[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

WO2021069719A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von dreidimensionalen gegenständen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von dreidimensionalen gegenständen Download PDF

Info

Publication number
WO2021069719A1
WO2021069719A1 PCT/EP2020/078504 EP2020078504W WO2021069719A1 WO 2021069719 A1 WO2021069719 A1 WO 2021069719A1 EP 2020078504 W EP2020078504 W EP 2020078504W WO 2021069719 A1 WO2021069719 A1 WO 2021069719A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
binding agent
radiation
sand
powdery material
dimensional object
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/078504
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Rothaug
Victor Romanov
Original Assignee
Kurtz Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kurtz Gmbh filed Critical Kurtz Gmbh
Priority to US17/767,498 priority Critical patent/US20240100588A1/en
Priority to EP20797675.4A priority patent/EP4041476A1/de
Priority to CN202080071406.2A priority patent/CN114599626A/zh
Publication of WO2021069719A1 publication Critical patent/WO2021069719A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2/00—Processes of polymerisation
    • C08F2/46—Polymerisation initiated by wave energy or particle radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B26/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing only organic binders, e.g. polymer or resin concrete
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B26/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing only organic binders, e.g. polymer or resin concrete
    • C04B26/02—Macromolecular compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B40/00—Processes, in general, for influencing or modifying the properties of mortars, concrete or artificial stone compositions, e.g. their setting or hardening ability
    • C04B40/02—Selection of the hardening environment
    • C04B40/0204—Selection of the hardening environment making use of electric or wave energy or particle radiation
    • C04B40/0213—Electromagnetic waves
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2/00—Processes of polymerisation
    • C08F2/44—Polymerisation in the presence of compounding ingredients, e.g. plasticisers, dyestuffs, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/46—Dielectric heating
    • H05B6/62—Apparatus for specific applications
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/80—Apparatus for specific applications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
    • C04B2111/00181—Mixtures specially adapted for three-dimensional printing (3DP), stereo-lithography or prototyping
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00939—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for the fabrication of moulds or cores
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2206/00—Aspects relating to heating by electric, magnetic, or electromagnetic fields covered by group H05B6/00
    • H05B2206/04—Heating using microwaves
    • H05B2206/046—Microwave drying of wood, ink, food, ceramic, sintering of ceramic, clothes, hair

