(jié)劑例如是波特蘭水泥、高招水泥(Tonerdzement)和/或水硬氧化招粘結(jié)劑。
[0069]當(dāng)將水選擇性引入到該材料時(shí)，水可能比期望更深地滲透到該材料中，于是導(dǎo)致待構(gòu)建模型的不準(zhǔn)確性。為了限制滲透，可以將一種水硬粘結(jié)劑、優(yōu)選為一種水泥材料混合到該材料中。這種優(yōu)選使用的水泥粉末非常細(xì)并且顆粒尺寸優(yōu)選低于30 μ m。這導(dǎo)致較大的表面面積并因此還導(dǎo)致快且高的吸水性。過(guò)量水被這些顆粒吸收從而不再導(dǎo)致成型上的損耗。不需要溶解粘結(jié)劑的過(guò)量水吸附到水硬粘結(jié)劑，即水泥中。水泥因此有助于提升硬度并且使得能夠針對(duì)性地對(duì)硬化曲線產(chǎn)生影響。
[0070]根據(jù)本發(fā)明，該堿性硅酸鹽溶液或者水玻璃可以按所有可想象的形式存在于該材料中。因此，例如，它可以顆粒形式存在于材料中。水玻璃顆粒應(yīng)當(dāng)是盡可能小的，以確保高的溶解度。
[0071]為此，其常見的顆粒直徑小于150 μ m，并且優(yōu)選地小于100 μ m。
[0072]粉末狀的噴霧干燥的水玻璃粉末的典型示例包括例如W0llener公司的SikalonA或者Cogins公司的Portil A。它們是通過(guò)水性堿性硅酸鹽溶液(硅酸鈉或硅酸鉀溶液)的噴霧干燥來(lái)制造。這些方法的說(shuō)明在此還可以參照烏爾曼的化工百科全書(UllmannsEnzyklopadie der technischen Chemie) 1982,第四版,卷 21,第 412 頁(yè)。
[0073]作為另外的變形，此噴霧干燥的堿性硅酸鹽溶液包圍顆粒狀的構(gòu)建材料(B卩，基礎(chǔ)模具材料)或者該堿性硅酸鹽溶液覆蓋在其上的方案也是可行的。一種此類的方法是所謂的涂覆，其中所涂覆的基礎(chǔ)模具材料例如可以通過(guò)基礎(chǔ)模具材料和堿性硅酸鹽粘結(jié)劑的一種水性混合物的噴霧干燥來(lái)制備。所涂覆的基礎(chǔ)模具材料然后被逐層地施加并且用水性溶液進(jìn)行打印。
[0074]在本發(fā)明的方法或材料系統(tǒng)中，該水玻璃優(yōu)選具有摩爾比為1.6-3.8、優(yōu)選為
1.9-3.4的M2O = SiO2 (M=堿金屬，鈉和/或鉀)。
[0075]通常噴霧干燥的堿性硅酸鹽粘結(jié)劑或堿性硅酸鹽溶液具有重量比為10-40%、優(yōu)選15-25%的灼燒損失。
[0076]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方式，潛在的硬化劑源自可以承受堿-硅反應(yīng)的娃酸材料的組，這些娃酸材料主要是合成娃酸。特別優(yōu)選地使用熱娃酸(thermischekieselsauren)或熱解娃酸(pyrogene kieselsauren),其是例如在制造粗娃或娃鐵(F erro silicium)、微娃石、娃粉或者凝聚娃粉時(shí)作為副產(chǎn)物出現(xiàn)的。
[0077]有利地，該潛在的硬化劑選自由合成硅酸、尤其是熱硅酸和/或熱解硅酸所構(gòu)成的組。這里使用的術(shù)語(yǔ)“合成硅酸”是指人工制造的硅酸，如通過(guò)火焰熱解、在電熔融爐中或者在等離子體中熱制備 的硅酸以及沉淀硅酸。
[0078]術(shù)語(yǔ)“合成”應(yīng) 理解為由元素自然或人工生產(chǎn)化學(xué)化合物，其通過(guò)由簡(jiǎn)單的化合物結(jié)構(gòu)或者通過(guò)由更復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解來(lái)獲得。這個(gè)“合成”可以多步驟并本質(zhì)上具有主要針對(duì)性。
[0079]根據(jù)本發(fā)明，例如，反應(yīng)例如能夠以如下方式進(jìn)行。通過(guò)添加水來(lái)活化噴霧干燥的粘結(jié)劑，然后該粘結(jié)劑與一種優(yōu)選加入的潛在硬化劑(例如非晶態(tài)二氧化硅)反應(yīng)。在此發(fā)生的固化反應(yīng)，即堿-硅反應(yīng)，通過(guò)提供能量(尤其是熱量)來(lái)加速，這導(dǎo)致所出現(xiàn)的模型的快速固化和比沒(méi)有添加潛在的硬化劑的情況高的模型硬度。
[0080]與僅借助于堿性硅酸鹽粘結(jié)劑作為粘結(jié)劑制造的型芯相比，該型芯在高濕度的存放穩(wěn)定性以及在鑄造過(guò)程中的熱穩(wěn)定性(如型芯的變形)明顯提高。
[0081]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方式，在打印溶液中部分溶解之前以固態(tài)形式存在的堿性硅酸鹽含量(即，添加到材料中的粘結(jié)劑含量，尤其是諸如砂的顆粒材料的含量)的重量比為2-18%，優(yōu)選為3-10%。
[0082]有利地，潛在硬化劑相對(duì)于固態(tài)形式的粘結(jié)劑的重量比為5_90%。
[0083]根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，該材料還具有耐火材料和/或填充材料，這樣可以優(yōu)化所生產(chǎn)的模型(如鑄造型芯)的性能。
