DE102005009636B4 - Method of generating a sand mold generatively - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Sandform im Wege des generativen 3D-Druckverfahrens mit Hilfe eines säurehärtbaren Bindemittelsystems auf der Basis einer säurehärtbaren Harzkomponente, der mindestens eine stickstoffhaltige Verbindung zugesetzt ist, wobei ein Formsand mit Arylsulfonsäure als Härter vorgemischt und das Sand/Säuregemisch schichtweise mit der stickstoffhaltigen Harzkomponente bedruckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine stickstoffhaltige Verbindung der säurehärtbaren Harzkomponente mit einem Stickstoffanteil von 2 bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtharz, zugesetzt wird, wobei die mindestens eine stickstoffhaltige Verbindung aus der Gruppe Harnstoff, Harnstoff/Formaldehydharze, Melamin und Melamin/Formaldehydharze ausgewählt ist, und die Arylsulfonsäure mit einem Gewichtsanteil von 10 bis 65% der Gesamtharzmenge verwendet wird.A method of making a sand mold by the additive 3D printing method using an acid curable binder system based on an acid-curable resin component having added thereto at least one nitrogen-containing compound, wherein a molding sand is premixed with arylsulfonic acid as a hardener and the sand / acid mixture is layered with the nitrogen-containing resin component is printed, characterized in that the at least one nitrogen-containing compound of the acid-curable resin component having a nitrogen content of 2 to 6 wt .-%, based on the total resin, is added, wherein the at least one nitrogen-containing compound from the group urea, urea / formaldehyde resins, Melamine and melamine / formaldehyde resins is selected, and the arylsulfonic acid is used in a proportion by weight of 10 to 65% of the total amount of resin.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Sandform nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for producing a sand mold according to the preamble of patent claim 1.

Aus der DE 102 24 981 A1 ist ein generatives 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Sandformen mit Hilfe eines Zweikomponenten-Bindemittelsystems bekannt, bei dem ein Formsand/Harzgemisch in übereinanderliegenden Schichten aufgebracht und an jeder einzelnen Schicht mit dem Härter des Bindemittelsystems bedruckt wird, so dass ein individuell geformter Festkörper entsteht, der nach Ablauf der Reaktionszeit des Bindemittelsystems als integrale Metallgussform aus dem umliegenden, ungebundenen Materialbett entnommen werden kann. An ein hierfür, aber auch generell zur Sandformherstellung geeignetes Bindemittelsystem werden hinsichtlich kurzer Reaktionszeiten, geringer Ausgasung während des Gussvorgangs und erzielbarer Sandformfestigkeit hohe Anforderungen gestellt.From the DE 102 24 981 A1 is a generative 3D printing process for producing sand molds using a two-component binder system known in which a molding sand / resin mixture applied in superimposed layers and printed on each individual layer with the hardener of the binder system, so that an individually shaped solid is formed, the can be removed as an integral metal mold from the surrounding, unbound material bed after the reaction time of the binder system. To a, but also generally suitable for sand mold production binder system high demands are made in terms of short reaction times, low outgassing during the casting process and achievable sand mold strength.

So ist aus der DE 101 36 365 A1 ein CO2-härtbares Bindemittelsystem bekannt, bei welchem der Harzkomponente mindestens eine stickstoffhaltige Verbindung, insbesondere Harnstoffharz, zugemischt ist, um dadurch die mechanische Festigkeit der resultierenden Sandform zu erhöhen. Nachteilig dabei ist, dass die so gefertigten Sandformen ein verstärktes Ausgasungsverhalten während des Abgusses aufweisen, was zum Einschluss von Gasblasen bei der Erstarrung der Metallschmelze und demzufolge zu Porositäten und Lunkerbildungen im Gussteil führt.So is out of the DE 101 36 365 A1 a CO 2 curable binder system is known in which the resin component at least one nitrogen-containing compound, in particular urea resin, is mixed, thereby increasing the mechanical strength of the resulting sand mold. The disadvantage here is that the sand molds thus produced have an increased outgassing behavior during the casting, which leads to the inclusion of gas bubbles in the solidification of the molten metal and consequently to porosities and voids forming in the casting.