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for producing three-dimensional objects, in particular by means of a generative method.
  • the present invention relates to a method and apparatus for producing sand molds and sand cores.
  • additive manufacturing for example, three-dimensional workpieces are built up in layers.
  • the construction is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes (CAD).
  • CAD specified dimensions and shapes
  • Physical or chemical hardening or melting processes take place during construction.
  • Typical materials for additive manufacturing are plastics, synthetic resins, ceramics and metals.
  • Additive manufacturing is also known as 3D printing or additive manufacturing. The corresponding devices are called 3D printers.
  • 3D printers are used in industry and research. There are also applications in the meat and entertainment sectors as well as in art.
  • Voxeljet technology GmbH https://www.voxeliet.com/de/anwendunaen/sandciuss/) offers a service for the production of sand molds and sand cores for metal casting. Quartz sand is applied in layers and selectively bonded with a binder until the desired shape is created. Depending on requirements and application, you can choose between different binders and sands in order to achieve optimal casting results.
  • conventional foundry binding materials such as furan and phenolic resins or inorganic binding materials are used. Large formats of up to 4 m in length, 2 m in width and 1 m in height are also possible.
  • binder jetting 3D printing of powder material with binder
  • MVM multi-jet modeling
  • Both processes can be implemented as a powder bed process.
  • Multi-jet modeling can, however, also be designed as a free-space method in which a mixture of sand and binding agent is sequentially printed in the desired shape.
  • Binder jetting is a generative production process in which a liquid binding agent is applied specifically to a powder layer in order to bond with the material. Portions of the layers of material are thereby bonded to form an article.
  • the spraying of the binder is similar to the conventional inkjet printing process.
  • Various binding materials such as furan binders, phenol binders, silicate binders or polymer binders, are known for binding sand.
  • the binding material is cured by heating it using microwave radiation.
  • the additive manufacturing of sand molds and sand cores has proven to be very effective because, on the one hand, it is very cost-effective (no model costs, short lead times, low modification costs), the shapes can have structures of any complexity without generating additional costs, the shapes and Cores are of high quality and can be manufactured with large sizes and small tolerances. Furthermore, agile and heavy forms and cores can be stabilized by reinforcement.
  • a radiation-curable binding material for forming sand cores emerges from EP 3,266,815 A1.
  • the hardening of sand cores is generated by what is known as actinic radiation, the radiation causing a photochemical effect.
  • Actinic radiation is typically electromagnetic radiation in the optical or UV range.
  • US 2018/0361618 A1 discloses a method for printing three-dimensional bodies from a powdery material, a liquid functional material being mixed in which is intended to absorb electromagnetic waves.
  • the liquid functional material contains ferromagnetic nanoparticles and can therefore generate temperatures from 60 ° C to 2,500 ° C.
  • the powdery material melts through it.
  • the powdery material can be silicon dioxide, for example. The energy is applied by means of microwaves or RF radiation.
  • DE 697 13 775 T2 describes a hybrid oven and a method in which microwaves and RF radiation can be applied to objects at the same time.
  • the invention is based on the object of creating a method and a device for producing three-dimensional objects by means of a generative method, where a powdery material and binding agent are applied sequentially and the binding agent is cured by means of electromagnetic waves, this method for producing large-volume three-dimensional objects Objects or for the simultaneous production of many objects in a large-volume process space is particularly suitable.
  • the method according to the invention is a method for producing three-dimensional objects by means of a generative method, wherein a powdery material and binding agent are applied sequentially and the binding agent is cured by means of electromagnetic waves, so that the powdery material bound with the binding agent forms the three-dimensional object .
  • This method is characterized by the fact that RF radiation is used as the electromagnetic waves.
  • the binder can be activated uniformly by the radiation in a large volume.
  • the wavelength is approx. Im.
  • the wavelength for industrial applications of 27.12 MHz, which is customary in Germany at least the wavelength is approx. 11 m.
  • standing waves form in the mold, a wavelength can be provided whose half-wave is significantly longer than the dimensions of the three-dimensional object to be produced. This can ensure that a wave node of a standing wave is arranged outside of a process space in which the three-dimensional object is produced. Uniform curing of the three-dimensional object is achieved in this way. Both local overheating, in which the binding agent could be destroyed, and areas in which the binding agent is not sufficiently stimulated are avoided.
  • the curing by means of RF radiation can take place in sections or a three-dimensional object can also be cured all at once (one shot).
  • the uniform and complete penetration of the object to be produced causes, on the one hand, a high quality and, on the other hand, a fast production of the object, so that the production costs can be reduced considerably compared to conventional methods.
  • the additive generation of the three-dimensional object is preferably carried out between two capacitor plates which are connected to an RF generator.
  • the RF radiation can be applied to the not yet cured three-dimensional object without it having to be moved.
  • the additive manufacturing of the three-dimensional object is carried out using the powder bed process, in which layers of the powdery material are layered on top of one another and only the areas or sections to be cured are provided with binding agent, then the entire layer structure is preferably moved in the area between the two capacitor plates. After hardening, the powdery material, which is not provided with binding agent, is then removed from the three-dimensional object. Before hardening, it serves to support the three-dimensional object that has not yet hardened.
