用于使用水溶性鑄模制造模制部件的方法以及用于其制造的材料系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于使用水溶性鑄模制造模制部件的方法以及用于其制造的材料系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]使用公知的注射成型方法制造的塑料部件的特點是高強度、良好的表面質量和低制造成本。這同樣適用于由模鑄混凝土、石膏或其它可硬化材料制造的部件。但是，制造相應的鑄模相對昂貴，因為它們需要高精度。
[0003]用于逐層構建物體的方法、例如諸如快速原型法的3D打印方法，可以實現(xiàn)快速和成本有效地以良好的精度制造物體。因此，期望使用此類型的方法，以制造可硬化材料的鑄模。然而，通過逐層構建方法制造的鑄模的孔隙率對表面質量、可硬化材料的凝結和模具填充行為產(chǎn)生不利影響。
[0004]對從模具中取出鑄件的問題迄今也沒有得到滿意的解決。
[0005]DE 691 25 064 T2描述了一種用于在模具中鑄造產(chǎn)品的方法，其使用復雜的形狀、諸如底切或空腔構造。在該方法中，制成了由顆粒材料、以及水溶性碳水化合物制成的水溶性鑄模型芯，其可以在鑄造后用水溶解。然而，由于模具在邊界表面不具有多孔性，可鑄材料不能滲入模具。
[0006]DE 195 25 307 Al公開了一種由利用結合劑固化的干物質而制成的鑄造型芯。在制成鑄件后，用水將該鑄造型芯溶解、沖掉。該鑄造型芯由干沙或珍珠巖以及磷酸氫二鈉作為水溶性結合劑而制成。
[0007]DE 10 2005 019 699 B3描述了一種用于由金屬鹽顆粒制造3D物體作為鑄?；蜩T造型芯的方法。為此，在逐層構建方法中使用了 3D物體，其由包括單價或多價、水溶和/或醇溶(alcohol-soluble)金屬鹽的顆粒制成。
[0008]上述引用的任何現(xiàn)有技術的文獻都沒有公開或教導本發(fā)明。
[0009]使用由使用基于粉末床的逐層構建法制造的鑄模的顯著缺點在于其孔隙率，這是由使用粉末材料導致的。該孔隙率構成由水凝性材料制造精確且尺寸準確的鑄件的障礙。
[0010]已知方法的另一個缺點是:容易地和完全地從所制造的模制部件分離鑄造過程所需的模具的性能。此外，根據(jù)現(xiàn)有技術的吸收性部件不適合用來處理水硬性鑄造材料。

【發(fā)明內容】

[0011 ] 本發(fā)明的目的是提供一種屬于開始所述技術領域的方法，該方法能利用使用逐層構建法制造的鑄模來制造模制部件，促進了精確且尺寸準確的鑄造和簡單地將模制部件從鑄模取出，或者為此至少減少或完全避免現(xiàn)有技術中的缺點。
[0012]該目的通過根據(jù)權利要求1限定的特征實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，在第一步驟中使用逐層構建法制造水溶性鑄模。特別是，該鑄模優(yōu)選地是使用基于粉末床的逐層構建法制造。在第二步驟中，用不溶于水的材料密封鑄模的表面。此后，通過用可流動的、可硬化材料填充鑄模來制造模制部件的鑄件。在鑄件固化后，用水溶液、特別是加熱的水溶液溶解鑄模。
[0013]通過用不溶于水的材料進行密封，存在于鑄模中的孔可以被封閉，而且，鑄模的可能的表面粗糙度可能得到平滑化。如此，即使是在基于粉末床的逐層構建法中制造的鑄模中，也可以制成促進尺寸準確且精確的鑄件的光滑的表面。由于鑄模是由水溶性材料制成，可以用水溶液容易且快速地從固化的模制部件去除，同時可洗掉用于密封的不溶于水的材料。令人驚奇的是還發(fā)現(xiàn)，通過密封工藝，在鑄模的表面上沒有發(fā)生可流動的硬化材料的顯著滲透。