Aus EP 0 540 837 B1 ist ein säurehärtbares Bindemittelsystem für Sandformen auf der Basis von Furfurylalkohol bekannt, dem ein Harnstoffharz in einer Menge zugesetzt wird, dass das Gesamtharz einen Stickstoffanteil von 2,5 bis 2,8 Gew.-% aufweist.Out EP 0 540 837 B1 discloses an acid-curable binder system for furfuryl alcohol-based sand molds to which a urea resin is added in an amount such that the total resin has a nitrogen content of 2.5 to 2.8% by weight.

Aus US 5,932,628 A ist ein Bindemittel aus einer Harzkomponente aus Furfurylalkohol, Harnstoff und Formaldehyd mit einem Stickstoffanteil der Harzkomponente in dem Bindemittel von 0,4 bis 4 Gew.-% und Sulfonsäure als Härter bekannt.Out US 5,932,628 A For example, a binder of a resin component of furfuryl alcohol, urea and formaldehyde having a nitrogen content of the resin component in the binder of 0.4 to 4% by weight and sulfonic acid as a hardener is known.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der WO 2004/110 719 A2 bekannt, wobei dort als stickstoffhaltige Verbindung Harnstoff-Formaldehyd eingesetzt wird, wobei keine Mengenangaben vorhanden sind.A generic method is from the WO 2004/110 719 A2 known, there being used as nitrogen-containing compound urea-formaldehyde, wherein no amounts are available.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein generatives 3D-Druckverfahren und ein hierfür geeignetes Bindemittelsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ein geringes Ausgasungsverhalten während des Gussvorgangs und zugleich eine hohe Festigkeit der mit dem Bindemittelsystem gefertigten Sandformen bei verkürzten Reaktionszeiten gewährleistet.The object of the invention is to provide a generative 3D printing method and a suitable binder system of the type mentioned, which ensures a low outgassing behavior during the casting process and at the same time a high strength of the sand molds made with the binder system with shorter reaction times.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.This object is achieved by the characterized in claim 1 method.

Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, dass eine Festigkeitserhöhung durch Zugabe einer stickstoffhaltigen Verbindung nicht zwangsläufig mit einer erhöhten Ausgasung des Bindemittelsystems während des Abgusses verbunden ist, sondern sich das gussstörende Ausgasungsverhalten überraschenderweise durch eine Stickstoffzugabe zur säurehärtbaren Harzkomponente sogar noch signifikant verringern lässt, wenn der Stickstoffanteil an der Gesamtharzmenge innerhalb definierter Grenzen gehalten und zusätzlich ein spezieller Härter mit einem, bezogen auf die Harzmenge, ebenfalls begrenzten Gewichtsanteil verwendet wird, mit dem Ergebnis, dass die resultierenden Sandformen eine hohe Bruch- und Biegefestigkeit aufweisen und dennoch eine qualitativ hochwertige, von Porositäten und Lunkern weitgehend freie und maßgenaue Gussteilfertigung sicherstellen.The invention is based on the finding that an increase in strength due to the addition of a nitrogen-containing compound is not necessarily associated with increased outgassing of the binder system during the casting, but surprisingly can even significantly reduce the casting-disturbing outgassing behavior by adding nitrogen to the acid-curable resin component, if the nitrogen content held on the total amount of resin within defined limits and in addition a special hardener with a, based on the amount of resin, also limited weight fraction is used, with the result that the resulting sand molds have a high breaking and bending strength and yet a high-quality, of porosities and Ensure largely free and dimensionally accurate castings.

