DE102011108514A1 - Vorrichtung zur thermischen Nachbehandlung von Formelementen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Nachbehandlung von Formelementen, die zu einem nicht vollständig ausgehärteten, dreidimensionalen Objekt ausgestaltet wurden und die in einem gasdurchlässigen Schüttgut eingebettet sind und die durch Wärme ausgehärtet werden. Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesbezügliche Vorrichtung zu schaffen, mit der eine thermische Isolation im Schüttgut verhindert oder zumindest wesentlich vermindert wird und die eine Messung der Temperatur im Formelement auch außerhalb des Formelementes ermöglicht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einem Behälter (1) ein Formelement (3) in einem gasdurchlässigen Schüttgut (2) eingebettet ist und dem Behälter (1) über Leitungen (5) eine Heizung (6) zugeordnet ist, die mit einem Gebläse (4) einen Konvektionswärmeträger (7) durch das Schüttgut (2) leitet und damit das Formelement (3) aufheizt und die Abluft (8) die aus dem Formelement (3) und der Schüttung (2) entweicht die Information über die Temperatur im inneren des Formelementes nach außen trägt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Nachbehandlung von Formelementen, die zu einem nicht vollständig ausgehärteten, dreidimensionalen Objekt ausgestaltet wurden und die in einem gasdurchlässigen Schüttgut eingebettet sind und die durch Wärme ausgehärtet werden.
• Für die Herstellung verschiedenartiger Objekte mit geometrisch komplizierten Konturen werden zunehmend generative Fertigungsverfahren eingesetzt, beispielsweise die Stereolithographie, das Fused Deposition Modeling (FDM), das Selective Mask Sintering (SMS), das Lasersintern und das 3D-Printen.
• WO 92/11 577 A1 und DE 44 14 775 A1 beschreiben entsprechende Technologien unter Anwendung der Stereolithographie. Hierbei werden die dreidimensionalen Objekte durch lokal begrenzte chemische Reaktionen erzeugt, indem flüssige Monomere oder Oligomere durch Beaufschlagung mit UV-Strahlung zu einem festen Polymer vernetzt werden. Der Aufbau dieser Objekte erfolgt schichtweise. Sobald eine Schicht photochemisch erzeugt und auspolymerisiert ist, wird neues flüssiges Material auf diese Schicht aufgetragen und nachfolgend ebenfalls auspolymerisiert, so dass eine weitere Schicht entsteht.
• Aus DE 10 2004 012 682 A1 ist eine Anlage für das Lasersintern bekannt. Ein 3D-CAD-File wird durch Schneiden in dünne Schichten mit einer Dicke von typischerweise 0,10 mm bis 0,15 mm in ein 2D-File überführt und danach dem Prozessrechner übermittelt. Dieser steuert eine IR-Strahlung, die mittels eines Systems aus optischen Linsen und Spiegeln die Oberfläche einer Pulverschicht je nach Kontur der 2D-Daten abscannt. Das Pulver wird dabei punktgenau in einer Schicht versintert. Nachdem eine Schicht bearbeitet ist, wird die Bauplattform entsprechend der gewählten Schichtdicke abgesenkt und eine neue Schicht Pulver wird aufgetragen. Somit wird ein dreidimensionales Objekt schichtweise generiert.
• Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung von Verfahrensablauf und Gerätetechnik haben sich derartige thermische generative Verfahren grundsätzlich bewährt. Nachdem die Anwendung der Verfahren zunächst weitgehend auf eine Herstellung von Prototypen im Entwicklungsprozess beschränkt war, wird diese Technik bereits auch teilweise für eine Serienfertigung von Erzeugnissen kleiner und mittlerer Stückzahlen eingesetzt. Somit können im Vergleich zu konventionellen Verfahren kürzere Entwicklungszyklen, schnellere Produkteinführungszeiten und eine oftmals bessere Qualität der jeweiligen Erzeugnisse erreicht werden.
• Eine diesbezüglich interessante Anwendung für das Lasersintern und das 3D-Drucken sind Verfahren zur Herstellung von Formen für Kerne für den Gießereieinsatz. Ein für diese Nutzung geeigneter Formstoff ist ein Phenolharz gebundener Sand. Ein Formstoff ist beispielsweise unter der Bezeichnung „Croning”^® bekannt. Die Phenolharz gebundenen Formstoffe zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit aus und sind heißhärtend.
• Beim Lasersintern wird das jeweilige Objekt erzeugt, indem eine Bauplattform in mehreren Schritten jeweils mit frischem Formstoff beschichtet wird, wobei die oberste Schicht durch Laserbelichtung selektiv verfestigt und gleichzeitig selektiv mit der darunter liegenden Formstoffschicht verbunden wird. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis ein Segment, eine Schale, eine Maske oder ein anderes dreidimensionales Teil einer Form oder eines Kernes vorliegt. Dieses dreidimensionale Objekt kann somit zeit- und kostensparend erzeugt werden und ist für einen Abguss der für Sandguss üblichen Legierungen geeignet. Dabei wird eine mit Serienteilen vergleichbare Qualität erreicht.
