用于生产三维物体的方法和设备与流程

1.本发明涉及一种用于尤其是通过创成式方法生产三维物体的方法和设备。本发明尤其涉及一种用于生产砂模和砂芯的方法和设备。


背景技术：

2.通过创成式生产方法，可以生产各种具有复杂几何形状的三维零件。
3.例如，在创成式生产中，三维工件是分层构建的。根据预设尺寸和形状(cad)，从一种或多种液体或固体材料在计算机控制下进行构建，并涉及物理或化学固化或熔化过程。用于创成式生产的典型材料是塑料、合成树脂、陶瓷和金属。创成式生产也被称为3d打印或增材制造。相应的设备被描述为3d打印机。
4.3d打印机被用于工业和研究。此外，在家庭和娱乐行业以及艺术领域也有应用。
5.voxeljet技术有限公司(https://www.voxeljet.com/de/anwendungen/sandguss/)提供用于生产金属铸造的砂模和砂芯的服务。这涉及石英砂被分层施加并选择性地被粘合到粘合剂上，直到获得所需的模具。根据要求和应用，可以在不同的粘合剂和砂之间进行选择，以便获得最佳铸造效果。
6.为了生产砂模，使用铸造中常用的粘合剂材料，诸如呋喃和酚醛树脂，或无机粘结剂材料。因此，即使是长4米、宽2米并且高1米的大型格式也是可能的。
7.在《manual of foundry practice》第153-158页“taschenbuch der giessereipraxis 2019”中描述了铸造实践中的创成式生产方法。为了使使用创成式方法从砂模或砂芯中生产砂成为可能，一方面提出了粘合剂喷射(具有粘合剂的粉状材料的3d打印)和多喷射建模(mdm)。两种方法都可以作为粉末床工艺来执行。然而，也可以通过固体自由成形制造(freiraumverfahren)来实施多喷射建模，其中砂和粘合剂的混合物被依次压入所需模具中。粘合剂喷射是一种创成式生产过程，其中液体粘合剂以有针对性的方式被施加到粉末层，以便与材料粘合。材料层的各部分通过这种方式被粘合，从而形成物体。粘合剂的喷涂类似于传统喷墨印刷工艺。对于粘合砂，各种粘合材料是已知的，诸如呋喃粘合剂、苯酚粘合剂、硅酸盐粘合剂或聚合物粘合剂。粘合剂材料的固化通过使用微波辐射加热来实现。
8.砂模和砂芯的创成式生产已被证明是非常成功的，因为一方面，它非常具有成本效益(没有模型成本、生产时间短、修改成本低)，模具可能具有任何所需的复杂性的结构而不会生成额外的成本，模具和芯是高质量的，并且可以被制成大尺寸和低公差。此外，昂贵且沉重的模具和芯可以通过加强件来稳定。
9.ep 3,266,815 a1公开了一种用于形成砂芯的辐射固化粘合剂材料。砂芯的固化在这里是由所谓的光化辐射生成，其中，辐射产生光化学效应。光化辐射是光学或uv领域中的典型的电磁辐射模式。
10.us 2018/0361618 a1公开了一种用于从粉状材料打印三维物体的方法，其中，添加了设计用于吸收电磁波的液体功能材料。液体功能材料包含铁磁性纳米颗粒，并且因此
能够生成60℃至2500℃的温度。通过这种方式，粉状材料(例如可以是二氧化硅)被熔化。能量通过微波或rf辐射被施加。
11.de 697 13 775第2部分中描述了一种混合烤炉和一种方法，在该方法中微波和rf辐射可以同时被施加到物体。


技术实现要素：

12.本发明基于这样的问题，即通过创成式过程创建用于生产三维物体的方法和设备，在创成式过程中粉状材料和粘合剂被依次施加，并且粘合剂通过电磁波被固化，其中，该方法特别适用于生产大规模三维物体或在广阔的处理区域中同时生产多个物体。
13.该问题由独立专利权利要求的主题解决。在相关从属权利要求中阐述了有利的发展。
14.根据本发明的方法是一种通过创成式过程生产三维物体的方法，在创成式过程中粉状材料和粘合剂被依次施加，并且粘合剂通过电磁波被固化，使得由粘合剂粘合的粉状材料形成三维物体。
15.该方法的特征在于rf辐射被用作电磁波。