[0014]因此，本發(fā)明提供了復雜的鑄模，其可容易、快速且經(jīng)濟高效地用3D打印制造。此夕卜，不僅可以利用根據(jù)本發(fā)明制造的鑄模來制造復雜的鑄模，而且，由于在鑄造后可以將鑄模去除，可以在鑄件中進行底切。
[0015]令人驚奇的是，清洗步驟可以這種方式很容易進行，并且鑄模可以完全被去除。通過根據(jù)本發(fā)明的方法，使用少量的材料、能量和時間，就能以在成本有效的工作步驟中迅速且完全地移除部件。
[0016]更令人驚奇的是，可以容易地制造密封，并且可以實現(xiàn)非常良好的鑄造效果。而人們會預期看到鑄造材料在密封和鑄模中的顯著滲透，并從而預期到鑄造的不精確。然而，在根據(jù)本發(fā)明方法使用的方法步驟以及所選擇的密封工藝中并不是這樣，可以實現(xiàn)非常良好的鑄造質量。因此，可以在很寬的工藝窗口中實現(xiàn)異常地好的表面。
[0017]使用根據(jù)本發(fā)明的方法和材料的特殊組合，現(xiàn)在可以避免因3D打印期間所造成的孔隙率以及對于鑄件的負面的、所不期望的不精確度。出乎意料的是，使用在鑄造步驟促進高精度的根據(jù)本發(fā)明的方法，可以實現(xiàn)非常高的表面質量。
[0018]在本申請中“水溶性材料”是指在過量的水或水溶液中完全溶解的材料。過量是指水或水溶液的體積是至少等于或大于要溶解的材料的體積。特別是，水溶性材料的溶解度大于I克每升。
[0019]鑄件具有待制造的模制部件的外部形狀的至少一個負模型。用逐層構建法制造的鑄模優(yōu)選地還包括形成待制造的模制部件中的內部形狀或空腔的型芯。特別是，根據(jù)本發(fā)明的鑄模具有復雜的幾何形狀，如底切。
[0020]所有在現(xiàn)有技術公知的逐層構建法、例如熔融沉積成型都可以使用作逐層構建法。在該方法中，通過在空間中可動的擠壓機噴嘴逐層地涂覆水溶性材料。然而，特別優(yōu)選地是使用基于粉末床的逐層構建法，其中，顆粒材料以薄層涂覆到平臺上，計算機控制的打印頭基于所存儲的數(shù)字化數(shù)據(jù)用結合劑選擇性地打印一些區(qū)域，以用于使這些區(qū)域結合。隨后，在該方法結束而沒有結合的多余的顆粒材料，可以從已結合的材料移除和例如再使用。
[0021]原則上所有從現(xiàn)有技術已知的3D打印用材料都可以用作顆粒材料，例如沙、石膏、熱塑性塑料、以及金屬、礦物、硅酸鹽或陶瓷粉末。在本申請范圍中使用的術語“顆粒材料”包括粒狀材料以及纖維材料、諸如纖維素纖維、木纖維、草纖維等。水溶性結合劑用作結合劑、諸如至少一種多糖、蛋白質、鹽、硅酸鹽、鞣質、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或它們的混合物。
[0022]該鑄模在用不溶于水的材料密封表面之前優(yōu)選進行清潔。此外，鑄模的表面在密封之前也可以例如通過研磨進行機加工處理。
[0023]在本申請的意義內“不溶于水的材料”是指在水中沒有或只有非常低的溶解度，例如小于I克每升的材料。為了在用熱水溶解鑄模時避免由具有低玻璃化轉變溫度的可硬化材料制造的模制部件的可能的變形，特別是，可以使用非常低熔點的蠟或脂肪。
[0024]在本申請的意義內，“可硬化材料”理解為通過化學反應從可流動狀態(tài)轉變?yōu)橛不癄顟B(tài)的材料。特別是通過縮聚、加聚或離子聚合而發(fā)生聚合反應的材料。特別地，可硬化材料優(yōu)選地包括水凝性材料，即具有吸濕性能和以晶體結構將水存儲為結晶水的材料，其中該材料由于晶體結構的形成而硬化。
[0025]該材料優(yōu)選包含水泥結合性材料、磷酸鋅黏固劑、石膏、硫酸鈣(硬石膏)以及聚亞氨酯、環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚酯和/或聚酰亞胺、以及可生物降解的塑料。應理解，鑄模所填充的可硬化材料包括硬化材料的基材或相應聚合物的單體。因此，例如異氰酸酯和用以形成聚氨酯的多羥基化合物。為了生成模制部件的鑄件，材料是可流動的，即具有足夠小的粘度以允許用該材料填充鑄模。
