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DE102020131832A1 - Verfahren zur Herstellung von Gussformen oder Gusskernen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Gussformen oder Gusskernen Download PDF

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DE102020131832A1
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Germany
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molding material
plasma
binder
plasma treatment
printing device
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102020131832.4A
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English (en)
Inventor
Daniel Jüngst
Marco Sode
Jakob Glück
Andreas Schilling
Martin Fehlbier
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Universitaet Kassel Koerperschaft Des Oeffent De
Original Assignee
Universitaet Kassel
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Publication date
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Gussformen oder Gusskernen aus einem granularen Formstoff (1) mittels 3D-Druck, wobei dem Formstoff (1) schichtweise und selektiv ein Binder (2) zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird vor dem Zuführen des Binders (2) eine Plasmabehandlung des Formstoffes (1) zur Oberflächenaktivierung durchgeführt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussformen oder Gusskernen aus einem granularen Formstoff mittels 3D-Druck, wobei dem Formstoff schichtweise und selektiv ein Binder zugeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende 3D-Druckvorrichtung.
  • STAND DER TECHNIK
  • Beim Sandform- oder Sandgussverfahren zur Herstellung von metallischen Gussteilen werden Gussformen und/oder Gusskerne aus einem granularen Formstoff („Sand“) verwendet, welche nach dem Prinzip der verlorenen Form für typischerweise nur einen einzigen Gießvorgang oder eine kleine Anzahl an Gießvorgängen eingesetzt werden. Zur Herstellung der Sandform wird traditionell ein Gießereimodell in dem Formstoff abgeformt, wobei die rheologischen Eigenschaften des Formstoffes durch Zugabe eines Binders zweckmäßig ausgebildet werden.
  • Als Formstoff dient häufig natürlicher Quarzsand, welcher aufgrund seiner reichlichen Verfügbarkeit besonders kostengünstig ist. Die Eignung von natürlichem Quarzsand für Gussformen ist beispielsweise begrenzt durch sein unstetiges thermisches Ausdehnungsverhalten (Volumensprung beim Phasenübergang zwischen Tief- und Hochquarz) oder seine durch die Gestalt der Sandkörner und die Sieblinie bestimmten rheologischen Eigenschaften. Daher werden je nach konkretem Anwendungsfall alternative Formstoffe mit optimierten Eigenschaften eingesetzt, insbesondere synthetische Sande aus granularen Keramikwerkstoffen.
  • Als Binder werden vorwiegend Furanharze eingesetzt, des Weiteren Phenolharze oder anorganische Alkalisilikate (Wasserglas). Letztere zeichnen sich durch eine besondere Umweltverträglichkeit aus, da sie im Gegensatz zu den organischen Bindern keine COx-Emissionen beim Gießvorgang freisetzen.
  • Zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Körner des Formstoffes und zur Verbesserung der Haftung des Binders werden dem Formstoff zudem oftmals noch Zusatzstoffe in Form von chemischen Haftvermittlern und Aktivatoren zugesetzt. Beispielsweise ist die Kompatibilität zahlreicher synthetischer Sande mit Furanharzen sehr gering, so dass die Zugabe von Zusatzstoffen notwendig ist, um einen ausreichend festen Verbund aus dem Formstoff-Binder-Gemisch zu erhalten.
  • Im Stand der Technik werden Formen und Kerne für das Sandgussverfahren aus den vorgenannten Bestandteilen auch mittels des additiven Fertigungsverfahrens des 3D-Druckes (vgl. VDI-Richtlinie 3405) hergestellt, dem sogenannten Binder Jetting, bei dem der pulverförmige Formstoff als Ausgangsmaterial mithilfe des zugeführten Binders schichtweise und selektiv verklebt wird. Dabei wird der Binder mittels eines verfahrbaren Druckkopfes lokal auf die Oberfläche des Formstoffes bzw. des Formstoff-Zusatzstoff-Gemisches appliziert. Um die Förderbarkeit des Binders in diesem Prozess zu gewährleisten, muss die Viskosität des Binders typischerweise herabgesetzt werden. Dies hat den Nachteil, dass der niedrig-viskose Binder auf der Formstoffoberfläche verläuft und somit Bereiche außerhalb des von dem Druckkopf adressierten „Pixels“ verklebt, wodurch die Konturenschärfe und die Maßhaltigkeit der gefertigten Formen und Kerne verringert wird. Des Weiteren wird dabei auch die erzielbare Festigkeit des Verbundes herabgesetzt.