16.由于rf辐射具有长波长，大量的粘合剂可能被辐射同时激活。在300mhz的频率处，波长约为1m。在德国通常用于工业应用的27.12mhz的频率处，波长约为11m。如果模制工具中形成驻波，则可以提供明显长于要生产的三维物体的尺寸的半波的波长。这样可以确保驻波的波节点位于生产三维物体的处理区域之外。通过这种方式，获得了三维物体的均匀固化。避免粘合剂可能会被破坏的局部过热和粘合剂未被充分激发的区域。另一方面，使用微波辐射存在的问题是，由于驻波情况下的短波长，某些区域仅受到轻微地刺激，因此粘合剂未固化并且粉状材料未粘合。为了能够生产尺寸高达3m且高质量的三维物体，建议使用频率不超过50mhz并且尤其是不超过40mhz的rf辐射。
17.rf辐射的使用也会影响粉状材料和粘合剂的完全渗透，使得三维物体可以被一次固化。如果粘合剂通过红外光被激发，则只能穿透粉状材料的表面区域。当使用红外光时，必须在每次施加一薄层粉状材料和粘合剂后，用红外光照射后者。这对于使用rf辐射是不必要的，因此该过程可以以更快的速度进行。
18.通过rf辐射进行的固化可以分段进行，或者三维物体也可以一次(一次性)全被固化。
19.待生产的物体的均匀和完全穿透一方面导致高质量，并且另一方面导致物体的快速生产，使得与传统方法相比生产成本可以显著降低。
20.三维物体的叠加生成优选地在连接到rf发生器的两个电容器板之间进行。通过这种方式，rf辐射可以被施加到尚未固化的三维物体，而无需移动后者。然而，在本发明的上下文中，原则上也可以在固化之前，将生成产生的三维物体移动到两个电容器板之间的区域内，通过该区域三维物体受到rf辐射。如果使用粉末床方法实现三维物体的创成式生产，其中粉状材料层彼此叠置，并且只有待固化的区域或部分设置有粘合剂，则优选地，整个层结构在两个电容器板之间的区域中被移动。固化后，将未设置有粘合剂的粉状材料从三维物体上去除。在固化之前，它用于支撑尚未固化的三维物体。
21.粉状材料优选地按层被施加，如从粉末床方法中已知的。原则上，在本发明范围
内，也可以在固体自由成形制造中压制粉状材料和粘合剂的粘性混合物。
22.该层优选地以不超过1mm并且尤其是不超过500μm以及尤其是不超过300μm的厚度被施加。所施加的层越薄，三维物体的轮廓越精细。各个层越薄，产生预定厚度的物体所需的层就越多。因此，生产具有较薄层的三维对象比具有较厚层的三维对象所需的时间更长。随着粉状材料的逐层施加，粘合剂仅被喷涂到预定区域内的层上以形成三维物体。
23.使用该方法，可以生产用于金属铸造的砂芯或砂模作为三维物体，其中砂作为粉状材料通过粘合剂粘合以形成三维物体。
24.用于生产砂芯或砂模的粉状材料是耐火的、颗粒状的模制基础材料，以下简称为“砂”。颗粒状耐火模制基础材料可以包括二氧化硅(石英砂)、金属氧化物、陶瓷材料、或者甚至是玻璃或其混合物。无论化学成分如何，这种颗粒状耐火模制基础材料被描述为砂。
25.合适的粘合剂可以是基于呋喃、苯酚、硅或聚合物的粘合剂。
26.砂芯或砂模也可以通过射入砂模中被制成。在这里，借助三维生成模制物体，通过rf辐射，以与上述相同的方式实现砂模的固化。
27.任何类型的三维物体都可以通过将粉状材料和粘合剂的混合物射入到模具中并通过rf辐射固化而制成。
28.不管主体的模制的性质如何，上述用于固化三维物体的益处都适用。具体地，通过rf辐射，一次固化是可能的，其中三维物体可以具有大的体积，例如至少0.01m3或至少0.1m3或甚至至少1m3。
29.然而，与通过rf辐射固化相结合的创成式生产是优选的，因为一方面，三维物体可以以任何所需的形式被制成，并且可以通过rf辐射固化快速、可靠和完全地以它们的形式固定。
30.电磁rf辐射优选地具有至少30khz或至少0.1mhz，尤其是至少1mhz或至少2mhz，优选地至少10mhz的频率。
31.电磁rf辐射优选地具有300mhz的最大频率。
32.本发明还涉及一种通过创成式方法生产三维物体的设备，包括：
[0033]-用于顺序施加粉状材料的施加设备
[0034]-用于施加粘合剂的施加设备
[0035]-用于生成rf辐射的rf发生器，以及
[0036]-两个电容器板，用于将rf辐射施加到所施加的粉状材料和粘合剂的混合物上。
[0037]
该设备可以具有形成在电容器板之间的处理区域，其中，设置有导电室壁以在施加rf辐射期间屏蔽该处理区域。通过这种方式，在处理区域提供了限定的rf辐射，并且环境不会受到电磁辐射的影响。