[0026]原則上，所有不需要為了進行固化除去溶劑的系統(tǒng)都適合。這包括所有的雙組分塑料系統(tǒng)。在一個特別優(yōu)選的具體實施例中，將玻璃纖維增強化材料引入鑄模中，然后將鑄模用雙組分鑄造聚氨酯填充。對于在硬化期間表現(xiàn)出強烈放熱反應的材料，也可以進一步從外部冷卻該鑄模，以防止將用于密封鑄模的表面的不溶于水的材料熔化。
[0027]在本申請的意義上“水溶液”是指以大于50%、優(yōu)選大于75%的體積比例包含水的溶液。特別優(yōu)選的是使用純水作為水溶液，特別是蒸餾水。
[0028]水溶液特別優(yōu)選地被加熱用于溶解鑄模，也就是說，它具有比20°C的典型室溫高的溫度，如80°C。特別地，選擇所用的不溶于水的材料的熔化溫度之上的溫度。結果，不溶于水的材料可以從模制部件的鑄件迅速和可靠地移除，同時，鑄模被溶解。
[0029]用于制造水溶性鑄模的材料的選擇和不溶于水的材料的選擇優(yōu)選是這樣地進行:在鑄模溶解后這些材料可以容易地從水溶液分離，并分別再利用。例如，不溶于水的材料可以在水溶液冷卻后結晶，而鑄模的水溶性材料可從水溶液過濾出來。
[0030]鑄模優(yōu)選地在3D打印工藝中制造。特別優(yōu)選在基于粉末床的3D打印工藝中制造。
[0031]鑄模的表面優(yōu)選地通過浸在浴槽中、通過在其上噴霧和/或通過在其上涂刷而用不溶于水的材料密封。優(yōu)選的是，不溶于水的材料在密封之前通過加熱到熔化溫度之上而液化。可替代地，不溶于水的材料還可以由揮發(fā)性有機溶劑溶解而作為有機溶液施加到鑄模的表面，在溶劑完全蒸發(fā)后在鑄模的表面上留下一層不溶于水的材料。
[0032]在用材料填充鑄模時，優(yōu)選地將欠壓或過壓施加于鑄模、和/或使其受到震動或升溫。這使得可以確保用可流動、可硬化材料完全填充存在于鑄模中的模制部件的負模型。
[0033]如果使用水泥粘合材料，可以特別是在鑄件中包含強化材料。這些增強材料可配置為絲網(wǎng)、玻璃纖維布或等效結構。然而，水泥材料必須設為低粘度以用于填充鑄?！，F(xiàn)有技術公知的流動性改善添加劑、球形聚集體或特殊沙層適用于此目的。通過額外地引入空心玻璃球，可以由極輕水泥材料使用根據(jù)本發(fā)明的方法制造模制部件。
[0034]雖然不必，但可以進行強化。同樣地，可將其它填料加入到材料中，特別是短纖維或納米顆粒，以用于強化模制部件。
[0035]特別地，可以使用根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選制造彈性模制部件。雙組分硅樹脂由于其相對低的粘度而特別適用于該目的。
[0036]鑄模優(yōu)選地通過浸在含有水溶液的浴槽中而溶解。該溶解優(yōu)選通過鑄模在浴槽內的運動或通過升溫和/或通過施加超聲波而被加速。
[0037]可使該鑄模在浴槽中積極地移動，例如，通過用手使其來回移動?？纱娴?，可以將浴槽置于搖桿上，或可利用混合裝置將水溶液設成運動。溫度上升優(yōu)選通過浴槽設于其上的外部熱源或通過浸沒式加熱系統(tǒng)來進行。超聲波的施加優(yōu)選地在市售超聲波浴槽中進行。
[0038]特別優(yōu)選的是，鑄模的溶解發(fā)生在壓熱器中。由于壓熱器中產(chǎn)生的過壓和高熱量流，可從快速且無殘留物地將根據(jù)本發(fā)明的鑄模和用于密封的不溶于水的材料從模制部件的鑄件除去。
[0039]特別地，鑄造聚酰胺用作不溶于水的材料?！拌T造聚酰胺”是指一種熱塑性材料，其由己內酰胺通過離子聚合而得到。
[0040]本發(fā)明的另一個目的是提供一種材料系統(tǒng)用于制造水溶性鑄模，其特別是