• Das Aushärten solcher lasergesinterten Formelemente erfolgt in widerstandsbeheizten Umluftöfen, in denen die Formelemente in einem Kugelbett gelagert werden, für das überwiegend Glaskugeln verwendet werden. Diese Glaskugeln haben untereinander eine lediglich punktförmige Berührung. Außerdem verbleibt die Luft in den Zwischenräumen zwischen den Glaskugeln in einem statischen Zustand. Diese beiden Aspekte bewirken eine hohe thermische Isolation für das gesamte Glaskugelbett. Demzufolge erreichen die Formelemente erst nach einem erheblichen Zeitraum die angestrebten Solltemperaturen.
• In diesem Zusammenhang haben Untersuchungen der Anmelderin ergeben, dass für eine konkrete Versuchsdurchführung die Formelemente erst nach etwa 16 Stunden die angestrebte Solltemperatur erreichen. Neben dieser sehr langen Aushärtezeit wurde auch ein nachteiliger Verzug der Formelemente festgestellt. Der im Temperaturbereich von 70°C bis 140°C bestehende plastische Zustand wurde dabei erst nach mehr als fünf Stunden überwunden.
• Außerdem haben die Untersuchungen der Anmelderin gezeigt, dass bei üblicher Erwärmung die Temperaturen im Formelement nicht mit den Temperaturen in der Umgebung übereinstimmen, also nicht bekannt sind, wenn nicht direkt im Formelement gemessen wird. Die Platzierung von Thermoelementen direkt im Formelement ist umständlich und teuer.
• Beim 3D-Printen wird das jeweilige Objekt erzeugt, indem eine Bauplattform in mehreren Schritten jeweils mit frischem Formstoff beschichtet wird, wobei die oberste Schicht durch Bedrucken mit mindestens einer Komponente eines Bindersystems selektiv verfestigt und gleichzeitig selektiv mit der darunter liegenden Formstoffschicht verbunden wird. Eine solche Anlage ist beispielsweise in EP 0882 568 B1 und EP 01 268 165 B1 beschrieben. Wird dabei ein kalthärtender Formstoff (z. B. Furanharz) verwendet, kann das Objekt aus der Anlage entnommen werden. Wird dabei ein heißhärtender Formstoff verwendet, um z. B. eine höhere Festigkeit im Formelement zu erreichen, muss das Formelement innerhalb der Stützstruktur erwärmt werden. Das als Stütze wirkende Schüttgut, in dem das noch nicht vollständig ausgehärtete Formelement eingebettet ist, wirkt als thermischer Isolator.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur thermischen Nachbehandlung von heißhärtenden Formelementen zu schaffen, mit der eine thermische Isolation durch das Schüttgut verhindert oder zumindest wesentlich vermindert wird. Dadurch sollen insbesondere die Aushärtezeit und Verformungen reduziert werden, die Aushärtung beschleunigt werden, die Aushärtung und die Temperaturverteilung vergleichmäßigt werden und die Aushärtung und der zeitliche Temperatur gut regelbar erfolgen.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Wärmequelle mit einem Behälter mittels einer Fördereinrichtung in Wirkverbindung steht, so dass heißes Fluid durch den Behälter gefördert wird und die Wärme mittels Wärmekonvektion mit dem Fluid direkt an das heißhärtende Formelement herangeführt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren technische Merkmale im Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
• Die Vorrichtung kann für die thermische Nachbehandlung verschiedenartiger Objekte verwendet werden, die mit generativen Fertigungsmethoden erzeugt worden sind. Eine bevorzugte Anwendung ist das Aushärten von lasergesinterten Formelementen (z. B. aus dem unter der Bezeichnung „Croning”^® bekannten Werkstoff) in widerstandsbeheizten Umluftöfen. Eine weitere bevorzugte Anwendung ist das Aushärten von 3D-gedruckten Formelementen mit heißhärtendem Phenolharzbinder in der aus dem Printer entnommenen Jobbox durch Zuführung von Heißgas.
• Durch Anwendung dieser Vorrichtung kann die isolierende Wirkung des Schüttgutes wesentlich reduziert werden. So haben Untersuchungen der Anmelderin ergeben, dass mit der erfindungsgemäß geänderten Wärmezufuhr bereits nach zwei Stunden die plastische Phase überwunden und die Solltemperatur im Formelement erreicht wird. Eine Ausführungsform nutzt einen Behälter, der auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit gasdurchlässigen Wänden ausgestattet und ansonsten im Wesentlichen gasdicht ist. Die gasdurchlässigen Wände des Behälters werden mit Leitungen mit einer Wärmequelle, z. B. gasbeheizt, verbunden. Ein Gebläse drückt oder saugt das Heißgas durch den Behälter hindurch.
• Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Temperatur im Formelement indirekt über die Temperatur des Konvektionswärmeträgers gemessen werden. Durch die niedrige Wärmekapazität des Konvektionswärmeträgers und die große Oberfläche im Porenraum von Schüttgut und Formelement nimmt der Konvektionswärmeträger auf der Abluft-Seite in etwa die Temperatur von Schüttgut und Formelement an. Durch die ständige Durchströmung von Schüttgut und Formelement wird eine sehr gleichmäßige Temperatur im gesamten Behälter erreicht. Das verringert unterschiedliche Wärmedehnung und verhindert oder verringert zumindest den Verzug des aushärtenden Formelements. Außerdem haben Untersuchungen der Anmelderin ergeben, dass mit der erfindungsgemäß geänderten Wärmezufuhr die Temperaturdifferenz zwischen Formelement und Umgebung um mehr als eine Zehnerpotenz verringert werden kann, so dass die Temperatur außerhalb des Formelements gemessen werden kann.