Ein weiterer, vor allem in Verbindung mit dem generativen 3D-Druckverfahren wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Bindemittelsystems liegt in den verkürzten Reaktionszeiten und den sich daraus ergebenden, höheren Produktionsgeschwindigkeiten. Dabei wird der Formsand vorzugsweise mit dem Härter des Bindemittelsystems vorgemischt und das Sand/Härtergemisch schichtweise mit der stickstoffhaltig angereicherten Harzkomponente bedruckt, wodurch die Sandformfestigkeit nochmals gesteigert werden kann.Another essential aspect of the binder system according to the invention, especially in connection with the generative 3D printing process, is the shortened reaction times and the resulting, higher production speeds. In this case, the molding sand is preferably premixed with the curing agent of the binder system and the sand / hardener mixture is printed in layers with the nitrogen-containing enriched resin component, whereby the sand resistance can be increased again.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die Reinigung des Druckkopfes: Während das generative 3D-Drucken mit einer durch eine stickstoffhaltige Verbindung, etwa Harnstoffharz, angereicherten Harzkomponente bisher zumeist daran scheiterte, dass die verstopfungsgefährdeten Druckerdüsen nicht oder nur mit unvertretbar großem Aufwand gereinigt werden konnten, lassen sich die Druckerdüsen von den Harzrückständen des erfindungsgemäßen Bindemittelsystems problemlos mit Hilfe eines aromatischen Alkohols, vorzugsweise Benzylalkohol, befreien.A particularly preferred embodiment of the method according to the invention relates to the cleaning of the printhead: While the generative 3D printing with a enriched by a nitrogen compound, such as urea resin, resin component so far mostly failed because the clogged printing nozzles could not be cleaned or only with unreasonable effort , can the printer nozzles of the resin residues of the binder system of the invention easily with the help of an aromatic alcohol, preferably benzyl alcohol free.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, als stickstoffhaltige Verbindung ein Harnstoffharz mit einem Gewichtsanteil an der Gesamtharzmenge von etwa 4% und als Härter Xylolsulfonsäure mit 30 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtharz, auszuwählen.It has proven to be particularly advantageous to select as the nitrogen-containing compound a urea resin having a weight fraction of the total resin amount of about 4% and as a curing agent xylene sulfonic acid having from 30 to 50% by weight, based on the total resin.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben, in deren einziger Figur eine generative 3D-Druckanlage in stark schematisierter Darstellung gezeigt ist.The invention will be described in more detail below with reference to an embodiment in conjunction with the drawing, in the single figure of a generative 3D printing system is shown in a highly schematic representation.

Die in der Zeichnung gezeigte Druckanlage enthält einen Formsandbehälter 1, Vorratsbehälter 2 bis 4 für den Härter bzw. die Harzkomponente eines säurehärtbaren Bindemittelsystems sowie einen Reinigungsmittelbehälter 5. Als Härter ist eine Arylsulfonsäure, nämlich im Ausführungsbeispiel Xylolsulfonsäure vorgesehen, die Harzkomponente im Behälter 3 ist Furfurylalkohol, der Behälter 4 enthält Harnstoffharz oder eine äquivalente stickstoffhaltige Verbindung und das Reinigungsmittel im Behälter 5 besteht aus einem aromatischen Alkohol, z. B. Benzylalkohol.The printing unit shown in the drawing contains a molding sand container 1 , Storage container 2 to 4 for the hardener or the resin component of an acid-hardening binder system and a detergent container 5 , As a hardener, an arylsulfonic acid, namely xylene sulfonic acid provided in the embodiment, the resin component in the container 3 is furfuryl alcohol, the container 4 contains urea resin or an equivalent nitrogen-containing compound and the cleaning agent in the container 5 consists of an aromatic alcohol, eg. B. benzyl alcohol.

Der Formsand und die Xylolsulfonsäure werden zunächst im einem Mischer 6 vorgemischt und anschließend in übereinanderliegenden Schichten 7.1...7.n auf einen Träger 8 aufgebracht. Dabei wird jede einzelne Materialschicht 7 jeweils in einem individuell vorgegebenen Flächenbereich mittels eines Druckkopfes 9, welcher nach Art eines Tintenstrahldruckers mit selektiv ansteuerbaren Harzdüsen 10 ausgestattet ist, mit dem zuvor in einem Mischbehälter 11 mit Harnstoffharz angereicherten Furfurylalkohol bedruckt, so dass die Schichten 7.1...7.n in den bedruckten Materialzonen sukzessive aushärten und sich zu einem dreidimensional geformten Festkörper 12 verbinden, welcher aus dem umliegenden, ungebundenen Materialbett entnommen werden kann und dann z. B. einen – in der Zeichnung schraffiert dargestellten – Formkern einer (nicht gezeigten) Metallgussform bildet.The molding sand and the xylenesulfonic acid are first mixed in a mixer 6 premixed and then in superimposed layers 7.1 ... 7.n on a carrier 8th applied. Thereby every single material layer becomes 7 each in an individually predetermined surface area by means of a print head 9 , which in the manner of an ink jet printer with selectively controllable resin nozzles 10 equipped with the previously in a mixing vessel 11 imprinted with urea resin-enriched furfuryl alcohol, leaving the layers 7.1 ... 7.n in the printed material zones successively harden and become a three-dimensionally shaped solid 12 connect, which can be removed from the surrounding, unbound material bed and then z. B. a - shown in the drawing hatched - mold core of a (not shown) metal mold forms.