  • Zur Minderung dieser Effekte werden vor dem 3D-Druck entsprechende Mengen an Zusatzstoffen zur Aktivierung der Oberflächen der Formstoffkörner und zur beschleunigten Aushärtereaktion mit dem Binder in den Formstoff eingebracht. Der derart „aktivierte“ Formstoff ist nur teilweise wiederverwendbar und kann einen Anteil von maximal 30-50% des Formstoffes einer nachfolgenden Füllung der 3D-Druckvorrichtung bilden, so dass ein nachteilig hoher Ressourcenverbrauch vorliegt.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gussformen oder Gusskernen aus einem granularen Formstoff mittels 3D-Druck vorzuschlagen, welche die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren und einer 3D-Druckvorrichtung gemäß der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die technische Lehre der Erfindung offenbart, dass vor dem Zuführen des Binders eine Plasmabehandlung des Formstoffes zur Oberflächenaktivierung durchgeführt wird.
  • Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, die Benetzbarkeit der Oberflächen der Formstoffkörner sowie deren Bindungsaffinität mit dem Binder mittels der Plasmabehandlung zu erhöhen, so dass Maßhaltigkeit und Festigkeit der gefertigten Gussformen und Gusskerne signifikant verbessert werden und insbesondere auf den Einsatz von Zusatzstoffen in Form von Haftvermittlern und Aktivatoren verzichtet werden kann.
  • Die Plasmabehandlung erzeugt durch Wechselwirkung der Plasmaspezies, insbesondere ionisierter Moleküle und Radikale, mit dem Formstoff eine temporär chemisch reaktive Oberfläche. Wird der Formstoff beispielsweise mit einem Luftplasma behandelt, so werden in erster Linie sauerstoffhaltige Gruppen, wie Hydroxyl-, Carbonyl- oder Carboxylgruppen, an die Oberflächen der Formstoffkörner angebunden, welche dadurch einen polaren und reaktionsfreudigen Charakter gewinnen. Durch die Einwirkung des Plasmas werden somit die Oberflächenenergie und die Benetzbarkeit erhöht, und die Haftungseigenschaften für den Binder werden verbessert.
  • In vorteilhafter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Plasmabehandlung des Formstoffes schichtweise und selektiv durchgeführt und kann insbesondere zeitlich und örtlich korreliert mit dem Zuführen des Binders erfolgen. Die Plasmabehandlung erfolgt vorzugsweise also als ein mit dem 3D-Druck synchronisierter und diesem unmittelbar vorangehender Prozess, wobei sukzessive kleinteilige Formstoffvolumina plasmabehandelt werden, welche zur nachfolgenden Zufuhr von Binder vorgesehen sind. Dadurch wird gewährleistet, dass der Binder stets auf eine frisch aktivierte Formstoffoberfläche appliziert wird. Alternativ wäre erfindungsgemäß auch eine Plasmabehandlung des gesamten als Ausgangsmaterial verwendeten Formstoffes oder zumindest eine schichtweise vollflächige Plasmabehandlung durchführbar, was nachteiligerweise jedoch mit einer potentiellen Degradation des Oberflächenaktivierungsgrades vor dem Applizieren des Binders einhergehen könnte, sowie mit einem unverhältnismäßig hohen Energiebedarf der Plasmabehandlung.
  • Beispielsweise wird die Plasmabehandlung des Formstoffes mit einem LuftPlasma, einem Sauerstoff-Plasma, einem Stickstoff-Plasma oder einem Ammoniak-Plasma durchgeführt. Beim Einsatz von (gereinigter und getrockneter) Umgebungsluft oder reinem Sauerstoff als Plasmagase werden vorwiegend Hydroxyl-, Carboxyl-, Carbonyl- oder Peroxid-Gruppen auf den Oberflächen der behandelten Formstoffkörner gebildet. Wird hingegen Stickstoff oder Ammoniak verwendet, so führt das zur Bildung von Amin- oder Imin-Gruppen, welche für bestimmte Binder ebenfalls interessant sein können.