  • the powdery material is preferably applied in layers, as is known from the powder bed process.
  • the layers are preferably applied with a thickness of no more than 1 mm and in particular no more than 500 gm and in particular no more than 300 gm.
  • the thinner the layers the finer the contour of the three-dimensional object can be.
  • the thinner the individual layers the more layers are necessary to form an object with a predetermined thickness. Therefore, the production of the three-dimensional object with thinner layers takes longer than with thicker layers.
  • the binder is only sprayed onto the layers in predetermined areas which are intended to form the three-dimensional object.
  • a sand core or a sand mold for metal casting can be produced as a three-dimensional object, in that sand is connected as a powdery material by means of the binding agent to form the three-dimensional object.
  • the powdery material for producing a sand core or a sand mold is a fire-resistant, particulate mold base material, which is referred to below as "sand" for short Irrespective of the chemical composition, this particulate, refractory basic molding material is referred to as sand.
  • Suitable binders can be binders based on furan, phenol, silicate or made of a polymer.
  • the sand core or the sand mold can also be formed by shooting into a sand mold.
  • the sand mold is hardened in the same way as explained above with reference to the three-dimensional generatively shaped objects, by means of RF radiation.
  • Any three-dimensional objects per se can be shot into a mold by shooting a mixture of a powdery material and binding agent and cured by means of RF radiation.
  • the advantages explained above for the hardening of the three-dimensional object apply regardless of the type of shaping of the body.
  • one-shot curing is possible with RF radiation, the three-dimensional object being able to have a large volume, for example at least 0.01 m 3 or at least 0.1 m 3 or even at least 1 m 3 .
  • Generative manufacturing in connection with hardening by means of RF radiation is, however, preferred because, on the one hand, three-dimensional objects can be produced in any shape, which can be fixed in their shape quickly, reliably and completely by hardening with RF radiation .
  • the electromagnetic RF radiation preferably has a frequency of at least 30 KHz or at least 0.1 MHz, in particular at least 1 MHz or at least 2 MHz, preferably at least 10 MHz.
  • the electromagnetic RF radiation preferably has a frequency of at most 300 MHz.
  • the invention further relates to a device for generating three-dimensional objects by means of a generative method, comprising
  • the device can have a process space which is formed between the capacitor plates, an electrically conductive chamber wall being provided which shields the process space when the RF radiation is applied.
  • a process space which is formed between the capacitor plates, an electrically conductive chamber wall being provided which shields the process space when the RF radiation is applied.
  • the application device for applying binding agent can either be a spray nozzle or a nozzle for applying a mixture of pulverulent material and binding agent. With a nozzle for applying such a mixture, the mixture can be applied in the free space process.
  • FIG. 1 shows a binder jetting device with an open process space in a perspective sectional view, with front elements being cut away so that essential parts of the device are visible
  • FIG. 2 shows the device from FIG. 1 in a sectional view, the process space being closed and, to simplify the illustration, a spray nozzle and its positioning device and an application device being omitted.
  • FIGS. 1 and 2 a device 1 for the generative production of a three-dimensional object is explained by way of example (FIGS. 1 and 2).
  • the present exemplary embodiment is a so-called binder jetting device 1 with a powder bed feed for fixing sand molds and sand cores.
  • the binder jetting device 1 comprises a process space 2 which is closed off from the outside by chamber walls 3. At least one and preferably all of the chamber walls can be moved or pivoted up or down so that the process space 2 can be delimited on the one hand by the chamber walls 3 (FIG. 2) and on the other hand the chamber walls can be removed so that the process space 2 can be removed from at least one Page is freely accessible (Fig. 1).
  • the chamber walls 3 are designed to be electrically conductive.
  • the process room 2 serves as installation space for the three-dimensional component 4 (Fig. 2).
  • a container 5 which is open at the top is arranged in the process space 2.
  • This container 5 is formed from four vertically arranged side walls 6 in which a horizontal construction platform 7 for receiving the component 7 to be manufactured is arranged. In Fig. 1, only three side walls 6 are visible due to the sectional view.
  • the building platform 7 has a piston / cylinder unit as a flea adjustment device 8, by means of which the building platform 7 can be adjusted in the vertical direction.
  • the device 1 comprises a storage container 9.
  • the storage container 9 is designed to receive a solidifiable powdery starting material, which is, for example, sand.
  • the reservoir 9 is ver with an elastic tube 10 with an applicator 11 connected.
  • the application device 11 is used to apply the starting material to the construction platform 7.
  • the application device is a coating device with which layers of predetermined thickness can be applied to the construction platform 7 in succession.
  • the application device 11 has a slot-shaped nozzle 12 with which the powdery material from the reservoir 9 can be applied in a thin layer over the entire width of the construction platform 7.
  • the application device 11 is slidably mounted on rails 13, so that the application device 11 can intercept the entire area above the building platform 7 and also a piece outside the area of the Chamber walls 3 can be arranged ( Figure 1).
  • the rails 13 (only one of the rails 13 is shown in FIG. 1 due to the partial section) are also arranged outside the area of the chamber walls 3 so that they do not stand in the way when the chamber walls 3 are lowered.
  • a working plane 14 is the plane in which the surface of the uppermost layer of the pulverulent material to be solidified is located.
  • the flea adjustment device 8 is preferably controlled in such a way that the working plane 14 is always at the same level or within a predetermined level range.