[0038]
用于粘合剂的施加的施加设备可以是喷雾嘴，或者是用于施加粉状材料和粘合剂的混合物的喷嘴。利用用于施加这种混合物的喷嘴，可以在固体自由成形制造方法中施加该混合物。
附图说明
[0039]
下面借助附图以示例的方式详细描述本发明。附图如下所示：
[0040]
图1：在透视剖视图中带有开放处理区域的粘合剂喷射设备，其中前部元件被切
掉，使得设备的重要部件可见，以及
[0041]
图2：图1的设备的剖视图，其中处理区域是封闭的，并且为了简化，省略了喷雾嘴及其定位设备连同施加设备的图像。
具体实施方式
[0042]
下面通过示例说明用于三维物体的创成式生产的设备1(图1和图2)。
[0043]
本实施例是所谓的具有粉末床进料的粘合剂喷射设备1，用于生产砂模和砂芯。粘合剂喷射设备1包括处理区域2，该处理区域2通过室壁3从外部密封。至少一个并且优选地所有室壁可以向上或向下被滑动或转动，使得处理区域2可以在一侧上被室壁3(图2)界定，并且在另一侧上室壁可以被移除，使得处理区域2至少可以从一侧自由接近。室壁3是导电的。处理区域2用作三维零件4(图2)的构建区域。
[0044]
在处理区域2中设置有容器5，容器5朝顶部打开。该容器5由四个垂直布置的侧壁6构成，其中设置有水平的构建平台7以容纳待生产的零件。在图1中，由于是剖视图，所以只有三个侧壁是可见的。
[0045]
构建平台7具有活塞/气缸单元作为高度调节机构8，通过该高度调节机构8，构建平台7可以垂直调节。
[0046]
设备1还包括一个储存罐9，该储存罐被设计成用于容纳可以固化的粉末状原始材料，例如砂。
[0047]
储存罐9通过柔性管10连接到施加设备11。施加设备11用于将基础材料带到构建平台7上。施加设备是涂覆设备，利用该涂覆设备可以将预定厚度的层连续地施加到构建平台7上。施加设备11具有狭缝状喷嘴12，利用该喷嘴可以将来自储存罐9的粉状材料以薄层形式施加到构建平台7的整个宽度上。为此目的，施加设备11可滑动地被安装在轨道13上，使得施加设备11可以覆盖构建平台7上的整个区域，并且也可以被布置在室壁3的区域之外的短距离处(图1)。轨道13(由于部分截面，图1中仅示出了轨道13的一个)也被布置在室壁3的区域之外，使得当室壁3降低时它们不会阻碍室壁3。
[0048]
工作平面14是在每种情况下都能找到待固化粉状材料的最顶层的表面的平面。高度调节机构8优选地受到控制，使得工作平面14始终位于相同的水平或在预定的水平区域内。
[0049]
此外，喷雾嘴15被布置在工作平面14上方的区域中，喷雾嘴15可通过定位设备16在平行于工作平面的平面内自由移动。定位设备16具有滑块17，滑块17上安装有喷雾嘴15。滑块17可移动地被安装在轨道18上。轨道18又可移动地被安装在平行于工作平面14的平面内的两条轨道19上，其方向横向于其纵向方向，使得一方面喷雾嘴15可以覆盖构建平台7上的整个区域，并且另一方面整个定位设备16可以被移出处理区域2。
[0050]
喷雾嘴15与其喷嘴孔垂直向下对齐，并通过泵21和粘合剂储存罐22连接到粘合剂线20。喷雾嘴15被设计成垂直向下引导粘合剂的细射流。原则上，也可以提供多个喷嘴，这些喷嘴可以都是完全相同的，或者也设计成以不同尺寸的喷雾锥输送粘合剂。
[0051]
在多个喷嘴的情况下，某些喷嘴可以只分配给工作平面14上方的特定部分。在每种情况下，喷嘴都可以被安装在自由摆动的机器人臂上或具有多个轨道的轨道系统上，使得多个喷嘴可以彼此独立地被放置。
[0052]
构建平台7由导电材料制成，并经由高度调节机构8接地。容器5的侧壁6由非导电材料制成。
[0053]
处理区域2由导电顶板23朝向顶部界定，顶板23通过波导24被连接到用于生成rf辐射的rf发生器25。rf辐射具有至少为30khz且最大为300mhz的频率。在本实施例中，rf发生器被设计为发射27.12mhz的频率。要使用的具体频率取决于当地的法规，该法规通常只允许某些rf频率用于生产过程中民用。
[0054]
上述粘合剂喷射设备1的操作模式概述如下。
[0055]