[0084]為提高鑄造品質(zhì)，在模具鑄造中還可以使用這樣的防火材料和/或填充材料，例如石墨、氧化鋁、硅酸鋯。砂中的其他添加物可以是水溶的磷酸鹽或碳酸氫鹽粘結(jié)劑，諸如糊精。
[0085]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，該材料包括一種由噴霧干燥的堿性硅酸鹽粘結(jié)劑、砂、非晶態(tài)二氧化硅以重量為1.5-15%:80-98%:0.2-8%的比例組成的混合物。
[0086]有利地，溶液含有質(zhì)量百分比為優(yōu)選5-15%的頁(yè)硅酸鹽，以啟動(dòng)選擇性硬化。[0087]優(yōu)選地，用于啟動(dòng)選擇性硬化的溶液用一個(gè)噴墨打印頭、優(yōu)選用壓電技術(shù)來(lái)施加。
[0088]為了在處理中加速硬化，還可以有利地提供額外熱量。
[0089]這可以例如通過(guò)對(duì)流和/或熱輻射進(jìn)行。
[0090]如此制造的固體優(yōu)選具有大于或等于約200N/cm2的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度。
[0091]下面借助于優(yōu)選的實(shí)施方式以隨后的實(shí)例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0092]例如，下文描述一種在三維打印處理中使用的材料系統(tǒng)。
[0093]將下列材料充分混合使得混合物完全均勻:重量比為90%的具有0.13mm的平均顆粒直徑的GS14RP型石英砂(從Strobel公司購(gòu)買)與重量比為6%的水玻璃粉末(諸如Cogins公司的molar module 2.10, Portil A)、重量比為2%的來(lái)自光弧爐的合成二氧化娃(Eikern公司的Microsilica971U)作為潛在固化劑以及重量比為2%的高鋁水泥(Almatis公司的CA 14S)作為水硬粘結(jié)劑。
[0094]將此干燥的模具材料混合物逐層地施加到構(gòu)建區(qū)域中。接下來(lái)，通過(guò)選擇性打印水來(lái)活化水玻璃粘結(jié)劑，該打印使用一種通常用于三維打印處理的打印頭并使用一種公知的噴墨打印技術(shù)。在所打印的區(qū)域，該粘結(jié)劑溶解并且周圍的顆粒膠合在一起。
[0095]為了制造期望模型，優(yōu)選根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性打印。
[0096]在此處理過(guò)程中，不管是全部顆粒材料還是其一部分均可以在選擇性打印之前加熱。在此情況下，固化的干燥處理可以更快進(jìn)行。
[0097]現(xiàn)在再次施加一個(gè)模具材料混合物層，并且然后再度根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)選擇性地打印。
[0098]不斷重復(fù)，直到構(gòu)建出期望模型。結(jié)果就是期望物體，該期望物體必須在層構(gòu)建處理之后從周圍的砂中取出。
[0099]為了提高所制成的部件的硬度以及同時(shí)使得所制成的部件的表面光滑，所制成的部件可以噴涂水玻璃溶液或水玻璃-水混合物，隨后在烘箱中干燥。
[0100]混合后的未打印的砂可以再次引入到處理中。為此，必須將砂從模型、或者模具零件取出并篩選(screen)，以避免粗糙的雜質(zhì)。有利地，在重新使用前，將回收的模具材料與新鮮材料混合，以獲得一致的品質(zhì)。加入的新砂的重量比應(yīng)當(dāng)優(yōu)選在10%與50%之間。
[0101]已經(jīng)顯示出，當(dāng)在砂中混合重量比為2%與12%的粘結(jié)劑混合物(由噴涂-干燥的水玻璃和非晶態(tài)(amophous)的二氧化硅組成的混合物)時(shí)，能夠獲得良好的粘結(jié)效果。
[0102]有利地,該混入物(admixture)的范圍在3%與6%之間。當(dāng)使用GS14型的石英砂(MK:0.13mm/AFS值為97)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的硬度為約280N/cm2。將重量比為3%_18%之間的水溶液計(jì)量加入模具中，以實(shí)現(xiàn)粘結(jié)劑的充分活化。有利地，需要投料(dispense)的量的范圍在5%與10%之間。
[0103]可以提供加速固化反應(yīng)，以防止水不期望地(unintentionally)滲入到非打印的邊緣區(qū)而在那里導(dǎo)致硬化反應(yīng)并因此導(dǎo)致圖案保真度和分辨率的劣化。
[0104]例如，此通過(guò)提供熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)。砂溫度從20°C提高到60°C將硬化處理時(shí)間段從很多小時(shí)加快到少數(shù)幾個(gè)小時(shí)。如果進(jìn)一步提高到90°C，甚至可以在少數(shù)幾分鐘內(nèi)發(fā)生固化。由于輸入的熱量，顯著加快粘結(jié)劑與潛在的硬化劑(非晶態(tài)二氧化硅)的硬化反應(yīng)。但是，必須要注意的是，不允許所處理的層彼此分離地硬化，否則無(wú)法進(jìn)行層粘結(jié)。也就是說(shuō)，基于構(gòu)建區(qū)域尺寸和處理速度，設(shè)定的 時(shí)間應(yīng)當(dāng)優(yōu)選不短于10分鐘。