  • a spray nozzle 15 is arranged in the area above the working plane 14, which is freely movable in a plane parallel to the working plane with a positioning device 16.
  • the positioning device 16 has a carriage 17 on which the spray nozzle 15 is arranged on.
  • the carriage 17 is slidably mounted on a rail 18.
  • the rail 18 is in turn arranged movably on two rails 19 in a plane parallel to the working plane 14 in a direction transverse to its longitudinal direction, so that on the one hand the spray nozzle 15 can cover the entire area above the construction platform 7 and on the other hand the entire positioning device 16 from the process space 2 can be driven out.
  • the spray nozzle 15 is aligned with its nozzle opening vertically downwards and verbun with a binder line 20 with a pump 21 and a binder reservoir 22 to the.
  • the spray nozzle 15 is designed in such a way that it emits a fine jet of binding agent vertically downwards.
  • spray nozzles can only be assigned to certain partial areas above the working level 14.
  • the spray nozzles can each be arranged on freely swinging robot arms or on a rail system with several rails, so that several spray nozzles can be positioned independently of one another.
  • the building platform 7 is made of an electrically conductive material and is grounded via the height adjustment device 8.
  • the side walls 6 of the container 5 are made of an electrically non-conductive material.
  • the installation space 2 is bounded at the top by an electrically conductive ceiling wall 23 be, which is connected to a waveguide 24 with an RF generator 25 for generating RF Radiation is connected.
  • RF radiation has a frequency of at least 30 CFIz and a maximum of 300 MFIz.
  • the RF generator is designed to output a frequency of 27.12 MFIz.
  • the specific frequency to be used depends on the local legal regulations, which generally only allow certain RF frequencies for civil use in production processes.
  • a thin layer of sand is applied to the construction platform 7 by means of the application device 11.
  • the sand in particular quartz sand
  • the layers are preferably applied with a thickness of not more than 1 mm and in particular not more than 500 ⁇ m. However, they can also be applied finer, for example with a maximum thickness of 300 ⁇ m.
  • the areas of the layers which are to harden are sprayed with a binding agent by means of the spray nozzle 15.
  • a binding agent for bind sand, in particular quartz sand, different binders, such as binders based on furan, phenol, silicate binders or polymers, can be used.
  • the binding agent is conveyed from the binding agent storage container 22 to the spray nozzle 15 by means of the pump 21.
  • the layer structure 26 is completely formed, then the application device 11 and the spray nozzle 15 are removed from the area of the process space 2 and the chamber walls 3, which enclose the process space 2 on all side surfaces, are lowered.
  • the chamber walls 3 are preferably formed from an electrically conductive material and ste hen neither with the top wall 23 nor with the building platform 7 in contact.
  • the side walls 6 of the container 5 are made of a non-electrically conductive material.
  • RF radiation is applied in the area between the building platform 7 and the ceiling wall 23 by means of the waveguide 24.
  • the building platform 7 and the Ceiling wall 23 serve as capacitor plates.
  • the electrically conductive Kammerwandun gene 3 shield the electrical field from the outside. Since the side walls 6 of the Benzol age 5 are not electrically conductive, they do not affect the electromagnetic field within the capacitor consisting of the building platform 7 and the top wall 23 Kon.
  • the top wall 23 is stationary, i.e. not movable.
  • it can also be expedient to make the ceiling wall adjustable in the fleas so that after the application of the sand layers and removal of the application device 11 and the spray nozzle 15 from the process room 2, the ceiling wall 23 is lowered a little so that Volume of the capacitor, best starting from the building platform 7 and the top wall 23, to be kept as low as possible.
  • the waveguide 24 is either to be provided with a telescopic section, which has a variable length in the vertical direction, or a flexible coaxial cable is used as the waveguide 24. With high electrical power, however, it is useful to provide a static coaxial conductor as a waveguide 24.
  • the three-dimensional component 4 is cured in the entire layer structure 26 at once.
  • the three-dimensional component 4 After the three-dimensional component 4 has hardened, it can be removed from the container 5, wherein the non-bound sand can simply be separated from the three-dimensional component 4.
  • the layers of the powdery material are stacked one on top of the other or sequentially in accordance with the powder bed method to form the layer structure 26.
  • a viscous mixture of powdery materials and binding agents can be printed by means of suitable pressure nozzles according to the free space method.
  • RF radiation causes, on the one hand, a complete and uniform curing of the entire three-dimensional component 4 and, on the other hand, a very rapid curing, as this can be done in a single process step or in a few process steps.
  • an application device 11 with a nozzle 12 is used for applying the sand.
  • other application devices such as a doctor blade, can also be used, with which the powdery material is spread into a thin layer and, if necessary, compacted.
  • a sol chen application device an upwardly open storage container for the powdery material Ma is arranged next to the container 5, from which the powdery material is withdrawn.
  • a three-dimensional object can also be produced by shooting a mixture of a powdered material and binding agent into a mold and cured by means of RF radiation.
  • a capacitor can be used to apply the RF radiation, as described above.
  • the uncured object is brought into the capacitor and exposed to electromagnetic radiation there.
  • the shooting can also be used to fiery a sand core or sand mold.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Toxicology (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von dreidimensionalen Gegenständen mittels eines generativen Verfahrens. Hierbei wird pulverförmiges Material und Bindemittel sequentiell aufgetragen und mittels elektromagnetischer Wellen wird das Bindemittel ausgehärtet, so dass das mit dem Bindemittel gebundene pulverförmige Material den dreidimensionalen Gegenstand bildet. Als elektromagnetische Wellen wird RF-Strahlung verwendet. Hierdurch wird ein schnelles und gleichmäßiges Aushärten des dreidimensionalen Gegenstandes erzielt.