Im Hinblick auf kurze Aushärtzeiten, eine hohe Sandformfestigkeit und ein geringes Ausgasungsverhalten der Sandform 12 während des Metallgussvorgangs beträgt der Stickstoffanteil der Harnstoffzugabe an der Gesamtharzmenge 2 bis 6 Gew.-% und das Gewichtsverhältnis der Xylolsulfonsäure zur Gesamtharzmenge liegt zwischen 0,1 und 0,65. Als besonders günstig hat sich ein Stickstoffanteil von etwa 4 Gew.-% und ein Härter/Harzverhältnis von 0,3 bis 0,5 erwiesen.With regard to short curing times, a high sand resistance and a low outgassing behavior of the sand mold 12 During the metal casting operation, the nitrogen content of the urea addition to the total resin amount is 2 to 6 wt% and the weight ratio of the xylenesulfonic acid to the total resin amount is between 0.1 and 0.65. A nitrogen content of about 4% by weight and a hardener / resin ratio of 0.3 to 0.5 have proven particularly favorable.

Sehr einfach ist auch die Druckkopfreinigung, da sich Rückstände des Furfurylalkohol/Harnstoffharzgemisches mühelos mit Benzylalkohol aus den Druckerdüsen 10 entfernen lassen.Very easy is also the head cleaning, as residues of furfuryl alcohol / urea resin mixture effortlessly with benzyl alcohol from the printer nozzles 10 have it removed.

Claims (5)

Verfahren zum Herstellen einer Sandform im Wege des generativen 3D-Druckverfahrens mit Hilfe eines säurehärtbaren Bindemittelsystems auf der Basis einer säurehärtbaren Harzkomponente, der mindestens eine stickstoffhaltige Verbindung zugesetzt ist, wobei ein Formsand mit Arylsulfonsäure als Härter vorgemischt und das Sand/Säuregemisch schichtweise mit der stickstoffhaltigen Harzkomponente bedruckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine stickstoffhaltige Verbindung der säurehärtbaren Harzkomponente mit einem Stickstoffanteil von 2 bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtharz, zugesetzt wird, wobei die mindestens eine stickstoffhaltige Verbindung aus der Gruppe Harnstoff, Harnstoff/Formaldehydharze, Melamin und Melamin/Formaldehydharze ausgewählt ist, und die Arylsulfonsäure mit einem Gewichtsanteil von 10 bis 65% der Gesamtharzmenge verwendet wird.A method of making a sand mold by the additive 3D printing method using an acid curable binder system based on an acid-curable resin component having added thereto at least one nitrogen-containing compound, wherein a molding sand is premixed with arylsulfonic acid as a hardener and the sand / acid mixture is layered with the nitrogen-containing resin component is printed, characterized in that the at least one nitrogen-containing compound of the acid-curable resin component having a nitrogen content of 2 to 6 wt .-%, based on the total resin, is added, wherein the at least one nitrogen-containing compound from the group urea, urea / formaldehyde resins, Melamine and melamine / formaldehyde resins is selected, and the arylsulfonic acid is used in a proportion by weight of 10 to 65% of the total amount of resin. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die säurehärtbare Harzkomponente Furfurylalkohol ist.A method according to claim 1, characterized in that the acid-curable resin component is furfuryl alcohol. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Druckkopfreinigung ein aromatischer Alkohol, vorzugsweise Benzylalkohol, verwendet wird.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that for printhead cleaning an aromatic alcohol, preferably benzyl alcohol, is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzkomponente aus einer Mischung aus Furfurylalkohol und Harnstoffharz mit einem Stickstoffanteil von etwa 4 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtharzmenge, besteht.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the resin component consists of a mixture of furfuryl alcohol and urea resin with a nitrogen content of about 4 wt .-%, based on the total amount of resin. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Härter Xylolsulfonsäure mit einem Gewichtsanteil von 30 bis 50% der Gesamtharzmenge verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that is used as a hardener xylene sulfonic acid with a weight fraction of 30 to 50% of the total amount of resin.
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