• Eine alternative Ausführungsform nutzt aufgeprägte Druckschwingungen in einem Umluftofen, die zwangsläufig einen ständigen Gastransport im Schüttgut und im porösen Formstoff bewirken. Dabei wird durch die pulsierende Fahrweise des Anlagendruckes Gas durch das Schüttgut und durch den porösen Formstoff hindurch gefördert, wodurch die Isolationswirkung des Schüttgutes weitgehend überwunden wird. Diese Verminderung der isolierenden Wirkung ermöglicht einen besseren Wärmeaustausch, wodurch letztlich eine kürzere Aushärtezeit und eine höhere Maßhaltigkeit der Formelemente erreicht werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
• 1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
• 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer modifizierten Ausgestaltung mit Abwärme Nutzung
• 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer modifizierten Ausgestaltung mit Ofen
• 1 zeigt eine Ausführung, mit der grundsätzlichen Funktionsweise. In einem Behälter (1) befindet sich ein Schüttgut (2) in dem ein Formelement (3) eingebettet ist. Ein Gebläse (4) fördert über Leitungen (5) durch eine Heizung (6) einen Konvektionswärmeträger (7) der den Behälter (2) mit zwei gasdurchlässigen Wänden als Reaktionsgas-Abluft (8) verlässt und/oder dem Behälter (2) als Reaktionsgas-Zuluft (9) zugeführt wird. Eine Temperaturmessung (10) ermittelt über den Konvektionswärmeträger (7) die Temperatur des Formelementes (3). Das Messsignal der Temperaturmessung (10) wird an eine Regeleinrichtung (11) geleitet, die das Gebläse (4) und/oder die Heizung (6) regelt. Bei Bedarf kann der Vorrichtung Frischgas (13) zugeführt und/oder Abgas (14) entzogen werden.
• 2 betrifft eine Ausführung, bei welcher die Heizung (6) eine Abwärmequelle ist. Der Behälter (1) ist mit einer Isolierung (15) versehen und wird auf die Leitung (5) aufgesetzt. Die eine gasdurchlässige Wand (12) ist der Behälterboden. Die andere gasdurchlässige Wand entfällt, da die Schwerkraft das gasdurchlässige Schüttgut im Behälter (1) hält und der Konvektionswärmeträger (7) aus dem Behälter (1) nach oben entweichen kann.
• 3 betrifft eine Ausführung, bei welcher die Heizung (6) in einem Ofen mit Isolierung (15) ist. Die Leitung (5) ist eine druckdichte Einhausung und das Gebläse (4) erzeugt zeitlich veränderten Druck in der Einhausung (5). Das Gebläse (4) ist eine bewegliche Trennwand, die den Ofen in zwei Kammern teilt. Der Konvektionswärmeträger (7) wird durch das Gebläse (4) komprimiert (rechte Seite der Abbildung). Infolge der Einhausung (5) kann der Konvektionswärmeträger (7) nicht entweichen und wird durch das gasdurchlässige Schüttgut (2) und in dieses hinein geleitet. So wird die Wärme von der Heizung (6) zum Formelement (3) transportiert. Im anderen Teil des zeitlichen Zykluses (dargestellt auf der linken Seite) wird der Konvektionswärmeträger (7) durch das Gebläse (4) entspannt und als Reaktionsgase/Abluft (8) aus der gasdurchlässigen Schüttgut (2) abgesaugt, so dass danach neues Reaktionsgase/Zuluft (9) wärme zum Formelement (3) transportieren kann. Der Behälter (1) kann oben offen sein und benötigt keine gasdurchlässige Wand, kann aber auch komplett aus gasdurchlässigen Wänden bestehen.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ohne Abbildung sind im Folgenden beschrieben.
• Durch die Temperaturmessung (10) des Reaktionsgases/Abluft (8) wird die Temperatur des Formelementes (3) als Signal einer Regeleinrichtung (11) zugeführt, die das Gebläse (4) und/oder die Heizung (6) so regelt, dass durch anfängliche Überhitzung die Aufheizzeit minimiert wird, bei Erreichen der Aushärte-Solltemperatur im Formelement (3) gehalten wird und nach ausreichender Aushärtezeit die Fertigstellung anzeigt werden kann.
• Wenn das Formelement (3) eine ausreichende Grünfestigkeit aufweist, dass es aus der Jobbox einer Vorrichtung, die schichtweise dreidimensionale Formelemente ohne Formwerkzeug herstellt, entnommen werden kann, wird als gasdurchlässiges Schüttgut (2) vorzugsweise eine Schüttung aus Kugeln gleichen Durchmessers verwendet und das Formelement (3) darin eingebettet.
• Unabhängig von der jeweils konkreten Ausgestaltung werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Zeit zum Aufheizen sowie der Verzug des Formelements deutlich verringert und die Temperatur im Formelement wird regelbar, ohne dass eine Messstelle im Formelement angebracht wird.
• Bezugszeichenliste