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 m3 bzw. zumindest 0.1 m3 oder sogar von zumindest 1 m3 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

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.
PCT/EP2020/078504 2019-10-09 2020-10-09 Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von dreidimensionalen gegenständen WO2021069719A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/767,498 US20240100588A1 (en) 2019-10-09 2020-10-09 Method and device for the production of three-dimensional objects
EP20797675.4A EP4041476A1 (de) 2019-10-09 2020-10-09 Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von dreidimensionalen gegenständen
CN202080071406.2A CN114599626A (zh) 2019-10-09 2020-10-09 用于生产三维物体的方法和设备

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019127191.6 2019-10-09
DE102019127191.6A DE102019127191A1 (de) 2019-10-09 2019-10-09 Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von dreidimensionalen Gegenständen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021069719A1 true WO2021069719A1 (de) 2021-04-15

Family

ID=73030068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/078504 WO2021069719A1 (de) 2019-10-09 2020-10-09 Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von dreidimensionalen gegenständen

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240100588A1 (de)
EP (1) EP4041476A1 (de)
CN (1) CN114599626A (de)
DE (1) DE102019127191A1 (de)
WO (1) WO2021069719A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113400649A (zh) * 2021-06-30 2021-09-17 山东威高骨科材料股份有限公司 一种解决3d打印peek材料零件热变形的方法
EP4406677A1 (de) * 2023-01-27 2024-07-31 Goodrich Corporation Endnahe herstellung von komponenten mit komplexer konfiguration

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2933956A1 (de) * 1979-08-22 1981-03-12 Helmut 6000 Frankfurt Hoedt Verfahren und vorrichtung zur herstellung von formkoerpern aus mineralischen bestandteilen und haertbaren organischen bindemitteln.
US5837373A (en) * 1995-04-28 1998-11-17 General Motors Corporation Sand mold member and method
US6376148B1 (en) * 2001-01-17 2002-04-23 Nanotek Instruments, Inc. Layer manufacturing using electrostatic imaging and lamination
US20180264753A1 (en) * 2016-01-29 2018-09-20 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional (3d) printing composite build material composition
DE102018200588A1 (de) * 2018-01-15 2019-07-18 Albert Handtmann Metallgusswerk Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Sandbauteilen

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2315654B (en) * 1996-07-25 2000-08-09 Ea Tech Ltd Radio-frequency and microwave-assisted processing of materials
WO2003049514A2 (en) * 2001-12-03 2003-06-12 Memgen Corporation Miniature rf and microwave components and methods for fabricating such components
SE524439C2 (sv) * 2002-12-19 2004-08-10 Arcam Ab Anordning samt metod för framställande av en tredimensionell produkt
CN104755197B (zh) * 2012-11-01 2018-02-23 通用电气公司 增材制造方法和设备
DE102016114848A1 (de) * 2015-08-25 2017-03-02 Cl Schutzrechtsverwaltungs Gmbh Verfahren zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts
JP6690939B2 (ja) * 2015-12-28 2020-04-28 ローランドディー．ジー．株式会社 三次元造形装置および三次元造形方法
CN108367494A (zh) * 2016-02-26 2018-08-03 惠普发展公司有限责任合伙企业 三维(3d)打印
DE102016204905A1 (de) * 2016-03-23 2017-09-28 Eos Gmbh Electro Optical Systems Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
US20170326816A1 (en) * 2016-05-13 2017-11-16 Board Of Regents, The University Of Texas System Systems and methods for volumetric powder bed fusion
CN109014046A (zh) * 2018-08-01 2018-12-18 西安交通大学 一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法
CN208841855U (zh) * 2018-08-14 2019-05-10 无锡市交大增智增材制造技术研究院有限公司 一种新型3d打印机运动平台