使用施加设备11，将一薄层砂施加到构建平台7上。为此目的，砂(尤其是石英砂)通过管10从储存罐9中被抽出，并通过喷嘴12均匀地分布在构建平台7上。该层优选地以不超过1mm的厚度，并且尤其是不超过500μm的厚度被施加。然而，它们也可以更精细地被施加，例如以300μm的最大厚度。
[0056]
使用喷雾嘴15粘合剂喷洒待固化层的区域。对于粘合砂(尤其是石英砂)可以使用各种粘合剂，诸如例如基于呋喃或苯酚的粘合剂、硅酸盐粘合剂或聚合物。为此目的，粘合剂由泵21从粘合剂储存罐22输送到喷雾嘴15。
[0057]
重复施加砂层和用粘合剂逐个区域地喷涂砂层，直到获得具有所需高度的层结构26(图2)，其中形成待制造的三维零件4，其中相关的砂体被粘合剂润湿。在这里，可以根据工作过程中的需要生产具有任何所需轮廓和底切的三维零件4，这在非创成式生产方法中几乎是不可能的。
[0058]
如果层结构26完全形成，则将施加设备11和喷雾嘴15从处理区域2移除，并降低在所有侧面包围处理区域2的室壁3。室壁3优选地由导电材料制成，并且既不与顶板23接触也不与构建平台7接触。容器5的侧壁6由非导电材料制成。
[0059]
使用rf发生器25，rf辐射通过波导管24被施加在构建平台7和顶板23之间的区域中。构建平台7和顶板23用作电容器板。导电的室壁3从外部屏蔽电场。由于容器5的侧壁6是不导电的，因此它们不会削弱由构建平台7和顶板23形成的电容器内的电磁场。
[0060]
在本实施例中，顶板23是固定的，即不可移动的。在本发明的范围内，顶板的高度可调节也是有利的，使得在施加砂层并从处理区域2移除施加设备11和喷雾嘴15后，顶板23稍微降低，使得由构建平台7和顶板23组成的电容器的体积保持尽可能地小。如果顶板23被设计成其能够降低，则要么波导24被设置有在垂直方向上具有可变长度的伸缩部分，要么柔性同轴电缆被用作波导24。然而，对于高电功率，提供静态同轴导体作为波导24是有利的。
[0061]
在该方法中，三维零件4在整个层结构26中一次被固化。
[0062]
在三维零件4固化后，可以将其从容器5中移除，而未粘合的砂可以简单地从三维零件4中被分离出来。
[0063]
上述实施例用于生产砂芯和砂模。用这种方法，其它带有粘合剂的粉状材料也可以被制成三维零件。
[0064]
利用上述方法，粉状材料层可以连续地且顺序地被构建，以形成对应于粉末床方法的层结构26。在本发明的范围内，还可以根据固体自由成形制造方法，通过合适的压力喷嘴来压制粉状材料和粘合剂的粘性混合物。
[0065]
rf辐射的使用一方面可以实现整个三维零件4完全且均匀地固化，并且另一方面
也可以实现非常快速的固化，因为这可以在单个处理阶段或几个处理步骤中实现。
[0066]
在上述实施例中，使用带有喷嘴12的施加设备11用于砂的施加。在本发明的范围内，还可以使用其它施加设备(例如刮板)以将粉状材料摊铺成薄层，并在适用的情况下将其压实。利用这种施加设备，在容器5旁边布置了顶部开口的用于粉状材料的存储罐，并且粉状材料被从该存储罐中取出。
[0067]
三维物体也可以通过将粉状材料和粘合剂的混合物注射到模具中并通过rf辐射固化而制成。如上所述，这里可以使用电容器来施加rf辐射。未固化的物体被放置在电容器中并在那里受到rf辐射。
[0068]
注射也可以被用于生产砂芯或砂模。
[0069]
附图标记列表
[0070]
1 粘合剂喷射设备
[0071]
2 处理区域
[0072]
3 室壁
[0073]
4 三维零件
[0074]
5 容器
[0075]
6 侧壁
[0076]
7 构建平台
[0077]
8 高度调节机构
[0078]
9 储存罐
[0079]
10 管
[0080]
11 施加设备
[0081]
12 喷嘴
[0082]
13 轨道
[0083]
14 工作平面
[0084]
15 喷雾嘴
[0085]
16 定位设备
[0086]
17 滑块
[0087]
18 轨道
[0088]
19 轨道
[0089]
20 粘合剂线
[0090]
21 泵
[0091]
22 粘合剂存储罐
[0092]
23 顶板
[0093]
24 波导
[0094]
25 rf 发生器
[0095]
26 层结构