【權(quán)利要求】
1.一種用于逐層構(gòu)建模型的方法，其中，顆粒材料逐層被施加到構(gòu)建區(qū)域中，并選擇性地將其硬化，重復(fù)這些步驟，直到獲得期望的模型，所述材料包括顆粒構(gòu)建材料， 其特征在于， 所述材料包括噴霧干燥的堿性硅酸鹽溶液，通過(guò)含水的溶液來(lái)選擇性地啟動(dòng)其硬化，并且進(jìn)行干燥處理。
2.一種用于逐層構(gòu)建模型的材料系統(tǒng)，其中，顆粒材料逐層被施加到構(gòu)建區(qū)域，并選擇性地將其硬化，重復(fù)這些步驟，直到獲得期望的模型，所述材料包括顆粒構(gòu)建材料， 其特征在于， 所述材料還包括噴霧干燥的堿性硅酸鹽溶液，使用極性溶劑、尤其是包括水的溶液來(lái)選擇性地啟動(dòng)所述硬化。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述顆粒材料包括砂。
4.根據(jù)以上權(quán) 利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述材料包括無(wú)機(jī)硬化劑、尤其一種潛在的無(wú)機(jī)硬化劑。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述材料具有輔助粘結(jié)劑、尤其是水凝粘結(jié)劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述水凝粘結(jié)劑包括波特蘭水泥、高鋁水泥和/或含有氧化鋁的水硬粘結(jié)劑。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述噴霧干燥的堿性硅酸鹽溶液以顆粒形式包含于所述材料中。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述噴霧干燥的堿性硅酸鹽溶液作為涂層施加到所述顆粒構(gòu)建材料上。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述堿性硅酸鹽中M2O =SiO2的摩爾比為1.6-3.8，優(yōu)選為1.9-3.4，其中，M=鈉和/或鉀。
10.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述潛在的硬化劑選自下組:合成的硅酸，優(yōu)選為熱硅酸和/或熱解硅酸。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述材料含有的噴霧干燥的堿性硅酸鹽以重量計(jì)為2-18%，優(yōu)選為3-10%。
12.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)，其特征在于， 所述潛在的硬化劑相對(duì)于固態(tài)粘結(jié)劑的重量比為5-90%。
13.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述材料還包括耐火材料和/或填充材料。
14.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述材料包括重量比為1.5-15%:80-98%:0.2-8%的噴霧干燥的堿性硅酸鹽粘結(jié)劑、砂、非晶態(tài)二氧化硅組成的混合物。
15.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述溶液含有頁(yè)硅酸鹽的重量比優(yōu)選為5-15%，以啟動(dòng)所述選擇性硬化。
16.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 用于所述選擇性硬化的所述溶液使用噴墨打印頭來(lái)施加，優(yōu)選用壓電技術(shù)來(lái)施加。
17.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)， 其特征在于， 所述硬化通過(guò)熱量來(lái)加快，優(yōu)選通過(guò)對(duì)流和/或熱輻射來(lái)加快。
18.—種通過(guò)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法或材料系統(tǒng)制造的固體，其特征在于， 所述固體優(yōu)選具有大于或等于220N/cm2的抗彎強(qiáng)度。
【文檔編號(hào)】C04B28/26GK103702958SQ201280030829
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月22日
【發(fā)明者】英戈·格努奇特爾, 丹尼爾·鞏特爾, 英戈·埃德雷爾, 克里斯蒂安·勒斯蒂格, 埃德加·馬勒 申請(qǐng)人:沃克斯艾捷特股份有限公司, 歐區(qū)愛化工有限公司