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2933956A1 (de) * 1979-08-22 1981-03-12 Helmut 6000 Frankfurt Hoedt Verfahren und vorrichtung zur herstellung von formkoerpern aus mineralischen bestandteilen und haertbaren organischen bindemitteln.
US5837373A (en) * 1995-04-28 1998-11-17 General Motors Corporation Sand mold member and method
US6376148B1 (en) * 2001-01-17 2002-04-23 Nanotek Instruments, Inc. Layer manufacturing using electrostatic imaging and lamination
US20180264753A1 (en) * 2016-01-29 2018-09-20 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three-dimensional (3d) printing composite build material composition
DE102018200588A1 (de) * 2018-01-15 2019-07-18 Albert Handtmann Metallgusswerk Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Sandbauteilen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113400649A (zh) * 2021-06-30 2021-09-17 山东威高骨科材料股份有限公司 一种解决3d打印peek材料零件热变形的方法
CN113400649B (zh) * 2021-06-30 2023-07-04 山东威高骨科材料股份有限公司 一种解决3d打印peek材料零件热变形的方法
EP4406677A1 (de) * 2023-01-27 2024-07-31 Goodrich Corporation Endnahe herstellung von komponenten mit komplexer konfiguration

Also Published As

Publication number Publication date
US20240100588A1 (en) 2024-03-28
DE102019127191A1 (de) 2021-04-15
EP4041476A1 (de) 2022-08-17
CN114599626A (zh) 2022-06-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008022946B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Aufbringen von Pulvern oder Pasten
EP2714354B1 (de) Verfahren zum herstellen eines formkörpers sowie vorrichtung
EP1517779B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum herstellen von dreidimensionalen objekten mittels eines generativen fertigungsverfahrens
EP3074208B1 (de) 3d-druckverfahren mit schlicker
EP0759848B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen objektes mittels lasersintern
DE19853834A1 (de) Verfahren zum Herstellen von Bauteilen durch Auftragstechnik
DE102012109262A1 (de) Verfahren zur Stabilisierung eines Pulverbetts mittels Unterdruck für die additive Fertigung
WO2014012764A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum schichtweisen herstellen eines dreidimensionalen objekts
AT515138A1 (de) Vorrichtung zum Verarbeiten von photopolymerisierbarem Material zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers
DE102014201818A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur verbesserten Steuerung des Energieeintrags in einem generativen Schichtbauverfahren
DE102016209933A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
EP3275654A1 (de) Beschichtungseinheit, beschichtungsverfahren, vorrichtung und verfahren zum generativen herstellen eines dreidimensionalen objekts
DE102013224693A1 (de) Verfahren zur beschleunigten Herstellung von Objekten mittels generativer Fertigung
DE102010045850A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Bauelementes
EP4041476A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von dreidimensionalen gegenständen
WO2016124502A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur additiven herstellung von bauteilen
DE102015213140A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
EP0737130B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objektes
DE2933956A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung von formkoerpern aus mineralischen bestandteilen und haertbaren organischen bindemitteln.
DE102017207764A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer dreidimensionalen Verbundstruktur nach einem Druckverfahren
EP3774289B1 (de) Verfahren und anordnung zur kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen generativen fertigung von bauteilen
EP4188680A1 (de) Verfahren zum herstellen eines 3d-formkörpers sowie vorrichtung unter verwendung einer siebplatte
DE102017126274B4 (de) Schlickerauftragseinheit und Verfahren zum Schichtauftrag für die schlickerbasierte additive Fertigung
EP2081744B1 (de) Verfahren zur herstellung eines keramischen formkörpers
WO2020030619A1 (de) Materialsystem sowie verfahren zur herstellung eines bauteils in einem additiven fertigungsverfahren

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20797675

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 17767498

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020797675

Country of ref document: EP

Effective date: 20220509