  • Vorzugsweise wird die Plasmabehandlung des Formstoffes mit einem Atmosphärendruck-Plasma durchgeführt. Im Vergleich zu einer Behandlung mit einem Niederdruck-Plasma ist der dazu notwendige apparative Aufwand gering, da keine evakuierbare Reaktionskammer um die verwendete 3D-Druckvorrichtung herum aufgebaut werden muss.
  • Sämtliche aus Verfahren nach dem Stand der Technik verwendeten Formstoffe und Binder können auch zur Herstellung von Gussformen oder Gusskernen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Beispielsweise wird der Formstoff als ein natürlicher Quarzsand, ein Schamott, ein Chromit, ein Olivin, ein synthetischer Keramikwerkstoff oder als ein Gemisch daraus ausgewählt. Ein Beispiel eines gebräuchlichen Formstoffes aus synthetischem Keramikwerkstoff stellt der unter dem Markennamen CERABEADS vertriebene künstliche Sand aus einem Al2O3 / SiO2 Gemisch dar. Der Binder wird etwa als ein Furanharz, ein Phenolharz oder ein Alkalisilikat ausgewählt.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung eine 3D-Druckvorrichtung zur Herstellung von Gussformen oder Gusskernen aus einem granularen Formstoff, wobei die 3D-Druckvorrichtung wenigstens umfasst:
    • - eine Arbeitsplattform,
    • - eine Dosiereinheit zum schichtweisen Auftragen des Formstoffes auf die Arbeitsplattform, und
    • - einen verfahrbaren Druckkopf zum selektiven Zuführen eines Binders zu dem Formstoff auf der Arbeitsplattform,
    wobei die 3D-Druckvorrichtung zudem eine Plasmadüse zur Plasmabehandlung des Formstoffes umfasst.
  • Der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung entspricht also einer 3D-Druckvorrichtung aus dem Stand der Technik, worin typischerweise die Arbeitsplattform höhenverstellbar ist und beim Druckprozess sukzessive schichtweise abgesenkt wird, und wobei die Dosiereinheit beispielsweise nach dem Prinzip einer Rakel arbeitet. Erfindungsgemäß wir eine solche 3D-Druckvorrichtung um eine Plasmadüse zur Plasmabehandlung des Formstoffes erweitert. Die Plasmadüse umfasst dabei sämtliche Komponenten zur Erzeugung und zielgerichteten Ausbringung eines Plasmas, d.h. insbesondere eine geeignete Elektrodenanordnung mit Hochspannungsversorgung, eine Prozessgasversorgung und eine Austrittsdüse zum Ausblasen des Plasmas.
  • In vorteilhafter Ausführungsform der 3D-Druckvorrichtung ist die Plasmadüse an dem Druckkopf angeordnet und gemeinsam mit diesem verfahrbar. Beim Herstellungsprozess fährt die Plasmadüse dem Druckkopf voraus und führt die erfindungsgemäße Oberflächenaktivierung mittels Plasmabehandlung an den nachfolgend mit dem Druckkopf „bedruckten“, d.h. mit Binder beaufschlagten, Bereichen des Formstoffes durch. Vorzugsweise umfasst die 3D-Druckvorrichtung dazu eine Steuereinheit, welche zur Steuerung der Plasmabehandlung des Formstoffes in zeitlicher und örtlicher Korrelation mit dem Zuführen des Binders ausgebildet ist. Die Steuerung der Plasmabehandlung sowie des Druckkopfes basiert auf dem in der Steuereinheit hinterlegten digitalen Modell der herzustellenden Gussform bzw. des Gusskerns.
  • Figurenliste
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
    • 2 eine quergeschnittene Teilansicht zur 1.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung 100 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und 2 zeigt eine dazugehörige Teilansicht als Querschnitt in der y-z-Ebene.