1

Behälter

2

gasdurchlässiges Schüttgut

3

Formelement

4

Gebläse

5

Leitungen/Einhausungen

6

Heizung

7

Konvektionswärmeträger z. B. Heißgas

8

Reaktionsgase/Abluft

9

Reaktionsgase/Zuluft

10

Temperaturmessung

11

Regeleinrichtung

12

gasdurchlässige Wand

13

Frischgas

14

Abgas

15

Isolierung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 92/11577 A1 [0003]
• DE 4414775 A1 [0003]
• DE 102004012682 A1 [0004]
• EP 0882568 B1 [0011]
• EP 01268165 B1 [0011]

Claims (5)

1. Vorrichtung zur thermischen Nachbehandlung von Formelementen, die mittels 3D-aufbauender Verfahren hergestellt wurden und aus einem heiß aushärtbaren Formstoff zu einem dreidimensionalen Objekt ausgestaltet und in einem Schüttgut eingebettet ausgehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Behälter (1) ein Formelement (3) in einem gasdurchlässigen, thermisch nicht aushärtenden Schüttgut (2) eingebettet ist und dem Behälter (1) über Leitungen/Einhausungen (5) eine Heizung (6) zugeordnet ist, die mit einem Gebläse (4) einen Konvektionswärmeträger (7) durch das Schüttgut (2) leitet und damit das Formelement (3) aufheizt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (3) aus einem heißhärtenden Formstoff, vorzugsweise aus einem mineralischen Sand als Grundmasse und einem Phenolharz als Binder besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) zwei gasdurchlässige Wände (12) hat, die vorzugsweise senkrecht zur kleinsten Behälterabmessung liegen, wobei die obere Wand entfallen kann, wenn die andere gasdurchlässige Wand der Behälterboden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) die Jobbox einer Vorrichtung ist, die schichtweise dreidimensionale Formelemente ohne Formwerkzeug herstellt, und das gasdurchlässige Schüttgut (2) der nicht aushärtbare Anteil des Formstoffs ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsgase/Abluft (8) bzw. der Konvektionswärmeträger (7) die Information über die Temperatur im Formelement (3) zu einer Temperaturmessung (10) tragen, deren Signal einer Regeleinrichtung (11) zugeführt wird, die das Gebläse (4) und/oder die Heizung (6) regelt.

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