  • Die 3D-Druckvorrichtung 100 umfasst den Druckkopf 20 und die daran angeordnete Plasmadüse 30, welche gemeinsam entlang der horizontalen y-Richtung verfahrbar an der Traverse 60 aufgenommen sind, wobei die Traverse 60 in der horizontalen x-Richtung verfahrbar ausgebildet ist. Der Druckkopf 20 und die Plasmadüse 30 sind in einem vertikalen Abstand oberhalb der Arbeitsplattform 10 gehalten, welcher einem geeigneten Arbeitsabstand zur Zufuhr des Binders 2 bzw. zur Behandlung mit dem Plasma 3 des auf der Arbeitsplattform 10 aufliegenden granulären Formstoffes 1 entspricht. Durch horizontales Verfahren des Druckkopfes 20 samt Plasmadüse 30 und der Traverse 60 kann rasterweise und selektiv jeder Bereich der Oberfläche des Formstoffes 1 adressiert und behandelt werden. Durch sukzessives Absenken der Arbeitsplattform 10 um je die Dicke der aktiven Schicht I entsteht aus der Gesamtheit der bedruckten Schichten II schichtweise die gewünschte Gussform. Dabei muss die Verfahrrichtung entlang der y-Richtung so gewählt sein, dass die Plasmadüse 30 während der Plasmabehandlung dem Druckkopf 20 voranfährt, so dass der Binder 2 stets frisch aktiviertem Formstoff 1 zugeführt wird. Das dabei gebildete Formstoff-Binder-Gemisch 12 zeichnet sich dank der erfindungsgemäßen Plasmabehandlung durch eine starke Wechselwirkung der aktivierten Oberflächen des Formstoffes 1 mit dem Binder 2 aus, was letztlich zur Bildung von scharf konturierten und festen Gussformen bzw. Gusskernen führt.
  • Die Steuerung der Plasmabehandlung des Formstoffes 1 in zeitlicher und räumlicher Korrelation mit dem Zuführen des Binders 2 wird durch die Steuereinheit 40 ausgeführt, welche auf hier nicht gezeigte Weise mit der Plasmadüse 30 und/oder dem Druckkopf 20 verbunden ist, beispielsweise über die Zuleitungen 50, welche weiterhin der Spannungsversorgung sowie der Zufuhr der diversen Prozessmedien dienen.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen oder Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Formstoff
    2
    Binder
    12
    Formstoff-Binder-Gemisch
    3
    Plasma
    100
    3D-Druckvorrichtung
    10
    Arbeitsplattform
    20
    Druckkopf
    30
    Plasmadüse
    40
    Steuereinheit
    50
    Zuleitung
    60
    Traverse
    I
    aktive Schicht
    11
    bedruckte Schichten
    x, y
    horizontale Richtung
    z
    vertikale Richtung

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von Gussformen oder Gusskernen aus einem granularen Formstoff (1) mittels 3D-Druck, wobei dem Formstoff (1) schichtweise und selektiv ein Binder (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zuführen des Binders (2) eine Plasmabehandlung des Formstoffes (1) zur Oberflächenaktivierung durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung des Formstoffes (1) schichtweise und selektiv durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung des Formstoffes (1) zeitlich und örtlich korreliert mit dem Zuführen des Binders (2) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung des Formstoffes (1) mit einem LuftPlasma, einem Sauerstoff-Plasma, einem Stickstoff-Plasma oder einem Ammoniak-Plasma durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung des Formstoffes (1) mit einem Atmosphärendruck-Plasma (3) durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formstoff (1) als ein natürlicher Quarzsand, ein Schamott, ein Chromit, ein Olivin, ein synthetischer Keramikwerkstoff oder als ein Gemisch daraus ausgewählt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder (2) als ein Furanharz, ein Phenolharz oder ein Alkalisilikat ausgewählt wird.
  8. 3D-Druckvorrichtung (100) zur Herstellung von Gussformen oder Gusskernen aus einem granularen Formstoff (1), wobei die 3D-Druckvorrichtung wenigstens umfasst: - eine Arbeitsplattform (10), - eine Dosiereinheit zum schichtweisen Auftragen des Formstoffes (1) auf die Arbeitsplattform (10), und - einen verfahrbaren Druckkopf (20) zum selektiven Zuführen eines Binders (2) zu dem Formstoff (1) auf der Arbeitsplattform (10), dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druckvorrichtung (100) eine Plasmadüse (30) zur Plasmabehandlung des Formstoffes (1) umfasst.
  9. 3D-Druckvorrichtung (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadüse (30) an dem Druckkopf (20) angeordnet und gemeinsam mit diesem verfahrbar ist.
  10. 3D-Druckvorrichtung (100) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druckvorrichtung (100) eine Steuereinheit (40) umfasst, welche zur Steuerung der Plasmabehandlung des Formstoffes (1) in zeitlicher und örtlicher Korrelation mit dem Zuführen des Binders (2) ausgebildet ist.
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